聚乙烯醇中红外光谱研究

吴梦谣，张雅秀，李佳欣，康怡然，冯 汇，王晓萱，戎 媛，于宏伟

(石家庄学院 化工学院，河北石家庄050035)

聚乙烯醇具有强度高、韧性好和耐冲击力强等优点，广泛应用在医用布、无纺布及纺高支纱织物等纺织工业领域[1－5]。聚乙烯醇的应用与其特殊的高分子结构有关。中红外(MIR)光谱[6－11]和变温中红外(TD－MIR)光谱[12－18]广泛应用于高分子的结构及热稳定性研究，但聚乙烯醇相关研究少见报道。聚乙烯醇的玻璃化温度范围是348 K～358 K，而在不同使用温度下，聚乙烯醇的理化性能会发生一定的改变，相关研究具有重要的应用价值。因此，本文采用MIR光谱及TD－MIR光谱在温度为303 K～523 K的范围内，进一步探究了温度变化对于聚乙烯醇分子结构及热稳定性的影响，为聚乙烯醇在纺织工业中的应用提供了有意义的科学借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

聚乙烯醇(聚乙烯醇1799，分析纯，成都市科隆化学品有限公司)。

1.2 仪器与设备

Spectrum 100型中红外光谱仪(美国PE公司)；Golden Gate型ATR－MIR变温附件及控件(英国Specac公司)。

1.3 方法

1.3.1 红外光谱仪操作条件

以空气为背景，每次试验对于信号进行8次扫描累加；测温范围303 K～523 K，变温步长10 K。

1.3.2 数据获得及处理

聚乙烯醇分子的MIR及TD－MIR数据获得采用美国PE公司Spectrum v 6.3.5操作软件。

2 结果与分析

2.1 聚乙烯醇分子的MIR光谱研究

图1 聚乙烯醇分子MIR光谱(303 K)

在303 K温度下，首先采用MIR光谱开展聚乙烯醇的分子结构研究(图1)。根据文献报道[19－20]，3292.30 cm－1频率处的吸收峰归属于聚乙烯醇分子OH伸缩振动模式(νOH－聚乙烯醇)；2937.96 cm－1频率处的吸收峰归属于聚乙烯醇分子CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2－聚乙烯醇)；2907.36 cm－1频率处的吸收峰归属于聚乙烯醇分子CH2对称伸缩振动模式(νsCH2－聚乙烯醇)；1420.04 cm－1频率处的吸收峰归属于聚乙烯醇分子CH2弯曲振动模式(δCH2－聚乙烯醇)；1086.63 cm－1频率处的吸收峰归属于聚乙烯醇分子C－O伸缩振动模式(νC－O－聚乙烯醇)。

2.2 聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱研究

聚乙烯醇分子的玻璃化温度范围是348 K～358 K，因此分别在“303 K～343 K”、“343 K～363 K”和“363 K～523 K”这三个温度区间开展了聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱研究，并进一步考查了温度变化对聚乙烯醇分子结构的影响。

2.2.1 “第一温度区间”聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱研究

在“第一温度区间”，首先开展了聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱研究(图2)。

图2 聚乙烯醇分子TD－MIR光谱(303 K～343 K)

实验发现:随着测定温度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第一温度区间、νasCH2－聚乙烯醇－第一温度区间和δCH2－聚乙烯醇－第一温度区间对应的吸收频率发生了蓝移，而νsCH2－聚乙烯醇－第一温度区间和νC－O－聚乙烯醇－第一温度区间对应的吸收频率发生了红移。温度的升高，进一步破坏了聚乙烯醇分子间的氢键作用，因此聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第一温度区间对应的吸收频率发生了明显的蓝移。随着测定温度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第一温度区间、νasCH2－聚乙烯醇－第一温度区间、νsCH2－聚乙烯醇－第一温度区间、δCH2－聚乙烯醇－第一温度区间和νC－O－聚乙烯醇－第一温度区间对应的吸收强度增加。 聚乙烯醇分子其它官能团的TD－MIR光谱数据见表1。

表1 聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱数据(303 K～343K)

测试温度(K)聚乙烯醇分子主要官能团对应的吸收频率及强度cm－1(A)323 3303.80(0.09)，2937.89(0.07)，2906.84(0.08)，1716.24(0.03)，1587.68(0.02)，1420.14(0.09)，1375.42(0.07)，1322.85(0.09)，1237.83(0.07)，1141.47(0.11)，1086.20(0.16)，916.07(0.07)，842.94(0.12)，639.16(0.12)；333 3309.05(0.10)，2938.29(0.08)，2906.69(0.08)，1716.48(0.03)，1586.91(0.02)，1420.18(0.10)，1375.37(0.08)，1322.40(0.10)，1237.75(0.08)，1141.31(0.12)，1086.32(0.18)，915.36(0.08)，843.26(0.13)，607.12(0.15)；343 3307.88(0.11)，2938.48(0.09)，2906.63(0.09)，1716.45(0.04)，1584.01(0.03)，1420.28(0.11)，1375.47(0.08)，1322.39(0.10)，1237.46(0.09)，1141.17(0.13)，1086.06(0.19)，914.98(0.09)，843.59(0.15)，606.31(0.16)；

2.2.2 “第二温度区间”聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱研究

进一步在“第二温度区间”开展了聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱研究(图3)。

图3 聚乙烯醇分子TD－MIR光谱(343 K～363 K)

实验发现:随着测定温度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第二温度区间和νC－O－聚乙烯醇－第二温度区间对应的吸收 频 率 发 生 了 蓝 移，νasCH2－聚乙烯醇－第二温度区间和νsCH2－聚乙烯醇－第二温度区间对应的吸收频率发生了红移，而δCH2－聚乙烯醇－第二温度区间对应的吸收频率先发生蓝移后发生红移。随着测定温度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第二温度区间、νasCH2－聚乙烯醇－第二温度区间、νsCH2－聚乙烯醇－第二温度区间、δCH2－聚乙烯醇－第二温度区间和νC－O－聚乙烯醇－第二温度区间对应的吸收强度增加。 聚乙烯醇分子其它官能团的TD－MIR光谱数据见表2。

表2 聚乙烯醇分子TD－MIR光谱数据(343 K～363 K)

2.2.3 “第三温度区间”聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱研究

最后在“第三温度区间”开展了聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱研究(图4)。

图4 聚乙烯醇分子TD－MIR光谱数据(363 K～523 K)

实验发现:随着测定温度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第三温度区间和νsCH2－聚乙烯醇－第三温度区间对应的吸收 频 率 发 生 了 蓝 移，νasCH2－聚乙烯醇－第三温度区间和νC－O－聚乙烯醇－第三温度区间对应的吸收频率先发生蓝移后发生了红移，δCH2－聚乙烯醇－第三温度区间对应的吸收频率没有发生规律性的改变。随着测定温度的升高，聚乙烯 醇 分 子νasCH2－聚乙烯醇－第三温度区间、νsCH2－聚乙烯醇－第三温度区间、δCH2－聚乙烯醇－第三温度区间和νC－O－聚乙烯醇－第三温度区间对应的吸收强度增加，而νOH－聚乙烯醇－第三温度区间对应的吸收强度先增加后降低。聚乙烯醇分子其它官能团的TD－MIR光谱数据见表3。

表3 聚乙烯醇分子的TD－MIR光谱数据(363 K～523 K)

测试温度(K) 聚乙烯醇分子主要官能团对应的吸收频率及强度cm－1(A)473 3392.61(0.12)，2937.80(0.12)，2908.21(0.12)，1773.48(0.06)，1722.13(0.07)，1716.59(0.07)，1635.92(0.05)，1586.93(0.05)，1557.89(0.05)，1542.98(0.04)，1535.37(0.04)，1524.11(0.04)，1508.13(0.04)，1422.44(0.16)，1378.73(0.13)，1316.11(0.15)，1238.06(0.14)，1137.34(0.17)，1085.55(0.29)，1023.96(0.21)，909.03(0.12)，842.24(0.20)，671.34(0.15)，606.78(0.22)；483 3412.71(0.12)，2936.66(0.12)，2909.67(0.12)，1773.86(0.06)，1722.09(0.07)，1716.52(0.07)，1635.95(0.05)，1587.20(0.05)，1557.89(0.05)，1542.95(0.04)，1535.54(0.04)，1524.08(0.04)，1508.10(0.04)，1422.36(0.15)，1314.56(0.14)，1240.17(0.14)，1084.75(0.30)，908.71(0.12)，841.37(0.19)，671.25(0.15)，604.41(0.22)；493 3421.67(0.12)，2935.44(0.12)，2911.26(0.12)，1773.63(0.06)，1721.91(0.07)，1716.32(0.07)，1635.69(0.05)，1587.23(0.05)，1557.84(0.05)，1543.10(0.05)，1535.39(0.04)，1524.13(0.04)，1508.35(0.04)，1422.06(0.15)，1313.88(0.14)，1243.81(0.14)，1084.42(0.30)，839.51(0.18)，668.18(0.15)；503 3422.57(0.12)，2934.87(0.12)，2911.84(0.12)，1773.54(0.07)，1722.18(0.07)，1716.36(0.07)，1635.81(0.05)，1586.60(0.05)，1557.82(0.05)，1543.14(0.05)，1535.20(0.04)，1508.25(0.05)，1421.73(0.15)，1313.45(0.14)，1247.25(0.14)，1084.19(0.31)，839.11(0.18)，671.11(0.14)，603.42(0.22)；513 3437.81(0.12)，2934.48(0.12)，2911.88(0.12)，1773.38(0.07)，1722.12(0.07)，1716.15(0.07)，1635.58(0.05)，1584.16(0.05)，1557.82(0.05)，1543.30(0.05)，1535.04(0.04)，1508.22(0.05)，1416.39(0.15)，1313.34(0.14)，1246.95(0.14)，1084.27(0.32)，839.64(0.18)，671.45(0.14)；523 3437.73(0.11)，2934.42(0.12)，2911.72(0.12)，1722.49(0.07)，1716.07(0.07)，1583.27(0.05)，1557.86(0.05)，1543.32(0.05)，1535.08(0.05)，1508.11(0.05)，1500.30(0.05)，1416.56(0.15)，1313.20(0.15)，1247.37(0.14)，1084.04(0.32)，838.99(0.18)，668.51(0.14)；

3 结论

聚乙烯醇分子的主要红外吸收模式包括:νOH－聚乙烯醇、νasCH2－聚乙烯醇、νsCH2－聚乙烯醇、δCH2－聚乙烯醇和νC－O－聚乙烯醇。随着测定温度的升高，聚乙烯醇分子主要官能团对应的红外吸收强度和频率均发生明显的改变，而热稳定性进一步降低，并进一步进行了相关机理研究。本项研究为聚乙烯醇在纺织工业中的应用，提供了有重要意义的科学参考。