聚氯乙烯变温衰减全反射红外光谱研究

于宏伟，吴贤，苏苗苗，关胜琴，孙佳玥，王鑫洁，刘磊，李乐泰，侯腾硕

( 石家庄学院化工学院，河北石家庄 050035)

聚氯乙烯变温衰减全反射红外光谱研究

于宏伟，吴贤，苏苗苗，关胜琴，孙佳玥，王鑫洁，刘磊，李乐泰，侯腾硕

( 石家庄学院化工学院，河北石家庄 050035)

0 引言

聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride 简称 PVC)是氯乙烯单体经加成聚合反应得到的高分子材料[1-2]，其分子结构如图 1 所示。PVC是一类重要的特殊纺织材料[3-4]，而热稳定性是影响聚 PVC 加工和使用的重要因素。PVC 材料性能与其结构密切相关，但常规的红外光谱技术由于制样的困难，很少用于研究 PVC 的分子结构。采用衰减全反式红外光谱(ATR-FTIR)[5-9]结合变温附件，可以方便研究温度变化对于 PVC 分子结构的影响，因而具有重要的理论研究价值和经济价值。

图1 PVC分子结构式

1 实验

1.1 材料

PVC(山西省榆社化工股份有限公司生产)

1.2 仪器与设备

Spectrum 100中红外光谱仪(美国 PE 公司出品)；ATR-FTIR 变温附件及控件(英国 Specac 公司出品)。

1.3 方法

每次实验以空气为背景，对于信号进行 8 次扫描累加，测温范围 303 K ～ 393 K。

2 结果与讨论

a PVC 的一维光谱

c PVC 的四阶导数光谱

d PVC 的去卷积光谱

研究发现：在 3000 cm-1～ 600 cm-1的频率范围内，PVC 主要存在着 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2)、CH 伸缩振动模式(νCH)、CH2对称伸缩振动模式(νsCH2)、CH2弯曲振动模式(δCH2)、CH 面内弯曲振动模式(βCH)、CH 面外弯曲振动模式(γCH)、CH2面外摇摆振动模式(ωCH2)和 C-Cl 伸缩振动模式(νC-Cl)等八种红外吸收模式。本文分别研究温度变化(303 K ～ 393 K)对于 PVC 的主要红外吸收官能团的影响。

2.1 PVC 的红外光谱研究

2.1.1 PVC 的νC-H的红外光谱研究

a PVC 的 νC-H一维光谱

b PVC 的 νC-H二阶导数光谱

c PVC 的 νC-H四阶导数光谱

3000 cm-1～ 2800 cm-1频率范围内首先开展了 PVC 的一维光谱的研究(图 3a)，其中 2970 cm-1频率处的红外吸收峰归属于 PVC 的νasCH2；而 2914 cm-1频率处的红外吸收峰则归属于 PVC 的νCH；PVC 的二阶导数光谱(图 3b)的分辨能力有了进一步的提高，其中 2850 cm-1频率处的红外吸收峰归属于 PVC 的νsCH2。而研究了 PVC 的四阶及去卷积光谱(图 3c 和 3d)则得到了同样的红外光谱信息。

2.1.2 PVC 的δCH2的红外光谱研究

a PVC 的 δCH2一维光谱

b PVC 的 δCH2二阶导数光谱

d PVC 的 δCH2 去卷积光谱

在 1450 cm-1～ 1400 cm-1的频率范围内研究了 PVC 的一维光谱(图 4a)。根据文献报道[7]，其中 1429 cm-1频率处的红外吸收峰归属于δCH2。而研究了 PVC 的导数光谱(图 4b 和 4c)，其中在 1435 cm-1和 1425 cm-1频率附近发现红外吸收峰[10-11]，前者归属于非晶态聚氯乙烯的δCH2-amorphous，而后者则归属于晶态 PVC 的δCH2- crystalline。而进一步研究 PVC 的去卷积光谱(图 4d)发现其分辨能力则明显要优于相应的导数光谱，其中δCH2除了在 1435 cm-1和 1425 cm-1频率附近发现红外吸收峰以外，还在 1430 cm-1和 1420 cm-1频率附近发现另外两个红外吸收峰。

2.1.3 PVC 的δCH的红外光谱研究

1340cm-1～ 1240 cm-1频率范围的红外吸收峰，主要归属于 PVC 的δCH。而δCH主要包括：PVC 的 βCH和 γCH。

a PVC 的 δCH一维光谱

b PVC 的 δCH二阶导数光谱

c PVC 的 δCH 四阶导数光谱

d PVC 的 δCH 去卷积光谱

在 1340 cm-1～ 1240 cm-1频率范围内首先开展了 PVC 的一维光谱的研究(图 5a)，其中 1330 cm-1频率处的红外吸收峰归属于 PVC 的 βCH，而 1250 cm-1频率处的红外吸收峰归属于 PVC 的 γCH。进一步研究了 PVC 的导数光谱(图 5b 和 5c)和去卷积光谱(图 5d)则得到了同样的红外光谱信息。

2.1.4 PVC 的 ωCH2的红外光谱研究

a PVC 的 ωCH2一维光谱

b PVC 的 ωCH2二阶导数光谱

c PVC 的 ωCH2 四阶导数光谱

1000 cm-1～ 950 cm-1频率范围内首先开展了 PVC 的一维光谱的研究(图 6a)，其中 970 cm-1～ 950 cm-1频率范围内较宽的红外吸收峰归属于 PVC 的ωCH2；而 PVC 的二阶导数光谱的分辨能力没有显著的提高(图 6b)；进一步研究了 PVC 的四阶导数红外光谱(图 6c)，其分辨能力有显著的提高，其中 968 cm-1频率处的红外吸收峰归属于 ωCH2，而PVC 的去卷积红外光谱(图 6d)则过于复杂，而并不能得到有效的红外光谱信息。

2.1.5 PVC 的νC-Cl的红外光谱研究

a PVC 的 νC-Cl一维光谱

b PVC 的 νC-Cl二阶导数光谱

d PVC 的 νC-Cl 去卷积光谱

在700 cm-1～ 600 cm-1的频率范围内研究了 PVC 的一维光谱(图7a)。根据文献报道[7]，637 cm-1频率处的红外吸收峰归属于 PVC 的结晶谱带中的 TTTT 间同结构的链结构，而 695 cm-1频率处的红外吸收峰则归属于 PVC非晶谱带中短程的全同 TGTG 结构。PVC 的二阶导数光谱(图7b)的分辨能力要优于一维光谱，其中位于 604 cm-1频率处的红外吸收峰归属于 PVC 结晶谱带中 TTTT 间同结构的链结构；进一步研究了 PVC 的四阶导数及去卷积光谱(图 7c 和 7d)发现：其分辨能力要进一步优于相应的二阶导数光谱，其中在 615 cm-1频率处发现新的红外吸收峰归属于 PVC 非晶区中的短程的间同 TT 结构。

2.2 PVC 的变温去卷积红外光谱研究

由于 PVC 的去卷积光谱的分辨能力要明显优于相应的导数及一维光谱。因此以 PVC的去卷积光谱数据为研究对象，进一步开展了温度变化对于 PVC 分子结构的影响(表 1)。

表1 PVC 的去卷积光谱数据(303 K ～ 393 K)

研究发现：随着测定温度的升高，PVC 的主要红外吸收官能团(包括：νasCH2、νCH、νsCH2、δCH2、βCH、γCH、ωCH2和νC-Cl)的红外吸收强度略有增加，但对应的红外吸收频率和峰型没有明显变化，这说明在短时间的加热过程中，PVC 具有良好的热稳定性，其结构并没有发生改变。

3 结论

本项研究采用变温 ATR-FTIR 技术，研究了 PVC 的红外光谱。实验发现：PVC 的官能团存在着νasCH2、νCH、νsCH2、δCH2、βCH、γCH、ωCH2和νC-Cl等八种红外吸收模式。随着测定温度的升高，PVC 官能团的红外吸收频率和峰型几乎没有变化，但吸收强度略有增加。本项研究则进一步证明 PVC 在303 K ～ 393 K的温度范围内，具有良好的热稳定性。

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TemperatureVariationandAttenuationTotalReflectionInfraredSpectroscopyResearchofPolyvinylChloride

YUHong-wei,WUXian,SUMiao-miao,GUANSheng-qin,SUNJia-yue,WANGXin-jie,LIULei,LILe-tai,HOUTeng-shuo

(School of Chemical Engineering, Shijiazhuang University, Shijiazhuang 050035)

Objective:The organic molecular structure of polyvinyl chloride (PVC) was characterized by Fourier transform attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR-FTIR). Methods: The experiment discovered that PVC had eight there were CH2asymmetric stretching vibration (νasCH2), CH stretching vibration (νC-H), CH2symmetrical stretch vibration (νaCH2), CH2scissoring bond vibration (δCH2), CH in-plane bending vibration (βCH), CH out-of-plane bending vibration (γCH), CH2wagging vibration(ωCH2) and C-Cl stretching vibration (νC-Cl)l. Results: In the temperature range 303 K-393 K, the PVC had good thermal stability. Conclusion: The study enlarged the research field of the application of the temperature-changing ATR-FTIR technology in thermal denaturation of PVC materials.

Infrared spectroscopy polyvinyl chloride thermal denaturation

2017-04-03

河北省科技厅科学技术研究与发展计划(12222802)，石家庄市科学技术研究与发展计划课题(171501232A)。

于宏伟(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：纺织材料的红外光谱研究。