聚丙烯酸结构研究

吴梦谣，李佳欣，孟露，张雅秀，于宏伟

（石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035）

聚丙烯酸是一种水溶性高分子聚合物，可作为鞣剂的助剂应用在皮革工业中[1-3]。此外聚丙烯酸也应用于环境科学[4]、建筑科学与工程[5]、药学[6]、电力工业[7]、矿业工程[8]、金属工艺学[9]和农艺学[10]等领域。聚丙烯酸的广泛应用与其特殊的分子结构有关。中红外（MIR）光谱具有方便快捷的优点，广泛应用于物质结构研究领域[11-18]。因此，我们以聚丙烯酸为研究对象，分别开展了聚丙烯酸分子的MIR光谱及变温中红外（TD-MIR）光谱研究，为聚丙烯酸在皮革工业中的应用，提供了有价值的技术参考。

1 实验部分

1.1 材料

聚丙烯酸（广州美懿生物科技有限公司生产）。

1.2 仪器

Spectrum100型傅里叶红外光谱仪（美国PE公司），Golden Gate型单次内反射ATR-FTIR变温附件。

1.3 实验方法

1.3.1 MIR光谱实验方法

303 K的温度下，以空气为背景，每次试验对于聚丙烯酸分子的光谱信号进行8次扫描累加，测定频率范围4000 cm-1～600 cm-1。聚丙烯酸分子的MIR光谱数据的获得采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作软件。

1.3.2 TD-MIR光谱实验方法

303 K的温度下，以空气为背景，每次试验对于聚丙烯酸分子的光谱信号进行8次扫描累加，测定频率范围4000 cm-1～600 cm-1。采用变温附件，变温范围303 K～523 K，变温步长10 K。聚丙烯酸分子的TD-MIR光谱数据的获得采用PE公司Spectrum v6.3.5操作软件。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯酸分子MIR光谱研究

采用MIR光谱开展聚丙烯酸分子的结构研究（图1）。

图1 聚丙烯酸分子MIR光谱（303 K）Fig.1 MIR spectrum of polyacrylic acid molecule(303 K)

实验发现：2935.11 cm-1频率处的吸收峰归属于聚丙烯酸分子CH2不对称伸缩振动模式（ν(asCH2-聚丙烯酸)）；1696.66 cm-1频率处的吸收峰归属于聚丙烯酸分子C=O伸缩振动模式（ν(C=O-聚丙烯酸)）；1163.57 cm-1频率处的吸收峰归属于聚丙烯酸分子C-O伸缩振动模式（ν(C-O-聚丙烯酸)）。

2.2 聚丙烯酸分子TD-MIR光谱研究

在三个温度区间，采用TD-MIR光谱，进一步开展了聚丙烯酸分子的热稳定性研究。

2.2.1 第一温度区间聚丙烯酸分子TD-MIR光谱研究

在第一温度区间，首先开展了聚丙烯酸分子TD-MIR光谱研究（图2）。实验发现：随着测定温度的升高，聚丙烯酸分子ν(C=O-聚丙烯酸-第一温度区间)和ν(asCH2-聚丙烯酸-第一温度区间)对应的吸收频率没有规律性的改变，ν(C—O-聚丙烯酸-第一温度区间)对应的吸收频率红移；随着测定温度的升高，聚丙烯酸分子ν (asCH2-聚丙烯酸-第一温度区间)、ν(C=O-聚丙烯酸-第一温度区间)和ν(C-O-聚丙烯酸-第一温度区间)对应的吸收强度不断增加，其它官能团相关光谱数据见表1。

图2 聚丙烯酸分子TD-MIR光谱数据（303 K～373 K）Fig.2 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylicacid molecule(303 K～373 K)

表1 聚丙烯酸分子的TD-MIR数据（303 K～373 K）Tab.1 TD-MIR spectrum data of polyacrylic acid molecular(303 K～373 K)

2.2.2 第二温度区间聚丙烯酸分子TD-MIR光谱研究

在第二温度区间，进一步开展了聚丙烯酸分子TD-MIR光谱研究（图3）。实验发现：随着测定温度的升高，聚丙烯酸分子ν(asCH2-聚丙烯酸-第二温度区间)和ν(C=O-聚丙烯酸-第二温度区间)对应的吸收频率没有规律性的改变，ν(C—O-聚丙烯酸-第二温度区间)对应的吸收频率红移；随着测定温度的升高，聚丙烯酸分子ν (asCH2-聚丙烯酸-第二温度区间)对应的吸收强度先增加后降低，而ν(C=O-聚丙烯酸-第二温度区间)和ν(C-O-聚丙烯酸-第二温度区间)对应的吸收强度不断增加，其它官能团相关光谱数据见表2。

图3 聚丙烯酸分子TD-MIR光谱数据（383 K～473 K）Fig.3 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylicacid molecule(383 K～473 K)

表2 聚丙烯酸分子TD-MIR光谱数据（383 K～473 K）Tab.2 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylic acid molecule(383 K～473 K)

2.2.3 第三温度区间聚丙烯酸分子TD-MIR光谱研究

在第三温度区间，最后开展了聚丙烯酸分子TD-MIR光谱研究（图4）。实验发现：随着测定温度的升高，聚丙烯酸分子ν(asCH2-聚丙烯酸-第三温度区间)对应的吸收频率没有规律性的改变，ν(C-O-聚丙烯酸-第三温度区间)对应的吸收频率先蓝移后红移，ν(C=O-聚丙烯酸-第三温度区间)对应的吸收频率蓝移；随着测定温度的升高，聚丙烯酸分子ν(asCH2-聚丙烯酸-第三温度区间)对应的吸收强度不变，而ν(C=O-聚丙烯酸-第三温度区间)和ν(C-O-聚丙烯酸-第三温度区间)对应的吸收强度不断降低，聚丙烯酸分子其它官能团相关光谱数据见表3。

图4 聚丙烯酸分子TD-MIR光谱数据（483 K～523 K）Fig.4 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylicacid molecule(483 K～523 K)

表3 聚丙烯酸分子TD-MIR光谱数据（483 K～523 K）Tab.3 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylic acid molecule(483 K～523 K)

在303 K～523 K的温度范围内，聚丙烯酸分子ν(C=O-聚丙烯酸)对应的吸收频率出现了蓝移的趋势。这主要是因为，随着测定温度的升高，进一步破坏了聚丙烯酸分子间的氢键作用，而相应的聚丙烯酸分子的热稳定性则进一步降低。

3 结论

聚丙烯酸的红外吸收模式包括：ν(asCH2-聚丙烯酸)、ν(C=O-聚丙烯酸)和ν(C-O-聚丙烯酸)。随着测定温度的升高，聚丙烯酸分子ν(asCH2-聚丙烯酸)、ν(C=O-聚丙烯酸)和ν(C-O-聚丙烯酸)对应的吸收频率及强度均有明显的改变，而相应的分子热稳定性进一步降低。本文为研究聚丙烯酸的结构及热稳定性建立一个方法学，具有重要的应用研究价值。