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        傅立葉轉換紅外光譜FTIR儀器在橡膠工業中的應用

        作者: 時間:2013-04-09 來源:網絡 收藏
        雖然在有機化學里電磁光波的幾乎所有波段都被用來研究物質的結構屬性,但是我們的應用主要集中在能量吸收的三、四個波段范圍:紫外光和可見光區(簡稱UV-VIS);紅外區(IR);微波區;還有無線電波頻率吸收區。(IR)基本上被認為是振動光譜。又分三個區域:近紅外區(諧波區域,12500~4000cm-1),中紅外區(振動-轉動區域,4000~200cm-1)和遠紅外區域(轉動區域,200~10cm-1)。

        當紅外光穿過一個有機化合物的樣品時,它的某些頻率的波長被吸收,而其他頻率波長穿透樣品沒有被吸收。如果我們把吸光率或者透射率對頻率或者波長作圖,那么得到的就是一個圖。對一個非線性的分子來說(有n個原子),三個自由度用來描述它的轉動,還有三個自由度用來描述它的平動。剩下的3n-6個自由度是用來描述振動自由度或者說基本振動了。另外線性分子具有3n-5個振動自由度。除了基本振動外,其他頻率的波長主要靠調制得到。并不是光譜中所有的峰在分析中都是重要的,只有那些特征峰才是我們主要感興趣的。

        儀器

        以紅外頻率的測量為基準,紅外分光光度計主要分為兩種最基本的類型。第一種就是自然散射型,另外一種就是干涉儀型。前一種類型中,紅外光通過光柵散射器散射后被分為各個獨立的頻率光。在干涉儀類型的儀器里,紅外光頻率可以相互作用,從而產生干涉光類型。然后這種類型經過數學分析,運用技術,得到各個獨立的頻率以及它們的強度。

        紅外分光光度計由以下部分組成:

        ◆ 紅外源

        在分光光度計里主要用的紅外光發射源為:

        陶瓷器件保護下的鎳鉻鐵合金線;能斯特發光元件,即一根細燈絲,含有粘接在一起的鈾,釷和鈰氧化物;硅碳棒燈絲。

        以上光源工作時都是被電加熱到1200攝氏度到2000攝氏度

        ◆ 單色器

        早期主要是用棱鏡來分散射過來的光,而現在用的是散射光柵。光路通過光柵的反射后被分散,光柵在一個特定的角度時,便產生了干涉,因此在選擇一個特殊的反射角度,便得到相應的干涉光,也就得到了特殊的波長。

        ◆ 檢測器

        大多數散射型儀器都是采用熱電堆檢測器,這種檢測器由幾個熱電偶并列組合起來,這樣組合起來得到的輸出,靈敏度大大增強。在紅外光譜(FTIR)中,熱檢測器主要由焦熱電材料或者固態的半導體裝置組成,它們運用了光致發電的或者光致電導的原理。

        一般都是基于邁克遜干涉儀,這種干涉儀紅外光源發出的光束經過一個45度角的銀鏡后形成兩束光,這樣形成的光束互為直角。邁克遜干涉儀是一個很準確的裝置,可以通過干涉條紋來測量長度或者長度的改變。

        FTIR的優勢

        相比普通紅外光譜(IR),FTIR的優勢包括:能夠得到很高的靈敏度;信噪比有很大的提高;能夠很方便地研究少量樣品和材料,即使是它們的吸收非常微弱;在一次全頻光譜掃描中所耗費的時間不超過一秒鐘,這樣可以多次掃描,平均處理收集到的信號后,得到更好的光譜圖。

        目前大多數紅外光譜儀都是干涉儀類型(即紅外光譜儀)。這種儀器被廣泛用來做定性分析。但在橡膠和聚合物工業中,它不僅用來做定性分析,還用來做定量分析。

        FTIR在聚合物和橡膠業的應用

        在聚合物和橡膠生產技術中,經常用FTIR來表征各種性質。以下幾個部分介紹了FTIR在橡膠領域中的應用。在所有分析中使用的儀器是鉑金-愛爾默公司生產的型號2000傅立葉轉換紅外光譜儀。

        ◆ EVA聚乙烯-醋酸乙烯酯中醋酸乙烯含量的測定

        中,聚乙烯-醋酸乙烯酯被廣泛的用作聚合物例如丁苯橡膠,順丁橡膠等的包裝材料,也被用來制成袋子,包裝各種橡膠化學制品。EVA聚乙烯-醋酸乙烯酯的性質強烈依賴于其乙烯醋酸含量的多少。而FTIR可以用來測定EVA聚乙烯-醋酸乙烯酯中乙烯醋酸的含量。

        在紅外光譜中,乙烯醋酸中的甲基(-CH3)基團吸收峰大概是在1370cm-1附近,烷烴鏈當中的乙烯基團(-CH2-)吸收峰大概在720cm-1附近。得到已知各組分含量標準物質紅外譜圖后,將1370cm-1附近的吸光率比上720cm-1附近的吸光率的比值(A1370/A720),對乙烯醋酸含量比上乙烯含量的比值作圖,將會得到一條直線。利用得到的直線圖,如果知道未知樣品的吸收峰比率(A1370/A720),那么它的乙烯醋酸含量也可以計算出來。

        標準EVA聚乙烯-醋酸乙烯酯樣品薄膜的紅外譜圖經過基線校正后,可以得到1370cm-1附近的吸光率和720cm-1附近的吸光率。干凈透明的EVA聚乙烯-醋酸乙烯酯樣品薄膜被放置在電磁樣品架上,樣品架裝上樣品后,放入樣品池掃描。記錄的光譜波長范圍為1700-600cm-1,分辨率為4cm-1。總共進行5次掃描,取平均值,這樣可以得到更好的信噪比。這樣從光譜結果中可以計算得到1370cm-1附近的吸光率和720cm-1附近的吸光率,將得到的數值對相應的乙烯醋酸含量與乙烯含量的比值作圖。

        從標準校正圖我們可以得到直線的斜率M和截距C,于是

        Y=MX+C

        當中的Y指的是吸光率的比值,X指的是乙烯醋酸含量與乙烯含量的比值(A/B)。知道了X(A/B),并且有A+B=100,那么乙烯醋酸的含量便可以計算出來。

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