红外光谱法对聚苯乙烯共聚物的鉴别
发布时间：2019-11-03作者：admin来源：点击：次
聚苯乙烯 (PS) 是五大通用树脂之一, 1925年德国I.G.Farben工业公司开始从事苯乙烯的工业生产开发, 1930年实现工业化生产[1]。其产量位于聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯之后, 名列第四。聚苯乙烯具有良好的尺寸稳定性、加工性、电绝缘性能以及优良的透明性而被广泛应用于汽车领域。然而由于其冲击性能差、脆性易裂、不耐热, 限制了在工业上的广泛应用。因而, 需对其进行改性研究。PS的改性始于20世纪60年初美国的DOW化学公司对HIPS的研发, 提高了PS的抗冲击性[2]。
PS的改性主要是通过共聚、共混、增强、增韧等方法[3], 成功地开发出了一系列高性能的产品。如:高抗冲聚苯乙烯 (HIPS) 、苯乙烯-丙烯腈共聚物 (SAN) 、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物 (MS) 、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 (ABS) 、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物 (SBS) 、丙烯酸酯-丙烯腈-苯乙烯共聚物 (AAS) 、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯共聚物 (MBS) 、高温ABS (苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺共聚物改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物) 等。随着苯乙烯共聚物用途的日益发展, 对苯乙烯共聚物的鉴别显得尤为重要。
在高分子材料成分剖析中, 红外光谱法是鉴定聚合物最有效的方法[4]。红外光谱法的特征性强、测试速度快、不破坏试样、试样用量少、操作简便、分析灵敏度较高, 对不同类型的苯乙烯共聚物进行定性, 具有很好地参考价值。
1 实验
1.1 样品
样品为原材料, 来源于国内外企业。
1.2 制样方法
红外光谱分析法有多种制样方式, 适用于苯乙烯共聚物的方法主要有三种, ATR法、热压薄膜法、氯仿溶解液成膜法, 本文的制样方法采用热压薄膜的方法。
1.3 仪器
傅里叶变换红外光谱仪 (FTIR) , Thermofish IS10。分辨率:4 cm-1, 波数范围:4000～400 cm-1, 样品扫描次数64次, 每次扫描样品后扫描背景。
2 结果与讨论
2.1 聚苯乙烯红外光谱图的特征
苯乙烯共聚物共同的红外特征峰是聚苯乙烯。它是无定性且无规的结构, 其红外光谱图见图1, 苯乙烯的=CH伸缩振动和苯环骨架振动在3100～3000 cm-1之间有五个特征的吸收带, 亚甲基-CH2-的反对称伸缩、对称伸缩对应2923 cm-1、2849 cm-1位置。苯环的环振动在1600 cm-1、1580 cm-1、1500 cm-1、1450 cm-1吸收带, 单取代苯环上氢原子的面内变角在1068 cm-1、1028 cm-1位置吸收, 单取代苯环上氢原子的面外变角振动在906 cm-1、757 cm-1、700 cm-1位置吸收, 且700 cm-1的吸收带强度高于757 cm-1[5]。由此可见, 通过700 cm-1、757 cm-1、906 cm-1、1580 cm-1、1600 cm-1、3100～3000 cm-1的吸收峰可以判定聚苯乙烯的存在。
图1 聚苯乙烯红外光谱图Fig.1 Infrared spectrogram of polystyrene
2.2 HIPS、SBS红外光谱特征峰的区别
HIPS是少量的聚丁二烯接枝到聚苯乙烯基体上, SBS是苯乙烯、丁二烯三嵌段共聚物。两者都是由苯乙烯单体和丁二烯单体组成, 红外光谱图很相似, 见图2。SBS的丁二烯吸收强度高于HIPS。最明显的差异在于材料本身。HIPS虽然接枝软段的聚丁二烯, 提高了聚苯乙烯的抗冲击性, 但是材料本身还是偏刚性的。而SBS是嵌段共聚物, 材料本身是一种弹性体材料。仅从红外光谱图很难区分HIPS和SBS的差异, 需要结合材料本身的刚性和弹性判定。
图2 HIPS和SBS对比红外光谱图Fig.2 Contrast infrared spectrogram of HIPS and SBS
2.3 SAN、ABS红外光谱特征峰的区别
SAN、ABS都有苯乙烯单体、丙烯腈单体, 2237 cm-1是-CN的反对称振动。ABS与SAN相比多了丁二烯单体, 从红外可知最大的差异在910 cm-1、966 cm-1、990 cm-1的吸收峰位置, 910 cm-1、990 cm-1是丁二烯的1, 2-加成, 966 cm-1是1, 4-反式加成。990 cm-1吸收峰弱, 说明可能有少量的1, 2-加成, SAN与ABS的比对图见图3。
图3 SAN和ABS对比红外光谱图Fig.3 Contrast infrared spectrogram of SAN and ABS
2.4 MS、MBS、AAS红外光谱特征峰的区别
MS、MBS、AAS共聚单体中都有丙烯酸酯, 1730～1735 cm-1吸收是-C=O的伸缩振动, 1270 cm-1、1246 cm-1是-C-O-C-的反对称伸缩振动, 1196 cm-1、1141 cm-1是-C-O-C-的对称伸缩振动。MS与MBS红外光谱图的差异在丁二烯910、966 cm-1。AAS与MBS的差异在丙烯腈-CN的2237 cm-1、丁二烯910 cm-1、966 cm-1的位置, 见图4。
图4 MS、MBS、AAS红外对比光谱图Fig.4 Contrast infrared spectrogram of MS、MBS and AAS
2.5 ABS与高温ABS红外光谱特征峰的区别
ABS属于非晶态聚合物, Tg在100℃左右, 耐热性一般, 影响了其应用范围。N-苯基马来酰亚胺的引入, 大大提高了ABS的耐热性。相比ABS红外光谱图, 高温ABS的红外图差异主要在于N-苯基马来酰亚胺, 1776 cm-1、1712 cm-1、1193 cm-1的吸收峰位置, 见图5。
图5 ABS和高温ABS红外对比光谱图Fig.5 Contrast infrared spectrogram of ABS and high temperature ABS
3 结论
红外光谱法是高分子材料定性最常用最普遍的测试方法。通过特征吸收峰的位置、形状、强弱可以区分不同的物质。苯乙烯共聚物的红外特征峰区别如下:
(1) PS的特征峰:3100～3000 cm-1五个吸收峰、1600 cm-1、1580 cm-1、906 cm-1、757 cm-1、700 cm-1;
(2) HIPS、SBS的特征峰:966 cm-1、906 cm-1、966 cm-1的吸收强度高于906 cm-1;
(3) MS的特征峰:1730 cm-1、1270 cm-1、1196 cm-1、1141 cm-1;
(4) ABS的特征峰:2237 cm-1、966 cm-1、906 cm-1, 966 cm-1的吸收强度高于906 cm-1;
(5) AAS的特征峰:2237 cm-1、1735 cm-1、1246 cm-1、1164 cm-1、966 cm-1、906 cm-1。但与ABS不同, 906 cm-1的吸收强度高于966 cm-1;
(6) MBS的特征峰:1730 cm-1、1199 cm-1、966 cm-1、906 cm-1、966 cm-1的吸收强度高于906 cm-1;
(7) 高温ABS:1777 cm-1、1712 cm-1、1186 cm-1。