聚苯乙烯变温红外光谱研究

尉念伦，赵茉含，陈丽云，李 凤，高梦雅，罗普方，王 琪，于宏伟

(1.河北科技大学 材料学院，河北 石家庄 050018;2.石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035)

聚苯乙烯(Polystyrene，缩写 PS)是指由苯乙烯单体经自由基加聚反应合成的聚合物，其结构如图 1 所示。而聚苯乙烯纤维是一种较为新型高分子纤维，通常由静电纺丝法制备。聚苯乙烯纤维具有很强的疏水性能，作为一种特种纺织材料，可以吸附水相中芳环类污染物，因而被广泛应用在环境科学领域中[1-4]。此外，聚苯乙烯还可以和纤维素[5]、棉纤维[6]、及聚丙烯[7]等高分子材料聚合，生成特种复合纤维材料，在纺织工业里具有广泛的应用前途。红外光谱法广泛应用于高分子纤维材料的结构研究[8-12]，但聚苯乙烯纤维的研究却少见相关文献报道。因此，本文采用红外光谱及变温红外技术开展了聚苯乙烯结构及热稳定性研究。

图1 聚苯乙烯的分子结构

1 材料与方法

1.1 材料

聚苯乙烯(扬子石化-巴斯夫有限责任公司生产)

1.2 仪器与设备

Spectrum 100 型中红外光谱仪(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。

1.4 数据获得及处理

一维红外光谱数据获得采用 PE 公司 Spectrum v 6.3.5 操作软件；二阶导数红外光谱数据获得采用 PE公司 Spectrum v 6.3.5 操作软件，平滑点数为 13。

2 结果与分析

2.1 聚苯乙烯红外光谱研究

A 一维红外光谱

B 二阶导数红外光谱

4000 cm-1～ 600 cm-1的频率范围内首先开展了聚苯乙烯的一维红外光谱研究研究(图 2A)。根据文献报道[13-14]，3102 cm-1(νC-H-1)、3082 cm-1(νC-H-2)、3060 cm-1(νC-H-3)、3025 cm-1(νC-H-4)和3002cm-1(νC-H-5)频率处的红外吸收峰归属于聚苯乙烯分子中苯环上 C-H 伸缩振动模式(νC-H)；2921 cm-1频率处的红外吸收峰归属于聚苯乙烯分子中 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2)；2850 cm-1频率处的红外吸收峰归属于聚苯乙烯分子中 CH2对称伸缩振动模式(νsCH2)；1601 cm-1、1583 cm-1、1493 cm-1和1452 cm-1频率处的红外吸收峰归属于聚苯乙烯分子中苯环的骨架振动模式(ν-Benzene Skeleton)；1068 cm-1和 1028 cm-1频率处的红外吸收峰归属于聚苯乙烯分子中苯环上 C-H 面内弯曲振动模式(βCH)；964 cm-1和 906 cm-1频率处的红外吸收峰归属于聚苯乙烯分子中烯烃面外变形振动模式(γR=CH2)；而 750 cm-1和 695 cm-1频率处的红外吸收峰归属于聚苯乙烯分子中苯环上 C-H 面外弯曲振动模式(γCH)；进一步研究了聚苯乙烯的二阶导数红外光谱(图 2B)，其谱图分辨能力有一定的提高，相关红外光谱信息见后面表 1。

2.2 聚苯乙烯变温红外光谱研究

由于聚苯乙烯的官能团的红外吸收频率主要集中在 3100cm-1～ 2800cm-1、1650cm-1～ 1400cm-1、1100cm-1～ 900cm-1和780cm-1～ 680cm-1等四个频率区间，因此，本文主要在这四个频率区间内重点开展了聚苯乙烯的官能团的变温红外光谱研究，来进一步研究温度变化对于聚苯乙烯分子结构的影响。

2.2.1 3100 cm-1～ 2800 cm-1频率范围内聚苯乙烯变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在 3100 cm-1～ 2800 cm-1频率范围内，首先开展了聚苯乙烯的变温红外光谱研究(图 3A)。实验发现：随着测定温度的升高，聚苯乙烯νC-H-1、νC-H-2、νC-H-3对应的的红外吸收频率出现了红移现象，νasCH2对应的红外吸收频率出现了蓝移现象，而νC-H-4、νC-H-5和νsCH2对应的红外吸收频率不变，而相应的红外吸收强度均有所增加；进一步开展了聚苯乙烯的变温二阶导数红外光谱研究(图 3B)，其谱图分辨能力要优于相应的变温一维红外光谱，实验发现：随着测定温度的升高，聚苯乙烯νasCH2对应的红外吸收频率出现了蓝移现象，而νC-H-2、νC-H-5和νsCH2对应的红外吸收频率出现了红移现象，而νC-H-1、νC-H-3和νsCH4对应的红外吸收频率不变，而相应的红外吸收强度均有所增加，相关红外光谱数据见下页表 1。

2.2.2 1650 cm-1～ 1400 cm-1频率范围内聚苯乙烯变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在 1650 cm-1～ 1400 cm-1频率范围内，首先开展了聚苯乙烯的变温红外光谱研究(图 4A)。实验发现：随着测定温度的升高，聚苯乙烯ν-Benzene Skeleton-1、ν-Benzene Skeleton-2、ν-Benzene Skeleton-3和ν-Benzene Skeleton-4对应的红外吸收频率出现了红移现象，而相应的红外吸收强度均有所增加；进一步开展了聚苯乙烯的变温二阶导数红外光谱研究(图 4B)，则得到了同样的红外光谱信息，相关红外光谱数据见表 1。

2.2.3 1100 cm-1～ 900 cm-1频率范围内聚苯乙烯变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在 1100 cm-1～ 900 cm-1频率范围内，首先开展了聚苯乙烯的变温红外光谱研究(图 5A)。实验发现：随着测定温度的升高，聚苯乙烯γR=CH2-2对应的红外吸收频率出现了红移现象，而βCH-1、βCH-2和γR=CH2-1对应的红外吸收频率不变。随着测定温度的升高，聚苯乙烯官能团(包括：βCH-1、βCH-2、γR=CH2-1和γR=CH2-2)相应的红外吸收强度均有所增加；进一步开展了聚苯乙烯的变温二阶导数红外光谱研究(图 5B)，实验发现：随着测定温度的升高，聚苯乙烯βCH-1、γR=CH2-1和γR=CH2-2对应的红外吸收频率出现了红移现象，而βCH-2对应的红外吸收频率不变，而随着测定温度的升高，聚苯乙烯官能团(包括：βCH-1、βCH-2、γR=CH2-1和γR=CH2-2)相应的红外吸收强度均有所增加，相关红外光谱数据见下页表1。

2.2.4 780 cm-1～ 680 cm-1频率范围内聚苯乙烯变温红外光谱研究

A 变温一维红外光谱

B 变温二阶导数红外光谱

在 780 cm-1～ 680 cm-1频率范围内，首先开展了聚苯乙烯的变温红外光谱研究(图 6A)。实验发现：随着测定温度的升高，聚苯乙烯γCH-1对应的红外吸收频率出现了蓝移现象，γCH-2对应的红外吸收频率不变，而随着测定温度的升高，聚苯乙烯官能团(包括：γCH-1和γCH-2)而相应的红外吸收强度均有所增加；进一步开展了聚苯乙烯的变温二阶导数红外光谱研究(图 6B)，研究发现，随着测定温度的升高，苯乙烯γCH-1对应的红外吸收频率出现了红移现象，而γCH-2对应的红外吸收频率出现了蓝移现象。随着测定温度的升高，聚苯乙烯官能团(包括：γCH-1和γCH-2)而相应的红外吸收强度均有所增加，相关红外光谱数据见表 1。

表1 聚苯乙烯变温红外光谱数据(303 K ～ 393 K)

注：↑ 代表随着测定温度的升高，聚苯乙烯官能团对应的红外吸收强度增加；

根据表 1 数据可知，随着测定温度的升高，聚苯乙烯主要官能团对应的红外吸收频率和峰型没有显著变化，但红外吸收强度均有所增加。变温红外光谱进进一步证明，在 303 K ～ 393 K 的温度范围内，聚苯乙烯结构是基本稳定的。

3 结论

采用红外光谱技术开展了聚苯乙烯的结构研究。实验发现：聚苯乙烯存在着 νC-H、νasCH2、νsCH2、ν-Benzene Skeleton、βCH、γR=CH2和γCH等七种红外吸收模式。采用变温红外光谱技术进一步开展了聚苯乙烯的分子的热稳定性研究。实验发现：在 303 K ～ 393 K 的温度范围内，聚苯乙烯具有良好的热稳定性。本项研究拓展了变温红外光谱技术在聚苯乙烯分子热稳定性的研究范围，具有重要的理论研究价值。