红外光谱在纤维素研究中的应用.docx

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红外光谱在纤维素研究中的应用

红外光谱在纤维素研究中的应用

摘要：

本文介绍了红外光谱及其进展，以纤维素为例，论述了红外在纤维素制备、接枝和复合材料中的应用。

关键词：

红外，纤维素，应用

一、前言

1.红外光谱及其进展

红外光谱

红外光谱又称为分子振动转动光谱。

红外光谱分析仪是按照物质的吸收特性来进行工作的。

许多化合物的分子在红外波段都有吸收带，而且因物质的分子不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。

按照吸收带散布的情形和吸收的强弱，能够识别物质分子的类型，从而得出物质的组成及百分比。

按照不同的应用和要求，红外光谱分析仪有多种不同的形式，如红外气体分析仪、红外光谱仪等。

目前主要有两类红外光谱仪：

色散型红外光谱仪和傅里叶红外光谱仪。

[1]

现代红外光谱议是以傅里叶变换为基础的仪器。

该类仪器不用棱镜或光栅分光，而是用干与仪取得干与图，采用傅里叶变换将以时刻为变量的干与图变换为以频率为变量的光谱图。

傅里叶红外光谱仪的产生是一次革命性的飞跃。

与传统的仪器相较，傅里叶红外光谱仪具有快速、高信噪比和高分辨率等特点。

更重要的是傅里叶变换催生了许多新技术，例如步进扫描、时刻分辨和红外成像等。

这些新技术大大的拓宽了红外的应用领域，使得的进展产生了质的飞跃。

[2]

红外吸收光谱分析方式主如果依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行测定。

因此，它在化学领域中的应用，大体上能够分为两个方面：

用于分子结构的基础研究和用于化学组成的分析。

前者，应用红外光谱能够测得分子的键长、键角，以此推断出分子的立体构型；按照所得的力常数能够明白化学键的强弱；由简正频率来计算热力学函数，等等。

可是，红外光谱最普遍的应用还在于对物质的化学组成进行分析。

用红外光谱法能够按照光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物结构依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量，加上此法具有快速、高灵敏度、检测试样用量少、能分析各类状态的试样等特点，因此，它已成为现代结构化学、分析化学最常常利用和不可缺少的工具。

[3]

红外光谱的进展

红外辐射是18世纪末，19世纪初才被发觉的。

1800年英国物理学家赫谢尔（Herschel）用棱镜使太阳光色散，研究各部份光的热效应，发此刻红色光的外侧具有最大的热效应，说明红色光的外侧还有辐射存在，那时把它称为“红外线”或“热线”。

这是红外光谱的萌芽阶段。

由于那时没有精密仪器能够检测，所以一直没能取得进展。

过了近一个世纪，才有了进一步研究并引发注意。

1892年朱利叶斯（Julius）用岩盐棱镜及测热辐射计（电阻温度计），测得了20几种有机化合物的红外光谱，这是一个具有开拓意义的研究工作，当即引发了人们的注意。

1905年库柏伦茨（Coblentz）测得了128种有机和无机化合物的红外光谱，引发了光谱界的极大轰动。

这是红外光谱开拓及进展的阶段。

 到了20世纪30年代，光的二象性、量子力学及科学技术的进展，为红外光谱的理论及技术的进展提供了重要的基础。

很多学者对大多数化合物的红外光谱进行理论上研究和归纳、总结，用振动理论进行一系列键长、键力、能级的计算，使红外光谱理论日臻完善和成熟。

虽然那时的检测手腕还比较简单，仪器仅是单光束的，手动和非商化的，但红外光谱作为光谱学的一个重要分支已为光谱学家和物理、化学家所公认。

那个阶段是红外光谱理论及实践慢慢完善和成熟的阶段。

 20世纪中期以后，红外光谱在理论上加倍完善，而其进展主要表此刻仪器及实验技术上的进展:

1947年世界上第一台双光束自动记录红外分光光度计在美国投入利用。

这是第一代红外光谱的商品化仪器。

20世纪60年代，采用光栅作为单色器，比起棱镜单色器有了专门大的提高，但它仍是色散型的仪器，分辨率、灵敏度还不够高，扫描速度慢。

这是第二代仪器。

20世纪70年代，干与型的傅里叶变换红外光谱仪及运算机化色散型的仪器的利用，使仪器性能取得极大的提高。

这是第三代仪器。

20世纪70年代后期到80年代，用可调激光作为红外光源代替单色器，具有更高的分辨本领、更高灵敏度，也扩大应用范围。

这是第四代仪器。

现代红外光谱仪朝着高精度、多功能方向进展，还同其它测试方式（如热分析、气相色谱、液相色谱等）联用，扩大了其利用范围。

而用运算机存贮及检索光谱，使分析更为方便、快捷。

[4]

二、红外光谱在纤维素研究中的应用

1.红外光谱在纤维素制备中的应用

石光等[5]以二甲基亚砜（DMSO）前处置过的棉纤维和没有通过二甲基亚砜前处置的棉纤维为原料用硫酸水解法制备了纤维素纳米粒子．IR分析表明两种情形下制得的纤维素纳米粒子和棉纤维具有相同的特征官能团。

蓝武等[6]以蔗渣为原料，采用超声波辅助对纤维素在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐中的溶解，制备出再生纤维素。

用红外进行表征，结果表明：

一、超声波辅助处置条件下纤维素未发生新的化学反映；二、超声波处置能够作为提高离子液体中纤维素溶解速度的有效方式；三、纤维素经离子液体处置后无定性区含量增加，经超声波辅助溶解并再生后，无定性区含量进一步增加。

C6位置的羟基所形成的氢键被破坏在采用较高功率的超声波辅助处置，会致使部份纤维素的氧化降解，生成羧基。

彭华峰等[7]用超声波预处置纤维素，并利用红外光谱对纤维素预处置前后的结构转变进行表征。

对原纤维素和处置后的样品进行红外光谱分析的结果显示，用超声波处置后，纤维素的特征峰没有任何的转变，可是在1430cm-1处的纤素I的特征峰向低波数方向移动，变成1426cm-1，表明纤维素II结晶变体出现，也就是说，这种纯粹的物理作用只是改变了纤维素的结晶度和晶格结构。

蒋玲玲等[8]将天然棉纤维经超声波预处置后用纤维素酶解制备出纳米纤维素晶体。

用FITR进行表征,结果表明所制备的纳米纤维素晶体仍维持着天然纤维素的大体化学结构。

2.红外光谱在纤维素接枝改性中的应用

柯金炼等[9]以丙烯酸、CMC（羧甲基纤维素）为原料．合成接枝型高吸水纤维，旨在吸水网链上引入强度较大的纤维片断．以提高材料吸水、抗盐功能。

用红外光谱对原料CMC、PAA（聚丙烯酸）、CMC—g—PAA进行测定。

在CMC—g—PAA的谱图中在1600cm-1、920cm-1等处有CMC的特征吸收峰。

纯PAA中没有CMC中的特征峰，但在1768cm-1有和CMC—g—PAA相同的一C—O一基特征峰．通过这三种物质谱图的对比，证明反映生成接枝共聚物。

王东山等[10]采用聚乙二醇单甲醚（MPEG）作为改性剂，与二醋酸纤维素（CDA）进行接枝反映。

具体制备方式是经干燥处置的MPEGg和CDAg别离与丙酮以1/5和1/l0的质量比配成溶液。

向MPEG溶液中加入2，4-甲苯二异氰酸（TDI）g和少量催化剂，混合液在回流条件下预反映30min。

最后加入CDA溶液，在回流条件下反映1h后出料。

将反映液置于烘箱中50℃维持6h，挥发除去溶剂丙酮后再完全干燥，即取得接枝共聚物粗产品。

将粗产品在水中浸泡24h，除去未反映的原料和短链聚合物，即取得纯接枝聚合物（CDA—g—MPEG）。

用红外光谱对纯CDA、纯MPEG、CDA—g—MPEG接枝共聚物进行分析，结果表明在CDA—g—MPEG接枝共聚物中存在氨基甲酸酯基团，该基团联结着MPEG和CDA。

吕杜辉等[11]应用化学偶联的方式，将聚乙二醇（PEG）分子接枝到纤堆素分子健上．运用傅里叶转换红外光谱对聚乙二醇-纤维素接枝物进行表征。

。

结果表明，PEG通过化学偶联在纤堆素分子的侧链上，形成接枝共聚物。

谭业邦等[12]制备了羧甲基，坪雏索钠接技丙缔酰胺和甲基丙烯酸二甲胺基乙醇盐酸盐共聚物（CGAD）。

通过红外光谱取得酰胺基和叔胺盐在红外光谱中相应波长的相对强度和元素分析测得的氮含量求得GCAD的组成。

张健等[13]利用丙烯酰胺（AM）与N,N一二甲基甲基丙烯酰氧乙基辛基溴化铵（DMAO）跟羧甲基纤维素钠（NaCMC）进行接枝共聚制备了耐盐增粘剂HCMC。

通过红外光谱对其结构进行了分析，说明HCMC中含有AM、DMAO的链节及NaCMC结构。

陈丽琼、张黎明[14]以硝酸铈铵（CAN）/四乙酸乙二胺二钠盐（EDTA）复合引发体系合成了羟乙基纤维素接枝磺酸甜菜碱两性单体（DMAPS）共聚物。

对纯化后的羟乙基纤维素（HEC）、纯接枝共聚物和DMAPS均聚物进行红外分析，表明接枝物中含有DMAPS链节单元。

.Heydarzadeh等[15]以棉纤维为原料制备羧甲基纤维素,用红外对制备出的羧甲基纤维素样品进行表征，谱图表明样品含有羧基、甲基和羟基，肯定制备取得的是羧甲基纤维素。

单鑫等[16]通过铈离子在酸性条件下氧化还原引发，成功取得了以羟乙基纤维素（HEC）为主链，以聚甲基丙烯酸N,N二甲氨基乙酯（PDMAEMA）为支链的接枝共聚物，利用红外对HEC和HEC—g—PDMAEMA的红外谱图进行结构分析。

从谱图中能够明显看出，接枝共聚物除保留了HEC的特征峰外，还增加了PD．

MAEMA中的羰基、碳氮和碳氧的特征峰，说明了PDMAEMA已经成功接到HEC上。

滕云超[17]以羧甲基纤维索为基体，以N，N一亚甲基双丙烯酰胺为交联剂。

用过硫酸铵为引发剂，将丙烯酸接枝到羧甲基纤维素骨架上，制备了水不溶性接枝羧甲基纤维素聚合物，通过红外光谱表征结构。

将接枝羧甲基纤维紊的红外图谱和羧甲基纤维索的红外图谱比较，能够看到水不溶性接枝羧甲基纤维素在1740cm-1和1420cm-1周围有明显的羧酸盐吸收峰增强，说明羧甲基纤维索骨架上接上了丙烯酸的羧基。

游天彪等[18]以1，6-己二异氰酸酯（HDI）作交联剂，聚乙二醇（PEG）与二醋酸纤维素（CDA）接枝得二醋酸纤维索。

用红外对合成的二醋酸纤维素与聚乙二醇的接枝共聚物表征。

结果表明，在接枝聚合物中存在氨基甲酸酯基和未反映完的CDA的羟基。

PEG通过氨基甲酸酯基与CDA相连接。

另外，谱图中未见有一NCO的特征峰，可知产物中没有一NCO残基。

张佳珺等[19]以离子液体为反映介质，氯乙酰氯为酰化试剂，在不加任何催化剂的条件下，一步法制备出纤维素氯乙酰酸酯.对纤维素氯乙酸酯进行红外分析，酯化后的纤维素明显地多了一个羰基及C—CI基团，表明所得产物具有酯基基团，氯乙酰化反映已进行。

窦玉等[20]以纸浆纤维素为骨架接枝单体丙烯酸和丙烯酰胺，在无N2保护下利用微波辅助引发制备纸浆纤维素基高吸水材料。

将制备的红外图谱的分析显示，纸浆纤维与单体丙烯酰胺和丙烯酸在必然程度上发生了接枝反映，同时单体丙烯酰胺和丙烯酸发生了共聚。

易俊霞，李瑞海[21]以K2S2O8·NaHSO3氧化还原体系为引发剂合成羟乙基纤维素与丙烯酰胺的接枝共聚物对接枝聚合物、聚丙烯酰胺及纯的羟乙基纤维素进行红外表征，结果表明：

在接枝聚合物中含有HEC和PAM的链接单元，证明合成了接枝聚合物。

刘畅等[22]在水相中采用自由基聚合的方式，合成了羧甲基纤维素钠与丙烯酰胺的接枝共聚物。

采用FTIR对产物进行了表征，结果表明羧甲基纤维素钠与丙烯酰胺发生了接枝反映。

于晓琳等[23]以辛酸亚锡为催化剂，通过丙交酯的开环接枝聚合反映，制备了纤维素醋酸酯和聚乳酸接枝共聚物（CDA-g-PLA），利用FTIR对其结构进行表征。

结果表明，共聚物中存在聚乳酸支链，产物为纤维素醋酸酯与聚乳酸的接枝共聚物。

3．红外光谱在纤维素复合材料中的应用

林松柏等[24]在高岭土的存在下，以N，N-亚甲基双丙烯酰胺作交联剂，以硝酸铈铵为引发剂微晶纤维素与丙烯酰胺进行接枝共聚反映，合成接枝纤维素/高岭土高吸水性复合材料。

用红外光谱表征复合材料的结构，结果表明纤维素上有聚丙烯酸和聚丙烯酰胺支链，也初步表明高岭土表面有接枝共聚链段。

韩福芹等[25]利用羧甲基纤维素和甲基丙烯酸甲酯在水介质顶用过硫酸钾为引发剂，合成稻壳一水泥复合材料的偶联剂——羧甲基纤维素接枝甲基丙烯酸甲酯（CMC—g—PMMA）。

共聚物采用红外光谱进行表征。

结果表明，产物中不但有CMC中的0一C一0的共轭伸缩振动，还增加了来自甲基丙烯酸甲酯中非共轭羰基的吸收峰。

证明甲基丙烯酸甲酯已经被成功接枝到羧甲基纤维素上。

朱宁香等[26]用脱脂棉在64％硫酸催化水解下制备了纳米纤维素晶须，并将其添加到由原位乳液聚合取得PUA（聚氨酯一丙烯酸酯）复合乳液中，以改善其流变性能和机械性能。

，对PUA复合乳液和NCC（纳米纤维素晶体）悬浮液进红外分析。

谱图中不含羟基和-NCO基的特征峰，表明二者发生了扩链反映，l600cm-1为-COO的特征峰，表明合成的水性聚氨酯乳液为阴离子型，l150cm-1为甲基丙烯酸甲酯的酯键特征峰，表明PU（水性聚氨酯）预聚物与MMA（甲基丙烯酸甲酯）发生了自由基聚合，生成了聚氨酯一丙烯酸酯复合分散体，由于分散体中既含有聚氨酯组分，又含有丙烯酸酯组分，故改性的PUA复合乳液兼备了二者的长处。

莫尊理等[27]采用硅酸四乙酯（TEOS）作为无机前聚物，纤维素为有机组分，利用溶胶——凝胶法在非均相乙醇溶液中制备了纳米SiO2/纤维素复合材料。

通过FTIR对复合材料的结构进行表征，表明纤维素与SiO2已复合且纳米SiO2/纤维素复合材料的疏水性较纯纤维素有所增强。

LeeGoetz等[28]将PMVEMA（聚（甲基乙烯醚-共-马来酸酐））和PEG（聚乙烯乙二醇）以必然质量比配成溶液，与由微晶纤维素（MCC）制备出的纳米棒状纤维素混合制成纤维素复合膜。

将未用NaOH处置的复合膜和用NaOH处置的复合膜进行红外分析，发觉PMVEMA-PEG复合膜在水溶液中不具有结构整体性，因此交联的纤维素链的存在是必要的。

ShwetaA.Paralikar等[29]以聚丙烯酸（PAA）作为交联剂，用聚乙烯醇（PVOH）和纳米纤维素以必然比例混合制成复合膜材料。

将10%PAA/10%CNXL/80%PVOH，未热解和热解的纯PVOH和纯PAA进行红外分析，谱图表明10%PAA/10%CNXL/80%PVOH羰基吸收峰不是来源于聚乙烯醇热解生成的酮基；纯PAA的羰基吸收峰的出现是由于PAA热解生成羧酸酯。

李生英等[30]以NH4S2O8为氧化剂，在纳米SnO2存在下乳液聚合取得了粒径为30nm的聚吡咯/SnO2复合纳米粉。

以醋酸纤维素（CA）作为成膜剂，丙酮为溶剂制得PPy/SnO2/CA纳米复合膜。

运用FTIR对所得产品进行了表征，取得的红外谱图与聚甲基丙烯酸甲酯的标准谱图完全一致，证明所制得的产品为聚甲基丙烯酸甲酯。

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