红外分析实验报告

实验报告 20##-07-10 13:04:33 阅读590 评论2   字号：大中小 订阅

聚合物表征实验——红外分析

【实验目的】

1.        了解红外线分析聚合物的原理及其应用范围；

2.        掌握操作红外线分析仪器的操作方法；

3.        测定某位置样品的红外谱图。

【实验原理】

   在分子中存在着许多不同类型的振动，其振动自由度与原子数有关。含N个原子的分子有3N个自由度，除去分子的平动和转动自由度以外，振动动自由度应为3N—6(线性分子是3N—5）这些振动可分两大类：一类是沿键轴方向伸缩使键长发生变化的振动，称为为伸缩振动，用V表示。这种振动又分为对称伸缩振动用V表示和非对称伸缩震动用Vas表示；另一类原子垂直于价键方向振动；此类振动会引起分子内键角发生变化称为弯曲(或变形)振动，用δ表示，这类振动又可分为面内弯曲振动(包括平面及剪式两种振动)，面外弯曲振动(包括非平面摇摆及弯曲摇摆两种振动)。

分子振动能与振动频率成反比。为计算分子振动频率，首先研究各个孤立的振动，即双原子分子的伸缩振动。可用弹簧模型来描述最简单的双原子分子的简谐振动。把两个原子看成质量分别为m1和m2的钢性小球，化学键好似一根无质量的弹簧

  在原子分子中有多种振动形式，每一种简正振动都对应一定的振动频率，但并不是每一种振动都会和红外辐射发生相互作用而产生红外吸收光谱，只有能引起分子偶极矩变化的振动(称为红外活性振动)，才能产生红外吸收光谱。也就是说，当分子振动引起分子偶极矩变化时，就能形成稳定的交变电场，其频率与分子振动频率相同，可以和相同频率的红外辐射发生相互作用，使分子吸收红外辐射的能量跃迁到高能态，从而产生红外吸收光谱。

 在正常情况下，这些具有红外活性的分子振动大多数处于基态，被红外辐射激发后，跃迁到第一激发态。这种跃迁所产生的红外吸收称为基频吸收。在红外吸收光谱中大部分吸收部属于这一类型。除基频吸收外还有倍频和合频吸收，但这两种吸收都较弱。

  红外吸收谱带的强度与分子数有关，但也与分子振动时偶极矩变化率有关。变化率越大，吸收强度也越大，因此极性基团如碳基、胺基等均有很强的红外吸收带。

如果红外光去照射样品，并将样品对每一种单色的吸收情况记录，就得到红外光谱。如下图所示：

聚乙烯红外光谱图

纵坐标表示吸光度或者透光度

横坐标表示波长或波数

傅立叶变换红外光谱仪(Fourier transfominfrared spectroPhotometor;FT-IR)，它同色散型红外光谱仪，在单色器和检测器部件上有很大的不同。如下图所示，由光源发射出红外光经准直系统变为一束平行光束后进入干涉仪系统，经干涉仪调制得到一束干涉光，干涉光通过样品后成为带有光谱信息的干涉光到达检测器，检测器将干涉光讯号变为电讯号，但这种带有光谱信息的于涉信号难以进行光谱解析。将它通过模／数转换器(A／D)送人计算机，由计算机进行傅立叶变换的快速计算，将这一干涉信号所带有的光谱信息转换成以波数为横坐标的红外光谱图，然后再通过数／模转换器(D／A)送人绘图仪，便得到与色散型红外光谱仪完全相同的红外光谱图。

 1．辐射源  FT—IR仪器使用的红外光源与色散型红外光谱仪相同，常使用硅碳棒和Nernst灯两种。

 2．单色器  傅立叶变换红外光谱仪的单色器是迈克尔逊(Michelson)干涉仪。记录下中央干涉条纹的光强变化，就得到干涉图。当干涉光透过样品(或被样品反射)时，干涉光中某些波长的光可被样品吸收，使得干涉图发生变化。当干涉图信号经检测器转变成电讯号，在计算机内经傅立叶变换后即得红外光谱图。

 3．检测器  由于FT-IR具有极快的扫描速度，因此目前多采用热电型和光电导型检测器。热电型检测器的波长特性曲线平坦，对各种频率的响应几乎一祥，室温下即可使用，且价格低廉。其缺点是相应速度较慢、灵敏度较低，如硫酸三甘肽(TGS)。而光电导型检测器的灵敏度一般比热电型高一个数量级，响应速度快，适用于高速测量，但它需要液氮冷却，在低于650cm-1的低频区灵敏度下降。如汞镐蹄(MCT)检测器，工作温度在液氮冷却下保持77K，适用波数范围5000~400cm（-1）。

 4．计算机系统  使用计算机进行傅立叶转换计算，将带有光谱信息的时域干涉图，转换成以波数为横坐标的红外光谱图。

【实验仪器及样品】

仪器：NEXUS/NICOLET   压片机  药品：高纯度KBr  未知样品

【实验步骤】

1.      对样品进行预处理（如纯化、干燥）

2.      样品的制备

a)      气体样品

    气体或低沸点的液态样品必须在已抽成真空的气体(样品)池中测量。样品他的窗口由拥光的NaCl或KBr晶片制成。样品池的长度可根据气体的浓度和样品吸收带的强度进行选择最常用的样品池长度为5cm和10 cm两种，容积为50~150 ml左右。长光程气体池容积有3~4L，由于采用了多次反射的方法，光程长度可增至20m。主要用于痕量气体物质分析。

b)      液体样品

    (1)纯液体样品

    测定纯液体样品时采用可拆卸的液体样品池。液体样品他的光程长度为0.01~1mm。红外图谱上常注明的液膜法就是采用液体样品池，液体池窗口的质地多为氯化钠晶片。液膜法的优点是简便，没有溶剂干扰。虽然液膜厚度及均匀度不易控制，但作为定性研究，这类光谱仍令人满意。

    (2)样品溶液

化合物的稀溶液红外光谱有许多优点，例如可以提高数据的重复性；若溶液的浓度和液体的光程长度选择适当，则可以使感兴趣的某些重要基团的吸收带清楚地显示出来。缺点是目前还没有一种溶剂在2~16um(5000~625cm-1)不产生强吸收。稀溶液的红外光谱常用CS2手CCl4作溶剂，若被测化合物的吸收带在低频区(1300~625cm-1)，则可以选用CS2作溶剂；若待测化合物的吸收带在高频区(4000~1300 cm-1)，可可用CCl4作溶剂。对溶剂的基本要求是溶剂的吸收带不能与被测化合物感兴趣的吸收带重叠。

c)      固体样品

测定固体样品不象测定气体样品和液体样品那样简单，固体样品必须按测定要求制成可以测定的样品，虽然制样技术有多种，但常用的技术只有三种。

(1)研糊法

在玛瑙研钵内将2~5mg样品研磨成直径小于2um的细小颗粒，往里面滴加两滴液体石蜡后再研磨，使成均匀的糊状物。将研糊放在两氯化钠晶片之间，做成薄膜即可故人光路系统中进行测量。液体石蜡在2960~2850 cm-l，1460 cm-1，1380 cm~l，720 cm-1等处有明显吸收。如果要观察样品中的甲基及亚甲基吸收，则应改用在4000~1200 cm-1区透明。

(2)溴化钾压片法

在玛瑙研钵内将1mg样品和大约100mg干燥溴化钾混合并研成均匀粉末。然后把混合物转入专用的压片机冲模中，一面抽气一面加压，制成几乎透明的薄圆片。压成的圆片可以直接放入光路系统进行测量。此法非常简便，样品片也可长期保存。惟一的缺点是KBr很容易吸潮，常在3500 cm-1及1640cm-1出现水的干扰峰。需要时可用KBr作空白对照，消除该区域的干扰。

⑶液膜法

将样品溶解于容易挥发的溶剂中，将得到的溶液滴在水平玻璃板上，挥发去除溶剂残留的样品即成洒膜。或将溶液直接滴在窗片或不含样品的KBr片上，挥发去除溶剂，残留物用红外灯照射彻底除去包含的溶剂。由于溶剂可干扰样品的光谱，所以测定应在确认溶剂除净后进行。测定完成后，窗片上的样品膜可用溶剂清洗。剥离样品膜可能损坏窗片，应当避免。

     本实验用KBr压片法制备样品

3.      放入测试仪器当中。

将样品放入仪器中前要对空气进行一次扫描，在放入样品时要尽量避免空气的流动，屏住呼吸，且速度越快越好。

4.      测试样品，得到曲线。在电脑软件上对杂峰进行处理，打印谱图。

5.      处理数据。

【结果与数据分析】

下面是我们实验得到的未知样品红外分析谱图：

    我将从谱图当中出现的一些特征峰进行分析，结合分析猜测出该未知聚合物的大概种类。该图的纵坐标为光的透射率，而横坐标为光的波数。

1)  在波数3425.35（cm-1）的位置，出现一个强吸收峰，这个是样品中含有羟基的结果。同时也有可能是与氢键缔合的酰胺键，它3400~3100（cm-1）之间会有振动，吸收强度较大。

2)  2928.62（cm-1）和2855.85（cm-1）的两个波峰应该是甲基不对称伸缩振动Vas和对称伸缩振动Vs。它们也有可能是亚甲基的不对称伸缩振动Vas和对称伸缩振动Vs。它们会发生相互重叠。

3)  1635.08（cm-1）位置的峰应该是羰基伸缩振动。羰基的的伸缩频率在1900~1600（cm-1）之间，在酰胺当中为1650（cm-1）左右。

4)  1580.93（cm-1）位置的峰应该是N-H的弯曲振动，N-H键的振动出现在1640（cm-1）~1560（cm-1）之间。

5)  1438.51（cm-1）位置的峰是甲基或者亚甲基的对称δs或者不对称δas弯曲振动。这两振动在这一区域相互重叠。

6)  1235.98（cm-1）位置的峰应该为酰胺键当中的C-N键的弯曲振动。

根据以上的一些波峰特征分析 ，以及在实验当中样品的外观为淡黄色的粉末，可以推断这很有可能是一种尼龙类的聚合物。我们可以找到尼龙类的聚合物的红外标准谱图进一步的分析，也可以再做XRD对其进行元素分析，以及TG等其它实验方法进一步分析。

【思考题】

1. 为什么要选用KBr作为来承载样品的介质？

KBr为一种无色晶体，相对NaCl来讲具有很好的延展性。而且KBr在400（cm-1）~4000（cm-1）不产生吸收，因此可以测绘全波段光谱图。

2. 红外光谱法对试样有什么要求？

红外光谱试样可以是气态、液态或固体，一般符合一下要求：

a)  试样应该为单一组分的纯物质，纯度应大于98%或符合商业规格，这样才便于与纯物质的标准光谱进行对照。多组分试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶、区域熔融或色谱法进行分离提纯，否则个做分光谱相互重叠，难于分析。

b)  试样不应该有游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品光谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。

c)  试样浓度和测试的厚度要选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰投射比处于10%~80%范围内。

3. 傅立叶变换红外光谱仅具有如下哪些优点？

a)  信号的检测灵敏度高

于涉波没有常用色散型仪器具有的狭缝装置，因此光能量输出远远大于色散型红外光谱仪。这是因为后者采用的狭缝装置挡住相当大部分的光能，而使光能量输出受到很大的限制。并且侍立叶变换红外光谱仪在扫描过程中，每一瞬间测量的是所有频率的全部信息，因此就能在很短时间内，进行电子计算机累加，获得很高的信噪比。所以傅立叶变换红外光谱仪特别适合于测量很微弱的光信号。例如可以遥测大气污染物(车辆排气、火箭尾气及烟道气等)和废水的微量污染物。

b)  极高的波数准确度和重复性

因为于涉仪中可动镜的位置可用He—Ne激光器准确测定，所以干涉光的光程差测量得很精确，从而使光语波数精确度和重复性优于0.1cm-1。这样有利于光谱的累加，也有利于电子计算机自动检索红外光谱诺图库的可靠性。

c)  很高的分辨率和宽广的光谱范围

傅立叶变换红外光谱仪分辨率高达0.1cm-1。在4000~400cm-1区内，不要更换任何光学元件，一次就可完成全程测量。仅仅简单更换光源、分光束和探测器，就能使光谱测量范围延伸到10，000~10（cm-1）。

d)  杂射光低

傅立叶变换红外光谱仪的探测器只能检测被干涉仪所调制的音频信号，而把外来的杂射光当作直流信号处理掉，因而看不出杂射光对红外光谱的影响。

e)  快速扫描

傅立叶变换红外光谱仪可在一秒钟的时间内，就能完成一张红外光谱图的扫描。这比一般色散型红外光谱仪扫描速度高数百倍，因此可以测量瞬间的光谱变化，研究快速的化学反应过程

【红外光谱再聚合物当中的应用】

红外光谱在高分子研究中是一种很有用的手段，目前普遍的应用有下述几方面：

a)      分析与鉴别高聚物

因红外操作简单，谱图的特征性强，因此是鉴别高聚物很理想的方法。用红外光谱不仅可区分不同类型的高聚物，而且对某些结构相近的高聚物，也可以依靠指纹图谱来区分。

b)      高聚物反应的研究

用红外光谱特别是傅里叶变换红外光谱，可直接对高聚物反应进行原位测定，从而研究高分子反应动力学，包括聚合反应动力学和降解、老化过程的反应机理等。

c)      共聚物研究

共聚物的性能和共聚物中两种单体的链节结构、组成和序列分布有关。要得到预期性能的共聚物，必须研究共聚反应过程的规律，掌握两种单体反应活性的比率即竞聚率以及两种单体的浓度比与生成共聚物的组成比。上述各项参数都可用红外吸收光谱法来测定。

d)      高聚物结晶形态的研究

用红外吸收光谱可测定高聚物样品的结晶度，也可研究结晶动力学等。由于完全结晶高聚物的样品很难获得，因此不能仅用红外吸收光谱独立地测量结晶度的绝对量，需要依靠其它测试方法如x射线衍射法等测量的结果作为相对标准来计算结晶谱带的吸收率。但由于红外光谱准确测定结晶度比其它方法简便，又可以进行原位测定，因此仍被广泛地应用。

e)      高聚物取向的研究

在红外光谱仪的测量光路中加入一个偏振器便形成偏振红外光谱，它是研究高举物分子链取向的很好的一种手段。

【实验注意事项】

1.      实验室环境应该保持干燥；

2.      确保样品与药品的纯度与干燥度；

3.      在制备样品的动作要迅速以防其吸收过多的水分，影响实验结果；

4.      试样放入仪器的时候动作要迅速，避免当中的空气流动，影响实验的准确性；

5.      试样的厚度要适当，以免其吸收量过大，影响实验结果；

6.      在进行高聚物红外光谱解析时应注意以下几点：

a)        光谱解析的正确性依赖与能否得到一张最佳的光谱图。这是和分析技术条件，如制样是否均匀、样品厚薄是否恰当、本体扣除是否正确等有关，因此必须注意最佳操作条件方能得到一张满意的谱图。

b)        对未知高聚物或添加剂的红外谱图的正确判别，除要掌握红外分析的相关知识外还必须对高聚物的样品的来源、性能能及用途有足够的了解；

c)        高聚物谱图虽与分子链中重复单元的谱图相识，但它仍有自身的特殊性。由于高聚物聚集态结构的不同、高聚物序列结构的不同等都会影响谱图，因此在解析谱图时要特别注意。

 

第二篇：材研实验报告(扫描电镜+红外光谱+热分析)

《材料研究方法》课程演示实验报告

冯恩科 091623

一、扫描电子显微镜

1 实验的名称：

场发射扫描电子显微镜（FESEM）。

2 仪器的型号：

FEI—QUANTA 200F

3 实验材料及样品形式：

添加了缓凝剂的水泥，并水化三天，固体块状。

4 研究材料表观特性：

      研究样品表面微观形貌。

5 实验条件：

保护气体：水蒸气；束斑：4.0；加压电压：20kV；气压：70Pa。

6 制样方法：

先将导电胶或双面胶纸粘结在样品基座上，再用镊子将块状样品放置在胶带上面黏牢，最后镀上一层导电膜，然后就可以放入扫描室内进行观察。

7 所观察到的实验现象：

上图为实验当天拍下来的两幅扫描图。在实验中随着放大倍率不断提高，通过与扫描电子显微镜想连接的计算机进行聚焦后我们可以观察到，屏幕上出现一些棒状的物体（缓凝剂）、并且分布均匀，通过对这些凹凸和颜色的分析，可以确定表面物质组成和结构。

8 观后感：

在观看实验之前，对扫描电子显微镜的理解和认识并不深刻，尽管知道它的一些原理和功能，但是它具体使用的方法是什么，如何利用这件宝贝看到自己想看的东西却完全不懂，通过这次实地地观摩和与老师的交流，终于明白一二。

老师给我们介绍了一些制样时需要注意的问题：通常要选取具有代表性的样品或样品区域，处理断面时应尽量选择新鲜自然形成的断面，避免人工手段对样品断面结构、物质造成变化而失真。在处理样品时应防止电荷的积累，避免由此导致的表面过亮而使形貌特点难以观测。粉末样品的颗粒应小而均匀，防止对观测产生不利影响。

在进行实验观察时，首先要弄清楚我们所要得到的信息，然后选择有代表性的区域，小心仔细地调节，由大到小，一步一步聚焦放大，直到看到想要看的区域为止。

二、红外光谱

1 实验的名称：

傅里叶变换<FTIR>红外光谱分析仪

2 仪器的型号：

EQUINOX 55配套OPUS软件。

生产厂家：德国BRUKER公司

分辨率：< 0.5 1/cm

波数精度：优于0.01 1/cm

信噪比：> 3600:1

光谱范围：7500—370 1/cm

功能及应用范围：主要应用于有机、无机材料的分子组成和结构检测

主要附件：单反射ATR附件、漫反射附件、红外显微镜

3 实验材料及样品形式：

添加了3%高分子材料的水泥基，灰色粉末状。

4 研究材料表观特性：

检测样品的结构

5 实验条件：

干燥的环境，且温度恒定。具体操作只用在红外光谱仪上设定实验室的温度、湿度等与实验相关的数据，利用计算机自动进行调节，即可进行实验。

6 制样方法：

样品为粉末样品，所用的制样方法为KBr压片法，将少量样品与分析纯的KBr粉末（约总量的95—99%）放入玛瑙研体中，充分研细并混合均匀，然后将混合物倒入压片模具中，在粉末压片机上加压（压力约为15MPa）片刻，取出压片即可。

7 所观察到的实验现象：

该图为当所测的水泥基样品的红外光谱图，在不同的波数下有不同的吸收强度，通过对这些不同强度的吸收的分析，可以对样品的组成和结构进行分析。

8 观后感：

当今红外光谱结合了计算机技术，拥有高灵敏度、高分辨率、快速扫描、联机操作的特点，所以它的应用范围越来越广泛，学院的傅里叶变换红外光谱仪是非色散型的，其核心部分是一台双光束干涉仪，常用的是迈克耳孙干涉仪。当动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱B(v)。

通过观察老师的操作我们可以发现需要人工操作的部分就是样品的制备，后面检测部分都是电脑自动化完成的，所以本实验成功与否的关键就在于样品的制备。老师给我提醒了几点制样的关键：1、试样应该为单一组分的纯物质，纯度应大于98%或符合商业规格，这样才便于与纯物质的标准光谱进行对照。多组分试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶、区域熔融或色谱法进行分离提纯，否则个做分光谱相互重叠，难于分析。2、试样不应该有游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品光谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。3、试样浓度和测试的厚度要选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰投射比处于10%-80%范围内。

实验当天老师问了我一个问题：为什么采用压片法制样时要选择KBr粉末？当时没有回答上来，现在简要回答一下。因为KBr对红外无吸收作用（红外光透过范围5000—400cm^-1），并且可以起到支撑样品的作用。但是一定要注意KBr与样品的用量比例，要适量。

三、热分析

1 实验的名称：

DSC、TG-DTA综合热分析

2 仪器的型号：

差示扫描量热仪DSC：Q100

  生产厂家：美国TA

　温度范围：-90 to 400℃　

  量热精度（金属标样）：±0.05℃

  量热动态范围：+/- 500 mW

  灵敏度： 0.2 μW

同步热分析仪TG-DTA： STA 449C

  生产厂家：德国NETZSCH

  温度范围：30℃ to 1650℃

  温度重复性：1℃

  天平最大量程：5g

  天平灵敏度：0.1μg

3 实验材料及样品形式：

两份样品均是水泥水化样品（无机非金属材料），粉末状。

4 研究材料表观特性：

研究样品的热学性能

5 实验条件：

DSC的氛围为高纯氮气，TG—DTA的氛围为氧气。

两者起始温度均为室温，终止温度设置为1000℃。

6 制样方法：

将需要进行测试的样品取少量放于坩埚中，准确称量试样重量，然后用药匙将试样压紧，使其在坩埚底平铺为一薄层，注意坩埚外不能有试样，以免污染仪器，最后加上坩埚盖放入仪器进行测试。本实验选择刚玉（Al₂O₃）坩埚。

7 所观察到的实验现象：

测出上述两种曲线均需要两个小时，由于参观时间的限制，故当日并未观察到两份样品的热分析曲线。

8 观后感：

由于本次观摩实验没有看到最终的DSC曲线以及TG-DTA曲线，老师主要是理论上给我们介绍了一下这两种热分析仪器。差示扫描量热法(DSC)是在程序控制温度下，测量传输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术，而TG-DTA则是将热重分析和差热分析结合为一体，可同时得到热重及差热信号，可以更加深入地分析样品反应。

这个实验关键的部分也在于样品制备，老师给我们说了以下几点建议：1、测试样品为粉末状、片状、块状、固体、液体均可，但需保证与测量坩埚底部接触良好，样品应适量（一般在坩埚中放置1/3）。块状样品最好切成薄片或碎粒，粉末样品要使其在坩埚底部铺平成一薄层。2、堆积方式一般采用紧密堆积，这样有利于样品内部的热传导，但是对于有大量气体产物生成的反应，可适当疏松堆积。3、对于热反应剧烈或在反应过程中产生气泡的样品，应适当减少样品量。测量时坩埚应加盖，以防反应物因反应剧烈溅出而污染仪器。