کاربرد طیف سنجی مادون قرمز در پلیمرها

کاربرد طیف سنجی مادون قرمز در پلیمرها

طیف ­سنجی ارتعاشی مادون قرمز (Infrared spectroscopy) (بخش سوم)

کاربرد طیف سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرها

دسته ­بندی پلیمرها براساس خواص فیزیکی و شیمیایی آن­ها بسیار متنوع است. یکی از این موارد، دسته­ بندی براساس ماهیت شیمیایی زنجیره آن­ها است. به عنوان مثال، پلیمرهای هیدروکربنی تنها متشکل از زنجیره­ های حاوی اتم­ های کربن و هیدروژن هستند. پلی­ اتیلن، پلی­ استایرن و پلی ­پروپیلن از این نوع پلیمرها هستند. این پلیمرها از دیدگاه حرارتی، در دسته پلیمرهای ترموپلاست [۱] دسته­ بندی می­ شوند. ساختار شیمیایی این پلیمرهای هیدروکربنی در شکل ۱ مشاهده می­ شوند.

مقایسه ساختار شیمیایی پلی­ پروپیلن (PP)، پلی­ استایرن (PS) و پلی ­اتیلن (PE)

شکل ۱ مقایسه ساختار شیمیایی پلی­ پروپیلن (PP)، پلی­ استایرن (PS) و پلی ­اتیلن (PE) [1].

نکته حائز اهمیت در این پلیمرها (به ­ویژه پلی­ اتیلن و پلی ­پروپیلن)، وجود اندک گروه­ های عاملی در این پلیمرها است. ازینرو، بررسی وجود ناخالصی و همچنین عامل ­دار شدن این پلیمر­ها (مانند اضافه شدن مالئیک انیدرید) با کاربرد طیف سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرها به سهولت امکان­ پذیر است. شکل ۲ طیف ­های جذبی مادون­ قرمز پلی­ اتیلن (HDPE)، پلی­ پروپیلن و مخلوط آن­ها را با یکدیگر مقایسه کرده است. همانطور که مشاهده می­ شود، پلی­ پروپیلن به­ دلیل وجود گروه­ های جانبی متیل، دارای طیف متفاوتی از پلی­ اتیلن است.

مقایسه طیف­ های جذبی مادون ­قرمز پلی ­اتیلن (HDPE)، پلی ­پروپیلن و مخلوط آن­ها

شکل ۲ مقایسه طیف­ های جذبی مادون ­قرمز پلی ­اتیلن (HDPE)، پلی ­پروپیلن و مخلوط آن­ها [۲].

وجود ناخالصی و یا اضافه شدن گروه­ های عاملی جدید در پیکره یا شاخه­ های جانبی پلیمر به­ راحتی با طیف­ سنجی مادون­ قرمز قابل شناسایی است. ساختار شیمیایی پلیمر پلی ­پروپیلن گرفت شده [۲] با مالئیک انیدرید در شکل ۳ مشاهده می­ شود.

 

شکل 3 ساختار شیمیایی پلیمر پلی­ پروپیلن گرفت­ شده با مالئیک انیدرید

شکل ۳ ساختار شیمیایی پلیمر پلی­ پروپیلن گرفت­ شده با مالئیک انیدرید [۳].

وجود استخلاف جدید که دارای گروه عاملی انیدرید است، باعث ظاهر شدن پیک­ های جدید در طیف مادون­ قرمز نمونه می­ شود. شکل ۴ طیف­ های جذبی مالئیک انیدرید (MAH)، پلیمر پلی پروپیلن و پلیمر گرفت­ شده را نشان می­ دهد. پیک ­­های جدید در فرکانس­ های ۱۷۸۳ و ۱۸۶۰ مربوط به گرو­ه­ های انیدریدی است. با توجه به اینکه غلظت مالئیک انیدرید به­ کار رفته در نمونه گرفت­ شده اندک است، بنابراین شدت این پیک­ ها نیز کم است.

مقایسه طیف ­های جذبی مالئیک انیدرید (MAH)، پلیمر پلی ­پروپیلن و پلیمر گرفت­ شده

شکل ۴ مقایسه طیف ­های جذبی مالئیک انیدرید (MAH)، پلیمر پلی ­پروپیلن و پلیمر گرفت­ شده [۴].

کاربرد طیف سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرها و پلیمر پلی استایرن بسیار زیاد است. پلی ­استایرن در مقایسه با پلی ­اتیلن و پلی پروپیلن دارای یک حلقه بنزیلی جانبی در زنجیره پلیمری است. طیف جذبی پلی­ استایرن و دیگر پلیمرهای هیدروکربنی در شکل ۵ با یکدیگر مقایسه شده ­اند. با وجود حلقه­ های فنیلی در زنجیره پلی­ استایرن، طیف جذبی پلی­ استایرن در فرکانس ­ ۱۶۰۰ یک پیک نشان می ­دهد.

مقایسه طیف های جذبی پلی ­استایرن و دیگر پلیمرهای هیدروکربنی

شکل ۵ مقایسه طیف های جذبی پلی ­استایرن و دیگر پلیمرهای هیدروکربنی [۵].

ویژگی بارز پلیمرهای الاستومر، قابلیت ارتجاعی آن­ها است. قابلیت ارتجاعی الاستومرها این امکان را برای این مواد فراهم می­ کند که بعد از اعمال نیرو (به ­عنوان مثال کشش) و سپس حذف نیرو، ماده الاستومری به حالت اولیه خود باز گردد. الاستومرها انواع مختلفی دارند که بیشتر آن­ها در دسته لاستیک­ها [۳] هستند. ویژگی مشترک این پلیمرها، وجود پیوندهای چندگانه کربن-کربن یا کربن-هترواتم است. وجود این پیوندهای دوگانه یا سه­ گانه منجر به خاصیت الاستومری این پلیمرها می­ شود. از پرکاربردترین پلیمرهای الاستومر، پلیمرهای پلی­ بوتادی­ ان هستند (مانند پلی۱و۴-بوتادی­ ان و استایرن-پلی بوتادی­ ان). پلیمرهای پلی­ بوتادی­ ان از مونومرهای ۱و۴-بوتادی­ ان سنتز می­ شوند. همچنین، پلیمر پلی­ ایزوپرن از دسته پلیمرهای الاستومر است که از پلیمریزاسیون مونومر ایزوپرن ساخته می ­شود (شکل ۶).

ساختار شیمیایی ایزوپرن و پلیمر پلی ایزوپرن

شکل ۶ ساختار شیمیایی ایزوپرن و پلیمر پلی ایزوپرن [۶].

گروه عاملی مشترک در بیشتر این پلیمرها، گروه­ های آلکنی موجود در زنجیره پلیمر است. گروه آلکنی (پیوند C=C) زنجیره پلیمری در محدوده ۱۶۰۰ تا ۱۶۷۰ و کششی پیوندهای C-H بالاتر از  ۳۰۰۰ در طیف جذبی مشاهده می ­شوند. شکل ۷ کاربرد طیف سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرهای پلی­ ایزوپرن را نشان می­دهد.

طیف جذبی مادون­ قرمز پلیمر پلی ­ایزوپرن

شکل ۷ طیف جذبی مادون­ قرمز پلیمر پلی ­ایزوپرن [۷].

یکی از پلیمرهای تروموپلاست بسیار پرکاربرد، پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) است. پلیمر پلی‌اتیلن ترفتالات از رایج‌ترین پلیمرها از خانواده پلی­ استر است و در الیاف لباس، ظرف­ های مواد غذایی و در ترکیب با الیاف شیشه کاربرد دارد. پیوندهای استری و حضور گرو­ه­ های فنیلی در پیکره این پلیمر منجر به یک طیف مادون­ قرمز کمابیش شلوغی شده است. شکل ۸ طیف جذبی پلیمر پلی‌اتیلن ترفتالات را نشان می­ دهد. گروه­ های عاملی استری در فرکانس ۱۷۲۰ و حلقه ­های فنیلی در محدوده  ۱۴۰۰تا ۱۴۵۰ مشاهده می­ شوند.

طیف جذبی پلیمر پلی‌اتیلن ترفتالات

شکل ۸ طیف جذبی پلیمر پلی‌اتیلن ترفتالات [۸].

پلی­ آمیدها از دیگر پلیمرهای پرکاربرد در صنایع و کاربردهای روزمره با مقاومت بالا هستند. گروه تکرارشونده در این پلیمرها، گروه­ های آمید است. این گروه­ ها در طیف جذبی مادون­ قرمز در محدوده فرکانس ۱۶۸۰-۱۶۳۰ ظاهر می­ شوند. شکل ۹ طیف سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرهای پلی ­آمیدی نایلون-۶ را نشان می­ دهد. پیک در فرکانس  ۱۶۳۴ مربوط به گروه­ های آمید و پیک در فرکانس  ۳۲۸۵ مربوط به ارتعاش کششی N-H هستند.

طیف جذبی پلیمر پلی­ آمیدی نایلون-6

شکل ۹ طیف جذبی پلیمر پلی­ آمیدی نایلون-۶ [۹].

گردآورنده: جمال الدین شاکری/ واحد تحقیق و توسعه

مراجع

[۱] https://www.researchgate.net/figure/Chemical-structure-of-the-thermoplastic-polymers-identified-in-the-study-From-left-to_fig2_350069110

[۲] https://www.spectroscopyonline.com/view/the-infrared-spectra-of-polymers-ii-polyethylene

[۳] https://ariapolymer.ir/

[۴] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3727/49/41/415301/pdf

[۵] https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12386

[۶] https://www.spectroscopyonline.com/view/the-infrared-spectra-of-polymers-iii-hydrocarbon-polymers

[۷] https://www.spectroscopyonline.com/view/the-infrared-spectra-of-polymers-iv-rubbers

[۸] https://www.scielo.br/j/mr/a/4qTxZrtjjtZqZDD5bK8NFgL/?lang=en

[۹] https://spectra.chem.ut.ee/textile-fibres/polyamide/

[۱] Thermoplastic

[۲] Grafted polypropylene

[۳] Rubber

1 Comment

  1. محسن گفت:

    فوق العاده عااالی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

سه × 1 =