طیف‌سنجی ارتعاشی مادون قرمز (Infrared spectroscopy) (بخش سوم)

کاربرد طیف‌سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرها

    دسته ‌بندی پلیمرها براساس خواص فیزیکی و شیمیایی آن­ها بسیار متنوع است. یکی از این موارد، دسته­‌بندی براساس ماهیت شیمیایی زنجیره آن­ها است. به‌عنوان مثال، پلیمرهای هیدروکربنی تنها متشکل از زنجیره­‌های حاوی اتم­‌های کربن و هیدروژن هستند. پلی­‌اتیلن، پلی­‌استایرن و پلی‌­پروپیلن از این نوع پلیمرها هستند. این پلیمرها از دیدگاه حرارتی، در دسته پلیمرهای ترموپلاست [1] دسته­‌بندی می­ شوند. ساختار شیمیایی این پلیمرهای هیدروکربنی در شکل 1 مشاهده می­‌شوند.

شکل 1 مقایسه ساختار شیمیایی پلی­‌پروپیلن (PP)، پلی­‌استایرن (PS) و پلی‌­اتیلن (PE) [1].

    نکته حائز اهمیت در این پلیمرها (به‌ویژه پلی­‌اتیلن و پلی‌پروپیلن)، وجود اندک گروه­‌های عاملی در این پلیمرها است. از این رو، بررسی وجود ناخالصی و همچنین عامل‌دار شدن این پلیمر­ها (مانند اضافه‌شدن مالئیک انیدرید) با کاربرد طیف‌سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرها به‌سهولت امکان­‌پذیر است. شکل 2 طیف‌­های جذبی مادون­ قرمز پلی­‌اتیلن (HDPE)، پلی­‌پروپیلن و مخلوط آن­ها را با یک‌دیگر مقایسه کرده است. همان‌طور که مشاهده می­‌شود، پلی­‌پروپیلن به­‌دلیل وجود گروه­‌های جانبی متیل، دارای طیف متفاوتی از پلی­‌اتیلن است.

شکل 2 مقایسه طیف­‌های جذبی مادون ­قرمز پلی‌اتیلن (HDPE)، پلی‌پروپیلن و مخلوط آن­ها [2].

    وجود ناخالصی و یا اضافه شدن گروه­‌های عاملی جدید در پیکره یا شاخه­‌های جانبی پلیمر، به­‌راحتی با طیف­‌سنجی مادون­ قرمز قابل شناسایی است. ساختار شیمیایی پلیمر پلی‌­پروپیلن گرفت‌شده با مالئیک انیدرید [2] در شکل 3 مشاهده می­ شود.

شکل 3 ساختار شیمیایی پلیمر پلی­‌پروپیلن گرفت­‌شده با مالئیک انیدرید [3].

    وجود استخلاف جدید که دارای گروه عاملی انیدرید است، باعث ظاهر شدن پیک­‌های جدید در طیف مادون­ قرمز نمونه می­‌شود. شکل 4 طیف­‌های جذبی مالئیک انیدرید (MAH)، پلیمر پلی‌پروپیلن و پلی‌پروپیلن گرفت‌شده با­ مالئیک انیدرید را نشان می‌دهد. پیک‌های جدید در فرکانس­‌های 1783 و 1860 مربوط به گرو­ه­‌‎های انیدریدی است. با توجه به اینکه غلظت مالئیک انیدرید به­‌کار رفته در نمونه گرفت­‌شده اندک است، بنابراین شدت این پیک­‌ها نیز کم است. برای پلی‌اتیلن گرفت‌شده با مالئیک انیدرید نیز نتایج مشابهی مشاهده می‌شود.

شکل 4 مقایسه طیف ­های جذبی مالئیک انیدرید (MAH)، پلیمر پلی‌پروپیلن و پلی‌پروپیلن گرفت‌شده با­ مالئیک انیدرید [4].

    کاربرد طیف‌سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرها به‌ویژه پلیمر پلی‌استایرن بسیار زیاد است. پلی‌­استایرن در مقایسه با پلی‌­اتیلن و پلی‌پروپیلن دارای یک حلقه بنزیلی جانبی در زنجیره پلیمری است. طیف جذبی پلی­‌استایرن و دیگر پلیمرهای هیدروکربنی در شکل 5 با یک‌دیگر مقایسه شده‌­اند. با وجود حلقه­‌های فنیلی در زنجیره پلی­‌استایرن، طیف جذبی پلی­‌استایرن در فرکانس 1600 یک پیک نشان می‌دهد.

شکل 5 مقایسه طیف‌های جذبی پلی ­استایرن و دیگر پلیمرهای هیدروکربنی [5].

    ویژگی بارز پلیمرهای الاستومر، قابلیت ارتجاعی آن­هاست. قابلیت ارتجاعی الاستومرها این امکان را برای این مواد فراهم می­‌کند که بعد از اعمال نیرو (به‌­عنوان مثال کشش) و سپس حذف نیرو، ماده الاستومری به حالت اولیه خود باز گردد. الاستومرها انواع مختلفی دارند که بیش‌تر آن­ها در دسته لاستیک‌­ها [3] هستند. ویژگی مشترک این پلیمرها، وجود پیوندهای چندگانه کربن-کربن یا کربن-هترواتم است. وجود این پیوندهای دوگانه یا سه­‌گانه منجر به خاصیت الاستومری این پلیمرها می­‌شود. از پرکاربردترین پلیمرهای الاستومر، پلیمرهای پلی­‌بوتادی­‌ان هستند (مانند پلی1 و 4-بوتادی­‌ان و استایرن-پلی‌بوتادی­‌ان). پلیمرهای پلی­‌بوتادی­‌ان از مونومرهای 1 و 4-بوتادی­‌ان سنتز می­‌شوند. همچنین، پلیمر پلی­‌ایزوپرن از دسته پلیمرهای الاستومر است که از پلیمریزاسیون مونومر ایزوپرن ساخته می‌شود (شکل 6).

شکل 6 ساختار شیمیایی ایزوپرن و پلیمر پلی‌ایزوپرن [6].

ساختار شیمیایی الاستومر گرفت مالئیک انیدرید نیز به­‌راحتی با طیف­‌سنجی مادون­ قرمز قابل شناسایی است. گروه عاملی مشترک در بیش‌تر این پلیمرها، گروه­‌های آلکنی موجود در زنجیره پلیمر است. گروه آلکنی (پیوند C=C) زنجیره پلیمری در محدوده 1600 تا 1670 و کششی پیوندهای C-H بالاتر از 3000 در طیف جذبی مشاهده می‌­شوند. شکل 7 کاربرد طیف‌سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرهای پلی­‌ایزوپرن را نشان می­‌دهد.

شکل 7 طیف جذبی مادون­ قرمز پلیمر پلی‌­ایزوپرن [7].

    یکی از پلیمرهای تروموپلاست بسیار پرکاربرد، پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) است. پلیمر پلی‌اتیلن ترفتالات از رایج‌ترین پلیمرها از خانواده پلی­‌استر است و در الیاف لباس، ظرف­‌های مواد غذایی و در ترکیب با الیاف شیشه کاربرد دارد. پیوندهای استری و حضور گرو­ه­‌های فنیلی در پیکره این پلیمر منجر به یک طیف مادون­ قرمز کمابیش شلوغی شده است. شکل 8 طیف جذبی پلیمر پلی‌اتیلن ترفتالات را نشان می­‌دهد. گروه­‌های عاملی استری در فرکانس 1720 و حلقه‌­های فنیلی در محدوده 1400تا 1450 مشاهده می­‌شوند.

شکل 8 طیف جذبی پلیمر پلی‌اتیلن ترفتالات [8].

    پلی­‌آمیدها از دیگر پلیمرهای پرکاربرد در صنایع و کاربردهای روزمره با مقاومت بالا هستند. گروه تکرارشونده در این پلیمرها گروه­‌های آمید است. این گروه­‌ها در طیف جذبی مادون­ قرمز در محدوده فرکانس 1680-1630 ظاهر می­ شوند. شکل 9 طیف‌سنجی ارتعاشی مادون قرمز در پلیمرهای پلی‌­آمیدی نایلون-6 را نشان می­‌دهد. پیک در فرکانس 1634 مربوط به گروه­‌های آمید و پیک در فرکانس 3285 مربوط به ارتعاش کششی N-H هستند.

شکل 9 طیف جذبی پلیمر پلی­‌آمیدی نایلون-6 [9].

گردآورنده: جمال‌الدین شاکری/ واحد تحقیق و توسعه

مراجع

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

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

[3] https://ariapolymer.ir/

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

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

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

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

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

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

[1] Thermoplastic

[2] Grafted polypropylene

[3] Rubber