2.5. Исследование структуры волокон методами инфракрасной спектроскопии

Цель работы. Изучение методики приготовления препарата, снятия спек­трограммы и ее анализа.

Задание. 1. Изучить метод инфракрасной спектроскопии волокон, ме­тодику препарирования образца измерения спектра поглощения и анализа спектрограмм.

2. Снять спектрограмму волокон и определить их спектральные характе­ристики.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Метод инфракрасной спектроскопии (ИКС) при исследовании текстильных материалов дает информацию о структуре молекул, межмолекулярном и внутримолекулярном взаимодействии и о структуре агрегатов молекул.

Инфракрасный спектр состоит из большого числа полос по­глощения (рис. 2.23). Каждая полоса в спектре характеризуется положением, интенсивностью, шириной и формой.

Положение полосы определяется длиной волны А, (мкм) в максимуме или частотой v (м~' или см"¹)— величиной, обратной длине волны.

Интенсивность полосы характеризуется концентрацией хими­ческих групп, поглощающих свет с длиной волны К, а также мо­лекулярной структурой вещества. Различают интенсивность в максимуме поглощения и интегральную интенсивность, пред­ставляющую собой площадь под кривой поглощения. Интеграль­ная интенсивность тесно связана с молекулярными процессами.

Полосы поглощения качественно делят на сильные, средние и слабые в зависимости от высоты полосы в максимуме поглоще­ния или площади под контуром полосы.

Ширина полосы связана с формой контура полосы поглоще­ния. Она измеряется на уровне половины высоты полосы в мак­симуме по кривой оптической плотности (полуширина).

Аппаратура. Инфракрасный спектрофотометр ИКС-29 (рис. 2.24) предназначен для регистрации спектров поглощения различных веществ и измерения коэффициентов пропускания в диапазоне 4000—400 см-¹. Прибор может работать в двух- и однолучевом режимах. При работе по двухлучевой схеме радиа­ция от источника излучения направляется двумя пучками, в од­ном из которых помещается исследуемый образец, а в другом — фотометрический клин и образец сравнения. При поглощении инфракрасного излучения веществом появляется переменный сигнал, частота которого равна частоте прерывания. После уси ления и преобразования сигнал подается на обмотку электро­двигателя отработки. Фотометрический клин, перемещаясь, уменьшает до нуля возникшую разность интенсивностей пучков. Самописец, связанный с фотометрическим клином, регистрирует величину пропускания.

Рис. '2.24. Спектрофотометр ИКС-29:

1 — окно для тумблеров; 2 — крышка; 3 — ручка «программа щелей»; 4 — ручка «усиление»; 5 — ручка «баланс моста»; 6 — уровень, регистрирующий запись; 7 — кнопка для установле­ния постоянной времени; 8 — винт для регулировки решеток; 9 — индикаторные лампы; 10 — переключатель «диапазоны»; Л — переключатель «скорость развертки»; 12 — кнопка «ход обратно»; 13 — кнопка «ускоренно»; 14 — кнопка «пуск»; 15 — кнопка «стоп»; 16 — верхний кожух; 17 — нижний кожух; 18 — ось, с помощью которой перо устанавливается па 100%-ную линию пропускания; 19, 20 — направляющие для закрепления образцов

В однолучевом режиме прибор работает при электрическом разбалансе мостовой схемы.

В спектрофотометре ИКС-29 используются две дифракцион­ные решетки (реплики) с различными постоянными и макси­мумами концентрации. Первая решетка (150 штрихов на 1 мм) работает в диапазоне 4000—1200 см-¹ и имеет максимум кон­центрации энергии при волновом числе v =2800 см"¹; вторая решетка (50 штрихов на 1 мм) работает в диапазоне 1400— 400 см-¹ и имеет максимум концентрации энергии при v = = 800 см-¹. Срезание налагающихся высших порядков спектра на первый рабочий порядок производится пятью интерферен­ционными фильтрами, установленными за выходной щелью и работающими на пропускание. Смена решеток и фильтров осу­ществляется автоматически.

Приготовление образца. Образец для ПК-спектроскопии текс­тильных материалов чаще готовят по методу спрессованных таб­леток. При этом методе предварительно измельченные на вибро­мельнице или в агатовой ступке вещества прессуют в смеси с галогенидом щелочных металлов (бромид калия и др.). Так как показатели преломления вещества и матрицы (бромида калия) близки, образцы, правильно приготовленные, прозрачны на про­свет.

При приготовлении образца вещество измельчают до размера 20 мкм и сушат при температуре 50—60 °С в течение 3—5 ч. Затем 12 мг измельченного вещества смешивают с 2 г порошка бромида калия. Рекомендуемая концентрация исследуемого ве­щества в смеси — около 0,6 % (до 1 %). Смешивание осуще­ствляется в два этапа. Сначала 12 мг исследуемого вещества пе­ремешивают с 40—50 мг порошка бромида калия в агатовой ступке в течение 4—5 мин, затем добавляют 110—150 мг бро­мида калия и снова перемешивают смесь в течение 5—10 мин. После этого смесь прессуют в специальной пресс-форме диаме­тром 13 мм в течение 2—3 мин при давлении 40 МПа. В ре­зультате получается таблетка толщиной около 0,6 мм (до 1 мм²). Если требуется получить более интенсивный спектр, ре­комендуется увеличить толщину таблетки (соответственно и смеси) [2.7].

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Спектрофотометр (рис. 2.25) включают в сеть переключателем «сеть 220 В». При этом на экране отсчетной шкалы волновое число должно соответство­вать началу диапазона, а индикаторные лампы должны показывать, что установлена необходимая решетка. Если шкала прибора не установлена на

кнопки 9 «ускоренно» и 10 «пуск» и подождать, пока прибор автоматически не установится па начало диапазона.

Затем кнопку 9 «ускоренно» переводят в верхнее положение, переклю­чатель 7 «скорость развертки» — в положение «2» и, оперируя кнопками «пуск» и «стоп» устанавливают шкалу спектрофотометра точно на началь­ный штрих. Необходимую программу щелей устанавливают переклю­чателем 1 «программа щелей», перо — на начало шкалы, нанесенной на лен­те; необходимую скорость сканирования — переключателем 7 «скорость раз­вертки».

После этого поворачивают на 2—3 деления шкалы ручку 2 «усиление», открывают оба пучка (перо должно перемещаться в направлении к лнишг 100 %-ного пропускания) и подбирают такое усилие, при котором перо, выве­денное из положения равновесия на 30—40 делений по шкале коэффициентов пропускания кратковременным прикрытием пучка образца, возвращалось бы в исходное положение и переходило это положение не более чем на один ряд. Усиление следует выбирать на таком участке спектра, где нет интенсив­ных полос поглощения атмосферной воды и углекислого газа.

Если перо при открытых пучках перемещается к нулю, то, плавно пово­рачивая рукоятку 3 «баланс моста» в сторону, соответствующую уменьшению разбаланса, устанавливают ее сначала в положение полного баланса (верхнее положение стрелки), а затем проходят это положение и устанавливают нор­мальную величину разбаланса.

Исследуемый образец устанавливают в кювету, опускают перо, нажи­мают кнопку 10 «пуск» и производят запись спектра.

УКАЗАНИИ ПО РАБОТЕ

По снятой кривой спектра поглощения определить: положение полосы в мак­симуме кривой поглощения; показатели интенсивности полосы в максимуме и интегральную интенсивность полосы (дать им качественную оценку); пока­затели оптической плотности ширины полосы (проанализировать полученные данные).

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать: краткое изложение физической основы метода ин­фракрасной спектроскопии текстильных материалов; описание принципов уст­ройства инфракрасного спектрофотометра; методику работы; условия испыта­ний; спектрограмму; основные характеристики и их анализ.