材料现代分析方法课件.ppt
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1、 绪论绪论 红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱 核磁共振核磁共振材料:材料:人类的文明史人类的文明史=材料的发展史材料的发展史 红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱核磁共振核磁共振绪论绪论铁器时代铁器时代青铜器时代青铜器时代塑料时代塑料时代石器时代石器时代材料:材料: 分类分类红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论金属材料金属材料 无机非金属金属材料无机非金属金属材料 有机高分子材料有机高分子材料 复合材料复合材料核磁共振核磁共振材料:材料: 分类分类红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论结构材料结构材料 以力学性能为基础,制造受力构以力学性能为基础,制造受力构件所用材料。(房屋
2、)件所用材料。(房屋) 功能材料功能材料 利用物质的独特物理、化学性质利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。(电线、或生物功能等而形成的一类材料。(电线、光纤、超导、电池、生物材料)光纤、超导、电池、生物材料) 功能材料需有一定的力学性能。(电线)结构材料对物理或化学性能也有一定要求。(钢筋:抗辐照、抗腐蚀、抗氧化)核磁共振核磁共振材料的结构:材料的结构: 材料的结构是指材料的组成单元(原子或分子)之间相互吸引和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论原子的电子结构(决定化学键类型)分子的化学结构及聚集态结构(决定材料基本类型及组
3、成相的结构)材料的显微组织结构(决定组成材料各相的形态、大小、数量、分布等)核磁共振核磁共振材料的性能:材料的性能: 材料的性能是一种用于表征材料在给定外界条件下的行为参量(力场作用下、电场作用下、温度场作用下、磁场作用下、电磁波作用下、功能转换下)。多是指材料所固有的性质。 使用性能使用性能是指材料在使用条件下的表现行为。环境对材料使用性能的影响很大,如受力状态、气氛、介质、温度等,而使用性能对材料的寿命又有很大影响。红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共振核磁共振材料的性能与内部结构的关系:材料的性能与内部结构的关系: 金属材料 导电性好,塑性及韧性高; 无机非金属材料 高硬度
4、低脆性,大多绝缘; 高分子材料 弹性模量、强度、塑性低,多数不导电。 这些材料性能的不同都是由其内部结构决定的。 即:原子结构、结合键、原子的排列方式(晶体和非晶体)以及显微组织。红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共振核磁共振有机高分子材料:有机高分子材料:红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论高分子材料是指其分子主链上的原子都直接以价键连接,且链上的成键原子都共享成键电子的化合物。聚合物(Polymer) 19世纪30年代由瑞典著名化学家贝采里乌斯提出,用来区分分子组成相同分子量也相同的同分异构物,与分子组成相同而分子量不同的聚合物,包括低聚物与高聚物。高聚物(High
5、Polymer) 不包括低聚物,通常指分子量大于一万的聚合物,特别是合成聚合物。大分子(Macromolecule or Big Molecule) 指包括天然高分子在内的聚合物。三种常用概念核磁共振核磁共振有机高分子材料:有机高分子材料: 分类分类红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论塑料纤维橡胶涂料、粘合剂热固性塑料(酚醛、脲醛)热塑性塑料(PE PP PVC PS PMMA 尼龙)天然橡胶(聚异戊二烯)合成塑料(顺丁、丁苯、丁腈、丁基橡胶)腈纶(PAN)、丙纶(PP)聚酯纤维、尼龙核磁共振核磁共振有机高分子材料:有机高分子材料: 高分子与小分子的差别 红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫
6、外光谱绪论绪论高分子高分子小分子小分子微观性质多分散单分散结构多层次单层物理量值具有一定程度的不确定性与模糊性有确定值核磁共振核磁共振有机高分子材料:有机高分子材料:高分子材料的发展与应用 红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振21世纪 高分子新材料(高性能化、高功能化、复合化、精细化和智能化)远古时期 天然高分子材料(棉花、皮毛等)已得到应用15世纪 美洲玛雅人用天然橡胶做容器、雨具等生活用品19世纪 天然高分子的改性和加工(天然橡胶的硫化、硝化纤维素、人造丝等)20世纪 合成高分子(酚醛树脂、聚氯乙烯PVC、聚苯乙烯PS、高,低压聚乙烯、尼龙66、等规立构聚丙烯PP等
7、)得到开发和应用核磁共振核磁共振有机高分子材料:有机高分子材料:高分子材料的多层次结构 红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振核磁共振核磁共振有机高分子材料:有机高分子材料:聚合物结构分析 聚合物结构分析是是沟通高分子的合成、产品设计以及最聚合物结构分析是是沟通高分子的合成、产品设计以及最终产品性能和需求这一发展循环的桥梁。终产品性能和需求这一发展循环的桥梁。红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振利用现代分析技术,尤其是仪器分析方法测定高分子的链结构及凝聚态结构探讨结构与性能之间的关系在合成、加工与应用中聚合物结构变化的规律核磁共振核磁共振有机高分子
8、材料:有机高分子材料:聚合物结构分析红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振研究对象高分子链结构的表征高分子链的近程结构聚合物的远程结构聚合物凝聚态结构的测定聚合物的力学状态和热转变温度聚合物动态结构分析核磁共振核磁共振有机高分子材料:有机高分子材料:聚合物结构分析 常用仪器:结构分析所涉及到的方法很多,但大多是利用各种电磁波或其他粒子和物质相互作用后所产生的吸收、发射、散射及干涉等现象。红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振常用结构分析仪器主要组成示意图有机高分子材料:有机高分子材料:聚合物结构分析红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核
9、磁共振振结构分析仪器,按激发能源和原理,大致可分为6类:电磁波谱法热分析色谱法电磁辐射的衍射与散射电子分析法扫描探针显微法利用探针与样品之间的相互作用,在原子级分辨率水平上测量材料的表面,定域测定材料表面的形貌和性能。利用电子作激发源或被检测对象,使样品发生某些物理变化。利用高聚物对不同波长的电磁辐射(光)的散射与衍射现象来获得其内部结构信息。利用在互不相溶的两相中组分间分配有差异,经反复多次分配而将混合物进行分离和分析的物理化学方法。在程控温度条件下,测量物质的物理性质与温度关系。主要通过各种波长的电磁波和被研究物质的相互作用,引起物质的某一个物理量的变化而进行。核磁共振核磁共振有机高分子材
10、料:有机高分子材料:聚合物结构分析红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振 常用电磁波谱法原理方法名称方法名称英文缩写英文缩写测试原理测试原理谱图形式谱图形式提供信息提供信息紫外吸收光谱Ultraviolet SpectroscopyUV吸收紫外光能量,引起分子中电子能级的跃迁相对吸收光能量随吸收光波长变化吸收峰的位置、强度和形状,提供分子中不同电子结构的信息荧光光谱法Fluorescence pectroscopyFS被电磁辐射激发后,从最低单线激发态回到单线基态,放射荧光发射的荧光能量随光波长的变化荧光效率和寿命,提供分子中不同电子结构的信息红外吸收光谱法Infra-r
11、ed SpectroscopyIR吸收红外光能量,引起具有偶极矩变化的分子的振动、转动能级跃迁相对透射光能量随透射光频率变化峰的位置、强度和形状,提供功能团或化学键的特征振动频率电磁波谱法:主要用来表征高聚物的化学结构。核磁共振核磁共振方法名称方法名称英文英文缩写缩写测试原理测试原理谱图形式谱图形式提供信息提供信息拉曼光谱法Raman SpectroscopyRAM吸收光能后,引起具有极化率变化的分子振动,产生拉曼散射散射光能量随拉曼位移的变化峰位置、强度和形状,提供功能团或化学键的特征振动频率核磁共振波谱法Nuclear Magnetic ResonanceNMR在外磁场中具有核磁矩的原子核
12、,吸收射频能量,产生核自旋能级的跃迁吸收光能量随化学位移的变化峰的化学位移、强度、裂分数和偶合常数,提供核的数目、所处化学环境和几何构型的信息电子顺磁共振波谱法Electron Paramagnetic ResonanceEPR在外磁场中,分子未成对电子吸收射频能量,产生电子自旋能级跃迁吸收光能量或微分能量随磁场强度变化谱线位置、强度、裂分数目和超精细分裂常数,提供未成对电子密度、分子键特征及几何构型信息续表 常用电磁波谱法原理红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振核磁共振核磁共振有机高分子材料:有机高分子材料:聚合物结构分析红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核
13、磁共核磁共振振热分析:主要用来测定高聚物的热转变温度,力学状态及热降解。 常用热分析法原理方法名称方法名称英文缩写英文缩写测试原理测试原理谱图形式谱图形式提供信息提供信息热重法Thermogravi-metryTG在控温环境中,样品重量随温度或时间变化样品的重量分数随温度或时间的变化曲线曲线陡降处为样品失重区,平台区为样品的热稳定区差热分析Differential Thermal AnalysisDTA样品与参比处于同一控温环境中,记录温差随温度或时间的变化温差随环境温度或时间的变化曲线提供聚合物热转变温度及各种热效应的信息示差扫描量热分析Differential Scanning Calor
14、imetryDSC样品与参比物处于同一控温环境中,记录两者能量差随环境温度或时间的变化热量或其变化率随环境温度或时间的变化曲线提供聚合物热转变温度及各种热效应的信息核磁共振核磁共振续表 常用热分析法原理红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振方法名称方法名称英文缩写英文缩写测试原理测试原理谱图形式谱图形式提供信息提供信息静态热力分析Thermomechanical AnalysisTMA样品在恒力作用下产生的形变随温度或时间变化样品形变值随温度或时间变化曲线热转变温度和力学状态动态热力分析Dynamic Mechanical AnalysisDMA样品在周期性变化外力作用下
15、产生的形变随温度的变化模量或tg随温度变化曲线热转变温度模量和tg动态介电分析Dynamic Dielectric AnalysisDDA样品在一定频率交变电场中介电性参数随温度或时间的变化介电系数和介电损耗tg随温度或时间变化曲线间接表征高分子材料的结构、链长及组成核磁共振核磁共振有机高分子材料:有机高分子材料:聚合物结构分析红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振色谱法:主要用来分离分析单体或大分子裂解产物 常用色谱法原理方法名称方法名称英文缩写英文缩写测试原理测试原理谱图形式谱图形式提供信息提供信息气相色谱法Gas ChromatogaphyGC样品中各组分在流动相和
16、固定相之间,由于分配系数不同而分离柱后流出物浓度随保留值的变化峰的保留值与组分热力学参数有关,是定性依据;峰面积与组分含量有关反气相色谱法Inverse Gas ChromatographyIGC探针分子保留值的变化取决于它和作为固定相的聚合物样品之间的相互作用力探针分子比保留体积的对数值随柱温倒数的变化曲线探针分子保留值与温度的关系提供聚合的热力学参数核磁共振核磁共振续表 常用色谱法原理红外光谱与紫外光谱红外光谱与紫外光谱绪论绪论核磁共核磁共振振方法名称方法名称英文缩写英文缩写测试原理测试原理谱图形式谱图形式提供信息提供信息裂解气相色谱法Pyrolysis Gas Chromatograph
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