ИК-спектроскопия двуокиси углерода, растворенной в полиметилметакрилате Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 1994, том 36, № 7, с. 1216 -1217

УДК 541.64:543.422.4

ИК-СПЕКТРОСКОПИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА, РАСТВОРЕННОЙ В ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТЕ

© 1994 г. А. В. Пырков, Н. И. Макарова, Е. И. Бледных

Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук 620219 Екатеринбург, ул. Первомайская, 91 Поступила в редакцию 27.10.93 г.

Измерены ИК-спектры двуокиси углерода, растворенной в ПММА. В результате анализа формы пика поглощения полимерной пленки в диапазоне 2300 - 2400 см-1 получены молекулярно-энерге-тические характеристики и данные о физическом состоянии компонентов твердого полимерного раствора в процессе изменения концентрации газа. Обсуждена модель структуры такого раствора.

Теория двойной сорбции основывается главным образом на изучении изотерм поглощения газов полимерами [1,2]. В рамках этих исследований не удается заметить изменение состояния компонентов в процессе образования раствора и измерить энергию межмолекулярных взаимодействий в системе газ-полимер. В настоящее время существует методика получения такого рода данных, основанная на изучении колебательно-вращательных ИК-спектров жидких растворов [3].

Цель настоящей работы - определить целесообразность применения ИК-спектроскопии к

Изменение ИК-спектра твердого раствора двуокись углерода-ПММА в районе пика поглощения С02 в процессе десорбции газа; время десорбции 13 (7), 27 (2), 103 мин (5) и 16 ч (4)\ концентрация С02 в пленке 3.10 (/); 1.77 (2); 0.54 (3) и 0 мае. % (4).

твердым растворам газ-полимер для изучения физического состояния компонентов.

Пленочные образцы готовили путем полива на стеклянную подложку раствора ПММА в этиловом эфире уксусной кислоты. Толщина пленок, образовавшихся после испарения растворителя, составляла 50 - 80 мкм. Их насыщали газообразной двуокисью углерода при постоянном давлении 1.7 - 2.3 МПа и комнатной температуре до постоянной массы, ориентировочно в течение 1 сут. После извлечения пленки из газовой камеры через определенные промежутки времени записывали ее спектр пропускания, в диапазоне волновых чисел 2300 - 2400 см-1, где наблюдаются валентные колебания молекулы С02 и отсутствуют пики ПММА. В области деформационных колебаний молекулы С02 (600 - 700 см-1) пик поглощения полимера существенно усложняет расшифровку экспериментальных результатов. В связи с этим данную область спектра в настоящей работе не рассматривали.

Для измерений использовали спектрометр ИКС-29 с аппаратно-программным комплексом на базе ШМ PC/XT. Комплекс позволяет оперативно регистрировать, хранить и обрабатывать спектры любой сложности. Массовую концентрацию растворенного газа определяли с помощью аналитических весов по контрольным образцам полимера, насыщаемым при тех же условиях, что и экспериментальные образцы.

На рисунке показаны ИК-спектры растворенной двуокиси углерода, полученные в процессе десорбции газа из полимера, насыщенного при давлении 1.9 МПа. Спектры снимали при работе прибора по стандартной двулучевой схеме, что позволяло компенсировать влияние атмосферного С02 на результаты. Спектры обрабатывали по методу наименьших квадратов для снижения уровня шумов. Шумы в спектре дегазированного полимера (спектр 4) не сглаживали, поэтому видно, что интенсивность пика поглощения растворенной

ИК-СПЕКТРОСКОПИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА

1217

двуокиси углерода (спектр 1) более чем на 1 порядок превышает амплитуду шумов прибора. Полученные пики поглощения С02 имеют сложную структуру, предположительно - квартет. Из рисунка видно, что по мере понижения концентрации растворенного газа амплитуда и площадь пика уменьшаются. Несколько изменяется и форма пика: достаточно быстро исчезают боковые линии и лишь затем - центральный пик. Уровень поглощения ПММА при данных волновых числах до газонасыщения и после дегазации совпадает, если условия дегазации не выходят за пределы термической устойчивости раствора. В противном случае растворенный газ образует сеть микропузырьков и образец становится мутным [4]. При проведении экспериментов с образцом, повторно насыщаемым при давлении 1.9 МПа, а также в экспериментах с другими образцами при давлениях насыщения 1.7 и 2.3 МПа получены результаты, аналогичные представленным на рисунке.

Таким образом, ИК-спектроскопия не выявляет существенных остаточных изменений в ПММА при насыщении и дегазации. Поскольку частота и форма пика поглощения изменяются вследствие изменения параметров взаимодействия компонентов раствора [3], сложную структуру пика поглощения С02 можно объяснить неоднородностью системы газ-полимер: наличием набора состояний растворенной двуокиси углерода. Структура раствора с этой точки зрения выгля-

дит следующим образом. Основная часть молекул растворенного газа находится в конденсированном и диспергированном состоянии вне надмолекулярных образований полимера, а остальные молекулы внедрены в его первичные надмолекулярные структуры. Тогда в отличие от спектра двуокиси углерода изменение спектра пропускания ПММА как компонента раствора будет незначительным.

Зависимость амплитуды линий, составляющих пик поглощения растворенной двуокиси углерода, от ее содержания объясняется в рамках рассматриваемой модели тем, что в процессе десорбции меняется распределение молекул газа по состояниям. Наряду с диффузионным потоком двуокиси углерода идет перераспределение молекул по энергиям межмолекулярного взаимодействия газ-газ и газ-полимер, подобное тому, которое имеет место в процессе полимолекулярной адсорбции в пористом теле.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sanders ES., Koros WJ. // J. Polym. Sei., Polym. Phys. Ed. 1986. V. 24. № 1. P. 175.

2. Sada E„ Kumazawa H„ Xu P. // J. Appl. Polym. Sei. 1988. V. 36. J* 6. P. 1497.

3. Сольватохромия: Проблемы и методы / Под ред. Бахшиева Н.Г. Л.: ЛГУ, 1989.

4. Бледных Е.И., Скрипов В.П. // Высокомолек. соед. Б. 1992. Т. 34. № 9. С. 61.

IR Spectroscopy of Carbon Dioxide Dissolved in Poly(methyl methacrylate)

A. V. Pyrkov, N. I. Makarova, and E. I. Blednykh

Institute of Thermal Physics, Ural Division, Russian Academy of Sciences, ul. Pervomaiskaya 91, Ekaterinburg, 620219 Russia

Abstract - IR spectra of carbon dioxide dissolved in PMMA were measured. Molecular and energetic characteristics and the data on the physical states of the components of a solid polymer solution during the soiption of gas were derived on the basis of analysis of the shape of the absorption band in the 2300 - 2400 cm-1 range. The model describing the structure of such solid solution is discussed.

11 ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Серия Б том 36 № 7 1994