Оптические постоянные полиэтилентерефталата в области полосы 1410 см-1 в ИК-спектре Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2008, том 50, № 5, с. 929-932

УДК 541.64:543.422.4

ОПТИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА В ОБЛАСТИ ПОЛОСЫ 1410 СМ"1 В ИК-СПЕКТРЕ © 2008 г. Н. И. Стаськов, И. В. Ивашкевич

Могилевский государственный университет им. А.А. Кулешова 212022 Могилев, ул. Космонавтов, 1 Поступила в редакцию 14.06.2007 г. Принята в печать 20.12.2007 г.

Получены оптические постоянные: показатель преломления п и показатель поглощения к промышленных пленок ПЭТФ разного типа в области 1410 см-1 (полоса внутреннего стандарта) в ИК-спектре. Высказано предположение, что полученные спектры можно считать характеристическими для ПЭТФ.

Характерная особенность промышленных пленок аморфно-кристаллических полимеров -анизотропия физических свойств, приводящая к различию соответствующих характеристик относительно ортогональных (гуг) направлений [1], и наличие особых приповерхностных слоев, отличающихся от глубинных состоянием молекулярной и надмолекулярной структуры [2]. В настоящее время продолжается поиск оптических постоянных пик (показателей преломления и поглощения соответственно) [3], которые бы являлись справочными для таких пленок и могли использоваться при различных расчетах. В работах [4,5] было показано, что при одноосной и дву-осной вытяжках промышленных пленок ПЭТФ до эксплуатационной толщины 2-20 мкм средний эффективный показатель поглощения (к) = к + к + к

= —1-—^--, определенный в области максимума, для дихроичных (кг * Ку -ф- 1С.) конформационно нечувствительных полос при 730 и 1020 см-1 не изменяется с вытяжкой, для транс-полосы при 1340 см-1 увеличивается, а для гош-полосы при 1370 см-1 уменьшается. Это свидетельствует о том, что функции {п)(у) и <к)(у) могут быть характеристическими для всех пленок из аморфно-кристаллического полимера (например, ПЭТФ), которые желательно измерять в области конформационно (фазово) нечувствительных полос. В то же время по эффективным показателям преломления и поглощения, определенным в области максимума полосы 1410 см-1 [5], оптическая ани-

Е-тиП: iivashkevich@yandex.ru (Ивашкевич Инна Викторовна).

зотропия (дихроизм и двойное лучепреломление) промышленных пленок ПЭТФ не обнаруживается. Указанная полоса в работах [6, 7] используется в качестве внутреннего стандарта в ИК-спек-трах ПЭТФ. Знание параметров таких полос особенно важно при количественном анализе трудно спектрофотометрируемых объектов -волокон, толстых пленок с шероховатыми поверхностями и т.д. [7].

В настоящей работе делается попытка определения характеристических для ПЭТФ оптических функций n(v) и k(v) в области полосы внутреннего стандарта при 1410 см-1.

Спектральные измерения в ИК-области 1384— 1426 см"1 проводили на образцах четырех типов промышленных пленок ПЭТФ. Первые - экстру-дированные аморфные пленки толщиной 340 мкм; вторые были вытянуты в одном направлении (вдоль оси z) на 250, 300,400 и 420% (одноосные пленки); третьи вытянуты в двух взаимно перпендикулярных направлениях z и у на 300 х 300 и 400 х 330% (двуосные пленки); четвертые - дополнительно ориентированные пленки, используемые в производстве кинофотоматериалов, толщиной х - 5-8 мкм. Методика получения

у- и z-компонент спектров НПВО Rsyx и Rs.x пленок ПЭТФ на спектрофотометре UR-20 описана в работе [4]. Оптический элемент НПВО из KRS-5 с показателем преломления п0 = 2.38 устанавливали на приставку, которая обеспечивала угол падения ф ¿-поляризованного излучения на образец 34°-48° с шагом 0.5°.

Я5

Ф

Рис. 1. Экспериментальная (сплошная кривая) и рассчитанные (точки) зависимости (<р) для v = 1410 см-1. Пояснения в тексте.

Сначала рассчитывали функции пу(у), кДу), пг(у), к,(у), определяющие комплексный показатель преломления Щу) = яу(у) - /кДу) (/ = у, г), наиболее вытянутой пленки ПЭТФ второго типа. Для этого использовали двуслойную оптическую модель:

том НПВО, параметры Ыу, И2 второго слоя моделировали предполагаемую оптическую анизотропию и неоднородность структуры приповерхностного слоя пленки ПЭТФ с комплексным показателем преломления Л/,-. Обобщенный коэффициент отражения этой модели является функцией шести переменных Пу, Ку, пу, Ку, и, и к,- с двумя общими постоянными /*! и Л2 для всего интервала v [8].

При решении обратной задачи спектроскопии НПВО (определение неизвестных параметров по

измеренным Я]хе) учитывали, что приведенная выше двуслойная модель при Л2 —0 или /г2 —»► °° легко трансформируется в однослойную соответственно с параметрами Л^-, Л], Ц или Ыу, Их, Ыу. При кх —или —0 и К2 —оо или кх —0 и /г2 —0 двуслойная модель заменяется одной подложкой с параметром Ыу, Л^, или Л^-. Переход к однослойной модели реализуется также при равенстве соответствующих показателей пу = Пр Ку = и любом й2 либо при пу = Пу, к17 = Ку и толщине слоя + /г2. При равенствах пу = пу = Пр Ку = Ку - к7 и любых кх и к2 двуслойная модель по оптическим свойствам эквивалентна однородной подложке. Для выбора оптической модели, адекватной исследуемым пленкам ПЭТФ, численными методами, подобными методам, используемым в эллипсометрии [9], минимизировали функционал невязки

Параметры Ыу, первого слоя учитывали состояние физического контакта пленки с элемен-

°2 =

I

в области углов падения ф = 34°-48° (т = 29) для волнового числа v в интервале 1384-1426 см-1. Чтобы установить параметры соответствующей модели, подбирали такие пары зависимостей «(v) и к(у) подложки или слоя и подложки или двух слоев и подложки, которые удовлетворяли бы дисперсионным соотношениям Крамерса-Крони-га. Эта методика решения обратной задачи спектроскопии НПВО обеспечивает однозначность определения численными методами интегрально связанных функций п(у) и к(у) [10].

Установлено, что из трех оптических моделей пленки ПЭТФ наиболее реальна однослойная модель (величина о принимает минимальное значение). На рис. 1 приведены зависимости измерен-

ОПТИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА

931

Рис. 2. Показатели преломления (а) и поглощения (б) пленки ПЭТФ в направлении вытяжки г (сплошная кривая) и ортогональном направлении у (штриховая).

ных (сплошная кривая) и рассчитанных (точки) коэффициентов Ryx от (р для v = 1410 смг1. Рассчитанные коэффициенты Rsyx получены для двух моделей: однородная подложка с пу = 1.540, Ку = 0.092 (точки а) и слой (п1у = 1.30, к1у = 0.01, h{ = 0.3 мкм) на подложке (точки б), параметры ny(v), Ky(v) которой показаны на рис. 2. Для получения z-компоненты спектров НПВО Rszx пленка была повернута на 90°, и ось z оказалась перпендикулярной плоскости падения. Показатели преломления nz(v) и поглощения k,(v) пленки ПЭТФ, рассчитанные в рамках однослойной модели, как и для у-компоненты, также приведены на рис. 2.

Средние показатели преломления и поглощения промышленных пленок ПЭТФ в области полосы поглощения 1410 см-1

V, см-1 <к> V, см"1 <к>

1384 1.547 0.028 1406 1.560 0.084

1386 1.548 0.028 1408 1.548 0.090

1388 1.549 0.029 1410 1.534 0.091

1390 1.551 0.030 1412 1.521 0.085

1392 1.554 0.031 1414 1.512 0.076

1394 1.557 0.036 1416 1.506 0.070

1396 1.561 0.037 1418 1.503 0.062

1398 1.564 0.042 1420 1.502 0.052

1400 1.568 0.047 1422 1.502 0.046

1402 1.569 0.059 1424 1.505 0.040

1404 1.568 0.074 1426 1.507 0.035

Как видно, расхождение между соответствующими кривыми на рис. 2 выражено в основном на крыльях полосы при 1410 см-1. Это может быть следствием влияния неоднородностей физического контакта при получении спектров НПВО пленок ПЭТФ [6] и слабой я-поляризации полосы при 1410 см-1 [11]. Тем не менее, величины Ап/(п) и Дк/(к) в данном случае не превышают относительную погрешность воспроизведения оптических функций 7i(v), k(v) четырех типов пленок ПЭТФ.

В таблице представлены средние значения оптических параметров <п) и (к) всех исследованных промышленных пленок ПЭТФ.

Таким образом, оптические характеристики ПЭТФ в области ИК-спектра 1384—1426 см-1 слабо чувствительны к состоянию анизотропии и структурной неоднородности пленок ПЭТФ. Это подтверждает тот факт, что полоса поглощения 1410 см-1 является внутренним стандартом для ПЭТФ. Полученные значения показателей преломления (п) и поглощения (к) можно считать характеристическими для промышленных пленок из ПЭТФ. Их можно использовать для определения интегральных интенсивностей, эффективной толщины и других целей в количественном ИК-анализе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Л.: Химия, 1984.

2. Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия, 1977.

3. Золотарев В.М., Волчек Б.З., Власова E.H. // Оптика и спектроскопия. 2006. Т. 101. № 5. С. 763.

4. Головачев В.И., Гусев С.С., Стаськов Н.И. // Журн. прикл. спектроскопии. 1983. Т. 38. № 3. С. 465.

5. Гусев С.С., Головачев В.И., Стаськов Н.И. // Вы-сокомолек. соед. А. 1986. Т. 28. № 1. С. 199.

6. Золотарев В.М. // Оптика и спектроскопия. 1974. Т. 37. № 3. С. 522.

7. Сушков В.И. Автореф. дис— канд. хим. наук. Казань: Казанский химико-технол. ин-т, 1984.

8. Ивашкевич И.В., Стаськов Н.И. // Вестшк МДУ [мя A.A. Куляшова. 2004. Т. 19. С. 151.

9. Азам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981.

10. Ивашкевич И.В., Стаськов Н.И. // Весщ НАНБ. Сер. ф1з-мат. навук. 2007. № 1. С. 88.

11. Дехант Н., Данц Р., Киммер В., Шмольке Р. Инфракрасная спектроскопия полимеров. Д.: Химия, 1976.

Optical Constants of Poly(ethylene terephthalate) in the Range of 1410-cm"1 IR Absorption Band

N. I. Stas'kov and I. V. Ivashkevich

Kuleshov Mogilev State University, ul. Kosmonavtov I, Mogilev, 212022 Belarus e-mail: iivashkevich@yandex.ru

Abstract—The optical constants, namely, the refractive index n and the absorption coefficient k have been determined for the commercial poly(ethylene terephthalate) films of different types in the range of IR absorption band at 1410 cm-1 (the band of the internal standard). It has been proposed the obtained spectra are characteristic of poly(ethylene terephthalate).