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拉曼光譜技術快速鑑別尼龍6及尼龍66

2023/06/06

尼龍介紹

Nylon 6或又稱PA6((C6H11NO)n)為聚己內醯胺,而Nylon66或又稱PA66([-NH(CH26-NHCO(CH2)4CO]n)為聚己二酸己二胺。兩種材料都是常用的化工原料,被廣泛用於汽車、機械、電子、 紡織等行業,但是兩者物理性質差別較大, 比如耐熱性、耐磨性、韌性、耐酸性、吸水性以及機械強度差別非常大,因此兩者的加工方式及其延伸產品的物理性能會存在差異。雖然巨觀上兩種材料的差異不大,但是通過顯微圖片,見圖1,可發現兩種材料的微觀表面形貌有明顯差異,所以在材料加工行業中,需要一種更為準確的方法來鑑別兩種材料,從而確保加工過程中的正確性,以及為產品品質保證提供有力的手段。

圖1. 尼龍6及尼龍66顯微鏡下的影像

尼龍間的差異

Nylon 6和Nylon 66兩種聚合物分子結構中的羰基(O=C-)和醯胺基(O=C-N-H2)都彼此相鄰,但是兩種分子結構中所含有的CH2的個數不同,Nylon 6的每個重複單元中含有5個-CH2,而Nylon 66結構中含有兩個不同長度的-CH2重複單元鏈,其中一個為4個-CH2單元重複鏈,另一個為6個-CH2單元重複鏈,即官能基振動類似而分子骨架振動有差異。

圖2. 尼龍6及尼龍66的分子結構

尼龍在拉曼及紅外量測的光譜差異

拉曼光譜和紅外光譜同屬於分子振動光譜範疇,其中紅外光譜技術主要是分子對紅外光的吸收,與分子振動的偶極矩變化相關,主要體現分子的官能基團振動。而拉曼光譜技術主要是分子對激發光的散射效應,是分子極化率改變的結果,分子的骨架振動在拉曼光譜中體現非常明顯,兩者結果互相補充,可以獲得分子振動的幾乎全部訊息。另外分子振動的微小變化,比如空間排列等微小變化都可引起拉曼光譜發生變化,並且拉曼峰形更加尖銳,辨識性高。傳統的方法是透過紅外光譜對這兩種材料進行分辨檢測。

圖3. 尼龍6及尼龍66的紅外光譜

圖3顯示兩種聚合物的紅外光譜雖然存在一定差別,但是差異不明顯。主要體現的是個別峰高比例和一些微小區別,在區分兩種聚合物檢測上相對困難。

尼龍光譜解析

本實驗採用ThermoFisher DXR3拉曼光譜儀對這兩種材料進行檢測。發現這兩種聚合物的骨架結構振動在拉曼光譜中區別明顯,不僅峰值位置不同,而且峰型及個數都有非常明顯的差異。從圖4中可以看到,在3000 cm-1附近、1200-1350 cm-1、900-1000 cm-1兩種物質的拉曼峰有明顯的差異。所以相對兩種聚合物的紅外光譜圖,其拉曼光譜圖更容易鑑別這兩種結構類似的聚合物。

圖4. 尼龍6及尼龍66的拉曼光譜

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