绝缘材料2008,41(6 张杰等:电子自旋共振在聚合物研究中的应用 电子自旋共振在聚合物研究中的应用 张 杰,宁荣昌,凌 辉,齐大伟,何文栋 (西北工业大学应用化学系,西安710129) 摘要:介绍了电子自旋共振技术的基本原理及相关的研究手段及方法,综述了电子自旋共振技术(ESR)在聚合物 分子INCH互作用、反应过程、辐照与降解、缺陷研究等领域及橡胶研究中的相关应用。 关键词:电子自旋共振;自旋标记法;聚合物 中图分类号:TM206;TM930.124 文献标志码:A 文章编号:1009—9239(2008)06—0063—05 Application of Electron Spin Resonance in the Study of Polymers ZHANG Jie,NING Rong—Chang,LIN Hui,QI Da—wei,HE Wen—dong (Department of Applied Chemistry.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China) Abstract:The fundamental principles,research means and methods of electron spin resonance tech— nology were stated;and applications of electron spin resonance technology in various research fields of polymers were reviewed that cover molecular interactions,reaction process,irradiation and degrada- tion,defects study and rubber studies. Key words:electron spin resonance(ESR);spin labeling;polymer 1前言 为 u的电磁波,当满足下面条件: hu=g (1) 电子自旋共振(Electron Spin Resonance简称 ESR),是直接检测和研究含有未成对电子的具顺磁 处于两能级间的电子发生受激跃迁,导致部分处于低 性物质的现代分析方法。它具有检测灵敏度高、样品 能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中, 这就是所谓的电子自旋共振现象。式 J)中h是普朗 不受破坏和对化学反应无干扰等优点。因此,通过追 踪反应过程中未成对电子的形成、消失、再生和转移, 克常数,g为无因次的常数,称为g因子; 是波尔 磁子。 对研究反应机制和了解物质的结构与性能的关系有 重要的作用。 综述了电子自旋共振的基本原理,自旋标记法及 电子自旋共振技术在聚合物研究中的相关应用。 2 ESR基本原理 根据保里(pauli)原理【lq】:每个分子轨道上不能 3自旋标记法、自旋探针法及自旋捕捉剂 自旋标记法是利用化学反应把一种稳定的顺磁 性分子通过共价键引入被研究分子的指定位置,然 后根据ESR的波谱特性来研究分子所处环境的物理 和化学性质,此方法可以更为灵敏和准确地研究高 存在两个自旋态相同的电子,因而各个轨道上已成对 的电子自旋运动产生的磁矩是相互抵消的,只有存在 未成对电子的物质才具有永久磁矩,它在外磁场中呈 现顺磁性。在没有外加磁场作用时,未成对电子的取 向是随机的。在外加磁场H作用下,未成对电子会发 分子链运动和相结构变化【4】,这是一种通过共价结合 实现使被研究物质具有顺磁性的方法。 自旋探针法是将自旋探针分子加到被研究的体 系中,使逆磁性体系变为顺磁体系而成为ESR能够 生能级,这种称之为塞曼(Zeeman splitting);如果在垂直于磁场H的方向上施加频率 收稿日期:2008—08—28 作者简介:张杰(1983一),男,广西壮族自治区桂林市人。硕士研究 检测的对象,通常采用的探针分子是非常稳定的氮氧 自由基,与自旋标记法不同,这是一种通过非价键结 合实现使被研究物质具有顺磁性的方法。 自旋捕捉剂是能与反应过程中形成的短寿命自 由基R・合并变为稳定自由基RS・的化合物s,通 生.研究方向为高分子合成及改性。(电子信箱)zj18181@163.corll。 64 张杰等:电子自旋共振在聚合物研究中的应用 200841(6 .过稳定自由基RS・的ESR谱可推测R・的结构及 相关性质与机理。 4 ESR在聚合物研究中的应用 4.1分子间相互作用 4.1.1 表面活性剂与聚合物之间的作用 选择或合成疏水性强的自旋探针可以研究表面 活性剂一聚合物相互作用的微粘性和微极性,从而能 为研究表面活性剂一聚合物相互作用的机理提供有 力的结构证据。 Shirahama等人 研究了疏水自旋探针的SDS 胶束与PEO形成的复合物溶液中的ESR谱,结论是 PEO分子量并没有对ESR谱产生影响。Witte等 人【6,’ 用不同疏水性的探针研究了SDS与PEO形成 的表面活性剂一聚合物聚集体,得出了探针分子具有 足够的疏水性是令ESR成为更为有效方法的结论。 Kang与Keven【8 系统地研究了在不同PEO浓度下, 5一,7一,12一和16一硬脂酸(x~DSA)与TEMPO 氮氧自由基在SDS胶束中的行为,其结果都说明, PEO与SDS胶束发生相互作用的位置在其界面附 近。Meglio等人【9 应用自旋探针研究了十二烷 基硫酸钠与聚氧乙烯的相互作用。文献报道了未加聚 合物时不同浓度的SDS浓液的ESR谱及加入不同 浓度的PEO时,相应浓度SDS溶液的谱。通过比较, 发现聚合物分子可用来增加表面活性剂的粘度,降低 其极性。 海明潭等人【1叫合成更疏水的自旋探针4一羰基 一2。2,6,6一四甲基哌啶氮氧自由基一2,4一二硝基 苯腙。用顺磁共振ESR和紫外光谱法研究了十二烷 基硫酸钠(SDS)一0.5%w,质量分数)聚氧乙烯 (PEO)体系的分子间相互作用。结果表明,此水溶液 体系的微极性随SDS浓度增大而减小,并且SDS与 PEO聚集体具有更加紧密的堆积结构使其结合处具 有较大的微粘性,SDS与PEO间的相互作用导致 PEO分子链伸展。 董姝丽等人【ll 应用电子自旋共振(ESR)测定研 究了单长链表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)与聚 乙烯吡咯烷酮(PVP)的相互作用。结果表明:自由基 探针5一DXSA在SDS形成胶束聚集体后,从一个较 强极性的连续相转变到较小极性的胶束聚集体内核 中,胶束聚集体内核的微粘度较纯水的大,SDS与 PVP有强的相互作用,作用后的微观粘度较SDS胶 束溶液的大。 4.1.2链段运动及相结构变化 利用ESR结合自旋标记法研究高分子链段运动 及相结构变化,较之传统方法能更为直接,因为该方 法可以提供传统方法达不到的纳米尺度上共混体系 微相结构、高分子链段运动、相容及相分离的最直接 信息[121。 金桂东等人【1 1用自旋标记方法将氮氧自由基连 接在聚乙二醇分子末端,研究了聚乙二醇/聚乙烯吡 咯烷酮合金体系的链段运动。ESR谱图中观察到快 运动和慢运动两种成分,说明氮氧自由基处于不同的 环境中。结论表明:混合样品配比的不同及温度变化 是影响体系微相结构的重要因素。 谭莉等人n 利用自旋标记法将氮氧自由基连接 在聚氧化乙烯分子末端,测得其与不同羟基含量的 苯乙烯~4~乙烯基苯酚共聚物组成高分子共混体系 的ESR波谱,研究了各组分的分子链运动。结果显 示:自旋标记聚氧化乙烯(si PEO)的ESR谱图在 整个温度范围内只显示快运动或慢运动的一种运动 成分,表明氮氧自由基处于单一的环境中。由ESR谱 得到的丁 ,r ,E 的值都随着体系中羟基含量的 增加而变大,显示标记分子的链运动在共混体系中 的活动逐步受阻。与此同时,随着该共混物中酚羟基 和醚氧基间氢键相互作用强度的增大,共混物的相容 性得到逐步改善。文献中关于引入氢键相互作用的共 混体系使其从玻璃态转变到高弹态温度较之无氢键 作用的相同体系高的结果与Pearce和Kwei等【J l在 利用DSC研究羟基改性的聚苯乙烯与一系列含酯 基及醚链等高分子的相容性时发现的相应结果一 致。 丘富荣等人【l 阳Hildebrand溶度参数方法计算 了不同羟基含量的改性聚苯乙烯【Poly(styrene— CO—vinyl pheno 1),STV Ph/PPC】体系的聚合物一 聚合物相互作用参数,由此预测了样品的相容性,并 用自旋探针法研究了系列样品的分子链段运动状态 和相容性的改变。结果表明:通过聚合物一聚合物相 互作用参数的理论计算得知,随STV Ph中羟基含 量的增加,聚合物组分间的相容性提高。ESR结果也 表明,随羟基含量的增加,sTV Ph与PPC间氢键 作用增强,异种分子相互靠近,样品的相容性提高。 绝缘材料2008,41(6 张杰等:电子自旋共振在聚合物研究中的应用 4.2反应过程 无论由电离、光、热、机械、化学氧化一还原、负离 子或正离子引发的聚合反应中都有自由基形成,只要 其浓度在ESR谱仪可测范围之内,即可应用ESR技 术跟踪自由基的形成、变化及消失,为分析反应机理提 供有价值的信息。 孙汉文等人[I川用ESR波谱对以丙烯酰胺为单 体,N,N’一亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,采用光化学 方法在水溶液体系中制备的聚丙烯酰胺 (Polyacrylamide,PAM)包覆的磁性纳米凝胶进行表 征,根据不同样品的ESR谱,推断出聚丙烯酰胺磁性 纳米凝胶的光化学合成机理,即氧化铁磁性纳米粒子 吸收光子产生自由基引发AM单体聚合包覆,并由此 层层包覆。 艾仕云等人“。以DMPO为羟基自由基捕获剂,利 用自旋捕捉一ESR方法测定了无机氧化物过硫酸钾 对纳米TiO:光催化氧化体系中产生羟基自由基的关 系。其结论表明:纳米TiO:光催化氧化是羟基自由基 参与的反应,添加无机氧化物能有效地捕获电子,增加 溶液中羟基自由基浓度,提高纳米TiO:光催化氧化的 能力。 刘术侠等人【1 以Dawson型砷钼酸、金刚烷胺为 原料。合成了一个新的超分子化合物: (C oH 8N) s2Mo g0 2・6CH N・8H2O。并基于该化合物具有 可逆的光致变色特性,利用ESR技术研究了该样品变 色后的电子自旋共振谱,提出了一个可能的变色机 理。表明该退色过程是有氧参与的化学过程,是空气中 的氧重新将Mo 氧化Mo¨,并非体系本身发生了氧 化还原反应。 沈建中等人 l在室温条件及紫外光照下溶液相中 c 。与聚苯乙烯的直接反应合成得聚苯乙烯的c 。加合 物。并对溶液相的反应进行了ESR研究,得到较强的 Psc品・的自由基信号,g值为2.002 4。同时对c印 和聚苯乙烯混合物固相体系的光照反应进行了ESR 测试。结果表明在该反应过程中及最终产物中均存在 稳定的C∞一高分子链烃基自由基阴离子R C ・,表 明了该反应的自由基机理。在此研究中还对合成的 C 。一PS衍生物固体样品也进行了ESR测试,同样测 得很强的PSCgo・信号,说明在固体样品中仍存在部分 稳定的PSC ̄o・自由基,这与Ford【2 等在研究苯乙烯, 甲基丙烯酸甲酯等单体与C砷的自由基聚合的结果相 同。 陈奠宇等人[22嗵过使用电子顺磁共振仪对苯乙烯 自由基聚合体系中自由基的跟踪测试,进一步证实 12一钼磷酸确实能够在自由基聚合体系中起到阻聚剂 的作用,而且首次明确地提出其阻聚机理:通过捕获体 系中的电子达到抑制自由基聚合反应的发生。 董凤霞等人∞研究了含萘聚芳醚酮共聚物在不同 时间长度的热处理后产生自由基的ESR谱,在室温检 测热处理后产生的自由基ESR谱,发现它们都有一条 较强的单峰,随着热处理时间的增长,自由基ESR谱 的幅度增强,将微波功率加大到200 mw,谱线发生明 显的变化,出现两条重叠在一起的谱线,说明含萘环 聚芳醚酮在热处理过程中产生了两种不同的自由基。 4.3辐照与降解 罗善国等人[24l采用ESR技术研究了环氧乙烷/ 四氢呋喃共聚醚的热氧降解:共聚醚分别在氮气和空 气中加热3 min后得到用PBN捕捉到的自由基ESR 谱。得出此热氧降解的机理:降解不是发生在醚键的直 接断裂上,而是发生在醚键a:碳的质子上,即在热作 用下口碳上的质子脱掉产生碳自由基。当存在氧时,碳 自由基迅速与氧反应生成过氧自由基,但过氧自由基 不稳定,最后分解成为氧自由基。 4.4缺陷相关研究 ESR的测量是确定传导电子是否存在的手段之 一,因而可以应用于检测金属或窄带半导体碳纳米管 的存在与否。但是纳米管样品的制备与处理手段的不 同,所得的ESR结果也不同;另外,高温氧化纯化或 退火过程将减少纳米管的缺陷与杂质,因此纯化后纳 米管的ESR信号线型也不同于纯化前样品的信号线 型。 詹业宏【25基于以上理论利用ESR技术对碳纳米 管进行了相关研究,用直流碳弧法分别在He和Ar 气氛下制备了碳纳米管,室温ESR的测量表明,碳纳 米管的ESR线型、g因子、线宽与制备气氛及气氛压 强有关,得出结论:碳纳米管的微结构,缺陷及金属性 和非金属性纳米管的含量随制备气氛及其压强变化。 与文献【25】相似的研究还有,洪军等人【2 研究 了真空退火处理对纳米氮化硅电子自旋共振谱的影 响,测量了不同温度及不同退火温度下用碳热还原法 制备的氮化硅的ESR谱,得到结论:氮化硅的ESR 66 张杰等:电子自旋共振在聚合物研究中的应用 线型、g因子及线宽与退火温度有关。 4.5 ESR在橡胶研究中的应用 5.3与其他实验技术的结合 ESR技术与高压液相色谱直接联机,与毛细管 在橡胶研究中,ESR技术已得到广泛的应用。几 乎在橡胶研究的各个方面都能看到ESR技术的身 影,ESR技术在橡胶研究中的聚合,辐射降解,应力 断裂,硫化机理,素炼,混炼及橡胶的接枝反应等领域 柱气相色谱/质谱/联用分离鉴定多种自由基的方 法,与气相微波放电/气相色谱在线联用技术,与 液相电极过程在线联用技术、以及与核磁共振技术的 联用等ESR与其他实验手段的结合可以为聚合物的 都发挥着相当的作用口 。 5展望 虽然电子自旋共振技术的应用已经有6O余年的 历史,但是在聚合物研究中的应用相对该技术在其他 领域比如生物科学领域的应用来说还是略显不足。但 是就该技术本身所具备的价值而言应该能在聚合物 研究领域发挥更大的作用。 5.1树脂基材料的应用 在某些应用广泛的树脂基材料,例如:环氧树脂、 聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、二苯醚树脂及有机硅树脂 等由于本身较好的工艺性及应用性极具工业价值,从 而在材料行业的各个方面都有相当的应用,例如:绝 缘材料、胶黏剂、及作为其他材料的树脂基体的应 用。在这些树脂基材料的研究及应用中,ESR应当发 挥更大的作用。比如在树脂的聚合过程中,通过观察 特定自由基的形成、变化可推断聚合机理、聚合的动 力学;还可以通过自旋标记法了解聚合过程中某特定 基团本身及周围环境的变化,了解分子链运动状态, 进而可以进行分子链的设计。由于树脂基材料的辐 照、降解、氧化过程中也有自由基的产生,同样可以通 过ESR技术进行相关研究。此外,利用ESR技术对 聚合物分子链断裂过程中所产生自由基的观测,分析 其力学断裂原因,对研究材料的老化、损伤机理提供 新的方法、并且能对材料中填充物或增强剂的作用进 行表征从而为材料改性提供新思路。 5.2 ESR新技术应用 随着ESR技术及实验手段的不断研究、创新,出 现了通过附加反向直流磁场使普通的ESR谱仪的磁 场实现过零扫描的实验方法,ESR信号检测的自动 控制,采集,数据处理,谱模拟及高重叠谱的剥离 解析等的计算机处理系统,ESR成像技术,时间分辨 电子自旋波谱(TR2ESR)实验系统等新技术,如何 将这些技术手段应用到聚合物领域应当是目前科学 研究人员的研究方向之一。 研究做出贡献。 参考文献: 【1】陈世明.电子顺磁共振波谱仪【J】.上海计量测试,2003,3O(1): 45—47. 【2】 【日】石津和彦.实用电子自旋共振教程【M】.天津:南开大学出 版社.1992. 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