一举两得——拉曼光谱与流变学这对搭档，你get到了吗？
时间：2021-11-26 阅读：909
安东帕MCR流变仪与Cora 5001拉曼光谱仪的组合
拉曼光谱技术已经与多种技术实现联用，如微波合成-拉曼、SEM-Raman、AFM-Raman、DSC-Raman等，今天为大家介绍另一种与拉曼联用的组合——流变-拉曼组合！
流变学——提供复杂流体的宏观材料函数，获取聚合物黏弹性特征。
拉曼光谱——提供复杂流体的微观结构变化信息，提供分子结构、 应力、 修饰、 晶型等化学信息。
安东帕Cora5001拉曼光谱仪
流变-拉曼联用可以实时评估聚合物的某些特性，包括成分、分子结构、剪切流变性能等，还可以获得加工稳定性等重要信息。非常适合固体以及熔融体聚合物的表征分析。
之所以拉曼光谱技术在“联用界”这么受青睐，主要是由拉曼技术的三大优势成就的：
拉曼光谱一般采用的是非接触式、非破坏式的测量方式，这使得与之结合的另一种测量方法不会受到任何干扰；
拉曼光谱可以很方便的使用拉曼探头收集信号，探头可使仪器的固定和组装变得更易实现；
拉曼光谱采集过程非常方便，样品不需前处理，因此样品在进行另一项测试过程中无论发生相变、熔融、变形都可以随时获取光谱。
有不少分析专家已慢慢认识到拉曼光谱或许可以成为原位-实时测量应用中光谱传感器的较优选择之一，当它与其他技术进行联用时，可以得到“1+1>2”的功效。
下面就以一次聚乙烯的流变-拉曼联用实验展示这个组合的魅力吧！
实验样品与仪器
聚乙烯是半结晶热塑性弹性体，是工业中常用的聚合物，实验采用HDPE（高密度聚乙烯）和LDPE（低密度乙烯）。HDPE的分子量超过300.000 g/mol，主要由无支链聚合物链组成，导致紧密堆积，因此在固态下具有高度结晶性。然而，LDPE却表现出长度不均匀的大分支。聚合物结晶度会影响其对形变的响应能力，这对于聚合物加工过程中的流动特性等非常重要。
通过将拉曼光谱与流变学结合，可以用于监测熔融和结晶过程中黏弹性参数的变化，从而了解本体材料的物理特性，同时还可将其与化学结构和微观分子环境关联起来。
图1：流变和拉曼联用设备示意图
将安东帕的Cora 5001拉曼光谱仪通过特殊高温探头与安东帕的基于空气轴承的模块化紧凑型流变仪（MCR）结合起来（图1），用于实验测量。流变仪配置了帕尔帖温控系统（PTD）和测量平板（直径25mm）。为了防止热降解，在实验过程中采用连续氮气氛围。对于HDPE的测量，可以使用刻痕转子防止样品滑动。拉曼测量则使用785 nm的激发波长。
实验过程
首先分别将HDPE和LDPE颗粒加热至150℃和130℃，以获得均匀样品。
随后，仪器以1K/min的速率降温，分别降至100℃和80℃，样品在降温过程中发生结晶。
之后以相同的加热速率重新加热至高温度。每30s记录一个流变测量点，同时采集一条拉曼光谱，拉曼光谱的积分时间为10s。
实验结果
流变实验结果
图2：HDPE和LDPE在温度扫描测量中的黏弹性行为比较
HDPE和LDPE的流变数据如图2。在升温过程中，聚合物的无定形区域分子链活动性增强，发生软化，从而导致储能模量G‘和损耗模量G˝降低；当温度升至G˝大于G‘的交点之后，则表明熔融状态中主要表现的是黏性流动行为。对比LDPE和HDPE的黏弹性，可以看出HDPE比LDPE表现出更高的刚度，这是由于二者结晶性能不同。HDPE由于其支化度较低，其结晶度较高。G‘描述了材料的弹性行为，而G˝提供了有关材料行为的黏性贡献的信息，该黏性行为是由聚合物分子之间发生相对运动所损失的形变能决定的。
拉曼实验结果
图3：HDPE和LDPE的液体和固体的拉曼光谱
拉曼光谱可以反映固液态的相变，如图2所示：对于HDPE和LDPE，固相中的1064cm-1特征峰，在液相中移向更高波数，且峰强变弱，半峰宽变宽；固相中1128cm-1和1169cm-1特征峰在液相中*消失。这3个特征峰谱带与聚合物链内连续反式构象C-C伸缩振动有关。在固态中，由于反式构象有更好的填充能力，因此该构象数量非常多；而在液态中存在很多种不同构象的低序结构，且连续反式构象的占比非常低，因此在液相中与连续反式构象相关的拉曼谱带消失。1250cm-1-1450cm-1之间的光谱区域也出现了类似现象。拉曼特征峰向更高波数的移动表明分子内键能更强，这可能是由于液相中分子间相互作用弱于固相，从而有助于分子内相关化学键的振动导致的。
图4：由MCR-ALS算法分解得到的成分1和成分2分别与液体和固体的拉曼光谱吻合
根据样品的先验知识使用MCR-ALS算法将混合光谱分解为成分1和成分2，并同时得到各成分的载荷。MCR-ALS比手动摘选特征峰更有优势，因为它是将整个光谱视为目标组分来进行分析的。图4为HDPE的拉曼光谱分解结果：通过MCR-ALS得到的成分1和成分2的谱图分别与非晶态和晶态的拉曼光谱相吻合，表明该方法可以*重构非晶态和结晶态的组分信息。
流变-拉曼结合的实验结果
图5：80℃-150℃温度区间内HDPE和LDPE各自的成分2的载荷与G’变化的比对图
样品从80℃升温至150℃的过程中由结晶态转变至非晶态。基于拉曼光谱，通过MCR-ALS算法得到了在该温度范围内HDPE和LDPE的成分2及其对应的载荷，并与样品的储能模量G’进行对比，结果如图5。成分2（即C2）以及储能模量G’均与聚合物的结晶态有关。对于HDPE，在冷却曲线中C2约在113℃时开始大幅增加。在加热曲线中，C2在125℃之后开始降低，表明HDPE经历了从半晶态到*非晶态的转变，并且化学成分与力学性质的变化趋势基本吻合。然而对于LDPE，分解出的成分2的光谱与HDPE的不同，而且在冷却及加热曲线中C2的变化斜率非常小，这表明LDPE的结晶似乎受到了阻碍，且C2变化曲线参数与力学性质相差很大，这点与HDPE有很大差异性。HDPE和LDPE的流变-拉曼实验可以充分说明流体所表现出来的流变性质与其组成、分子结构有密切关系。
结论
安东帕的流变仪与Cora 5001拉曼光谱仪的结合可实现原位监测，即在同一时间尺度上洞察宏观力学行为和微观分子的变化。
当聚合物的物理化学特性强烈依赖于它经历的应力、应变、应变率、环境温度时，可以通过流变-拉曼的组合获取聚合物的较真实的参数，为聚合物制造和加工提供更加全面科学的分析。