高分子材料也称为聚合物材料,是以高分子化合物为基体,再配有其他添加剂(助剂)所构成的材料。高分子材料的结构决定其性能,对结构的控制和改性,可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点,使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能,从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域,并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。
成分、结构分析
GPC——分子量及其分布
主要用于聚合物领域;
以有机溶剂为流动相(氯仿,THF,DMF);
常用固定相填料:苯乙烯-二乙烯基苯共聚物
基本原理:
GPC是一种特殊的液相色谱,所用仪器实际上就是一台高效液相色谱(HPLC)仪,主要配置有输液泵、进样器、色谱柱、浓度检测器和计算机数据处理系统。
与HPLC最明显的差别在于二者所用色谱柱的种类(性质)不同:HPLC根据被分离物质中各种分子与色谱柱中的填料之间的亲和力而得到分离,GPC的分离则是体积排除机理起主要作用。
当被分析的样品通过输液泵随着流动相以恒定的流量进入色谱柱后,体积比凝胶孔穴尺寸大的高分子不能渗透到凝胶孔穴中而受到排斥,只能从凝胶粒间流过,最先流出色谱柱,即其淋出体积(或时间)最小;中等体积的高分子可以渗透到凝胶的一些大孔中而不能进入小孔,比体积大的高分子流出色谱柱的时间稍后、淋出体积稍大;体积比凝胶孔穴尺寸小得多的高分子能全部渗透到凝胶孔穴中,最后流出色谱柱、淋出体积最大。
因此,聚合物的淋出体积与高分子的体积即分子量的大小有关,分子量越大,淋出体积越小。分离后的高分子按分子量从大到小被连续的淋洗出色谱柱并进入浓度检测器。
标样:
聚苯乙烯(PS,溶于各种有机溶剂);
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);
聚环氧乙烷(PEO,也叫聚氧化乙烯,溶于水);
聚乙二醇(PEG,溶于水);
PEO与PEG的碳链骨架相同,但是其合成原料和封端不同,由于原料的性质,使其产物的分子量和结构都有一定的区别。PEO常是指一端为甲基封端,一端为羟基封端的聚环氧乙烷,而PEG一般是两端都是羟基封端的聚乙二醇。
丁苯橡胶在塑炼时分子量分布的变化:
在塑炼过程中定时取样分析,结果如图,随时间的增加,高分子组分裂解增加,GPC曲线向低分子量方向移动,经过25min以后,高分子量组分几乎完全消失。如果塑炼的目的就是消除该组分,那么25min足够了,通过GPC数据可以帮助工作人员确定塑炼时间。
红外光谱——官能团、化学组成
光谱分析是一种根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成,结构或者相对含量的方法。按照分析原理,光谱技术主要分为吸收光谱,发射光谱和散射光谱三种;按照被测位置的形态来分类,光谱技术主要有原子光谱和分子光谱两种。红外光谱属于分子光谱,有红外发射和红外吸收光谱两种,常用的一般为红外吸收光谱。
红外光谱的原理,在之前的推送中已经详细介绍过了,此次着重介绍红外光谱在高分子材料研究中的应用。主要有以下两种:
1)聚合物的分析与鉴别。聚合物的种类繁杂,谱图复杂。不同的物质,其结构不一样,对应的图谱也不同,因此可以根据分析结果与标准谱图进行对比才能得到最终结果。
2)聚合物结晶度的测度。由于完全结晶聚合物的样品很难获得,因此不能仅用红外吸收光谱独立测量结晶度的绝对量,需要联合其他测试方法的结果。
紫外光谱——鉴别、杂质检查和定量测定
光照射样品分子或原子时,外层电子吸收一定波长紫外光,由基态跃迁至激发态而产生的光谱。紫外光波长范围是10-400nm。波长在10-200nm范围内的称为远紫外光,波长在200-400nm的为近紫外光。对于物质结构表征主要在紫外可见波长范围,即200-800nm。
在无机非
金属材料的推送中已经详细介绍了相关原理,此次着重介绍其在高分子材料中的应用。
1定性分析:尤其适用于共轭体系的鉴定,推断未知物的骨架结构,还可以与红外光谱、核磁共振波谱法等配合进行定性鉴定和结构分析。比较吸收光谱曲线与最大吸收波长的关系,进行定性测试。
2定量分析:根据Lambert-Beer定律,一定波长处被测定物质的吸光度与物质的溶度呈线性关系。通过测定溶液对一定波长入射光的吸光度求出该物质在溶液中的浓度和含量。
质谱测试
质谱是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息,将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展。在众多的分析测试方法中,质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。质谱是提供有机化合物分子量与化学式的方便与可靠方法,也是鉴别有机化合物的重要手段。
原理:试样气化后,气体分子进入电离室。电离室的一端安有阴极灯丝,灯丝通电后产生电子束。分子在电子束冲击下,失去电子,解离成离子和进一步被打碎为不同质量数的带电荷碎片离子,这样的离子源是质谱仪最常用的,称为“电子轰击离子源”。
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