Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Характеристика полимеров - это аналитическая область науки о полимерах .

Дисциплина связана с характеристикой полимерных материалов на различных уровнях. Обычно цель характеризации - улучшить характеристики материала. Таким образом, многие методы определения характеристик в идеале должны быть связаны с желательными свойствами материала, такими как прочность, непроницаемость, термическая стабильность и оптические свойства. [1]

Методы характеризации обычно используются для определения молекулярной массы , молекулярной структуры, морфологии , термических свойств и механических свойств. [2]

Молекулярная масса [ править ]

Молекулярная масса полимера отличается от типичных молекул тем, что реакции полимеризации производят распределение молекулярных масс и форм. Распределение молекулярных масс можно суммировать по среднечисловой молекулярной массе, средневесовой молекулярной массе и полидисперсности . Некоторые из наиболее распространенных методов определения этих параметров - это измерения коллигативных свойств , методы статического светорассеяния , вискозиметрия и эксклюзионная хроматография .

Гель-проникающая хроматография , тип эксклюзионной хроматографии, является особенно полезным методом, используемым для прямого определения параметров молекулярно-массового распределения на основе гидродинамического объема полимера . Гель-проникающая хроматография часто используется в сочетании с многоугловым рассеянием света (MALS), малоугловым рассеянием лазерного света (LALLS) и / или вискозиметрией для абсолютного определения (т.е. независимо от деталей хроматографического разделения) молекулярно-массового распределения. а также степень разветвленности и степень разветвления длинной цепи полимера при условии, что может быть найден подходящий растворитель. [3]

Определение молярной массы сополимеров - гораздо более сложная процедура. Сложности возникают из-за воздействия растворителя на гомополимеры и того, как это может повлиять на морфологию сополимера. Анализ сополимеров обычно требует нескольких методов определения характеристик. Например, сополимеры с короткоцепочечным разветвлением, такие как линейный полиэтилен низкой плотности.(сополимер этилена и высших алкенов, таких как гексен или октен) требуют использования аналитических методов фракционирования с элюированием при повышении температуры (ATREF). Эти методы могут показать, как короткоцепочечные ответвления распределяются по разным молекулярным массам. Более эффективный анализ молекулярной массы и состава сополимера возможен с использованием ГПХ в сочетании с системой тройного обнаружения, включающей многоугловое рассеяние света , УФ-поглощение и дифференциальную рефрактометрию, если сополимер состоит из двух основных полимеров, которые по-разному реагируют на УФ и / или показатель преломления. [4]

Молекулярная структура [ править ]

Многие аналитические методы, используемые для определения молекулярной структуры неизвестных органических соединений, также используются для характеристики полимеров. Спектроскопические методы , такие как оптическая спектроскопия , ИК - спектроскопии , спектроскопии комбинационного рассеяния света , спектроскопии ядерного магнитного резонанса , электронного парамагнитного резонанса , дифракции рентгеновских лучей , и масс - спектрометрии используются для идентификации общих функциональных групп.

Морфология [ править ]

Морфология полимера - это свойство микромасштаба, которое в значительной степени определяется аморфными или кристаллическими частями полимерных цепей и их влиянием друг на друга. Методы микроскопии особенно полезны для определения этих микромасштабных свойств, поскольку домены, созданные морфологией полимера, достаточно велики, чтобы их можно было рассматривать с помощью современных инструментов микроскопии. Некоторые из наиболее распространенных методов микроскопии - это дифракция рентгеновских лучей , просвечивающая электронная микроскопия , сканирующая трансмиссионная электронная микроскопия , сканирующая электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия .

Морфология полимера на мезоуровне (от нанометров до микрометров) особенно важна для механических свойств многих материалов. Просвечивающая электронная микроскопия в сочетании с методами окрашивания , а также сканирующая электронная микроскопия и сканирующая зондовая микроскопия являются важными инструментами для оптимизации морфологии таких материалов, как полибутадиен - полимеры полистирола и многих смесей полимеров.

Рентгеновская дифракция обычно не так эффективна для этого класса материалов, поскольку они либо аморфны, либо плохо кристаллизованы. Малый угол рассеяния , как малый угол рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) может быть использован для измерения длительных периодов полукристаллических полимеров.

Тепловые свойства [ править ]

Истинной рабочей лошадкой для определения характеристик полимеров является термический анализ , особенно дифференциальная сканирующая калориметрия . Изменения в составе и структурных параметрах материала обычно влияют на его плавление или стеклование, что, в свою очередь, может быть связано со многими рабочими параметрами. Для полукристаллических полимеров это важный метод измерения кристалличности. Термогравиметрический анализ также может дать представление о термостойкости полимера и о влиянии добавок, таких как антипирены. Другие методы термического анализа обычно представляют собой комбинации основных методов и включают дифференциальный термический анализ , термомеханический анализ., динамический механический термический анализ и диэлектрический термический анализ .

Динамическая механическая спектроскопия и диэлектрическая спектроскопия - это, по сути, расширения термического анализа, который может выявить более тонкие переходы с температурой, поскольку они влияют на комплексный модуль или диэлектрическую функцию материала.

Механические свойства [ править ]

Характеристика механических свойств полимеров обычно относится к измерению прочности, эластичности, вязкоупругости и анизотропии полимерного материала. Механические свойства полимера сильно зависят от ван-дер-ваальсовых взаимодействий полимерных цепей и способности цепей вытягиваться и выравниваться в направлении приложенной силы. Другие явления, такие как склонность полимеров к образованию трещин, могут влиять на механические свойства. Обычно полимерные материалы характеризуются как эластомеры, пластмассы или жесткие полимеры в зависимости от их механических свойств. [5]

Предел прочности при растяжении , предел текучести и модуль Юнга являются показателями прочности и эластичности, и представляют особый интерес для описания свойств напряжение-деформация полимерных материалов. Эти свойства можно измерить с помощью испытаний на растяжение. [6] Для кристаллических или полукристаллических полимеров анизотропия играет большую роль в механических свойствах полимера. [7] Кристалличность полимера может быть измерена с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии . [8]Для аморфных и полукристаллических полимеров при приложении напряжения полимерные цепи могут распутываться и выравниваться. Если напряжение прикладывается в направлении выравнивания цепей, полимерные цепи будут демонстрировать более высокий предел текучести и прочность, поскольку ковалентные связи, соединяющие основную цепь полимера, поглощают напряжение. Однако, если напряжение прикладывается перпендикулярно направлению выравнивания цепи, ван-дер-ваальсовы взаимодействия между цепями будут в первую очередь отвечать за механические свойства, и, таким образом, предел текучести будет уменьшаться. [9] Это можно было бы наблюдать на графике напряжения-деформации, найденном при испытании на растяжение. Подготовка образца, включая ориентацию цепи внутри образца, для испытаний на растяжение, таким образом, может играть большую роль в наблюдаемых механических свойствах.

Свойства разрушения кристаллических и полукристаллических полимеров можно оценить с помощью испытаний на ударную вязкость по Шарпи.. Испытания по Шарпи, которые также можно использовать с системами сплавов, выполняются путем создания надреза в образце, а затем с помощью маятника для разрушения образца в надрезе. Движение маятника можно использовать для экстраполяции энергии, поглощенной образцом, для его разрушения. Испытания по Шарпи также можно использовать для оценки скорости деформации трещины, измеренной с учетом изменений массы маятника. Обычно с помощью тестов Шарпи оценивают только хрупкие и несколько пластичные полимеры. В дополнение к энергии разрушения, тип разрушения можно оценить визуально, например, был ли разрыв полным разломом образца или образец испытал разрушение только в части образца, а сильно деформированные участки все еще связаны.Эластомеры обычно не оцениваются с помощью тестов Шарпи из-за того, что их высокая деформация текучести препятствует результатам теста Шарпи.[10]

Есть много свойств полимерных материалов, которые влияют на их механические свойства. По мере увеличения степени полимеризации увеличивается и прочность полимера, поскольку более длинные цепи имеют высокие ван-дер-ваальсовы взаимодействия и перепутывание цепей. Длинные полимеры могут запутываться, что приводит к последующему увеличению модуля объемной упругости. [11]Крейзы - это небольшие трещины, которые образуются в полимерной матрице, но которые останавливаются небольшими дефектами в полимерной матрице. Эти дефекты обычно состоят из второго полимера с низким модулем упругости, который диспергирован по всей первичной фазе. Трещины могут увеличивать прочность и уменьшать хрупкость полимера, позволяя небольшим трещинам поглощать более высокие напряжения и деформации, не приводя к разрушению. Если позволить трещинам распространяться или сливаться, они могут привести к кавитации и разрушению в образце. [12] [13]Крейзы можно увидеть с помощью просвечивающей электронной микроскопии и сканирующей электронной микроскопии, и обычно они превращаются в полимерный материал во время синтеза. Сшивание, обычно наблюдаемое в термореактивных полимерах, также может увеличивать модуль, предел текучести и предел текучести полимера. [14]

Динамический механический анализ - наиболее распространенный метод, используемый для характеристики вязкоупругого поведения, характерного для многих полимерных систем. [15] DMA также является еще одним важным инструментом для понимания температурной зависимости механического поведения полимеров. Динамический механический анализ - это метод определения характеристик, используемый для измерения модуля упругости и температуры стеклования, подтверждения сшивки, определения температур переключения в полимерах с памятью формы, контроля отверждения в термореактивных материалах и определения молекулярной массы. К образцу полимера прикладывают осциллирующую силу, и отклик образца записывается. DMA документирует задержку между приложенной силой и восстановлением деформации в образце. Вязкоупругие образцы демонстрируют синусоидальный модуль упругости, называемый динамическим модулем.. И восстановленная, и потерянная энергия учитываются во время каждой деформации и количественно описываются модулем упругости (E ') и модулем потерь (E' ') соответственно. Приложенное напряжение и деформация образца демонстрируют разность фаз, которая измеряется во времени. Новый модуль рассчитывается каждый раз, когда к материалу прикладывается напряжение, поэтому прямой доступ к памяти используется для изучения изменений модуля при различных температурах или частотах напряжений. [16]

Другие методы включают вискозиметрию , реометрию и определение твердости маятника .

Другие методы [ править ]

  • Фракционирование полевого потока
  • лазерный масс-анализ
  • ACOMP [17] [18]
  • МФО
  • Двойная поляризационная интерферометрия
  • Матричная лазерная десорбция / ионизация

Ссылки [ править ]

  1. ^ http://camcor.uoregon.edu/labs/polymer-character . Чартофф, Ричард. "Лаборатория характеристик полимеров". Университет штата Орегон CAMCOR. 2013.
  2. ^ Кэмпбелл, D .; Петрик, РА; Уайт, Дж. Р. Физические методы исследования полимеров . Чепмен и Холл, 1989, стр. 11-13.
  3. ^ С. Подзимек. Использование GPC в сочетании с многоугольным фотометром рассеяния лазерного света для характеристики полимеров. Об определении молекулярной массы, размера и разветвленности. J. Appl. Polymer Sci. 1994 54, 91-103.
  4. ^ Роуленд, SM; Штригель, AM (2012). "Характеристика сополимеров и смесей с помощью пятикратной детекторной эксклюзионной хроматографии". Анальный. Chem . 84 (11): 4812–4820. DOI : 10.1021 / ac3003775 .
  5. ^ «Механические свойства полимеров» .
  6. ^ Strapassen, R .; Amico, SC; Перейра, MFR; Сиденстрикер, THD (июнь 2015 г.). «Поведение смесей полипропилен / полиэтилен низкой плотности при растяжении и ударе» . Полимерные испытания : 468–473.
  7. ^ Лоттеры, JC; Olthuis, W; Бергвельд, П. (1997). «Механические свойства каучука, эластичного полимера полидиметилсилоксана для сенсорных приложений» . Журнал микромеханики и микротехники . 7 (3): 145–147. DOI : 10.1088 / 0960-1317 / 7/3/017 .
  8. ^ Блейн, Роджер Л. "Определение кристалличности полимера с помощью DSC" (PDF) .
  9. Перейти ↑ Ward, IM (февраль 1962 г.). «Оптическая и механическая анизотропия в кристаллических полимерах». Труды физического общества . 80 (5): 1176–1188. DOI : 10.1088 / 0370-1328 / 80/5/319 .
  10. Перейти ↑ Tak, AGM (1977). «Испытания по Шарпи на хрупких полимерах *». Полимерная инженерия и наука . 17 (10): 733–736. DOI : 10.1002 / pen.760171007 .
  11. ^ де Женн, PG; Леже, Л. (1982). «Динамика запутанных полимерных цепей». Анну. Rev. Phys. Chem . 33 : 49–61. DOI : 10.1146 / annurev.pc.33.100182.000405 .
  12. ^ «База данных свойств полимеров» .
  13. ^ Passaglia, Элио (1987). «Увлечения и разрушение полимеров». J. Phys. Chem. Твердые тела . 48 (11): 1075–1100. DOI : 10.1016 / 0022-3697 (87) 90119-3 .
  14. ^ Litozar, Blaz; Krajnc, Matjaz (2011). «Сшивание полимеров: кинетика и явления переноса». Ind. Eng. Chem. Res . 50 .
  15. ^ «Введение в полимеры: 5.4 Динамические механические свойства» .
  16. ^ Мернард, Кевин (2008). Динамический механический анализ: практическое введение . CRC Press.
  17. ^ Альб, AM; Дренски М.Ф .; Рид, В.Ф. «Перспективный автоматический непрерывный онлайн-мониторинг реакций полимеризации (ACOMP)» Polymer International , 57,390-396. 2008 г.
  18. ^ Патент США 6052184 и Патент США 6653150, другие патенты заявлены