高分子聚合物材料中分子量及其分布检测方案(激光粒度仪)

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​光散射法分子量测定技术及应用 1、概述：对高分子聚合物材料而言，分子量是一个基本的结构参数，它的许多性能与分子量有关，如抗冲击、高弹性等性能就是分子量大的结果。但是，分子量太大也影响高分子材料的流变性和加工性，给加工成型造成困难。因此，兼顾到使用性能和加工性能两方面的要求，需要对高分子聚合物的分子量加以控制，需要研究聚合条件对产品分子量的影响，进而研究分子量对材料的加工性能和使用性能的影响，这两方面的工作都要求测定聚合物的分子量。 高分子聚合物的分子量一般在103-107之间，平均分子量有各种不同的统计方法，常用的有数均分子量、重均分子量、Z均分子量、粘均分子量等。分子量的测试也有多种方法，如端基分析法、膜渗透压法、光散射法、粘度法、凝胶色谱法等。不同方法得到的平均分子量的统计意义也不同，本文所介绍的是光散射法测定高分子聚合物的重均分子量。 2、原理：光散射是指光通过不均匀介质而偏离原来的传播方向，散开到所有方向的现象。我们可以通过光散射方法研究物质的结构、粒度、粒形和分子量。   当光源是垂直偏振光时，小粒子（尺寸小于波长1/20）的散射光强与入射光强关系如下： 在上式中，I0是入射光强，I(θ)是距离散射颗粒r处与入射光成θ角的散射光强，λ是波长，α是散射颗粒的极化率。对于散射体积V中的N个分子，单位散射体积总散射光强I(θ)’ 极化率α依赖于介质的介电常数ε，可表示为 在这里介质介电常数ε=n2，n是介质折射率，由此得到 折射率随浓度变化可近似表示为 dn/dc是折射率增量，c是颗粒浓度。联立上述两个等式得到 所以单位体积总散射光强可以表示为 由于 NA是阿伏伽德罗常数，所以分子量可以通过计算散射光强得到 考虑到分子与溶剂的热力学作用， n0是溶剂折射率，A2是第二维利系数，它是定量描述溶剂-溶质相互作用的参数。在良溶剂中，高分子线团伸展，A2是正值，随着温度的降低或不良溶剂的加入，高分子链紧缩，A2为负值。 上面的表达式中包含与测量装置结构相关的参数，在这里定义瑞利比R(θ)为 光学常数K为 得到 根据上面的公式，我们可以做出Kc/R(θ)相对浓度c的直线（德拜曲线），截距倒数即为分子量M，斜率的1/2是第二维利系数A2。第二维利系数A2是表征粒子与溶剂或适当分散介质之间的相互作用力的一个参数，当A2>0时，粒子更“喜欢”溶剂而非它本身，趋于停留在稳定溶液中，当A2<0时，粒子更“喜欢”它本身而非溶剂，因此可能会聚集。 3、仪器及测定方法：BT-90是采用动态光散射原理的纳米粒度分布，仪它采用经典90°接收光路，进口半导体激光器及光电倍增管，配有高精度的PID温控系统，保证了测量的稳定性，具有良好的准确性。高分子聚合物分子量测定功能，就是在BT-90基础上扩展的，使BT-90不但可以测粒度，还可测分子量。 分子量测定技术对样品中的污染物或灰尘十分敏感，因此需要严格环境条件保证，一是所有玻璃器皿必须严格地除尘，且没有划伤。二是要用高纯蒸馏水做介质，并且用一次性过滤器过滤。三是实验室要洁净，洁净度等级在十万级以上。四是要避光，阳光不能直射在仪器上，最好是在暗室里进行分子量测定。 分子量的测定方法并不复杂，首先要配制4个不同浓度的样品溶液，其次是依次将标准物质、溶剂及配置好的4个浓度溶液按照浓度由低到高的顺序放到仪器中，分别测定它们散射光强，经过Kc/R(θ)变换，Kc/R(θ)数据点直线拟合即可计算出分子量结果和第二维利系数。 分子量标准样品（聚苯乙烯）的测定结果： BT-90稳定的硬件平台结合先进的分子量技术，使BT-90同时具备纳米粒度和高分子聚合物分子量测定两种功能，粒度测定范围达1-9500nm，分子量的测试范围达1KDa-20MDa，适用于从事纳米材料与高分子聚合物研究的实验室。 本文作者：百特研发中心副主任  刘峰源 1、概述：对高分子聚合物材料而言，分子量是一个基本的结构参数，它的许多性能与分子量有关，如抗冲击、高弹性等性能就是分子量大的结果。但是，分子量太大也影响高分子材料的流变性和加工性，给加工成型造成困难。因此，兼顾到使用性能和加工性能两方面的要求，需要对高分子聚合物的分子量加以控制，需要研究聚合条件对产品分子量的影响，进而研究分子量对材料的加工性能和使用性能的影响，这两方面的工作都要求测定聚合物的分子量。高分子聚合物的分子量一般在103-107之间，平均分子量有各种不同的统计方法，常用的有数均分子量、重均分子量、Z均分子量、粘均分子量等。分子量的测试也有多种方法，如端基分析法、膜渗透压法、光散射法、粘度法、凝胶色谱法等。不同方法得到的平均分子量的统计意义也不同，本文所介绍的是光散射法测定高分子聚合物的重均分子量。2、原理：光散射是指光通过不均匀介质而偏离原来的传播方向，散开到所有方向的现象。我们可以通过光散射方法研究物质的结构、粒度、粒形和分子量。 当光源是垂直偏振光时，小粒子（尺寸小于波长1/20）的散射光强与入射光强关系如下：在上式中，I0是入射光强，I(θ)是距离散射颗粒r处与入射光成θ角的散射光强，λ是波长，α是散射颗粒的极化率。对于散射体积V中的N个分子，单位散射体积总散射光强I(θ)’极化率α依赖于介质的介电常数ε，可表示为在这里介质介电常数ε=n2，n是介质折射率，由此得到折射率随浓度变化可近似表示为dn/dc是折射率增量，c是颗粒浓度。联立上述两个等式得到所以单位体积总散射光强可以表示为由于NA是阿伏伽德罗常数，所以分子量可以通过计算散射光强得到考虑到分子与溶剂的热力学作用，n0是溶剂折射率，A2是第二维利系数，它是定量描述溶剂-溶质相互作用的参数。在良溶剂中，高分子线团伸展，A2是正值，随着温度的降低或不良溶剂的加入，高分子链紧缩，A2为负值。上面的表达式中包含与测量装置结构相关的参数，在这里定义瑞利比R(θ)为光学常数K为得到根据上面的公式，我们可以做出Kc/R(θ)相对浓度c的直线（德拜曲线），截距倒数即为分子量M，斜率的1/2是第二维利系数A2。第二维利系数A2是表征粒子与溶剂或适当分散介质之间的相互作用力的一个参数，当A2>0时，粒子更“喜欢”溶剂而非它本身，趋于停留在稳定溶液中，当A2<0时，粒子更“喜欢”它本身而非溶剂，因此可能会聚集。3、仪器及测定方法：BT-90是采用动态光散射原理的纳米粒度分布，仪它采用经典90°接收光路，进口半导体激光器及光电倍增管，配有高精度的PID温控系统，保证了测量的稳定性，具有良好的准确性。高分子聚合物分子量测定功能，就是在BT-90基础上扩展的，使BT-90不但可以测粒度，还可测分子量。分子量测定技术对样品中的污染物或灰尘十分敏感，因此需要严格环境条件保证，一是所有玻璃器皿必须严格地除尘，且没有划伤。二是要用高纯蒸馏水做介质，并且用一次性过滤器过滤。三是实验室要洁净，洁净度等级在十万级以上。四是要避光，阳光不能直射在仪器上，最好是在暗室里进行分子量测定。分子量的测定方法并不复杂，首先要配制4个不同浓度的样品溶液，其次是依次将标准物质、溶剂及配置好的4个浓度溶液按照浓度由低到高的顺序放到仪器中，分别测定它们散射光强，经过Kc/R(θ)变换，Kc/R(θ)数据点直线拟合即可计算出分子量结果和第二维利系数。分子量标准样品（聚苯乙烯）的测定结果：BT-90稳定的硬件平台结合先进的分子量技术，使BT-90同时具备纳米粒度和高分子聚合物分子量测定两种功能，粒度测定范围达1-9500nm，分子量的测试范围达1KDa-20MDa，适用于从事纳米材料与高分子聚合物研究的实验室。本文作者：百特研发中心副主任  刘峰源