Характеристики полимеров - Polymer characterization

Характеристики полимеров аналитическая ветвь полимерная наука.

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 молекулярная масса, молекулярная структура, морфология, термические свойства и механические свойства.[2]

Молекулярная масса

Молекулярная масса полимера отличается от типичных молекул тем, что реакции полимеризации производят распределение молекулярных масс и форм. Распределение молекулярных масс можно суммировать с помощью среднечисловой молекулярной массы, средневесовой молекулярной массы и полидисперсность. Некоторые из наиболее распространенных методов определения этих параметров: коллигативная собственность измерения, статическое рассеяние света техники, вискозиметрия, и эксклюзионная хроматография.

Гель-проникающая хроматография, тип эксклюзионной хроматографии, является особенно полезным методом, используемым для непосредственного определения параметров молекулярно-массового распределения на основе полимера. гидродинамический объем. Гель-проникающая хроматография часто используется в сочетании с многоугловое рассеяние света (MALS), Малоугловое рассеяние лазерного света (LALLS) и / или вискозиметрия для абсолютного определения (т.е. независимо от деталей хроматографического разделения) молекулярно-массового распределения, а также степени разветвления и степени разветвления длинной цепи полимера при условии, что может быть найден подходящий растворитель.[3]

Определение молярной массы сополимеры это гораздо более сложная процедура. Осложнения возникают из-за воздействия растворителя на гомополимеры и как это может повлиять на морфологию сополимера. Анализ сополимеров обычно требует использования 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-абсорбция и дифференциальная рефрактометрия, если сополимер состоит из двух основных полимеров, которые по-разному реагируют на УФ-излучение и / или показатель преломления.[4]

Молекулярная структура

Многие аналитические методы, используемые для определения молекулярной структуры неизвестных органических соединений, также используются для характеристики полимеров. Спектроскопические методы, такие как ультрафиолетовая и видимая спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, Рамановская спектроскопия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, спектроскопия электронного парамагнитного резонанса, дифракция рентгеновских лучей, и масс-спектрометрии используются для определения общих функциональных групп.

Морфология

Морфология полимера - это микромасштабное свойство, 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 микроскопов. Некоторые из наиболее распространенных используемых методов микроскопии: дифракция рентгеновских лучей, Просвечивающая электронная микроскопия, Сканирующая просвечивающая 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 комбинации с окрашивание техники, но также Сканирующая электронная микроскопия, Сканирующая зондовая микроскопия являются важными инструментами для оптимизации морфологии материалов, таких как полибутадиен -полистирол полимеры и многие полимерные смеси.

дифракция рентгеновских лучей обычно не так эффективен для этого класса материалов, поскольку они либо аморфны, либо плохо кристаллизованы. В Малоугловое рассеяние любить Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) можно использовать для измерения длительных периодов полукристаллических полимеров.

Тепловые свойства

Настоящая рабочая лошадка для определения характеристик полимеров - это термический анализ особенно Дифференциальная сканирующая калориметрия. Изменения в составе и структурных параметрах материала обычно влияют на его плавление или стеклование, и это, в свою очередь, может быть связано со многими рабочими параметрами. Для полукристаллических полимеров это важный метод измерения кристалличности. Термогравиметрический анализ может также дать представление о термостабильности 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 по сути, являются расширением термического анализа, который может выявить более тонкие переходы с температурой, поскольку они влияют на комплексный модуль или диэлектрическую функцию материала.

Механические свойства

Характеристика механических свойств полимеров обычно относится к измерению прочности, эластичности, вязкоупругость, и анизотропия полимерного материала. Механические свойства полимера сильно зависят от Ван дер Ваальс взаимодействия полимерных цепей и способность 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]

В предел прочности, предел текучести, и Модуль для младших являются показателями прочности и эластичности и представляют особый интерес для описания деформационных свойств полимерных материалов. Эти свойства можно измерить путем испытаний на растяжение.[6] Для кристаллический или полукристаллический В полимерах анизотропия играет большую роль в механических свойствах полимера.[7] Кристалличность полимера можно измерить через дифференциальная сканирующая калориметрия.[8] В аморфных и полукристаллических полимерах 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 Испытание на удар 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 могут быть использованы для оценки скорости деформации трещины, измеренной с учетом изменений массы маятника. Как правило, 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 того, как степень полимеризации повышается, 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 полимерной матрицы. Эти дефекты обычно состоят из второго полимера с низким модулем упругости, который диспергирован по всей первичной фазе. Трещины могут увеличить прочность и снизить 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 образца.[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 это 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 пластиках и определения молекулярной массы. К образцу полимера прилагается осциллирующая сила, и отклик образца записывается. DMA документирует отставание между приложенной силой и восстановлением деформации в образце. Вязкоупругие образцы демонстрируют синусоидальный модуль упругости, называемый динамический модуль. 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 имеют разность фаз ẟ, 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 напряжения.[16]

Другие методы включают вискозиметрия, реометрия, и маятник твердость.

Другие техники

использованная литература

  1. ^ http://camcor.uoregon.edu/labs/polymer-character. Чартофф, Ричард. "Лаборатория характеристик полимеров". Университет штата Орегон CAMCOR. 2013.
  2. ^ Кэмпбелл, Д .; Pethrick, R.A .; Уайт, Дж. Р. Физические методы исследования полимеров. Чепмен и Холл, 1989, стр. 11-13.
  3. ^ С. Подзимек. Использование ГПХ 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. ^ Rowland, S.M .; Стригель, А. М. (2012). "Характеристика сополимеров и смесей с помощью пятидетекторной эксклюзионной хроматографии". Анальный. Chem. 84 (11): 4812–4820. Дои:10.1021 / ac3003775.
  5. ^ «Механические свойства полимеров».
  6. ^ Strapassen, R .; Amico, S.C .; Pereira, M. F. R .; Сиденстрикер, T.H.D. (Июнь 2015 г.). «Поведение смесей полипропилен / полиэтилен низкой плотности при растяжении и ударе». Полимерные испытания: 468–473.
  7. ^ Лоттеры, J C; Olthuis, W; Бергвельд, П. (1997). «Механические свойства резинового эластичного полимера полидиметилсилоксана для сенсорных приложений». Журнал микромеханики и микротехники. 7 (3): 145–147. Дои:10.1088/0960-1317/7/3/017.
  8. ^ Блейн, Роджер Л. «Определение кристалличности полимера с помощью ДСК» (PDF).
  9. ^ Уорд, И. М. (февраль 1962 г.). «Оптическая и механическая анизотропия в кристаллических полимерах». Труды физического общества. 80 (5): 1176–1188. Дои:10.1088/0370-1328/80/5/319.
  10. ^ Так, А. Г. М. (1977). «Испытания по Шарпи на хрупких полимерах *». Полимерная инженерия и наука. 17 (10): 733–736. Дои:10.1002 / ручка.760171007.
  11. ^ de Gennes, P. G .; Леже, Л. (1982). «Динамика запутанных полимерных цепей». Анну. Rev. Phys. Chem. 33: 49–61. Дои:10.1146 / annurev.pc.33.100182.000405.
  12. ^ «База данных свойств полимеров».
  13. ^ Пассалья, Элио (1987). «Увлечения и разрушение полимеров». J. Phys. Chem. Твердые тела. 48 (11): 1075–1100. Дои:10.1016/0022-3697(87)90119-3.
  14. ^ Литозар, Блаз; 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. ^ Alb, A.M .; Дренски М.Ф .; Рид, В.Ф. «Перспективный автоматический непрерывный онлайн-мониторинг реакций полимеризации (ACOMP)» Полимер Интернэшнл,57,390-396.2008
  18. ^ Патент США 6052184 и Патент США 6653150, другие патенты заявлены