聚合物的分子量及分子量分布课件.ppt
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1、聚合物的分子量及分子量分布聚合物的分子量及分子量分布第1页,此课件共66页哦本章内容、重点及要求:重重点点:各种统计平均分子量和分子量分布的表达式、表示方法及测量手段;GPC测量分子量及分子量分布的方法和原理。教学目的:教学目的:通过本章的学习,全面理解和掌握各种统计平均分子量和分子量分布的意义、表达式和分析测试方法及测试基本原理。教学内容:教学内容:聚合物的分子量及分子量分布;分子量及分子量分布的测试方法。第2页,此课件共66页哦2.1.1 分子量及其分布与性能和加工的关系分子量及其分布与性能和加工的关系 聚合物的性能特别是机械性能、加工性能及在溶液中的特性等都与聚合物分子量有关。A A:初
2、具强度最低分子量:初具强度最低分子量B B:显示强度最低分子量:显示强度最低分子量聚合物机械强度、加工性能与分子量的关系AB C机械强度机械强度分子量分子量加工性加工性2.1 概述概述第3页,此课件共66页哦塑料塑料 纤维纤维 橡胶橡胶低压聚乙烯低压聚乙烯 6-306-30万万 涤纶涤纶 1.8-2.31.8-2.3万万 天然橡胶天然橡胶 20-4020-40万万聚氯乙烯聚氯乙烯 5-155-15万万 尼龙尼龙-66 1.2-1.8-66 1.2-1.8万万 丁苯橡胶丁苯橡胶 15-2015-20万万聚苯乙烯聚苯乙烯 10-3010-30万万 维尼纶维尼纶 6-7.56-7.5万万 顺丁橡胶顺
3、丁橡胶 25-3025-30万万聚碳酸酯聚碳酸酯 2-62-6万万 纤维素纤维素 50-10050-100万万 氯丁橡胶氯丁橡胶 10-1210-12万万常用聚合物分子量示例常用聚合物分子量示例 为什么具备一定强度的聚苯乙烯分子量达到10万以上,而尼龙只要不到两万?第4页,此课件共66页哦4.1 聚合物分子量的统计意义聚合物分聚合物分子量特点子量特点(i)聚合物分子量比低分子大几个数量极,聚合物分子量比低分子大几个数量极,一般在一般在103107之间之间(ii)除了有限的几种蛋白质高分子外,聚合物分子除了有限的几种蛋白质高分子外,聚合物分子量是不均一的,具有多分散性。量是不均一的,具有多分散性
4、。聚合物的分子量描述需给出分子量的统聚合物的分子量描述需给出分子量的统计平均值和试样的分子量分布计平均值和试样的分子量分布几种分子量的关系几种分子量的关系第5页,此课件共66页哦Molecular weight M1M2Mi (分子量)Number N1N2Ni (分子数)Number average molecular weightWeight average molecular weightWeightforeachchainm1m2mi (质量质量)第6页,此课件共66页哦分子量分布的连续函数表示n(M)为聚合物分子量按数量的分布函数m(M)为聚合物分子量按质量的分布函数x(M)为聚合物
5、分子量按数量分数的分布函数,或称归一化数量分布函数。w(M)为聚合物分子量按质量分数的分布函数,或称归一化质量分布函数。第7页,此课件共66页哦4.1.2 4.1.2 统计平均分子量统计平均分子量(1)数均分子量数均分子量(2)重均分子量重均分子量(3)Z均分子量均分子量(4)粘均分子量粘均分子量各种分子量的关系第8页,此课件共66页哦4.1.3 4.1.3 分子量分布宽度分子量分布宽度分子量分布宽度是实验中各个分子量与平均分子量之间差值的平方平均值,可简明地描述聚合物试样分子量的多分散性。多分散系数Polydispersity indexPolydispersity coefficient第
6、9页,此课件共66页哦Monodispersity 单分散When=1,Can be Obtained from anionic polymerization阴阴离子聚合离子聚合第10页,此课件共66页哦表表41合成高聚物中合成高聚物中d的典型区间的典型区间高聚物高聚物d阴离子聚合阴离子聚合“活性活性”聚合物聚合物1.011.05加成聚合物(双基终止)加成聚合物(双基终止)1.5加成聚合物(歧化终止)或缩聚物加成聚合物(歧化终止)或缩聚物2.0高转化率烯类聚合物高转化率烯类聚合物25自动加速生成的聚合物自动加速生成的聚合物510配位聚合物配位聚合物830支化聚合物支化聚合物2050第11页,此
7、课件共66页哦第12页,此课件共66页哦4.1.4 聚合物的分子量分布函数聚合物的分子量分布用某些函数表示模型分布函数理论或机理分布函数假设一个反应机理,推出分布函数,实验结果与理论一致,则机理正确。不论反应机理如何,实验结果与某函数吻合,即可以此函数来描述分子量分布。Schulz-Flory 最可几分布Schulz分布Poisson分布(1)理论分布(2)模型分布Gaussian 分布Wesslau 对数正态分布Schulz-Zimm 分布函数Tung 分布函数聚合物的分子量及分子量分布对其使用性能和加工性能都有很大影响。第13页,此课件共66页哦例:下图是三种重均分子量相等,但分布例:下图
8、是三种重均分子量相等,但分布不同的不同的PAN样品,它们的纺丝性能不相同:样品,它们的纺丝性能不相同:样品样品A纺丝性能很不好;样品纺丝性能很不好;样品B纺丝性能好纺丝性能好一些;样品一些;样品C纺丝性能最好,因为分子量纺丝性能最好,因为分子量1520万占比例很大。万占比例很大。第14页,此课件共66页哦4.2 4.2 聚合物分子量的测定方法聚合物分子量的测定方法化学方法 Chemicalmethod端基分析法 Endgroupanalysis,or end group measurement热力学方法 Thermodynamicsmethod佛点升高,冰点降低,蒸汽压下降,渗透压法 Osmo
9、ticmethod光学方法 Opticalmethod粘度法 Viscosimetry,超速离心沉淀 Ultracentrifugal sedimentation method 及扩散法 Diffusion其它方法 Other method电子显微镜Electron microscope,凝胶渗透色谱法 Gelpermeationchromatography(GPC)动力学方法 Dynamicmethod光散射法 Lightscatteringmethod第15页,此课件共66页哦表表4-24-2不同平均分子量测定方法及其适用范围不同平均分子量测定方法及其适用范围平均分子量平均分子量方法方法类
10、型类型分子量范围分子量范围/(g/mol)佛点升高,冰点降低,气佛点升高,冰点降低,气相渗透,等温蒸馏相渗透,等温蒸馏A5 105平衡沉降平衡沉降A102106光散射法光散射法A102密度梯度中的平衡沉降密度梯度中的平衡沉降A5 104小角小角X射线衍射射线衍射A102沉降速度法沉降速度法A103稀溶液粘度法稀溶液粘度法R102凝胶渗透色谱法凝胶渗透色谱法R103第16页,此课件共66页哦4.2.1 端基分析 End group analysis适用对象:适用对象:分子量不大(分子量不大(3104以下),因为分子量大,以下),因为分子量大,单位重量中所含的可分析的端基的数目就相单位重量中所含的
11、可分析的端基的数目就相对少,分析的相对误差大对少,分析的相对误差大结构明确,每个分子中可分析基团的数目必须结构明确,每个分子中可分析基团的数目必须知道知道每个高分子链的末端带有可以用化学方法进行每个高分子链的末端带有可以用化学方法进行定量分析的基团定量分析的基团第17页,此课件共66页哦 例如尼龙例如尼龙6:一头一头 氨基,氨基,一头羧基(中间已无这两种一头羧基(中间已无这两种基团),可用酸碱滴定来分析端氨基和基团),可用酸碱滴定来分析端氨基和端羧基,以计算分子量。端羧基,以计算分子量。第18页,此课件共66页哦计算公式:计算公式:W 试样重量试样重量 n n试样摩尔数试样摩尔数 n ne e
12、试样中被分析的端基摩尔数试样中被分析的端基摩尔数 Z Z 每个高分子链中端基的个数每个高分子链中端基的个数第19页,此课件共66页哦特点:特点:可证明测出的是可证明测出的是对缩聚物的分子量分析应用广泛对缩聚物的分子量分析应用广泛分子量不可太大,否则误差太大分子量不可太大,否则误差太大第20页,此课件共66页哦用用醇醇酸酸缩缩聚聚法法值值得得的的聚聚酯酯,每每个个分分子子中中有有一一个个可可分分析析的的羧羧基基,现现滴滴定定1.5g聚聚酯酯用用去去0.1mol/L的的氢氢氧氧化化钠钠75mL,求求聚聚酯酯的的分分子子量量,并并说明为何种统计平均值。说明为何种统计平均值。第21页,此课件共66页哦
13、对小分子:对小分子:C 溶液的浓度溶液的浓度 k kb b溶剂的沸点升高常数溶剂的沸点升高常数 k kf f溶剂的冰点降低常数溶剂的冰点降低常数 MM溶质分子量溶质分子量4.2.2 溶液依数性法溶液依数性法第22页,此课件共66页哦 沸点升高值(或冰点降低值)沸点升高值(或冰点降低值)沸点升高常数(或冰点下降常数)沸点升高常数(或冰点下降常数)数均分子量数均分子量 第二维列系数第二维列系数 C 浓度(单位:克浓度(单位:克/千克溶剂)千克溶剂)对于高分子溶液:对于高分子溶液:第23页,此课件共66页哦应用这种方法应注意应用这种方法应注意:分子量在分子量在3104以下,不挥发,不以下,不挥发,不
14、解离的聚合物解离的聚合物溶液浓度的单位(溶液浓度的单位()得到的是得到的是第24页,此课件共66页哦应用这种方法应注意应用这种方法应注意:由于溶液浓度很小,所测定的由于溶液浓度很小,所测定的 值也值也很小。很小。测定要求很精确,浓度测定一测定要求很精确,浓度测定一般采用热敏电阻,把温差转变为电讯号般采用热敏电阻,把温差转变为电讯号溶剂选择:溶剂选择:值要大,沸点不要太值要大,沸点不要太高,以防聚合物降解高,以防聚合物降解等待足够时间达到热力学平衡。等待足够时间达到热力学平衡。第25页,此课件共66页哦4.2.3渗透压法渗透压法(Osmomit pressure)原理:原理:渗透压概念:当溶剂池
15、和溶液池被半透膜隔开时,纯溶剂透过半透膜渗入溶液池,使溶液的液面生高,产生渗透压概念:当溶剂池和溶液池被半透膜隔开时,纯溶剂透过半透膜渗入溶液池,使溶液的液面生高,产生液柱差,平衡时,液柱高所示压力为渗透压。液柱差,平衡时,液柱高所示压力为渗透压。SolutionSolventSemipermeable membrane 半透膜:允许溶剂小分子通过,不允许溶质大分子通过。第26页,此课件共66页哦对于高分子稀溶液,不能看成理想溶液,对于高分子稀溶液,不能看成理想溶液,不服从拉乌尔定律不服从拉乌尔定律 推导中用到推导中用到Flory-Huggins理论,得到高分理论,得到高分子溶液渗透压公式子溶
16、液渗透压公式 如下如下 渗透压渗透压 第二维列系数第二维列系数 高分子高分子-溶剂相互作用参数溶剂相互作用参数 纯溶剂的克分子体积纯溶剂的克分子体积 高聚物密度高聚物密度第27页,此课件共66页哦What we can get from the following equation?(2)A2 Second Virial coefficientIntercept=Slope coefficient=Interceptslope(1)Number average molecular weight Mn第28页,此课件共66页哦第二维修系数A2与Huggins参数1 A2与与1一样表征高分子一样表
17、征高分子“链段链段”与溶剂分子间的相互作用。与溶剂分子间的相互作用。它它们与高分子在溶液中的形态有密切关系,取决于不同溶剂体系和实们与高分子在溶液中的形态有密切关系,取决于不同溶剂体系和实验温度。验温度。在良溶剂中,高分子成团松懈,在良溶剂中,高分子成团松懈,A2 0,10.5;加不良溶剂,高分子成线团紧缩,加不良溶剂,高分子成线团紧缩,A20,10.5;再加不良溶剂,高分子会沉淀出来,再加不良溶剂,高分子会沉淀出来,A20,1大于大于0.5。同样,降温过程也会出现相同的转变。同样,降温过程也会出现相同的转变。当当T时,时,1 1/2,A2 0,超额化学势,超额化学势1E0,排斥体积为,排斥体
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