高分子物理(金日光)第四章要点课件.ppt
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- 高分子 物理 日光 第四 要点 课件
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1、第第4章章分子量与分子量分布分子量与分子量分布Molecular Weight Molecular Weight Distribution聚合物分子量的特点聚合物分子量的特点p分子量、分子量分布是高分子材料最基本的结构分子量、分子量分布是高分子材料最基本的结构参数之一参数之一p通过分子量、分子量分布可研究机理(聚合反应、通过分子量、分子量分布可研究机理(聚合反应、老化裂解、结构与性能)。老化裂解、结构与性能)。p高分子材料的许多性能与分子量、分子量分布有关:高分子材料的许多性能与分子量、分子量分布有关:优良性能(抗张、冲击、高弹性)是分子量大带来优良性能(抗张、冲击、高弹性)是分子量大带来的,
2、但分子量太大则影响加工性能(流变性能、溶的,但分子量太大则影响加工性能(流变性能、溶液性能、加工性能)。液性能、加工性能)。p所以既要考虑使用性能,又要考虑加工性能,我们所以既要考虑使用性能,又要考虑加工性能,我们必须对分子量、分子量分布予以控制必须对分子量、分子量分布予以控制. .聚合物分子量的统计意义聚合物分子量的统计意义p聚合物分子量比低分子大几个数量级,一般聚合物分子量比低分子大几个数量级,一般在在103107之间;之间;p除了有限的几种蛋白质高分子外,聚合物分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,具有子量是不均一的,具有多分散性多分散性;p聚合物的分子量描述需给出聚合
3、物的分子量描述需给出分子量的统计平分子量的统计平均值均值和和分子量分布分子量分布。高聚物分子量的多分散高聚物分子量的多分散 Polydispersity Mini4.1 聚合物分子量的统计意义聚合物分子量的统计意义p数均分子量数均分子量 Number average molecular weightp重均分子量重均分子量 Weight average molecular weightpZ均分子量均分子量 z-average molecular weightp粘均分子量粘均分子量 Viscosity-average molecular weight假设聚合物试样的总质量为假设聚合物试样的总质量为
4、m, 总物质的量为总物质的量为n, 不同分子量分子的种类用不同分子量分子的种类用 i 表示。第表示。第 i 种分子的种分子的分子量为分子量为Mi , 物质的量为物质的量为ni , 质量为质量为mi , 在整个在整个试样中所占的摩尔分数为试样中所占的摩尔分数为xi , 质量分数为质量分数为wi , 则则有有:,iinnmm,iiiinmxwnm1,1iixw4.1 聚合物分子量的统计意义聚合物分子量的统计意义4.1.2统计平均分子量统计平均分子量2、重均分子量:重均分子量:按重量的统计平均分子量按重量的统计平均分子量111iiiiiiiinMxnMnM111112mmiiiiiiiiiiiiii
5、wMwMMnMnM1、数均分子量:数均分子量:按数量的统计平均分子量按数量的统计平均分子量mi=niMi4.1.24.1.2统计平均分子量统计平均分子量3、Z均分子量:均分子量:按按Z量的统计平均分子量量的统计平均分子量 Zi=miMi211311211mmZMZiiiiiiiiiiiiiiiiizMnMnMMM迈耶霍夫平均分子量统一表达式:迈耶霍夫平均分子量统一表达式:N=0,N=1,N=2N111NiiiiiiMnMnMniiiiiMnMnM11wiiiiiiMMnMnM112ziiiiiiMMnMnM21134.1.24.1.2统计平均分子量统计平均分子量nMMMw aiiMwM/14、
6、粘均分子量粘均分子量:用稀溶液粘度法测得的平均分子量:用稀溶液粘度法测得的平均分子量 为为Mark-Houwink方程中的参数,方程中的参数,nMM 当当 -1时,时,wMM 当当 1时,时,通常的数值在通常的数值在0.51.0之间,因此之间,因此4.1.24.1.2统计平均分子量统计平均分子量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iiiiiiiinMxnMnM(2) 重均分子量重均分子量iiiiiiiiwMwmMmM(3) Z均分子量均分子量iiiiiiiiiiiiiiiiizMwMwMmMmzMzM22iiimMZ (4) 粘均分子量粘均分子量aiiMwM/1
7、nwzMMMM各种分子量的关系Example1:ni 10 10 10Mi(104) 30 20 104410 30 10 20 10 101020 1010 10 10iinin MMn22224410 3010 2010 101023.3 1010 30 10 20 10 10iiwiin MMn M333344222210 3010 2010 101025.7 1010 3010 2010 10iiizin MMn M4.1.3 分子量分布宽度分子量分布宽度p分布宽度指数(分布宽度指数(Polydispersity index) : 是指试样中各个分子量与平均分子量之间差值的平方平均值。
8、试样是均一的,则 0, ;试样是不均一的,则 0;并且不均一程度越大,则数值 越大。p多分散性系数多分散性系数 Polydispersity coefficient ( ):描述聚合物试样相对分子量的多分散程度。描述聚合物试样相对分子量的多分散程度。4.1.3分子量分布宽度分子量分布宽度) ( MMMMzn或 越大,说明分子量越分散越大,说明分子量越分散 ,说明分子量呈单分散(一样大),说明分子量呈单分散(一样大) ( .近似为单分散)近似为单分散)p缩聚产物缩聚产物 左右左右p自由基产物自由基产物 p有支化有支化 ()nwzMMMMW(M)MnMMwMzM对于多分散试样对于多分散试样4.1.
9、3分子量分布宽度分子量分布宽度Monodispersity 单分散nwzMMMCan be Obtained from anionic polymerization阴离子聚合阴离子聚合4.1.3分子量分布宽度分子量分布宽度分子量分布的连续函数表示分子量分布的连续函数表示0)(ndMMnn(M)为聚合物分子量按物质的量的分布函数0)(mdMMmm(M)为聚合物分子量按质量的分布函数01)(dMMxx(M)为聚合物分子量按摩尔分数的分布函数,或称归一化数量分布函数。01)(dMMww(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。4.1.3分子量分布宽度分子量分布宽度4.1.4分
10、子量与分子量分布对性能的影响分子量与分子量分布对性能的影响p聚合物的分子量和分子量分布对使用性能,加工性能有很聚合物的分子量和分子量分布对使用性能,加工性能有很大影响。如机械强度、韧性以及成型加工过程。大影响。如机械强度、韧性以及成型加工过程。p分子量太低,材料的机械强度和韧性都很差,没有应用价分子量太低,材料的机械强度和韧性都很差,没有应用价值。分子量太高,熔体粘度增加,给加工成型造成困难。值。分子量太高,熔体粘度增加,给加工成型造成困难。所以聚合物的分子量在一定的范围内才比较合适。所以聚合物的分子量在一定的范围内才比较合适。p p聚合物的分子量和分子量分布又作为加工过程中各种工艺聚合物的分
11、子量和分子量分布又作为加工过程中各种工艺条件选择的依据,如加工温度、成型压力等条件选择的依据,如加工温度、成型压力等高聚物性质与分子量及其分布的关系高聚物性质与分子量及其分布的关系p拉伸强度和冲击强度拉伸强度和冲击强度 (Tensile and impact strength)n与样品中低分子量部分有较大关系与样品中低分子量部分有较大关系p溶液粘度和熔体的低切流动性能溶液粘度和熔体的低切流动性能 (Solution viscosity and low shear melt flow)n与样品中中分子量部分有较大关系与样品中中分子量部分有较大关系p熔体强度与弹性熔体强度与弹性n与样品中高分子量部
12、分有较大关系与样品中高分子量部分有较大关系4.1.4分子量与分子量分布对性能的影响分子量与分子量分布对性能的影响样品样品c:由于分子量:由于分子量1520万万的大分子所占的比例较大,的大分子所占的比例较大,可纺性很好。可纺性很好。M(W)M10-451015abc聚丙烯腈试样的纺丝性能聚丙烯腈试样的纺丝性能(三种三种Mw相同的试样相同的试样)样品样品a:可纺性很差;:可纺性很差;样品样品b:有所改善;有所改善;4.1.4分子量与分子量分布对性能的影响分子量与分子量分布对性能的影响4.2 聚合物分子量的测定聚合物分子量的测定p化学方法化学方法 Chemical methodn端基分析法端基分析法
13、p热力学方法热力学方法 Thermodynamics methodn沸点升高,冰点降低,蒸气压下降,渗透压法沸点升高,冰点降低,蒸气压下降,渗透压法 p光学方法光学方法 Optical methodn光散射法光散射法p动力学方法动力学方法 Dynamic methodn粘度法,超速离心沉淀粘度法,超速离心沉淀 及扩散法及扩散法 p其它方法其它方法 Other methodn电子显微镜,凝胶渗透色谱法电子显微镜,凝胶渗透色谱法类类 型型方方 法法适用范围适用范围分子量意义分子量意义类型类型化学法化学法端基分析法端基分析法3104以下以下数均数均 等价等价热力学法热力学法冰点降低法冰点降低法510
14、3以下以下数均数均绝对绝对沸点升高法沸点升高法3104以下以下数均数均绝对绝对气相渗透法气相渗透法3104以下以下数均数均绝对绝对膜渗透法膜渗透法21041106数均数均绝对绝对光学法光学法光散射法光散射法11041107重均重均 绝对绝对动力学法动力学法超速离心沉降平衡法超速离心沉降平衡法11041106相对相对粘度法粘度法11041107粘均粘均 相对相对色谱法色谱法凝胶渗透色谱法凝胶渗透色谱法(GPC)11031107各种平均各种平均 相对相对nMnMnMnMnMwMMzwMM ,原理:线型聚合物的化学结构明确,而且分子链端原理:线型聚合物的化学结构明确,而且分子链端带有可供定量化学分析
15、的基团,则测定链端基团的带有可供定量化学分析的基团,则测定链端基团的数目,就可确定已知重量样品中的大分子链数目。数目,就可确定已知重量样品中的大分子链数目。 这个线型分子链的一端为氨基,另一端为羧基,而在链这个线型分子链的一端为氨基,另一端为羧基,而在链节间没有氨基或羧基,所以用酸碱滴定法来确定氨基或节间没有氨基或羧基,所以用酸碱滴定法来确定氨基或羧基,就可以知道试样中高分子链的数目,从而可以计羧基,就可以知道试样中高分子链的数目,从而可以计算出聚合物的数均分子量:算出聚合物的数均分子量: 例如:聚己内酰胺例如:聚己内酰胺(尼龙尼龙-6)的化学结构为:的化学结构为:4.2.1 端基分析端基分析
16、法法W试样的质量;试样的质量;N聚合物的物质的量聚合物的物质的量H2N(CH2)5CONH(CH2)5COnNH(CH2)5COOHp试样的相对摩尔质量越大,单位重量聚合物所含的端试样的相对摩尔质量越大,单位重量聚合物所含的端基数就越小,测定的准确度就越差。可分析的分子量基数就越小,测定的准确度就越差。可分析的分子量不可太大,否则误差太大,上限为不可太大,否则误差太大,上限为3104左右左右。p对对缩聚物缩聚物的分子量分析应用广泛。的分子量分析应用广泛。p对于多分散聚合物试样,用端基分析法测得的平均分对于多分散聚合物试样,用端基分析法测得的平均分子量是聚合物试样的子量是聚合物试样的数均分子量数
17、均分子量:MW/NWi/NiNiMi/NiMn4.2.1 端基分析端基分析法法4.2.2 沸点升高和冰点下降沸点升高和冰点下降p原理:在溶剂中加入不挥发性溶质后,溶液的蒸汽压下降,原理:在溶剂中加入不挥发性溶质后,溶液的蒸汽压下降,导致溶液的沸点高于纯溶剂,冰点低于纯溶剂,这些性质导致溶液的沸点高于纯溶剂,冰点低于纯溶剂,这些性质的改变值都正比于溶液中溶质分子的数目。的改变值都正比于溶液中溶质分子的数目。 TbKbc/M TfKf c/M式中:式中:Tb沸点的升高值沸点的升高值 Tf冰点的降低值;冰点的降低值; c溶液的质量分数溶液的质量分数(常以每千克溶剂中含溶质的克数来表示常以每千克溶剂中
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