高分子材料测试技术

高分子材料的测试方法综述高分子材料的测试方法综述 前前 言 言 高分子材料及其成品的性能与其化学 物理的组成 结构以及加工条件 密切相关 为了表征性能与组成 结构和加工参数之间的关系 分析测试技术 将起到唯一的决定作用 并为评定材料质量 改进产品性能和研制新材料提供依 据 不管是基本的材料性质 还是加工性质 或加工参数 以及产品性质 客观 标准的评定都需要某种测试技术提供参数进行表征 摘摘 要 要 DTA DSC 红外光谱 1 1 差热分析和差示扫描量热法差热分析和差示扫描量热法 1 1 差热分析 1 差热分析的定义 差热分析是布程控温度下 测量物质和参比物之间的温度差与温度关系的技 术 这种 关系可用数学式表示为 式中 Ts 为试 样温度 TR 参比物温度 2 差热分析的测试原理与仪器组成 按照热分析定义 所有热分析仪器 差热分析仪器也不例外 它们都是田 三大部分组成 1 被测物质的物理性质检测装置部分 如图 1 虚线内组成一 也称主体部分 2 温度程序控制装置部分 3 显示记录装置部分 此外 还有 气氛控制和数据处理装置部分 差热分析仪器的组成如图所示 虚线内为其测里原理 S 为试样 UTC 为由控温热电偶送出的微伏信一号 R 为参比吻 UT 为由试样 的热电偶送出的毫伏信号 E 为电炉 U T为由差示热散偶送出的毫伏信号 l 程序控制器 2 氛控制 3 差热放大器 4 记录仪 1 2 差示扫描量热法 1 差示扫描量热法定义 差示扫描量热法是在程控温度下 测量输入到物质和参比物之间的功率差 与温度关系的技术 用数学式表示为 2 外加热式的功率补偿型差示扫描量热仪器的结构组成 1 温度程序控制器 2 气氛控制 3 差热放大器 4 功率补偿放大器 5 记录仪 由于扫描量热法是在差热分析基础上发展起来的 因此 差示扫描量热仪 在仪器结构组成上与差热分析仪非常相似 热流型兼示扫描量热法 实际上就 是定量差热分析 功率补偿型差示扫描量热仪与差热分析仪的主要区别是前者 在试样 S 侧和参比物 R 侧 l 面分别增加一个功率补偿加热丝 或称加热器 此 外还增加一个功率补偿放大器 而内加热式功率补偿型差示扫描量热仪结构组 成特点是测温敏感 元件是用铂电阻处而不是热电偶 1 3 高分子材料研究中的应用 差热分析技术和差示扫描里热技术在高分子材料科学与工程中的具体应用 为了实际应用时究竟采用哪种技术更为有益 先将这两种技术作比较 DTA 和 DSC 的主要区别 DTA 测定的是试样和参比物之间的温度差 而 DAC 测 定的是热流率 dH dt 定量方便 因此 DSC 主要优点是热量定里方便 分辨率 高 灵敏度好 其缺点是使用温度低 以功率补偿型 DSC 为例 最高温度只能 到 725 对于 DTA 目前超高温 DTA 可作到 2400 C 一般高温炉也能作到 1500 所以 需要用高温的矿物 冶金等领域还只能用 DTA 但是对于需要温度 不高 灵敏度要求很高的有机 高分子及生物化学领域 DSC 则是一种很有用的 技术 正因如此 其发展也非常迅速 近年来 DTA 和 DSC 在高分子方而的应用特别广泛 如研究聚合物的相转 变 测定结晶温度 T 结晶度 熔点 Tm 等温结晶动力学参数和玻璃化转变 温度 TR 以及研究聚合 同化 交联 氧化 分解等反应 并测定反应温度或 反应温区 反应热 反应动力学参数等 2 2 热重法和微商热重法热重法和微商热重法 2 1 热重法和微商热重法定义 热重法 按照 ICTAC 命名 热重法是在程序控制温度下 测量物质的质量 与温度关系的一种技术 用数学表达式为 W f T 或 t 式中 W 为物质重量 T 为温度 t 为时间 微商热重法 将热重法得到的热重曲线对时间或温度一阶微商的方法 记录 的曲线为微商热重曲线简称 DTG 曲线 纵坐标为质量变化速率 dm dt 或 dm dT 横坐标为时间或温度 2 2 测试原理 由上述 TG DTG 定义 可知其简单原理 粗略的说 热重分析技术就是 把物质放在炉子里进行加热称量的技术 也可在降温下称量 能够进行这种测 量的仪器就是热天平 Therrnobalanee 下图分别表示热天平简单示意图 简 易的热重分析技术的简单原理 和近代热天平的原理图 2 3 热重法 微商热重法 在高分子材料研究中的应用 热重法的主要特点是定量性强 能准地测量物质的质量变化及变化的速率 然而热重法的试验结果与试验条件有关 但是 对商品化的热天平而言 只要 选用相同的试验条件 同种样品的热重数据是能重现的 实验证明 热重法广泛地应用在化学及化学有关的领域中 20 世纪 50 年 代 热重法曾有力地推动了无机分析化学的发展 到幼年代 热重法又在聚合 物科学领域发挥根大作用 近年来 可以说在冶金学 漆料及油墨科学 制陶 学 食品工艺学 无机化学 有机化学 生物化学及地球化学等学科中 热重 法都有广泛的应用 发挥重要的作用 随着高分子材料与工程的 发展 人们广泛应用热重法来研究其中包括评估 高分子材料的热稳定性 添加剂对热稳定的影响 氧化稳定性的测定 含湿量 和添加剂含量的测定 反应动力学的研究和共聚物 共混物体系的定量分析 聚合物和共聚物的热裂解以及热老化的研究 等等 热重法现已成为生产部门 和研究单位研究高分子材料热变化过程的重要手段 生产中可直接用于控制工 艺过程 理论土则可研究聚合物分子链的端基情况 通过反应动力学的研究 可以求得降解反应的速度常数 反应级数 频率因子及活化能 由于热重法具 有分析速度快 样品用量少的特点 因而在高分子材料热老化方面的研究中也 口益引人注目 3 3 红外吸收光谱法红外吸收光谱法 3 1 红外吸收光谱特点 红外吸收光谱最突出的特点是具有高度的特征性 除光学异构体外 每神 化合物都有自己的红外吸收光谱 因此 红外光谱法特别适于鉴定有机物 高 聚物 以及其它复杂结构的天然及人工合成产物 固态 液态 气态样品均可 测定 测试过程不破坏样品 分析速度快 样品用量少 操作简便 由于红外 光潜法具有这些优点 现已成为化学实验室必不可少的分析仪器 但红外光谱 法在定量分析 方面准确度不高 在对复杂的未知物进行结构鉴定上 由丁它主 要的特点是提供关于官能团的结构信息 故尚须结合紫外 核磁 质谱 UV NMR MS 及其它理化数据 进行综合判断 目前在我国航空二二业系统中已广泛使用红外光谱代替传统的化学分析方 法 对各种非金属材料进行质量监控 并已制定了相应的检验标准 在各单位推 广应用 取得了明显的经济效益 红外光谱仪 尤其是配有衰减全反射 ATR 漫反射 DRS 和光声池 PAS 等附件的傅里叫 变换红外光谱仪 在涂料 胶粘 剂 工程塑料以及树脂基复合材料的研究中发挥着越来越大的作用 3 2 红外光谱仪器 目前生产和使用的红外光谱仪主要有两大类 即色散型红外分光光度计和 于涉分光 傅里叶变换红外光谱仪 用激光做光源的激光红外光谱仪尚处于 研制阶段 1 色散型双光束红外分光光度计 色散型红外分光光度计是由光源 单色器 检测器和放大记录系统等几个 基术部分组成的 下图是红外分光光度计的方块图 2 傅里叶变换红外光谱仪 简称 FT IR 博里叶变换红外光谱仪与上述的色散型红外光谱仪的工作原理有很大不同 FT IR 主要是由光源 迈克尔逊干涉仪 探测器和计算机等几部分组成 其工 作原理如图所示 光源发出的红外辐射 通过迈克尔逊千涉仪变成干涉图 通过祥品后即得 到带有样品信息的干涉图 经放大器将信号放大 记录在磁带或穿孔卡片或纸 带 上 输入通用电子计算机处理或直接输入到专用计算机的磁芯存储体系中 当十涉图经模拟一数字转换器 A D 进行计算后 再经数字模拟转换 D A 由 波数分析器扫描 便可由 X 一 Y 记录器绘出通常的透过率对应波数关系的红外 光谱 R 红外 光源 M1 一定镜 M2 一一动镜 B 光束分裂器 S 样品 D 探测器 A 放大器 F 滤光器 A D 模数转换骼 D A 一数模转换器 3 傅里叶变换红外光谱仪与普通色散