高分子分析测试1绪论ppt课件

高分子材料分析测试技术 课程 教师 马寒冰电话mail mahanbing 办公室 西1 3区 211室 本课程主要内容 高分子的常规物理性能测试高分子的常规力学性能测试高分子的常规热性能测试高分子阻燃性能测试高分子老化性能测试高分子材料的常规鉴别测试 考核方式 总评成绩构成包括期末考试成绩60 实验成绩占20 平时成绩占20 1 平时成绩 占总成绩的20 学生考勤10分 旷课1次扣1分 迟到 早退1次扣0 5分 病假 事假不扣分 但要有符合学校要求的书面假条 学生课堂作业10分 PPT 2 实验课成绩 占总成绩的20 3 期末成绩 闭卷考试 占总成绩的60 PPT 题目 根据抽选到的题目 测定高分子材料的性能要求 根据所抽选到的题目 完成内容 总结成PPT内容 题目 准备工作 材料准备 资料准备 设备准备 实验过程 步骤 现象 并配有图片 实验结果与分析 数据 图谱 个人体会 本章主要内容 高分子的物理性能测试一 分子量二 塑料含水量和吸水率三 密度五 透气性六 透湿性 分子量测试方法与仪器 主要内容 端基分析法黏度法黏度法 一 分子量的测试 聚合物分子量大小以及结构的不同 所采用的测量方法将不同 不同方法所得到的平均分子量的统计意义及适应的分子量范围也不同 由于高分子溶液的复杂性 加之方法本身准确度的限制 使测得的平均分子量常常只有数量级的准确度 1端基分析法 分子量不大 3 104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知道 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 适用对象 一头 一头 中间已无这两种基团 可用酸碱滴定来分析端胺基和端羧基 以计算分子量 例如尼龙6 计算公式 试样重量 试样摩尔数 试样中被分析的端基摩尔数 每个高分子链中端基的个数 特点 可证明测出的是 对缩聚物的分子量分析应用广泛 分子量不可太大 3万 否则误差太大 黏度法 黏均分子量 黏度法是目前最常用的测定聚合物分子量的方法之一 溶液的黏度除了与分子量有关 还取决于聚合物分子的结构 形态和尺寸 因此粘度法测分子量只是一种相对的方法 高分子溶液粘度的测定 一 基本概念粘度又称绝对粘度或动力粘度 表示流体在流动过程中 单位速度梯度下所受的剪切应力的大小 2 运动粘度液体的绝对粘度与其密度之比值 3 粘度比又称溶液溶剂粘度比或相对粘度 指在相同温度下 溶液粘度 与纯溶剂粘度 0的比值 1 常用的度量粘度的参数有 相对粘度 溶剂粘度 溶液粘度增比粘度 比浓粘度 特性粘度 2 方程试验证明 当聚合物 溶剂和温度确定以后 的数值仅由试样的分子量M决定 由经验可得 这就是著名的Mark Houwink方程 粘度常数 与高分子在溶液中的形状和链的两个特性参数 链段长度 结构单元长度 有关 与高分子在溶液中的形态有关 大小取决于高分子本质和测定的浓度 如果表上查不到现成的和 则要自己测定 测定时 分级 测各级的 用绝对法 渗透压或光散射 测各级的 作图 由公式 可得 斜率为 截距为 3 粘均分子量的测定A 粘度测定 溶液流出时间纯溶剂流出时间通常用的测定液体粘度的方法主要有三类毛细管粘度计 测液体在毛细管里的流动速度落球式粘度计 圆球在液体中落下的速度旋转式粘度计 液体在同轴圆柱间对转动的阻碍 二 粘度的测定通常测定液体粘度的方法主要分三类 液体在毛细管里的流出时间 圆球在液体里落下的速度 液体在同轴圆柱体间对圆柱体转动的影响 1 毛细管法 1 测量原理及计算在规定温度和环境压力的条件下 在同一粘度计内测定给定体积的溶液和溶剂流出时间 求得粘度 式中 r 相对粘度 t 溶液流经粘度计的时间 s t0 溶剂流经粘度计时间 s 参照GB T1632 1 2008 塑料使用毛细管粘度计测定聚合物稀溶液粘度 标准执行 2 试验设备 3 方法要求 溶液配制 粘度计安装 恒温 消泡 计时 其中溶剂要测量三次 取其平均值 4 影响因素 恒温槽水浴温度的精度要求 0 05 溶液浓度对粘度的测试存在着很大的影响 选择的溶液浓度应使溶液流经时间与溶剂流经时间之比不小于1 2且小于2 0 测定过程中因为毛细管垂直发生改变以及微粒杂质局部堵塞毛细管而影响流经时间 若两次连续测定的溶剂的流下时间相差大于0 4s 则清洗粘度计 为了使不同批次的实验结果可进行比较 对不同溶剂 应选用不同的标准粘度计 使溶剂流出时间为100 130s 动能校正系数 2 10 2 此时可不需进行动能校正计算 2 落球法及落球粘度 1 落球粘度落球法是根据测定已知质量和体积的小球在被测液体中通过一定高度的液体柱所需要的时间 从而测定粘液的粘度 2 测量原理及计算上图是最简单的落球式粘度计 测定钢球通过刻度所需要的时间 如果在使用前用一种已知粘度的液体进行同样的测定 二者比较即可知道被测溶液的粘度 其数学表达式如下 式中 液体的粘度 Pa s K 粘度计常数 Pa s m3 Kg s 1 钢球的密度 Kg m3 2 液体的密度 Kg m3 t 流经时间 s 3 方法要求 液体倒入试管内 放入适当的球 注意球上不应粘附任何气泡 粘液需在恒温槽内恒温15min 不同的球测量的精度是不同的 测天然乳胶粘度时 用0 8 氨水调胶乳之总固体为55 其胶乳温度控制为25 1 4 试验设备试管 恒温槽 恒温温度波动为 0 05 钢球 温度计 最小分刻度值为0 2 秒表 分度值为0 1秒 3 旋转法基本原理 基于浸于流体中的物体 如圆筒 圆锥 圆板 球及其它形状的刚性体 旋转 或这些物体静止而使周围的流体旋转时 这些物体将受到流体的粘性力矩的作用 粘性力矩的大小与流体的粘度成正比 通过测量粘性力矩及旋转体的转速求得粘度 分类 同轴圆筒内旋式粘度计 单圆筒旋转式粘度计 外筒旋转式粘度计 锥 板式粘度计等多种 图4 8NDJ 1型旋转式粘度计结构示意图 2 基本操作 准备被测样品 置于直径不小于70mm的烧杯或容器中 准确的控制液体的温度 测定前看粘度计上气泡是否在中间位置 调 0 转动左右调节旋钮 使气泡调整到中间位置 将选配号的转子旋入连接螺杆上 旋转升降钮 使仪器缓慢下降 转子逐渐浸没待测液中 直到转子液面标志和液面平齐 开启开关调节适当转速 进行测定 当指针趋于稳定 按下指针控制开关 读数 根据旋转系数等计算公式得到结果 3 影响因素 温度 温度对测定值有十分重要的影响 温度升高 粘度下降 对于精确测量 最好不要超过0 1 连接螺杆和转子 应保持干净 否则将影响到转子的正确连接和转动的稳定性 转子每次用完要及时的清洗 不得在仪器上进行清洗 转子 正确选择 或调整转速 扭矩值在10 95 之间 其他 转子放入样品中时要避免产生气泡 否则测量出的粘度值会降低 具体方法是将转子倾斜的放入样品中 然后再安装转子 转子不能碰到杯壁和杯底 被测量的样品必须没过规定的刻度 B 粘度与浓度关系 作图求出两个经验公式 常数 C 浓度 C 计算分子量 求出后 查表查相应值 查表要注意溶剂 温度 高聚物必须相同 用计算分子量用粘度法得到的是粘均分子量该方法的优点 设备简单 操作便利 测定和数据处理周期短 又有相当好的实验精确度 举例 分子量分别为39000和292000的两个 单分散 的聚苯乙烯样品以相同质量混合 试问该混合物在25oC时在溶剂苯中的特性粘数为多少 已知聚苯乙烯 苯体系中Mark Houwink方程的常数K 9 18 10 5dl g a 0 74 解 根据粘均分子量的定义 混合物的分子量为 举例 用黏度法测定某一PS试样的相对分子质量 实验是在苯溶液中30 进行的 步骤是先称取0 1375g试样 配制成25mL的PS 苯溶液 用移液管移取10mL此溶液注入黏度计中 测量出流出时间t1 241 6秒 然后依次加入苯5mL 5mL 10mL 10mL稀释 分别测得流出时间t2 189 7秒 t3 166 0秒 t4 144 4秒 t5 134 2秒 最后测得纯苯的流出时间t0 106 8秒 从书中查得PS 苯体系在30 时得K 0 99 10 2 a 0 74 试计算试样的黏均相对分子质量 解 凝胶色谱法是一种新型的液体色谱 GelPermeationChromatography简称GPC 别名 体积排除色谱 SizeExclusionChromatography简称SEC 凝胶过滤色谱 GelFiltrationChromatography简称GFC 等 从分离机理看 使用体积排除色谱 SEC 较为确切 1964年由J C Moore首先研究成功 J Polym Sci PartA Polym Chem 1964 2 2 835 843 将高交联度聚苯乙烯凝胶用作柱填料 同时配以连续式高灵敏度的示差折光仪 制成了快速且自动化的高聚物分子量及分子量分布的测定仪 从而创立了液相色谱中的凝胶渗透色谱技术 凝胶色谱法 主要特点操作简便快捷 进样量小 数据可靠且重现性好 自动化程度高等 应用领域应用于聚合物分子量及其分布 聚合物的支化度 共聚物及共混物的组成 聚合物分级及其结构分析 高聚物中微量添加剂的分析等 如果配以在线的绝对分子量检测器 凝胶渗透色谱可以测定高聚物的绝对分子量 凝胶色谱法 GPC系统配置 常温GPC凝胶渗透色谱仪 产地 英国PL PolymerLaboratories 主要特点 PL GPC50是适用于常温到50 的高分离度 经济实用型GPC系统 该系统的检测器可选择UV检测器及包括示差折光 PL RI 粘度 PL BV400RT 及光散射在内的三束检测器 其他的检测器及系统也可根据需要组合 Viscotek M302TDA多检测凝胶色谱系统 GPC 分离的核心部件是一根装有多孔性载体的色谱柱 最先被采用的载体是苯乙烯和二乙烯基苯共聚的交联聚苯乙烯凝胶球 球的表面和内部含有大量彼此贯穿的孔 孔的内径大小不等 随后又发展了许多其他类型的凝胶以及各种无机多孔材料 如多孔硅球和多孔玻璃等 载体和色谱柱 载体是GPC产生分离作用的关键 GPC载体的种类 1 交联聚苯乙烯凝胶2 多孔性玻璃3 半硬质及软质填料包括聚乙酸乙烯酯凝胶及聚丙烯酰胺凝胶4 木质素凝胶等 GPC分离原理 固定相是多孔填料 小分子样品可以进入孔径内部样品与固定相之间无作用力迁移时间不同 体积大的分子先被淋洗出来体积小的分子后被淋洗出来 GPC的工作示意图 进行实验时 以待测试样的某种溶剂充满色谱柱 使之占据载体颗粒间的全部空隙和颗粒内部的孔洞 然后把以同样溶剂配成的试样溶液自柱头加入 再以这种溶剂自头至尾淋洗 同时从色谱柱的尾端接受淋出液 计算淋出液的体积 并测定淋出液中溶质的浓度 自试样进柱到被淋洗出来 所接受的淋出液的总体积称为该试样的淋出体积 当试样随淋洗溶剂进入柱子后 溶质分子即向多孔性凝胶的内部孔洞扩散 较小的分子除了能进入大的孔外 还能进入较小的孔 而较大的分子只能进入较大的孔 甚至完全不能进入孔洞而先被洗提 因而尺寸大的分子先被洗提出来 尺寸小的分子较晚被洗提出来 分子尺寸按从大到小的次序进行分离 若用Vg表示载体的骨架体积 Vi表示载体内部所有孔洞的体积 Vo表示载体的粒间体积 那么 色谱柱内总体积 Vt Vo Vi VgVo Vi构成柱内的空间 对于溶剂分子来说 因它的体积很小 可以充满柱内的全部活动空间Vo Vi 而对于高分子来说 假若高分子的体积比孔洞的尺寸大 任何孔洞都进不去 那么它只能从载体的粒间流出 其淋出体积为Vo 假若高分子体积很小 远远小于所有孔洞尺寸 它在柱中活动空间与溶剂相同 淋出体积为Vo Vi 假若高分子的体积是中等大小 高分子可以进入大的孔 而不能进入小的孔 其淋出体积介于Vo和Vo Vi之间 这种不考虑溶质和载体之间的吸附效应以及溶质在流动相和固定相之间的分配效应 淋出体积仅仅由溶质分子大小和载体孔尺寸决定 分离完全是由于体积排除效应所致 故称为体积排除机理 高分子的分离发生在Vo和Vo Vi之间 Vo是柱内载体的粒间体积 对分离是无效的 而且Vo增大会使扩展效应增大 Vi是载体内部孔洞体积之和 Vi越大则可用于分离的容量越大 因此 要求色谱柱的Vi Vo越大越好 柱中载体装填得越紧密则Vo愈小 所以 载体的粒径愈小 愈均匀 堆积得愈紧密 柱的分离效率愈高 浓度检测 对于凝胶色谱来说 级分的含量即是淋出液的浓度 常用的方法是用示差折光仪测定淋出液的折光指数与纯溶剂的折光指数之差 n 以表征溶液的浓度 因为在稀溶液范围 n与溶液浓度C成正比 此外 还有紫外吸收 红外光谱等各种类型的浓度检测器 分子量测定 分子量的测定 有直接法和间接法 直接法是在测定淋出液浓度时 同时测定粘度或光散射 从而求出分子量 间接法是用一组分子量不等的 单分散试样作为标准样品 分别测定它们的淋出体积 作为分子量 淋出体积标定曲线 GPC曲线 淋出体积代表了分子量的大小 M 浓度响应代表了含量 W M GPC曲线就是聚合物的分子量分布曲线 3 凝胶渗透色谱图和校正曲线 所谓校正曲线就是用一组已知分子量的单分散标准样品 在相同测试条件下作一系列GPC色谱图 图8 40 以它们的峰值位置的淋出体积Ve对1nMn作图得到的曲线 分子量 淋出体积标定曲线 A B C D V0 logMa logMb 一般而言 分子量与淋出体积间具有如下关系 色谱柱的分离范围 Mb Ma称为载体的渗透极限范围 其值大小决定于载体的孔径及其分布 M1 M2 M3 M4 M5 V1 V2 V3 V4 V5 普适校正曲线 分离机理 分子尺寸 大 小 Ve小 Ve大 分子量大 分子量小 不同的高分子 分子量相同 分子尺寸是否一定相同 GPC实验确定分子量及其分布时 必须采用结构相同的 已知分子量的 单分散的试样作为标样 从而得到其校正曲线 能否用一种标样得到的校正曲线来确定所有聚合物试样的分子量 普适校正曲线 由弗洛利的特性粘数理论知道 M即为溶液中高分子的流体力学体积 A B C D V0 logMa logMb 根据GPC的分离机理 将校正曲线的纵坐标换成与分子尺寸有关的参数 即可获得适合于各种高聚物的普适校正曲线 Flory stheory 普适校正曲线 Flory stheory 以lg M对Ve作图 对不同的高聚物试样所得的校正曲线是重合的 称为普适校正曲线 根据普适标定曲线 从聚合物样品GPC曲线的横坐标上确定淋出体积Ve 然后从在普适曲线上找到在相同Ve下的 M 根据 1 M1 2 M2 从标准样品的分子量M1计算出被测样品的分子量M2 具体做法是 5 数据处理 单分散试样数据处理 数据处理 a 测定试样的GPC谱图b 读出淋出体积Ve值c 从标定曲线求得分子量 单分散试样GPC曲线 1 把GPC曲线分割成与纵轴平行的n个长条 每条的宽度都相等 实际上相当于把样品分成了n个级分 2 读出每个级分所对应的淋出体积Vei和基线至谱线之间的高度Hi 3 由淋出体积从标定曲线上求出各级分所对应分子量Mi 并由Hi计算出各级分的重量分数 多分散性试样 4 计算出各种平均分子量 二 塑料含水量和吸水率的测定 塑料含水量的测定 塑料中含有一定量的水分 通常以试样原质量与试样失水后的质量之差与原质量之比的百分比来表示 一般水分的存在对塑料的性能及成型加工会产生有害的影响 而且水在高温下会汽化 使制品产生气泡 目前广泛使用的测定水分含量的方法有 干燥恒重法 汽化测压法和卡尔 费休试剂滴定法 一 干燥恒重法是将试样放在一定温度下干燥到恒重 根据试样前后的质量变化 计算水分含量 二 汽化测压法是利用水的挥发性 在一个专门设计的真空系统中 加热试样 试样内部和表面的水蒸发出来 使系统压力增高 由系统压力的增加 求得试样的含水量 三 卡尔 费休试剂滴定法用专门配制的试剂 卡尔 费休试剂 利用碘氧化二氧化硫时 需要定量的水这一原理来测量水分含量 塑料吸水后会引起许多性能变化电绝缘性能降低 模量减小 尺寸增大等机械物理性能的变化 塑料吸水性大小决定于自身的化学组成分子主链仅有碳 氢元素组成的塑料 吸水性很小 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯等 分子主链上含有氧 羟基 酰氨基等亲水基团的塑料 吸水性较大 塑料的吸水性测定 塑料的吸水性测定 一 定义及原理塑料吸水的性能叫吸水性 是指塑料吸收水份的能力 将试样浸入保持一定温度 通常温度为23 的蒸馏水中经过一定时间后 24h 或浸泡到沸水中一定时间 30min 后 测定浸水后或再干燥除水后试样质量的变化 求出其吸水量 吸水性的表示方法 以试样原质量与试样失水后的质量之差与原质量之比的百分比 单位面积试样吸收水份的量 直接用吸收的水份量 可参照GB T1034 2008塑料吸水性的测定 二 试验步骤及计算 1 试验步骤 见教材相关内容 2 试样的吸水质量分数试样相对于初始质量的吸水质量分数为Wm 用吸水百分率来表示 数值以 表示 试样 四 试验设备及影响因素1 试验设备天平 烘箱 干燥器 恒温水浴 量具 2 影响因素 1 试样尺寸 2 材质均匀性 3 试验的环境条件 4 试验温度 应用举例 图4 1表明随PTT含量的增加 材料的吸水率单调降低 PTT含量20 时 PA6 PTT体系24h和168h吸水率仅为同等吸水条件下PA6吸水率的41 和47 PTT有效抑制了PA6的吸水性 图4 1PA6 PTT材料的吸水曲线 PTT 聚对苯二甲酸丙二醇酯 高分子密度的测定 主要方法 浸渍法滴定法密度柱法比重杯法 密度和相对密度的测定 1 密度密度是规定温度下单位体积内所含物质的质量数 用符号 表示 由于密度随温度的变化 故引用密度时必须指明温度 温度t 时的密度用 表示 2 相对密度相对密度指一定体积物质的质量与同温度情况下等体积的参比物质质量之比 常用的参比物为水 3 表观密度对于粉状 片状 颗粒状 纤维状等模塑料的表观密度是指单位体积中的质量 对于泡沫塑料的表观密度是指单位体积的泡沫塑料在规定温度和相对湿度时的质量 故又称体积密度或视在密度 塑料的密度及相对密度的测定 泡沫塑料以外的塑料密度及相对密度的测定可以参考国家标准GB T1033 塑料非泡沫塑料密度的测定 相关部分 一 A法 浸渍法浸渍法是基于阿基米德定律 将体积的测量转换为浮力的测量 即只要测得该物体全浸没在已知密度的浸渍液中的浮力大小 就能计算出该物体的体积 进而计算出测量物体的密度 塑料密度计 试样的密度大于浸渍液的密度时 按照式4 8计算 若试样的密度小于浸渍液的密度 考虑重锤的影响 按照式4 9计算 4 9 式中 s 试样的密度 g cm3 m0 试样的质量 g mh0 试样与重锤在浸渍液中的质量 g mh1 重锤在浸渍液中的质量 g 0 浸渍液的密度 g cm3 二 C法 滴定法1 测试原理两种可互溶的不同密度的液体 其中一种液体的密度低于被测样品的密度 而另一种液体的密度高于被测样品的密度 配制成混合浸渍液 将无气孔的具有合适形状的固体试样放入恒温的混合浸渍液中 不要使试样附有气泡 观察试样沉浮 若浮起来 则加轻浸渍液 若沉下去 则加重浸渍液 每次加完 搅拌均匀 直至最轻的试样和最重的试样悬浮在混合浸渍液中 用比重瓶测定相应的混合浸渍液的密度 试样的密度就介于二者之间 2 试验设备天平 玻璃量筒 滴定管 恒温水浴 容量瓶 温度计 平头玻璃搅拌棒 3 方法要求 1 称量较低密度的浸渍液 恒温到23 0 5 2 将试样放入到量筒中 3 观察试样的现象 4 继续滴加重浸渍液 5 用比重瓶法来测定混合浸渍液的密度 6 称量已干燥的比重瓶质量 7 将配好的混合液装入比重瓶 在规定温度恒温 8 称其质量 4 影响因素 1 试样大小 2 试样上吸附气泡 3 轻重两种浸渍液的选择 三 密度柱法测定密度 1 试样及浸渍液片状 粒状或容易鉴别形状的试样 精确测量试样体积中心位置 表面应平整 清洁 无裂缝 气泡 凹陷等 2 玻璃浮标的制备制备直径为3 8mm 近似球形 经过充分退火的玻璃球 选择适当的溶液体系 注入量筒中 恒温 装入被校准的玻璃浮球 搅拌均匀 如果浮标下沉 则加入密度较大的液体 反之 加入密度较小的液体 待浮标在溶液中悬浮静止不动至少30min 测定浮标保持平衡状态的液体密度 即为该浮标的密度 3 密度柱的配制 图4 3配制密度柱配管装置 1 轻液容器 2 重液容器 3 电磁搅拌器 4 梯度管 5 恒温水浴 4 测定试样密度测定三个试样 用容器A中的轻液浸湿后 轻轻放入梯度柱中 高度位置处于稳定平衡 测量其几何中心高度 在所绘制的浮标密度 浮标高度 H 的工作函数曲线图上 读取试样位于梯度柱中的高度所对应的密度值 即为该试样的密度 或用内插法计算如下 5 主要影响因素 1 温度为了保持密度梯度管内密度梯度稳定平衡 要求温度稳定 而且恒温水浴的液面要高于密度梯度液 液面恒温水浴的控温度为 0 1 2 试样试样必须是容易确定中心位置 无空穴或其他容易形成气泡的表面缺欠 切割必须用锐利的刀片 避免由于压缩引起密度的改变 3 打捞试样 必须小心 以避免破坏密度梯度液密度的线性平衡 4 玻璃浮标的标定一定要准确 观察试样的中心位置时 通常用测高仪 如用人眼观察 一定要求水平观察口 5 溶液因素研究表明 对于水 乙醇体系 密度梯度柱法的重复性和重现性不明显依赖于材料本身的密度 四 比重杯法 比重杯法是先测出试样的质量 然后利用试样的体积等于其排出液体的体积这个原理测出试样的体积 即可计算出试样的密度 1 试验设备 精度为0 1 的天平 容量为50ml的比重瓶 带有溢流毛细管 带恒温控制的液浴 2 试样的制备沿着与导体轴线方向 在被试绝缘或护套上切取试样 并切成1 2 的小块 3 试验步骤 首先将空的干燥的比重瓶称重 然后在比重瓶中将适量的试样一起称重 将比重瓶注满试液 96 的酒精 称重 再往装有试样的比重瓶中注满试液 96 的酒精 将试样浸没 并设法清除试样表面的气泡 试液温度应在液浴中达到23 0 5 将其称重 4 试验结果评定试样的密度按下式计算 23 时的密度 b m m1 m2 式中 m 试样的质量 单位 克 m1 注满比重瓶所需的试液质量 m2 装有试样时 注满比重瓶所需试液的质量 单位 克 b 23 时的酒精含量96 的试液密度0 7988g cm3 5 注意事项 比重瓶法是测量密度的基准方法 试样的质量m g 注满比重瓶所需的试液质量m1 g 装有试样时 注满比重瓶所需试液的质量m2 g 都可以精确测出 23 时的酒精含量96 的试液密度又是已知的 因此测量精度比较高 但是 总有一些因素影响测量精度 最主要的因素是温度和气泡 所以密度测试一定要在恒温条件下进行 并且要去除气泡 确保测试结果的正确性 透气性测定 透气性测试 透气性是气体对薄膜 涂层 织物等高分子材料的渗透性 是聚合物重要的物理性能之一 聚合物透气性的研究有重要实用价值 目前已在水果 蔬菜 食品等的保鲜 农作物的保温 催熟 食品 药物的包装 贮存 医用材料 分离膜的制备等方面得到广泛应用 与聚合物的结构 相态及分子运动情况有关 例涤纶分子极性强 具有刚性链 因此其透气性小于极性小 具有柔性链的聚乙烯 丁基橡胶每个结构上含两个甲基 链段不能自由运动 故其透气性比天然橡胶低数十倍 是气密性最好的橡胶 聚合物透气性的应用 防潮防氧保鲜透香问题贮气保暖选择性透过 聚合物的透气机理 低分子气体或液体透过聚合物薄膜分三步进行 气体或蒸汽在薄膜的一侧表面溶解 在一定浓度下在薄膜内溶解 最后从浓度低 即压力低的另一侧表面蒸发 前两步的速度最慢 因此聚合物主要取决于气体在聚合物中的溶解和扩散速度 透气的推动力是聚合物薄膜两边气体或液体的压力差或浓度差 1 溶解过程 根据Henry定律 在恒温恒压下达到溶解平衡时 一种气体在溶液 溶解有气体的聚合物 中的平衡浓度和该气体的压力成正比 c sp 气体压力越大及溶解系数越大时 聚合物溶解气体的平衡浓度越大 2 扩散过程 在恒温恒压差下 气体在薄膜内的扩散速率也恒定 扩散过程服从Fick定律 dcJ Ddx 当厚度为l的聚合物薄膜两边的气体达到扩散平衡时 两边气体的浓度c1 c2均恒定 得 D c1 c2 J l 3 透气性公式 由于气体的透过是上述两个过程共同决定的 所以代入得到 J DS p1 p2 l P p1 p2 l 透过系数P可以表示成 透压气体量 m3 薄膜厚度 m P 薄膜面积 m2 时间 s 气体压差 Pa 4 多层薄膜 当一种气体在平衡状态下透过若干层材料时 各层材料所透过的气体量相等 但各层推动气体透过的压力差不一样 其加和等于总压力差 则 l0l1l2l3P0 P1 P2 P3 5 混合气体 混合气体分别计算每种气体透过量再进行加和 测试方法 测试薄膜透气性能的方法很多 除确定气体传递量的三个基本方法 压力法 体积法 浓度法 外 还有热传导法和气相色谱法 而应用最广泛的是压力法和浓度法 压力法的主要特点是准确性高 重复性好 也容易实现自动记录 在测定透气系数的同时 还能求得扩散系数 并且求得溶解度系数 压差法 试验原理 气体从高压通过阻隔材料而流至低压侧 在薄膜的一侧造成真空或负压 使薄膜两侧产生压差 测量其通过阻隔材料的压力变化 采用压力法能在短时间内准确地测量出透过透气性较低的薄膜的微量气体量 压差法 标准GB T1038 2000 塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法压差法 定义 1 气体透过量 标准状态下 单位透过面积 单位压差内在24h透过的气体量 用Qg表示 单位为m3 m2 d Pa 2 透气系数标准状态下 单位时间内 单位压差下 透过单位面积 单位厚度薄膜的透气量 用Pg表示 单位为m3 m m2 s Pa 透气性测试仪 测试原理将预先处理好的试样放置在上下测试腔之间 夹紧 首先对低压腔 下腔 进行真空处理 然后对整个系统抽真空 当达到规定的真空度后 关闭测试下腔 向高压腔 上腔 充入一定压力的试验气体 并保证在试样两侧形成一个恒定的压差 可调 这样气体会在压差梯度的作用下 由高压侧向低压侧渗透 通过对低压侧内压强的监测处理 从而得出所测试样的各项阻隔性参数 技术指标测试范围 0 05 50 000cm3 m2 24h 0 1MPa 常规 上限不小于500 000cm3 m2 24h 0 1MPa 扩展体积 注 常规和扩展体积通过体积填块来选择控温范围 5 95 控温精度 0 1 控湿范围 0 RH 2 RH 98 5 100 RH 湿度发生装置另购 控湿精度 1 RH真空精度 0 1Pa测试腔真空度 20Pa试样尺寸 97mm试样数量 3件 数据各自独立 透过面积 38 48cm试验气体 O2 N2 CO2等气体 气源用户自备 试验压力 0 1MPa 0 1MPa 常规 气源压力 0 4MPa 0 6MPa接口尺寸 6mm聚氨酯管 在浓度法试验中 使用两种气体 一种是标准气体 另一种是确定透过量的试验气体 对于试验气体来说 试样两边存在着一个分压差 而对总压来说 试样两边是相等的 这种方法也可称之为等压法 因为试样两侧压力是相等的 对试样不需要用支架来支撑 浓度法 测定浓度变化有许多方法 如化学分析法 气相层析法 热传导法和放射扫描法 当测定透气性能很低的材料时 可采用一种扫描气体技术 气相色谱法透气室的混合气体与标准气体一起以一定的浓度直接流过色谱仪的检测系统 进行分析或用注射器抽出气体样品 再注入到气相色谱的分析装置中 影响透气性的因素 1 相溶性极性气体容易溶于极性聚合物 非极性气体易溶于非极性聚合物 若有机溶剂的蒸汽能使聚合物溶胀 则透过系数高 2 气体分子大小对同一聚合物来说 氧气透过系数高于氮气 直链烷烃透过系数高于支链 3 聚合物结构当聚合物的刚性 极性和对称性以及结晶和交联等因素增加时 会降低链段运动能力和增加堆砌密度 因而阻碍气体分子的溶解和扩散 降低透气性 4 增塑低分子增塑剂加入 透气透湿性增加 5 聚合物两相体系两相体系的透气性介于两种均相物质之间 6 温度对永久性气