高分子科学导论-高分子的表征与分析PPT演示课件

四川大学化学学院,CharacterizationandAnalysisofPolymer,Introductiontopolymerscience,高分子的表征与分析,1,Content,高分子的分子量及其测试方法高分子的分子结构分析高分子的力学性能高分子的热性能高分子的粘弹性和流变性能高分子的形态分析,2,Polymermolecularweight,数均分子量重均分子量Z均分子量粘均分子量,假定某一高分子试样中含有若干种分子量不同的分子，该试样的总质量为w，总摩尔数为n，种类数用i表示，第i种分子的分子量为Mi，摩尔数为ni，质量为wi，在整个试样中的质量分数为Wi，摩尔分数为Ni,分子量分布d=Mw/Mn,3,聚合物分子量的特点：MzMwMMn,其中M略低于Mw。Mn靠近聚合物中低分子量的部分，即低分子量部分对Mn影响大；Mw靠近高分子量的高分子量部分，即高分子量部分对Mw影响大；一般用Mw来表征聚合物比Mn更为恰当，因为聚合物的性能如强度、熔体粘度等更多的依赖于样品中分子量较大的分子。高分子的分子量并不是越高越好，当分子量增加到一定程度后其对材料性能的影响会越来越小并趋近极限值，相反的，分子量过大反而会造成加工困难等缺陷。因此适度的控制聚合物的分子量是其加工使用过程中的重要环节。,Polymermolecularweight,4,Measurementofpolymermolecularweight,凝胶渗透色谱法Gel-permeationchromatography,GPC特性粘数测定法Intrinsicviscositymeasurements渗透压法Osmometry(Membraneosmometry,Vaporpressureosmometry)光散射法Light-ScatteringMethods,5,凝胶渗透色谱法GPCGPC属于体积排阻色谱法的一种，是利用多孔凝胶固定相的独特性质，产生的一种主要依据分子尺寸大小的差异来进行分离的方法。测定聚合物的相对分子质量和相对分子质量分布是目前技术发展最完善，适用性最广的一种方法。,GPC,6,Intrinsicviscosity,测试对象：粘均分子量测试仪器：乌氏粘度计、奥氏粘度计等多种形式的粘度计聚合物分子为长链大分子，加入溶剂中后导致溶液的粘度很大。当聚合物、溶剂和温度确定后，在一定的稀溶液范围内，聚合物溶液的粘度与聚合物的相对分子质量存在一定的关系：=KM,粘度法只是一种测定聚合物相对分子量的方法，必须在确定的条件下，事先订定粘度与分子量的关系（即根据已知分子量的试样测定得到常数K和a）,7,红外光谱Fouriertransforminfraredspectroscopy,FTIR核磁共振谱NuclearMagneticresonancespectroscopy,NMR质谱Massspectrometry,MS气相色谱Gaschromatography,GC光电子能谱X-rayphotoelectronspectrometry,XPS紫外光谱、拉曼光谱、荧光光谱等UV-spectroscopy,Ramanspectroscopy,Fluorescencespectroscopy,Analysisofpolymermolecularstructure,8,Fouriertransforminfraredspectroscopy,通过测定由原子在分子中振动势能变化所产生的红外吸收光谱，确定高分子内的化学结构，原子种类；红外光谱可以对高分子的化学组成、立体结构、构象、取向等提供定性和定量的信息。-(CH2-CH2-O)-,9,Fouriertransforminfraredspectroscopy,FT-IRspectraofPLLA(Mn5400)(a),R-CD(b),andtheirinclusioncomplex(c).,红外光谱FTIR,IRspectrumofPEGandPPDO-b-PEG-b-PPDOtriblockcopolymer,10,NuclearMagneticresonancespectroscopy,核磁共振仪NMR通过分析由组成分子的原子核旋转产生的磁矩能级的变化得到高分子中化学键和组成原子的信息。,化学结构分析端基分析构型异构分析顺反异构立体异构顺序异构定量分析分子量计算反应程度分析,11,NuclearMagneticresonancespectroscopy,13CCP/MASNMRspectraofthePLLA(Mn=5400)/-CDinclusioncomplexeswithamolarfeedratioof1:0(a),1:1(b),2:1(c),and4:1(d).,(a),(b),(c),(d),CH(CH3),CH3,C1,C4,C2,C3,C5,C6,12,Mechanicalproperties,应力与应变(stressandstrain)简单拉伸（drawing）简单剪切（shearing）均匀压缩（pressurizing）弯曲（bending）扭转（torsion）机械强度（Mechanicalstrength）弹性模量（Elasticmodulus）硬度（Hardness）根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将聚合物的应力-应变曲线大致分为以下几类：,材料软而韧,材料软而弱,材料弱而脆,13,Mechanicalstrength,机械强度(Mechanicalstrength)当材料所受的外力超过材料的承受能力时，材料就发生破坏。机械强度是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的最大应力。根据外力作用方式不同，主要有以下五种：（i）拉伸强度(Tensilestrength)（ii）抗压强度(Compressivestrength)（iii）弯曲强度(Flexuralstrength)（iv）冲击强度(Impactstrength)（v）扭曲强度(Twistingstrength),拉,压,弯,冲,扭,14,Compressivestrength,抗压强度(Compressivestrength)即样品抵抗压力的能力。指在无侧束状态下(Unconfined)所能承受的最大压力。换言之，指把试样的加压至破裂所需要的应力，即破裂时的压力除以最小横截面积。由于很多的材料在抗压环境下不会断裂，这时通常记录下在额定形变时的应力。,=F/A=F/(r2)F为样品断裂时压力，A和r分别为圆柱形样品起始时的截面积和直径,15,Flexuralstrength,弯曲强度（FlexuralstrengthORBendingstrength)也称挠曲强度或抗弯强度。弯曲强度的测定是在规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。,设试验过程中最大的负荷为P，则弯曲强度f为：f=1.5Pl0/bd2式中，l0为支点间的距离；b和d分别指样条的宽度和厚度。,抗弯强度测定试验示意图,16,Impactstrength,冲击强度（Impactstrength,i）冲击强度也称抗冲强度，定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量。是衡量材料韧性的一种指标。测定时基本方法与抗弯强度测定相似，但其作用力是运动的，不是静止的。,摆锤式冲击试验PendulumImpactTester,简支梁Charpy,悬臂梁Izod,缺口冲击样条,非缺口冲击样条,落球式冲击试验Falling-ballImpactTest,17,Tensilestrength,拉伸强度(Tensilestrength)衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，直至试样被拉断。材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸长率（），拉断时的形变称为断裂伸长率，(elongationatbreaking)。,万能拉力试验机,A0,l0,l,Dl,A,F,F,拉伸应力=F/A0A0为材料的起始截面积拉伸应变（相对伸长率）=(l-l0)/l0=l/l0,18,Tensilestrength,l1,l,试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比为抗张强度t：t=P/(bd)试样断裂时长度增加值与起始值之比为断裂伸长率：=100%(l-l0)/l0,19,硬度（hardness）是指材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法、划痕法、回跳法及显微硬度、高温硬度等多种方法。常用于塑料和橡胶硬度测试的标准为邵氏（Shore）硬度。用邵氏硬度计插入被测材料，表盘上的指针通过弹簧与一个刺针相连，用针刺入被测物表面，表盘上所显示的数值即为硬度值。,Hardness,ShoreA适用于软性材料,ShoreD适用于硬性材料,20,差热扫描分析DifferentialScanningCalorimetry，DSC热重分析Thermogravimetricanalysis,TGA动态热机械分析法Dynamicmechanicalanalysis,DMA,Thermalproperties,21,非晶态聚合物测定玻璃化转变Glasstransitiontemperature聚合物分子链的解缠结Chainuntangling聚合物的交联和降解Cross-linking3wt.%sepiolite/PU,33,Scanningelectronmicroscopy,用SEM可以观察聚合物表面形态；聚合物多相体系填充体系表面的相分离尺寸及相分离图案形状；聚合物断面的断裂特征；纳米材料断面中纳米尺度分散相的尺寸及均匀程度等有关信息。,Nanofiber,Microsphere,Microphaseseparate,34,原子力显微镜（AFM）原子力显微镜的基本原理就是利用一个探针去感测物体。如果说传统光学显微镜假如是“看”的话，AFM显微镜就有点类似于“摸”，探针可以因为机械接触力、范德华力、毛吸力、化学键、电力、磁力、溶剂力等产生偏移，然后再由上面的激光去测量其偏移量，可以得到一个样本的立体影像。,Atomicforcemicroscopy,AFM,原子力显微镜可以观察聚合物表面的形貌，高分子链的构象，高分子链堆砌的有序情况和取向情况，纳米结构中相分离尺寸