聚合物表征與測(cè)試1xulun

1/9/20236:40PM1聚合物表征谷曉昱Tel:64434862Email:guxy@辦公室：綜合樓20D課程安排1,2,3周課堂教學(xué)周一教學(xué)樓4023~5節(jié)周四教學(xué)樓4021~2節(jié)1/9/20236:40PM24~5周實(shí)驗(yàn)（4次）

答疑

考試（閉卷）參考書目《聚合物研究方法》，張美珍，中國(guó)輕工業(yè)出版社；《聚合物材料表征與測(cè)試》，楊萬(wàn)泰，中國(guó)輕工業(yè)出版社；《材料結(jié)構(gòu)表征及應(yīng)用》，吳剛，化學(xué)工業(yè)出版社；《高聚物結(jié)構(gòu)分析》，朱誠(chéng)身著，科學(xué)出版社；1/9/20236:40PM3緒論紅外光譜X射線衍射聚合物材料分子質(zhì)量及其分布研究聚合物熱分析聚合物顯微結(jié)構(gòu)分析聚合物力學(xué)(動(dòng)態(tài),靜態(tài))性能研究1/9/20236:40PM4課堂內(nèi)容安排實(shí)驗(yàn)課安排動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)熱分析（DSC,TG）分子量及其分布測(cè)定紅外光譜1/9/20236:40PM51/9/20236:40PM6緒論學(xué)習(xí)此課程的重要性現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴于對(duì)材料的多層面，多角度的表征與分析。1/9/20236:40PM7學(xué)習(xí)方法了解各種儀器的基本結(jié)構(gòu)和原理；熟悉各種儀器的應(yīng)用范圍；知道各種儀器的功能，可以提供的信息；對(duì)各種信息有綜合分析的能力；掌握研究的思路和方法。1/9/20236:40PM8一聚合物表征定義用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)（物理、化學(xué)），特別是用近代儀器分析手段來從1/9/20236:40PM9結(jié)構(gòu)微觀層次組成分子運(yùn)動(dòng)宏觀角度合成性能加工性能使用性能1/9/20236:40PM10二、聚合物各級(jí)結(jié)構(gòu)與

相應(yīng)分析方法歸納聚合物結(jié)構(gòu)1/9/20236:40PM112.1聚合物鏈結(jié)構(gòu)定義:單個(gè)高分子鏈的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。它研究的是單個(gè)分子鏈中原子或基團(tuán)的幾何排列情況。1/9/20236:40PM12聚合物鏈結(jié)構(gòu)決定聚合物的基本性能聚合物鏈結(jié)構(gòu)一次結(jié)構(gòu)化學(xué)組成構(gòu)型二次結(jié)構(gòu)構(gòu)造序列結(jié)構(gòu)分子大小及形態(tài)2.1.1構(gòu)型——

指分子中的原子在空間的幾何排列旋光異構(gòu)（立體異構(gòu)）1/9/20236:40PM13全同異構(gòu)（等規(guī)）無(wú)規(guī)異構(gòu)間同異構(gòu)（間規(guī)）幾何異構(gòu)（順反異構(gòu)）順式反式鍵接異構(gòu)頭-頭頭-尾立體異構(gòu)1/9/20236:40PM14HHHHHHHHHRRRRHHHHHHHHHRRRHRH全同立構(gòu)間同立構(gòu)幾何異構(gòu)體（由雙鍵產(chǎn)生）1/9/20236:40PM15順式反式鍵接異構(gòu)1/9/20236:40PM16頭-頭頭-尾2.1.2聚合物二次結(jié)構(gòu)二次結(jié)構(gòu)構(gòu)造序列結(jié)構(gòu)分子大小及形態(tài)1/9/20236:40PM17整個(gè)分子的大小和在空間的形態(tài)。這些形態(tài)隨著條件和環(huán)境的變化而變化，故又稱遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。構(gòu)造——聚合物分子鏈的形狀1/9/20236:40PM18構(gòu)造線形支化交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)超支化長(zhǎng)短支鏈?zhǔn)嵝涡切喂簿畚锏男蛄薪Y(jié)構(gòu)兩種或多種單體在共聚物中的排列情況。1/9/20236:40PM19無(wú)規(guī)共聚（-co-）~M1M2M2M1M2M1M1M2~~交替共聚（-alt-）~~M1M2M1M2M1M2~~~M1M1M1~~M2M2~~M1M1M1~~嵌段共聚（-b-）接枝共聚（-g-）~M1M1M1M1M1M1M1M1~~M2M2M2~M2M2M2~~1/9/20236:40PM202.1.3聚合物鏈結(jié)構(gòu)

的主要表征手段-波譜分析的方法電磁波譜

(ElectromagneticSpectrum)1/9/20236:40PM21E=hν(h=6.62×10-34J?s)c=λν(c=3×108m/s)波譜學(xué)基于物質(zhì)對(duì)電磁輻射的吸收的不同來分析分子結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)分子吸收電磁輻射是非連續(xù)的即量子化的（只有當(dāng)外界輻射的能量與化合物的能級(jí)差相等時(shí)，才會(huì)發(fā)生吸收）分子對(duì)量子輻射的吸收導(dǎo)致由正常的基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷,通過譜儀(spectrometer)將這些吸收作圖記錄下來的過程1/9/20236:40PM22波譜儀的一般結(jié)構(gòu)電磁頻率發(fā)生器1/9/20236:40PM23入射光檢測(cè)器及信號(hào)放大器樣品計(jì)算機(jī)UVIRNMRXRDXPSEDS2.1.3聚合物鏈結(jié)構(gòu)表征

最常用的幾種主要手段1/9/20236:40PM24質(zhì)譜(MS)紅外光譜法（IR）紫外及可見光譜（UV）核磁共振法（NMR）紅外光譜法

（InfraredSpectrograph,IR）在聚合物材料表征上具有特殊重要的地位。方法簡(jiǎn)單，經(jīng)驗(yàn)豐富吸收光譜(能量范圍：2~25μm)能量較低，適合做定性研究（官能團(tuán)，側(cè)基，端基等）定量研究則較差1/9/20236:40PM紫外及可見光譜(UV)吸收光譜(能量范圍波長(zhǎng)200-800nm)聚合物中具有共軛結(jié)構(gòu)（雙鍵、苯環(huán)）的才會(huì)產(chǎn)生UV吸收。多與其他儀器連用，定量研究基團(tuán)含量。1/9/20236:40PM26防曬霜的一種成分NH21/9/20236:40PM27COOHλ=281nm核磁共振法（nuclearmagneticresonance,NMR）為吸收光譜（能量范圍:兆赫茲MHz）是原子核吸收一定能量發(fā)生能級(jí)躍遷,而產(chǎn)生的信號(hào)精密，準(zhǔn)確、深入物質(zhì)內(nèi)部,基團(tuán)種類及基團(tuán)的位置有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多的研究手段1/9/20236:40PM281.BRUKERAV-600

NuclearMagneticResonanceNMR600MHzUltraShield；BroadbandObserveProbes(BBO)BroadbandInverseProbes(BBI)HighResolutionMagicAngleSpinning(HR-MAS)

；1/9/20236:40PM291/9/20236:40PM302.BrukerAV-300SolidNMR300MHzultraShield；HighSpeedandLowspeedMagicAngleSpinning；1/9/20236:40PM31NMR儀器結(jié)構(gòu)圖1/9/20236:40PM32電磁頻率發(fā)生器檢測(cè)器及信號(hào)放大器樣品計(jì)算機(jī)磁場(chǎng)NMR原理它是利用具有核磁矩的原子核作為磁探針來探測(cè)分子內(nèi)部局部磁場(chǎng)的情況，從而得到有關(guān)分子結(jié)構(gòu)方面的信息。由于相同的質(zhì)子由于所處的化學(xué)環(huán)境不同，從而產(chǎn)生不同的共振頻率。1/9/20236:40PM33NMR分類1/9/20236:40PM3413C19F31P15N29Si1HNMR特點(diǎn)根據(jù)δ確認(rèn)H原子的化學(xué)環(huán)境------判別基團(tuán)的種類；根據(jù)J------相鄰H原子的關(guān)系與結(jié)構(gòu)；吸收峰面積-----確定分子中各類H原子的數(shù)量比1/9/20236:40PM351/9/20236:40PM36NMR在材料結(jié)構(gòu)判斷中的應(yīng)用舉例基團(tuán)在分子中的位置研究聚合物的構(gòu)型和構(gòu)象立體異構(gòu)體的鑒定共聚物的序列組成及分布溴乙烷的1H譜圖1/9/20236:40PM3質(zhì)譜(MassSpectrograph,MS)定義

指樣品分子(或原子)離子化后形成具有各種質(zhì)荷比(m/e)的離子,進(jìn)而在電磁場(chǎng)的作用下被分離,并將收集到的離子按質(zhì)荷比的大小排列成的譜1/9/20236:40PM381/9/20236:40PM39質(zhì)譜(MS)的應(yīng)用測(cè)定化合物的分子式和分子量1/9/20236:40PM40聚合物材料中的分析無(wú)機(jī)材料分析質(zhì)譜(MS)在聚合物材料中的應(yīng)用高分子材料中間體及添加劑成分分析聚合物結(jié)構(gòu)表征熱解機(jī)理研究1/9/20236:40PM41熱裂解-質(zhì)譜

熱裂解-氣相色譜-質(zhì)譜獲得不同聚合物結(jié)構(gòu)特征的熱裂解產(chǎn)物；揭示聚合物的鏈節(jié)及序列分布；研究聚合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。1/9/20236:40PM42質(zhì)譜(MS)在聚合物材料中應(yīng)用舉例1/9/20236:40PM43橡膠種類裂解產(chǎn)物丁基橡膠異丁烯二聚體，三聚體天然橡膠異戊二烯1，4-二甲基-4-二烯基環(huán)己烯順丁橡膠丁二烯4-己烯基環(huán)己烯2.1.4聚合物鏈二次結(jié)構(gòu)的表征1/9/20236:40PM44分子質(zhì)量及其分布支化度交聯(lián)度線性結(jié)構(gòu)聚合物材料支化高分子交聯(lián)高分子溶脹平衡法動(dòng)態(tài)力學(xué)法紅外光譜法裂解色譜-質(zhì)譜法聚合物分子質(zhì)量及其分布粘度法1/9/20236:40PM45凝膠滲透色譜（GPC）小角激光光散射法（LALLS）飽和蒸汽壓法、冰點(diǎn)降低法和膜滲透法質(zhì)譜法2.2

聚合物凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)定義：聚合物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)是指高分子鏈之間的幾何排列和堆砌狀態(tài)。聚合物凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與材料的性能有直接的關(guān)系，研究聚合物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)特征、形成條件及其與材料性能之間的關(guān)系對(duì)于控制成型加工條件，進(jìn)行材料物理改性和進(jìn)行材料設(shè)計(jì)都非常重要。1/9/20236:40PM461/9/20236:40PM47結(jié)晶結(jié)構(gòu)結(jié)晶形態(tài)結(jié)晶度

結(jié)晶動(dòng)力學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

1/9/20236:40PM48晶態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)晶速率結(jié)晶過程及機(jī)理結(jié)晶動(dòng)力學(xué)結(jié)晶度結(jié)晶形態(tài)晶體尺寸1/9/20236:40PM492.2.1凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)介晶態(tài)液晶態(tài)取向態(tài)多相體系1/9/20236:40PM50球晶聚合物熔體結(jié)晶最常見的晶體形態(tài)Spherulites2.2.2聚合物凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的表征手段1/9/20236:40PM51X射線衍射法各種顯微技術(shù)差示掃描量熱法（DSC）和差熱分析法（DTA）X射線衍射法廣角X射線衍射法（WAXS）1/9/20236:40PM52小角X射線散射法（SAXS）差示掃描量熱法（DSC）

差熱分析法（DTA）1/9/20236:40PM53結(jié)晶部分的熔融（熔點(diǎn)Tm，熔融熱）非晶部分的玻璃化轉(zhuǎn)變（Tg

）液晶聚合物的相轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行各類反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究結(jié)晶度純度共混體系的相容性各種顯微技術(shù)1/9/20236:40PM54光學(xué)顯微鏡偏光顯微鏡相差顯微鏡電子顯微鏡透射電鏡掃描電鏡原子力顯微鏡(AFM)掃描隧道顯微鏡（STM）1/9/20236:40PM552.3聚合物的性能力學(xué)性能熱學(xué)性能加工性能電學(xué)性能磁學(xué)性能屏蔽性能光學(xué)性能聲學(xué)性能1/9/20236:40PM562.3.1力學(xué)性能靜態(tài)力學(xué)性能動(dòng)態(tài)力學(xué)性能靜態(tài)力學(xué)性能指材料在1/9/20236:40PM57拉伸壓縮剪切恒定力彎曲所表現(xiàn)出來的抵抗變形的能力。狀態(tài)下性能指標(biāo)模量斷裂強(qiáng)度斷裂伸長(zhǎng)率斷裂能屈服強(qiáng)度硬度1/9/20236:40PM58測(cè)定方法可模仿各種受力情況測(cè)出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系各種靜態(tài)模量等1/9/20236:40PM59通用型-萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)擺錘沖擊機(jī)落錘沖擊機(jī)洛氏硬度儀邵氏硬度儀動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指材料在交變應(yīng)力作用下所顯示出來的抵抗變形的能力。1/9/20236:40PM60性能指標(biāo)儲(chǔ)能模量（E’）1/9/20236:40PM61損耗模量（E’’）損耗角正切（tan

δ）測(cè)定方法非共振法：動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀（DMTA或DMA）1/9/20236:40PM62自由振動(dòng)法強(qiáng)迫振動(dòng)法扭擺法扭辮法（TBA）共振法：振簧儀1/9/20236:40PM632.3.2熱學(xué)性能——與溫度有關(guān)的性能耐熱性熱穩(wěn)定性導(dǎo)熱性熱膨脹性耐熱性差示掃描量熱儀（DSC）差熱分析儀（DTA）靜態(tài)機(jī)械分析儀（TMA）動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀（DMA或DMTA）膨脹計(jì)等1/9/20236:40PM64表征參數(shù)無(wú)定型聚合物，Tg結(jié)晶性聚合物，Tm測(cè)定儀器1/9/20236:40PM65玻璃態(tài)高彈態(tài)粘流態(tài)TbTgTfTd過渡區(qū)T形變

Tb—脆化點(diǎn)Tf—粘流溫度Tg—玻璃化溫度Td—分解溫度熱穩(wěn)定性指材料在受熱情況下發(fā)生降解和交聯(lián)的能力。1/9/20236:40PM66軟化點(diǎn)（Ts）分解溫度（Td）等熱機(jī)械法(TMA）熱重分析法(TGA）等表征參數(shù)測(cè)試方法1/9/20236:40PM67（流變性能）2.3.3加工性能旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)1/9/20236:40PM68錐板粘度計(jì)平行平板同軸圓桶毛細(xì)管流變儀和轉(zhuǎn)矩流變儀模擬塑煉1/9/20236:40PM69熔體彈性毛細(xì)管流變儀轉(zhuǎn)距流變儀不穩(wěn)定流動(dòng)模擬擠出1/9/20236:40PM70導(dǎo)電性介電性壓電性焦電性3.3.4電學(xué)性能電學(xué)性能聚合物大多數(shù)作為絕緣材料廣泛用于制造電容器、儀器儀表、無(wú)線電遙控裝置等．絕緣材料介電損耗、電導(dǎo)率低，擊穿強(qiáng)度高．近三十年來，導(dǎo)電聚合物的研制成為研究熱．導(dǎo)電聚合物具有高的電導(dǎo)率，用于高密度信息處理，高效能量轉(zhuǎn)換等．1/9/20236:40PM71電學(xué)性能介電性：是在外電場(chǎng)作用下，由于分子極化而引起電能的貯存和損耗的性能．壓電性：材料在力場(chǎng)作用下產(chǎn)生電荷、顯示極化的現(xiàn)象叫壓電性．焦電性：材料有溫度變化時(shí)產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象叫焦電性。1/9/20236:40PM72電性能表征參數(shù)1/9/20236:40PM73電導(dǎo)率（σ）電阻率（ρ）電阻的溫度系數(shù)介電常數(shù)（ε’）介電損耗ε＂2.3.5磁學(xué)性能

冰箱磁條通訊天線微波電子設(shè)備1/9/20236:40PM74磁性能表征參數(shù)1/9/20236:40PM75導(dǎo)磁率μ,μ?磁損耗μ?磁性質(zhì)硬磁性軟磁性順磁性鐵磁性1/9/20236:40PM762.3.6電磁屏蔽性能電磁屏蔽性能抗靜電性2.3.7光學(xué)性能發(fā)光材料隱身材料光致變色材料1/9/20236:40PM77光學(xué)性能表征參數(shù)1/9/20236:40PM78透光率折光指數(shù)（n）線性電光系數(shù)（r）折光指數(shù)變化系數(shù)（n2）非線性光學(xué)性質(zhì)（二階、三階極化系數(shù)）倍頻系數(shù)（d）1/9/20236:40PM792.3.8聲學(xué)性能例如：阻尼材料2.4新型的材料表征手段隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和深入，相應(yīng)的分析手段也在不斷改進(jìn)，而且不斷有新的分析手段出現(xiàn)。1/9/20236:40PM80可降解材料人們把塑料稱作“白色垃圾”，因?yàn)樗蝗菀捉到?。隨著環(huán)保呼聲的高漲，人們開始致力于聚合物的生物降解性的研究，這就需要測(cè)定它的生物降解性能；環(huán)保性能檢測(cè)。1/9/20236:40PM81ISO14000聚合物微生物降解性能的表征目前，世界各國(guó)均在研發(fā)對(duì)環(huán)境無(wú)污染的，可在