Polimerlarni tavsiflash - Polymer characterization

Polimerlarni tavsiflash ning analitik bo'limi hisoblanadi polimer fanlari.

Intizom turli darajadagi polimer materiallarini tavsiflash bilan bog'liq. Xarakterizatsiya odatda materialning ish faoliyatini yaxshilashga qaratilgan. Shunday qilib, ko'plab tavsiflash texnikasi materialning kerakli xususiyatlariga, masalan, quvvat, o'tkazuvchanlik, termal barqarorlik va optik xususiyatlarga bog'liq bo'lishi kerak.[1]

Xarakterizatsiya texnikasi odatda aniqlash uchun ishlatiladi molekulyar massa, molekulyar tuzilishi, morfologiya, issiqlik xususiyatlari va mexanik xususiyatlari.[2]

Molekulyar massa

Polimerning molekulyar massasi odatdagi molekulalardan farq qiladi, chunki polimerlanish reaktsiyalari molekulyar og'irlik va shakllarning taqsimlanishini keltirib chiqaradi. Molekulyar massalarning taqsimlanishini o'rtacha molekula og'irligi, o'rtacha og'irlik molekulyar og'irligi va polidisperslik. Ushbu parametrlarni aniqlashning eng keng tarqalgan usullaridan ba'zilari kolligativ mulk o'lchovlar, statik nurning tarqalishi texnikalar, viskometriya va o'lchovni istisno qilish xromatografiyasi.

Jel o'tkazuvchanligi xromatografiyasi, o'lchovni istisno qilish xromatografiyasining bir turi, polimerlar asosida molekulyar og'irlikni taqsimlash parametrlarini to'g'ridan-to'g'ri aniqlash uchun ishlatiladigan juda foydali usuldir. gidrodinamik hajm. Jel o'tkazadigan xromatografiya ko'pincha bilan birgalikda qo'llaniladi ko'p burchakli nurlarning tarqalishi (MALS), Kam burchakli lazer nurlarining tarqalishi (LALLS) va / yoki viskometriya molekulyar og'irlik taqsimotining mutanosib ravishda aniqlanishi uchun (ya'ni, xromatografik ajratish tafsilotlaridan mustaqil ravishda) hamda tegishli erituvchi topilishi sharti bilan polimerning tarmoqlanish nisbati va uzun zanjirli dallanish darajasi.[3]

Ning molyar massasini aniqlash kopolimerlar juda murakkab protsedura. Asoratlar hal qiluvchi ta'siriga bog'liq gomopolimerlar va bu kopolimer morfologiyasiga qanday ta'sir qilishi mumkin. Kopolimerlarni tahlil qilish odatda bir nechta tavsiflash usullarini talab qiladi. Masalan, qisqa zanjirli tarvaqaylab ketgan kopolimerlar chiziqli past zichlikdagi polietilen (etilen kopolimeri va geksen yoki okten kabi yuqori alken) Analitik harorat ko'taruvchi elution fraktsiyalash (ATREF) usullaridan foydalanishni talab qiladi. Ushbu usullar qisqa zanjirli shoxlarning turli molekulyar og'irliklarga qanday taqsimlanishini ochib berishi mumkin. Kopolimer molekulyar massasi va tarkibini yanada samarali tahlil qilish GPC yordamida uchta aniqlovchi tizim bilan birlashtirilgan ko'p burchakli nurlarning tarqalishi, Agar kopolimer UV va / yoki sinishi indeksiga har xil ta'sir ko'rsatadigan ikkita tayanch polimerdan iborat bo'lsa, ultrabinafsha nurlarini yutish va differentsial refraktometriya.[4]

Molekulyar tuzilish

Noma'lum organik birikmalarning molekulyar tuzilishini aniqlashda qo'llaniladigan ko'plab analitik usullar polimerlarni tavsiflashda ham qo'llaniladi. Kabi spektroskopik texnikalar ultrabinafsha ko'rinadigan spektroskopiya, infraqizil spektroskopiya, Raman spektroskopiyasi, yadro magnit-rezonans spektroskopiyasi, elektron spin rezonans spektroskopiyasi, Rentgen difraksiyasi va mass-spektrometriya umumiy funktsional guruhlarni aniqlash uchun ishlatiladi.

Morfologiya

Polimer morfologiyasi - bu asosan polimer zanjirlarining amorf yoki kristalli qismlari va ularning bir-biriga ta'siri bilan belgilanadigan mikroskala xususiyati. Ushbu mikroskopik xususiyatlarni aniqlashda mikroskopiya texnikasi ayniqsa foydalidir, chunki polimer morfologiyasi yaratgan domenlar zamonaviy mikroskop asboblari yordamida ko'rish uchun etarlicha katta. Mikroskopning eng keng tarqalgan usullaridan biri Rentgen difraksiyasi, Transmissiya elektron mikroskopiyasi, Transmissiya elektron mikroskopini skanerlash, Elektron mikroskopni skanerlash va Atom kuchlari mikroskopiyasi.

Mezoskale bo'yicha polimer morfologiyasi (nanometrdan mikrometrgacha) ko'plab materiallarning mexanik xususiyatlari uchun juda muhimdir. Transmissiya elektron mikroskopiyasi bilan birgalikda binoni texnikasi, shuningdek Elektron mikroskopni skanerlash, Skanerlarni tekshirish mikroskopi kabi materiallar morfologiyasini optimallashtirish uchun muhim vositalardir polibutadien -polistirol polimerlar va ko'plab polimer aralashmalari.

Rentgen difraksiyasi odatda bu sinf materiallari uchun unchalik kuchli emas, chunki ular amorf yoki kam kristallangan. The Kichik burchakli tarqalish kabi Kichik burchakli rentgen nurlari (SAXS) yarim kristalli polimerlarning uzoq davrlarini o'lchash uchun ishlatilishi mumkin.

Issiqlik xususiyatlari

Polimerlarni tavsiflash uchun haqiqiy ishchi ot termal tahlil, ayniqsa Differentsial skanerlash kalorimetri. Materialning tarkibiy va tarkibiy parametrlarining o'zgarishi odatda uning erishi yoki shisha o'tishiga ta'sir qiladi va bu o'z navbatida ko'plab ishlash parametrlari bilan bog'lanishi mumkin. Yarim kristalli polimerlar uchun kristalllikni o'lchashning muhim usuli hisoblanadi. Termogravimetrik tahlil Bundan tashqari, polimer termik barqarorligi va olovni ushlab turuvchi moddalar kabi qo'shimchalarning ta'sirini ko'rsatishi mumkin, boshqa termal tahlil usullari odatda asosiy texnikaning kombinatsiyasi bo'lib, ular tarkibiga kiradi. differentsial termal tahlil, termomekanik tahlil, dinamik mexanik termal tahlil va dielektrik termal tahlil.

Dinamik mexanik spektroskopiya va dielektrik spektroskopiya ular asosan modulning murakkab moduliga yoki dielektrik funktsiyasiga ta'sir qilganligi sababli harorat bilan yanada nozik o'tishlarni aniqlay oladigan termal tahlilning kengaytmalari.

Mexanik xususiyatlari

Polimerlarda mexanik xususiyatlarning tavsifi odatda kuch, elastiklik, viskoelastiklik va polimer materialning anizotropiyasi. Polimerning mexanik xususiyatlari quyidagilarga juda bog'liq Van der Vaals polimer zanjirlarining o'zaro ta'siri va zanjirlarning tatbiq etiladigan kuch yo'nalishi bo'yicha cho'zilishi va tekislash qobiliyati. Boshqa hodisalar, masalan, polimerlarning jinni hosil qilish moyilligi mexanik xususiyatlarga ta'sir qilishi mumkin. Odatda polimer materiallar mexanik xususiyatlariga qarab elastomer, plastmassa yoki qattiq polimer sifatida tavsiflanadi.[5]

The mustahkamlik chegarasi, hosil qilish kuchi va Yosh moduli kuch va elastiklik o'lchovlari bo'lib, polimer materiallarining kuchlanish-kuchlanish xususiyatlarini tavsiflash uchun alohida qiziqish uyg'otadi. Ushbu xususiyatlarni tortish sinovlari orqali o'lchash mumkin.[6] Uchun kristalli yoki yarim kristalli polimerlar, anizotropiya polimerning mexanik xususiyatlarida katta rol o'ynaydi.[7] Polimerning kristalligini o'lchash mumkin differentsial skanerlash kalorimetri.[8] Amorf va yarim kristalli polimerlar uchun, stress ta'sirida, polimer zanjirlari ajratish va tekislash imkoniyatiga ega. Agar kuchlanish zanjirni tekislash yo'nalishida qo'llanilsa, polimer zanjirlari yuqori rentabellikga va kuchga ega bo'ladi, chunki polimerning orqa miya qismini bog'laydigan kovalent bog'lanishlar stressni yutadi. Ammo, agar kuchlanish zanjirning tekislash yo'nalishi bo'yicha normal qo'llanilsa, zanjirlar orasidagi Van der Waals o'zaro ta'sirlari birinchi navbatda mexanik xususiyatlar uchun javobgardir va shu bilan hosil kuchlanish kamayadi.[9] Bu kuchlanish sinovlari natijasida topilgan kuchlanish grafigida kuzatilishi mumkin. Namuna ichidagi zanjir yo'nalishini o'z ichiga olgan holda tortish sinovlari uchun namuna tayyorlash, shuning uchun kuzatilgan mexanik xususiyatlarda katta rol o'ynashi mumkin.

Kristalli va yarim kristalli polimerlarning sinish xususiyatlarini baholash mumkin Charpy ta'sirini sinovdan o'tkazish. Qotishma tizimlar bilan ham ishlatilishi mumkin bo'lgan Charpy sinovlari namunada chuqurchaga aylanib, so'ngra chandiqda namunani sindirishda mayatnik yordamida amalga oshiriladi. Sarkacning harakati, uni sindirish uchun namuna tomonidan so'rilgan energiyani ekstrapolyatsiya qilish uchun ishlatilishi mumkin. Charpy sinovlari, shuningdek, mayatnik massasining o'zgarishi bilan o'lchanadigan singan yorilish tezligini baholash uchun ham ishlatilishi mumkin. Odatda Charpy sinovlari bilan faqat mo'rt va biroz egiluvchan polimerlar baholanadi. Sinish energiyasidan tashqari, sinish turini vizual ravishda baholash mumkin, chunki bu tanaffus namunaning to'liq sinishi bo'lganmi yoki namuna namunaning faqat bir qismida sinib ko'rilganmi va jiddiy deformatsiyalangan qism hali ham bir-biriga bog'langan. Charpy test natijalarini inhibe qiluvchi yuqori rentabellikga ega bo'lganligi sababli elastomerlar odatda Charpy testlari bilan baholanmaydi.[10]

Polimer materiallarning mexanik xususiyatlariga ta'sir qiluvchi ko'plab xususiyatlari mavjud. Polimerlanish darajasi oshgani sayin polimerning kuchliligi ham oshib boradi, chunki uzunroq zanjirlar Van der Waalsning o'zaro ta'siriga va zanjirning chalkashligiga ega. Uzoq polimerlar chalkashib ketishi mumkin, bu esa ommaviy modulning keyingi o'sishiga olib keladi.[11] Crazes - bu polimer matritsasida hosil bo'lgan, ammo polimer matritsasidagi kichik nuqsonlar bilan to'xtatilgan kichik yoriqlar. Ushbu nuqsonlar odatda birlamchi faza bo'ylab tarqaladigan ikkinchi, past modulli polimerdan iborat. Kichkintoylar singanlikka olib kelmasdan kichikroq yoriqlar yuqori kuchlanish va kuchlanishni yutishlariga imkon berib, polimerning kuchini oshirishi va mo'rtligini pasaytirishi mumkin. Agar jinnilarning tarqalishiga yoki birlashishiga yo'l qo'yilsa, ular namunadagi kavitatsiya va sinishga olib kelishi mumkin.[12][13] Crazes transmissiya elektron mikroskopi va skanerlash elektron mikroskopi bilan ko'rish mumkin va odatda sintez paytida polimer materialga ishlanadi. Odatda termoset polimerlarida uchraydigan o'zaro bog'liqlik, shuningdek, polimerning modulini, oqim kuchlanishini va oqim kuchini oshirishi mumkin.[14]

Dinamik mexanik tahlil ko'plab polimer tizimlarda uchraydigan viskoelastik xatti-harakatlarni tavsiflash uchun ishlatiladigan eng keng tarqalgan usuldir.[15] DMA, shuningdek, polimerlarning mexanik harakatining haroratga bog'liqligini tushunishning yana bir muhim vositasidir. Dinamik mexanik tahlil - bu saqlash moduli va oynaga o'tish haroratini o'lchash, o'zaro bog'lanishni tasdiqlash, shakl-xotira polimerlarida almashtirish haroratini aniqlash, termosetlarda davolashni kuzatish va molekulyar og'irlikni aniqlash uchun ishlatiladigan xarakteristikalar texnikasi. Polimer namunasiga tebranuvchi kuch qo'llaniladi va namunaning javobi qayd qilinadi. DMA qo'llanilgan kuch va deformatsiyaning tiklanishi o'rtasidagi kechikishni namunada hujjatlashtiradi. Viskoelastik namunalar sinusoidal modulni namoyish etadi dinamik modul. Qayta tiklangan va yo'qolgan har ikkala energiya har bir deformatsiya paytida ko'rib chiqiladi va elastik modul (E ') va yo'qotish moduli (E' ') tomonidan miqdoriy ravishda tavsiflanadi. Qo'llaniladigan stress va namunadagi kuchlanish vaqt o'tishi bilan o'lchanadigan faza farqi ẟ ni namoyish etadi. Har safar materialga stress tushganda yangi modul hisoblanadi, shuning uchun DMA har xil harorat yoki stress chastotalarida modul o'zgarishini o'rganish uchun ishlatiladi.[16]

Boshqa texnikalar kiradi viskometriya, reometriya va mayatnik qattiqlik.

Boshqa usullar

Adabiyotlar

  1. ^ http://camcor.uoregon.edu/labs/polymer-character. Chartoff, Richard. "Polimerlarni tavsiflash laboratoriyasi". Oregon universiteti CAMCOR. 2013 yil.
  2. ^ Kempbell, D .; Petrik, R. A .; Oq, J. R. Polimerlarni tavsiflashning fizikaviy usullari. Chapman va Xoll, 1989 p. 11-13.
  3. ^ S. Podzimek. Polimerlarni tavsiflash uchun ko'pburchakli lazerli nur sochuvchi fotometr bilan birgalikda GPC dan foydalanish. Molekulyar massani, hajmini va tarmoqlanishini aniqlash to'g'risida. J. Appl. Polimer ilmiy. 1994 54 , 91-103.
  4. ^ Rowland, S. M.; Striegel, A. M. (2012). "Kopolimerlar va aralashmalarning kvintupl-detektor o'lchamlari-chiqarib tashlash xromatografiyasi bo'yicha tavsifi". Anal. Kimyoviy. 84 (11): 4812–4820. doi:10.1021 / ac3003775.
  5. ^ "Polimerlarning mexanik xususiyatlari".
  6. ^ Strapassen, R .; Amico, S. C .; Pereyra, M. F. R.; Sydenstricker, T.H.D. (Iyun 2015). "Polipropilen / past zichlikdagi polietilen aralashmalarining tortishish va ta'sir o'tkazish harakati". Polimerlarni sinovdan o'tkazish: 468–473.
  7. ^ Lotterlar, J C; Olthuis, V; Bergveld, P (1997). "Sensorni qo'llash uchun rezina elastik polimer polidimetilsiloksanning mexanik xususiyatlari". Mikromekanika va mikro-muhandislik jurnali. 7 (3): 145–147. doi:10.1088/0960-1317/7/3/017.
  8. ^ Bleyn, Rojer L. "DSC tomonidan polimer kristalligini aniqlash" (PDF).
  9. ^ Ward, I M (1962 yil fevral). "Kristalli polimerlarda optik va mexanik anizotropiya". Jismoniy jamiyat ishlari. 80 (5): 1176–1188. doi:10.1088/0370-1328/80/5/319.
  10. ^ Tak, A. G. M. (1977). "Mo'rt polimerlarda charpy sinovlari *". Polimer muhandislik va fan. 17 (10): 733–736. doi:10.1002 / pen.760171007.
  11. ^ de Gennes, P. G.; Leger, L. (1982). "Chigal polimer zanjirlarining dinamikasi". Annu. Vahiy fiz. Kimyoviy. 33: 49–61. doi:10.1146 / annurev.pc.33.100182.000405.
  12. ^ "Polimer xususiyatlarining ma'lumotlar bazasi".
  13. ^ Passaglia, Elio (1987). "Polimerlarda chayqalishlar va sinish". J. Fiz. Kimyoviy. Qattiq moddalar. 48 (11): 1075–1100. doi:10.1016/0022-3697(87)90119-3.
  14. ^ Litozar, Blaz; Krajnc, Matjaz (2011). "Polimerlarni o'zaro bog'lash: kinetika va transport hodisalari". Ind. Eng. Kimyoviy. Res. 50.
  15. ^ "Polimerlarga kirish: 5.4 dinamik mexanik xususiyatlar".
  16. ^ Mernard, Kevin (2008). Dinamik mexanik tahlil: amaliy kirish. CRC Press.
  17. ^ Alb, A.M .; Drenski M.F.; Rid, V.F. "Polimerlanish reaktsiyalarini doimiy ravishda doimiy ravishda onlayn kuzatib borish (ACOMP)" Polymer International,57,390-396.2008
  18. ^ AQSh patent 6052184 va AQSh patent 6653150, boshqa patentlar kutilmoqda