聚合物分子量及分子量分布PPT课件

1、概述一、聚合物分子量的特点：1. 分子量非常大：聚合物的分子量比低分子大几个数量级，一般在103107之间2. 多分散性：除了有限的几种蛋白质高分子外，聚合物分子量是不均一的，具有多分散性。3. 由于高分子链存在状态的多样性，对分子量的统计平均意义也有更复杂的要求。（1）线型高分子：一般具有弹性、塑性，在适当的溶剂中能溶解、溶胀，加热可以软化、熔融。（2）支链型高分子：主链上常有些较短支链的高分子。长、短支链，梯形，梳形，星形，超支化。第1页/共168页 线型或支链型高分子彼此以物理力聚集在一起，因此加热能熔化，并能溶于适当溶剂中。（3）体型高分子：高分子长链与长链之间通过化学键交联而成，具有

2、立体网状结构。既不能溶解、也不能熔融, 个别只能溶胀。 宏观的聚合物相对分子质量只是所有单个聚合物分子不同相对分子质量的一个平均值，单个聚合物分子间相对分子质量的不均一（分散）程度由相对分子质量分布来表达和描述。聚合物的相对分子质量和相对分子质量分布是聚合物材料的最基本、最重要的结构参数之一，聚合物的许多独特性质如分子链的柔顺性、聚合物的熔点、玻璃化温度、粘度以及抗张强度、冲击强度、高弹性等力学性能等，都与其相对分子质量及其相对分子质量分布有关。此外，在研究和论证聚合反应机理、老化和裂解过程的机理、研究高聚物的结构与性能关系等方面，相对分子质量及其分布的数据也不可缺少。第2页/共168页二、主

3、要符号及意义： 假定某聚合物试样的总质量为m，总物质的量为n；不同分子量分子的种类数用i表示，第i种分子的分子量为Mi ，物质的量为ni ，质量为mi ，在整个试样中的摩尔分数为xi ，质量分数为wi ，累积质量分数为Ii ，则这些量之间存在下列关系：1iiiixxnn1iiiiwwmmnniimmii第3页/共168页采用连续函数可表示为积分形式 ndMMn0)(mdMMm0)(1)(0dMMx1)(0dMMwMdMMwMI0)()(第4页/共168页三、聚合物的相对分子质量的统计意义： 由于聚合物的相对分子质量是多分散性的，因而相对分子质量只具有统计的意义。根据统计方法的不同，有多种统计平

4、均相对分子质量。1. 数均相对分子质量：按聚合物分子数统计平均iiiiiiiinMxnMnM式中：ni相对分子质量为Mi的物质的量，xi相对分子质量为Mi的摩尔分数2. 质均相对分子质量：按聚合物质量统计平均质均相对分子质量：按聚合物质量统计平均式中：mi相对分子质量为Mi的质量，wi相对分子质量为Mi的摩尔分数iiiiiiiiwMwmMmM（1）（2）第5页/共168页3. Z均相对分子质量：按均相对分子质量：按Z量统计平均量统计平均iiimMZ iiiiiiiiiiiZMmMmZMZM2式中：式中： mi相对分子质量为相对分子质量为Mi的质量的质量4. 粘均相对分子质量：根据粘均相对分子质

5、量：根据1/1/11iiiiiiiiiiiiiiMwmMmMnMnM MK 得得Z的定义为的定义为（3）（4）第6页/共168页式中：式中：是常数，取值在是常数，取值在0.51之间，取决于温度和具体的聚之间，取决于温度和具体的聚合物与溶剂的组合，即聚合物链段和溶剂分子间热力学的相合物与溶剂的组合，即聚合物链段和溶剂分子间热力学的相互作用。互作用。因此因此当当=-1时，上式变成时，上式变成niiiiiiiiiiiiiMnMnMmmMwM1当当=1时，上式变成时，上式变成wiiiMMwMwnMMM第7页/共168页举例说明四种平均分子量。设聚合物样品中各含有1mol的104和105分子量的组分。9

6、9108101101101101M905301011011010191820101101101101550001110110125243534z.801548 . 151.8454252454nMMMW由此可见，对于分子量由此可见，对于分子量不均一的聚合物而言，不均一的聚合物而言，有有znMMMMW若分子量为均一的聚合若分子量为均一的聚合物则都相等，即物则都相等，即znMMMMW第8页/共168页各种分子量的关系各种分子量的关系nwzMMMM 四种平均相对分子质量表达方法中，数均相对分子质四种平均相对分子质量表达方法中，数均相对分子质量和质均相对分子质量最常使用，量和质均相对分子质量最常使用，

7、Z均相对分子质量与粘均均相对分子质量与粘均相对分子质量由于物理意义不太明确，应用较少。相对分子质量由于物理意义不太明确，应用较少。 由于聚合物相对分子质量的多分散特性，仅用相对分由于聚合物相对分子质量的多分散特性，仅用相对分子质量的平均值尚不能完全反映聚合物相对分子质量的真子质量的平均值尚不能完全反映聚合物相对分子质量的真实情况，尚需相对分子质量分布描述聚合物相对分子质量实情况，尚需相对分子质量分布描述聚合物相对分子质量的分散情况。的分散情况。 聚合物的相对分子质量分布有多种表达方法，最简便聚合物的相对分子质量分布有多种表达方法，最简便的常用表达方法是质均相对分子质量和数均相对分子质量的常用表

8、达方法是质均相对分子质量和数均相对分子质量的比值：的比值：D = Mw / Mn第9页/共168页四、聚合物相对分子质量分布： 高聚物的相对分子质量分布函数可以认为，高聚物的相对分子质量分布是连续的。对给定的高聚物试样，其组分的分子数和质量与组成的相对分子质量有关，可把它们写成相对分子质量的函数n(M)和m(M)，则平均相对分子质量的定义公式（1）（4）可写成：000)()()(dMMMxdMMndMMMnMn000)()()(dMMMwdMMmdMMMmMw（5）（6）第10页/共168页002)()(dMMMmdMMmMMz/10)(dMMMwM式中，式中，n(M)、x(M)分别称为高聚物

9、相对分子质量按分子数和分别称为高聚物相对分子质量按分子数和按分子分数的分布函数，按分子分数的分布函数，m(M)、w(M)分别称为高聚物相对分别称为高聚物相对分子质量按质量和按质量分数的分布函数。分子质量按质量和按质量分数的分布函数。以以n(M)或或x(M)对相对分子质量对相对分子质量M作图，可得到高聚物相对分作图，可得到高聚物相对分子质量的数量微分分布曲线，以子质量的数量微分分布曲线，以m(M)或或w(M)对相对分子质对相对分子质量量M作图，则可得到高聚物的相对分子质量的质量微分分布作图，则可得到高聚物的相对分子质量的质量微分分布曲线。曲线。（7）（8）第11页/共168页图图 高聚物相对分子

10、质量的数量高聚物相对分子质量的数量微分分布曲线微分分布曲线图图 高聚物相对分子质量的质量高聚物相对分子质量的质量微分分布曲线微分分布曲线第12页/共168页 高聚物相对分子质量分布宽度： 为了描述相对分子质量的分布，最理想的是能知道试样的相对分子质量分布曲线。常采用分布宽度来描述。1. 分布宽度，就是试样中各个相对分子质量与平均相对分子质量之差的平方平均值，即nnnMM22)(则则222022)()()(nnnnnnMMdMMxMMMM（第13页/共168页由于由于nniiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiwMMnMnnMnnmnMmmMmM)(/22所以所以wnnMMM)(2则则)

11、 1(222nwnnwnnMMMMMM（9）第14页/共168页因为因为02n所以所以nwnwMMMM，01/如果试样的相对分子质如果试样的相对分子质量是均一的，则量是均一的，则02nnwMM同样有同样有) 1()()(22222wzwwzwwwzwwwMMMMMMMMMM因为因为02w所以所以wzMM如果试样的相对分子质如果试样的相对分子质量是均一的，则量是均一的，则02wwzMM（10）第15页/共168页 分布宽度指数n和w可由测定试样的两种平均相对分子质量，通过公式（9）（10）计算而得。 综合上述，各种平均相对分子质量有如下关系：nwzMMMM2. 从公式（从公式（9）（）（10）可

12、见，）可见， n和和w与两种平均相对分子与两种平均相对分子质量的比值质量的比值有关，有关， 称为多称为多分散系数：分散系数：wznwMMMM或 越大，相对分子质量越分散；越大，相对分子质量越分散； =1，相对分子质量呈，相对分子质量呈单分散。缩聚所得的高聚物单分散性较好，单分散。缩聚所得的高聚物单分散性较好， 约为约为2；而自；而自由基聚合所得的高聚物单分散性差，由基聚合所得的高聚物单分散性差， 在在35之间，如果有之间，如果有支化，支化， 将高达将高达20以上。以上。第16页/共168页nwzMMMM高聚物的相对分子质量分布分布曲线高聚物的相对分子质量分布分布曲线由图可见，由图可见，4种平均

13、相对分子质量的大小顺序为种平均相对分子质量的大小顺序为第17页/共168页五、聚合物相对分子质量及相对分子质量分布的测定方法：五、聚合物相对分子质量及相对分子质量分布的测定方法：1. 端基滴定法：化学方法。通过聚合物的端基与滴定试剂的端基滴定法：化学方法。通过聚合物的端基与滴定试剂的化学反应完成测试。化学反应完成测试。2. 沸点升高法和冰点降低法：沸点升高法和冰点降低法：3.蒸汽压渗透法：蒸汽压渗透法：4.膜渗透压法：膜渗透压法：2，3，4根据聚合物稀溶液的热力学性质确定聚合物相对分子根据聚合物稀溶液的热力学性质确定聚合物相对分子质量。质量。5.光散射法：利用光线在聚合物溶液中的散射实验来进行

14、测光散射法：利用光线在聚合物溶液中的散射实验来进行测定。定。6. 粘度法：依据聚合物和溶液小分子化合物之间的粘度差别粘度法：依据聚合物和溶液小分子化合物之间的粘度差别进行测定。进行测定。7.凝胶色谱法：测定聚合物的相对分子质量分布，可直接给凝胶色谱法：测定聚合物的相对分子质量分布，可直接给出多种聚合物相对分子质量分布的表达形式。出多种聚合物相对分子质量分布的表达形式。第18页/共168页不同平均分子量测定方法及其适用范围nMnMnMnMwMwMwMwMsDMMGPCM平均分子量方法类型分子量范围/(g/mol)沸点升高，冰点降低，气相渗透，等温蒸馏A5 105平衡沉降A102106光散射法A1

15、02密度梯度中的平衡沉降A5 104小角X射线衍射A102沉降速度法A103稀溶液粘度法R102凝胶渗透色谱法R103第19页/共168页聚合物相对分子质量的测定及应用一、端基分析法（端基滴定法）：1. 原理：应用此法时，被测聚合物的末端必须带有能够进行定量化学反应的基团，通过化学滴定的方法测定这些端基的量。因为每个聚合物链上的端基数目一定，测定一定质量的聚合物的端基数目，即可求出其分子数，从而求出聚合物的相对分子质量。 nmM 式中，式中，m试样质量，试样质量，g n聚合物物质的量聚合物物质的量的基团数每个分子链所含被测定质的量试样中所含的端基的物n（11）第20页/共168页 例如：聚己内

16、酰胺的化学结构为H2N(CH2)5CONH(CH2)5COnNH(CH2)5COOH 用酸碱滴定法滴定端羧基或氨基即可计算出高聚物的相对分子质量M。（1）试样的相对分子质量愈大，单位质量高聚物所含的端基数愈少，测定误差愈大。（2）若高聚物在聚合过程中由于酸催化而使氨基酰化，或高温失羧使羧基减少，或者链的环化、交联等都使端基数目不确定，则不能通过分析得出真正的相对分子质量。 可证明，端基分析法测定的平均相对分子质量为数均相对分子质量，即niiiiiMnMnnmM第21页/共168页2. 测定方法： 称取一定量的聚合物，溶于该聚合物的良溶剂中，然后用标准的能与聚合物的端基进行反应的化合物溶液滴定，

17、记录反应终点时所消耗的体积，根据下式可求得被测物的相对分子质量：NVmZMn1000式中：式中： m试样质量，试样质量，g ； N标准溶液物质的量浓度；标准溶液物质的量浓度； V标准溶液消耗体积，标准溶液消耗体积，mL ； Z每个分子中所含端基数。每个分子中所含端基数。 因聚合物的端基不同，所用标准溶液也不一样。因聚合物的端基不同，所用标准溶液也不一样。3. 影响因素：影响因素：（1）适用性：只适用于那些结构明确的聚合物，能够确切知）适用性：只适用于那些结构明确的聚合物，能够确切知道聚合物链上有确定的可进行化学滴定的基团数。如果基团道聚合物链上有确定的可进行化学滴定的基团数。如果基团数不明确或

18、含有未知的可反应基团，测试结果偏差较大。数不明确或含有未知的可反应基团，测试结果偏差较大。第22页/共168页（2）相对分子质量：聚合物相对分子质量不可太大，否则 误差较大。因为，聚合物相对分子质量大时，一方面端基的含量会减小，试验误差加大，另一方面大分子反应较困难，使测试数据不真实。只适用于测定分子量在3104以下的数均分子量。（3）试样的纯度：试样需提纯，不可含有与滴定标准液可反应的杂质。二、沸点升高法和冰点降低法：二、沸点升高法和冰点降低法： （一）（一） 原理：利用稀溶液的依数性测定溶质相对分子质原理：利用稀溶液的依数性测定溶质相对分子质量量经典的物理化学方法：在溶剂中加入不挥发的溶质

19、经典的物理化学方法：在溶剂中加入不挥发的溶质后，溶液的蒸气压下降，导致溶液的沸点比纯溶剂的高，后，溶液的蒸气压下降，导致溶液的沸点比纯溶剂的高，溶液的冰点比纯溶剂的低。溶液沸点升高溶液的冰点比纯溶剂的低。溶液沸点升高Tb和溶液冰点降和溶液冰点降低低Tf的数值都正比于溶液的浓度。的数值都正比于溶液的浓度。第23页/共168页纯溶剂和溶液的蒸气压与温度的关系纯溶剂和溶液的蒸气压与温度的关系第24页/共168页在溶液中加入不挥发的溶质，溶液的蒸汽压下降，导致溶液的沸点比纯溶剂的沸点高，溶液的冰点低于纯溶剂的冰点。利用克莱普朗克劳修斯方程以及拉乌尔定律)/(MckTbb)/(MckTff式中：式中：c

20、溶液浓度，溶液浓度，mg/g；M溶质的平均相对分子质量；溶质的平均相对分子质量； kb沸点升高常数；沸点升高常数；kf冰点降低常数冰点降低常数 溶质的分子数为溶质的分子数为c/M，则溶液的沸点升高值，则溶液的沸点升高值Tb或冰点降或冰点降低值低值Tf正比于溶液的浓度，而与溶质的相对分子质量成反比。正比于溶液的浓度，而与溶质的相对分子质量成反比。（12）（13）第25页/共168页式中：式中：Tb纯溶剂沸点，纯溶剂沸点，oC；Le每克溶剂的汽化潜热，每克溶剂的汽化潜热，J/(molK); kb沸点升高常数，与溶剂有关，其值因溶剂种沸点升高常数，与溶剂有关，其值因溶剂种类而异，与溶质种类无关。类而

21、异，与溶质种类无关。 先测定溶剂的先测定溶剂的kb ，已知溶液的浓度，测量出溶液的沸点升，已知溶液的浓度，测量出溶液的沸点升高值高值 Tb ，即可由公式求得溶质的相对分子质量。，即可由公式求得溶质的相对分子质量。 上述公式仅适用于小分子稀溶液，高分子溶液的热力学性上述公式仅适用于小分子稀溶液，高分子溶液的热力学性质与理想溶液有很大偏差质与理想溶液有很大偏差,只有只有c0 时，才符合理想溶液。对时，才符合理想溶液。对于高分子溶液必须测定一系列浓度于高分子溶液必须测定一系列浓度c下的下的Tb，以，以Tb/c对对c作图，作图，外推至浓度为零时，求出外推至浓度为零时，求出(Tb/c)c0的值的值，从而

22、计算分子量：，从而计算分子量： (Tb/c)c0=kb / M)1000/(2ebbLRTk 2.沸点升高法：沸点升高法：bbcTKM（15）（12）（16）第26页/共168页2. 冰点降低法：冰点是指在一个大气压下，一种物质的固相和液相达到平衡时的温度。溶液的冰点是指溶液与固体溶剂达到平衡时的温度。式中：式中：Tf纯溶剂冰点，纯溶剂冰点，oC；L每克溶剂的熔融潜热，每克溶剂的熔融潜热，J/(molK)kf是冰点降低常数，与溶剂有关，其值因溶剂种类而异，与是冰点降低常数，与溶剂有关，其值因溶剂种类而异，与溶质种类无关。溶质种类无关。)1000/(2LRTkff)/(MckTff（17）（13

23、）第27页/共168页 先测定溶剂的kf ，已知溶液的浓度，测量出溶液的冰点降低值Tf ，即可由公式求得溶质的相对分子质量。 但依数性只适用于理想溶液，而聚合物溶液的热力学性质与理想溶液有很大差别，只有在无限稀释的情况下才符合理想溶液的规律。因此，必须在各个浓度下测定冰点的降低值，然后以Tf /c对c作图，并且外推至浓度为零，从(Tf /c)c0的值计算相对分子质量：(Tf /c)c0=kf / M（18）第28页/共168页3.用沸点升高或冰点降低法测得的相对分子质量为数均相对分子质量，即：niiiiiiiiiiiiicMckMnnkccMckcMckT0)(第29页/共168页（二）实验仪

24、器及测试：（二）实验仪器及测试：仪器：冰点降低池。主要部分是一个带有空气夹套的玻璃仪器：冰点降低池。主要部分是一个带有空气夹套的玻璃管。冰点降低池的下部浸在一个比溶剂的冰点约低管。冰点降低池的下部浸在一个比溶剂的冰点约低1.5K的的恒温槽中。用电磁搅拌器搅拌池中的液体，用热敏电阻测恒温槽中。用电磁搅拌器搅拌池中的液体，用热敏电阻测定微小的温度变化（定微小的温度变化（ 110-4 oC）冰点测定仪结构示意图冰点测定仪结构示意图1测量容器热控管测量容器热控管3搅拌马达搅拌马达4制冷器制冷器第30页/共168页测定溶液冰点的方法通常采用过冷法，即溶液温度逐渐测定溶液冰点的方法通常采用过冷法，即溶液温

25、度逐渐冷却至冰点以下，仍不使析出固体物质而温度却还在随时间冷却至冰点以下，仍不使析出固体物质而温度却还在随时间下降，这就是过冷现象。在过冷情况下，一旦凝固现象发生，下降，这就是过冷现象。在过冷情况下，一旦凝固现象发生，结冰即迅速完成，并释放出凝固热，使温度上升，直至与通结冰即迅速完成，并释放出凝固热，使温度上升，直至与通过冷冻的散失热量迅速达到平衡之后，温度不再改变，这就过冷冻的散失热量迅速达到平衡之后，温度不再改变，这就是溶液的冰点，见下图。是溶液的冰点，见下图。图溶液冷却曲线图溶液冷却曲线 分别测定溶剂和不同浓度的溶液的冰点，然后以Tf /c对c作图，并外推至浓度为零，求得(Tf /c)c

26、0，根据(Tf /c)c0=kf / Mn求得聚合物的数均相对分子质量。第31页/共168页聚硅氧烷聚硅氧烷-苯溶液中苯溶液中T/c对对c的关系的关系 溶剂的溶剂的k值一般在值一般在0.110之间，而高聚物的相对分子质量很之间，而高聚物的相对分子质量很大，测定用溶液很稀，因此大，测定用溶液很稀，因此T的数值很小。如果相对分子质量的数值很小。如果相对分子质量为为104，则温差测定必须精确至，则温差测定必须精确至10-410-5 oC。一般采用热电堆或。一般采用热电堆或热敏电阻测定。热敏电阻测定。第32页/共168页（三）影响因素：（1）溶剂：采用冰点降低法测定，选择溶剂应遵循以下原则：a. 溶液

27、冷冻过程中，不发生聚合物析出和与溶剂同时析出的现象；b. 溶剂与聚合物不发生化学反应。（2）过冷现象：因为溶液中析出固相的纯溶剂后，剩余的溶液浓度增加，而计算中使用的却是原始浓度，所以引入了误差。 要避免过度的过冷现象，方法有二：加入少量的晶种作为晶核；增加搅拌速度。第33页/共168页 实验过程中，如过冷程度不高，析出的固态溶剂的量对浓度影响不大，则可用过冷回升的温度作为过冷溶液的冰点，所得结果对相对分子质量的计算无显著影响；如果析出的固态溶剂的量较多，影响了原溶液的浓度，将导致剩余溶液与固相溶剂的平衡温度下降。若体系严重过冷，则所测得的冰点将偏低，从而影响相对分子质量的测定结果。 搅拌器大

28、小必须合适，否则过冷很难控制，搅拌速度的快慢影响散热的快慢，所以要选择适当的搅拌速度。第34页/共168页三、蒸汽压下降法（气相渗透压法， Vapour Pressure Osmose，VPO）：1. 原理：根据拉乌尔定律，溶液的蒸气压低于溶剂的蒸气压。设在“恒温密闭”的容器内充有某种溶剂的饱和蒸气；这时，如置一滴含不挥发性溶质的溶液滴1和一滴纯溶剂滴2同时悬浮在这饱和蒸气中。 由于溶液中溶剂的蒸气压低于纯溶剂，就会有溶剂分子从由于溶液中溶剂的蒸气压低于纯溶剂，就会有溶剂分子从饱和蒸气相凝聚到溶液滴上，并放出凝聚热，使溶液滴的温度饱和蒸气相凝聚到溶液滴上，并放出凝聚热，使溶液滴的温度升高。而纯

29、溶剂的挥发速度与凝聚速度相等，温度不发生变化。升高。而纯溶剂的挥发速度与凝聚速度相等，温度不发生变化。达平衡时，溶液滴和溶剂滴间的温差达平衡时，溶液滴和溶剂滴间的温差T和溶液中溶质的浓度成和溶液中溶质的浓度成正比。正比。蒸气压下降法（蒸气压下降法（VPO）原理示意图）原理示意图 1溶液滴；溶液滴； 2溶剂滴溶剂滴第35页/共168页 溶液蒸气压的降低，即：溶液液滴与溶剂液滴间的温差，是溶质依数性的反映。由于聚合物溶液为非理想溶液，其依数性由维利展开式表达：T/c =A/M + A2c + A3c2 + (19)式中：A与溶剂、温度有关的常数；A2第二维利系数；c溶液的浓度，mg/g； A3第三

30、维利系数；T由热敏电阻或热电堆测定的温度差，oC测定不同的浓度下的温度差T，然后以T/c 对c作图，并外推至浓度为0，从(T/c)c0的值计算相对分子质量：(T/c)c0 = A/M由此法测得的是聚合物的数均相对分子质量，即(T/c)c0 = A/Mn (20)第36页/共168页 2. 仪器结构及测试： 实验装置如图：包括恒温室、热敏元件和电测量系统。（1）恒温室：要求一般恒温在10-3 oC以内（2）热敏元件：多采用热敏电阻，要求溶剂滴和溶液滴的两个热敏电阻很好地匹配。（3）电测量系统：直流电桥。两只热敏电阻组成惠斯通电桥的两个桥臂，由于温差引起热敏电阻阻值变化从而导致电桥失去平衡，输出的

31、信号即表示检测器的偏转格数G。蒸气压下降仪的结构示意图蒸气压下降仪的结构示意图1-溶液注射器溶液注射器 2-汽压室汽压室 3-加热块加热块 4-溶剂注射器溶剂注射器 5-热热敏电阻敏电阻 6-溶剂杯溶剂杯第37页/共168页由由G表示表示T，式（，式（20）变成：）变成：(G/c)c0 = k/Mn (21)式中：式中：k仪器常数，其值与电压、溶剂、温度等有仪器常数，其值与电压、溶剂、温度等有关。关。 k值可由已知相对分子质量的值可由已知相对分子质量的“基准物基准物”进行进行VPO测定求得。测定求得。 如果已知如果已知k和溶液浓度，可通过测定和溶液浓度，可通过测定G而求得溶质而求得溶质的相对分

32、子质量的相对分子质量: 通常测定几个不同浓度的通常测定几个不同浓度的G，然后外推，然后外推c0，得，得到到(G/c)c0 ，由，由(21)可计算出高聚物的数均相对分子质可计算出高聚物的数均相对分子质量。量。VPO测定分子量范围：测定分子量范围： 2104第38页/共168页 3. 影响因素：（1）溶剂选择：要选择蒸气压大、蒸发潜热小的溶剂体系。溶剂的蒸气压越大，VPO测定的灵敏度越高。（2）恒定状态的G的确定：由于体系只是达到定态而不是达到完全的热力学平衡，所以使得检测器所测得的值是时间的函数，经过一段时间称为一个恒定值。通常试验中用固定时间下读取各浓度下的G值。（3）k值的相对分子质量依赖性

33、：只有在k值没有溶质相对分子质量的依赖性的情况下，用低相对分子质量的标准样品标定仪器常数k来测定高聚物的相对分子质量时，才不会带来很大误差。（4）操作：VPO法中每个浓度的溶液所产生的信号是彼此独立的，因此不能采取逐步加浓或逐步加稀的方法。应先配制好45个不同浓度的溶液。为减小零点漂移的影响，应测试一个浓度，测定一次零点。第39页/共168页四、 膜渗透压法（membrane osmometry）：1. 测定原理： 当溶液池和溶剂池被一层只允许溶剂分子而不允许高分子透过的半透膜隔开时，由于两相中溶剂的化学位不等，纯溶剂的化学位比溶液中溶剂的化学位大，因此就会有溶剂分子从纯溶剂池透过半透膜（se

34、mipermeable membrane）进入溶液池，从而产生溶液池与溶剂池的液面差，直至化进入溶液池，从而产生溶液池与溶剂池的液面差，直至化学位相等，学位相等，溶剂不再进入溶液，此时达到渗透平衡溶剂不再进入溶液，此时达到渗透平衡。达到。达到平衡时，该液柱的压力差称为渗透压平衡时，该液柱的压力差称为渗透压。第40页/共168页小分子理想溶液：MRTc由于聚合物溶液是非理想溶液，渗透压由于聚合物溶液是非理想溶液，渗透压与溶液浓度和聚与溶液浓度和聚合物平均相对分子质量合物平均相对分子质量M之间的关系如下式：之间的关系如下式：/c = RT/M + RTA2c + RTA3c2 + （22）式中：式

35、中：=g h； 渗透压渗透压；A2，A3聚合物的第二、第三维利系数；聚合物的第二、第三维利系数； h半透膜两边的液面高度差半透膜两边的液面高度差 测定几个浓度下的渗透压，然后用测定几个浓度下的渗透压，然后用/c对对c作图，得一直作图，得一直线并外推至线并外推至c0，该值为无限稀释的聚合物溶液的渗透压，该值为无限稀释的聚合物溶液的渗透压，可认为是理想溶液的渗透压，从而可由下式求出聚合物的平可认为是理想溶液的渗透压，从而可由下式求出聚合物的平均相对分子质量：均相对分子质量：(/c)c0 = k/M （23）第41页/共168页膜渗透压法测得的平均相对分子质量为数均相对分子质量，即niiiiiiii

36、iiiiicMRTcMnnRTccMcRTcMcRT10）（第42页/共168页2. 第二维利系数的物理意义：V1：纯溶剂的偏摩尔体积：纯溶剂的偏摩尔体积 2：高分子的密度：高分子的密度 同同A2一样，一样， 1表征了高分子链段与溶剂分子之间的相互表征了高分子链段与溶剂分子之间的相互作用，与溶剂化程度有关，也表征了高分子在溶液中的形态。作用，与溶剂化程度有关，也表征了高分子在溶液中的形态。对不同体系和温度，对不同体系和温度， 1值不同，具体详述如下：值不同，具体详述如下：良溶剂中，高分子链由于溶剂化作用而扩张，高分子线团良溶剂中，高分子链由于溶剂化作用而扩张，高分子线团伸展，链段间的相互作用以

37、斥力为主（溶剂高分子作用力伸展，链段间的相互作用以斥力为主（溶剂高分子作用力大于高分子高分子以及溶剂溶剂作用力），大于高分子高分子以及溶剂溶剂作用力），A2为正值，为正值， 11/2。 如如聚苯乙烯聚苯乙烯-环已烷体系环已烷体系221121)21(VA第43页/共168页 A2=0, 1=1/2，此时温度称为温度，溶剂称为溶剂，此时高分子溶液行为符合理想溶液行为。A2和 1是温度的函数：0,222ATATAT；212121111TT从从6310105nM膜渗透压法测定分子量范围：第44页/共168页聚苯乙烯环己烷的聚苯乙烯环己烷的(/c)-c图图第45页/共168页 测定不同的浓度下的/c ，

38、以/c c作图，外推至c=0处，求得截距和斜率K 对于高分子对于高分子-劣溶剂体系（聚苯乙烯劣溶剂体系（聚苯乙烯-环己烷），在实验浓环己烷），在实验浓度范围内，度范围内， /c与与c成线性关系，成线性关系，A3很小，用二项维利展开很小，用二项维利展开式已足够：式已足够：12cAMRTcMRTcc0)(221121)21(VAK=RTA2 第46页/共168页聚异丁烯环己烷体系在聚异丁烯环己烷体系在25oC测定的渗透压曲线测定的渗透压曲线第47页/共168页对于高分子对于高分子-良溶剂体系（聚异丁烯良溶剂体系（聚异丁烯-环己烷），在实验浓环己烷），在实验浓度范围内，度范围内， /c对对c作图不是

39、很好的直线（图作图不是很好的直线（图a），不成线），不成线性关系，性关系， 外推有困难，外推有困难，A3较大，较大，c2项不能忽略，用以下展项不能忽略，用以下展开式开式：1 232ccMRTcMAMA3322在很多情况下在很多情况下 223412221 cMRTc)21 ()()(22121cMRTc第48页/共168页以以(/c)1/2对对c作图就可得一直线（见图作图就可得一直线（见图b），其外推值为），其外推值为2/12/10)()(MRTccncMMRTc2/1021)()(222AMA22212)(MRTK求得截距和斜率求得截距和斜率K，由此可计算出聚合物的分子量和，由此可计算出聚合物

40、的分子量和维利系数维利系数A2：第49页/共168页3. 实验仪器：实验仪器： 半透膜将不锈钢池分为上半透膜将不锈钢池分为上下两部分：上部为溶液池，下下两部分：上部为溶液池，下部为溶剂池。溶剂池通过一根部为溶剂池。溶剂池通过一根毛细管与金属感压膜连接，当毛细管与金属感压膜连接，当溶剂向溶液池中渗透时，带动溶剂向溶液池中渗透时，带动金属感压膜向上偏移，并带动金属感压膜向上偏移，并带动活动电极位移致使电容器电容活动电极位移致使电容器电容改变，此电容变化信号与渗透改变，此电容变化信号与渗透压成正比，并由电容感应检测压成正比，并由电容感应检测器检知，再经放大器放大后，器检知，再经放大器放大后，输入记录

41、仪中。实验完成后，输入记录仪中。实验完成后，溶液从溶液排出口排出。溶液从溶液排出口排出。第50页/共168页 影响因素：（1）半透膜：它的选择是关键。a. 半透膜应该使待测高聚物分子不能通过，且与该高聚物和溶剂不发生反应，不被溶解。b. 半透膜对溶剂的透过速率要足够大，以便能在尽量短的时间内达到渗透平衡。c. 半透膜的状态也是渗透压测定的关键，半透膜应该始终处于溶剂中保存与使用，防止膜的干燥和老化。常用半透膜材料：硝化纤维素（火胶棉膜）、再生纤维素（玻璃纸膜）等。（2）溶剂：使用前必须经过严格的过滤并且用加热方式进行脱气，将溶剂中溶解的气体排除，否则会使测定池内产生起泡效应，影响测定结果。（3

42、）上池阀件的密封性以及液柱造成的静压差对数据的重复性也有一定影响。第51页/共168页 沸点升高或冰点降低法、蒸气压下降法和膜渗透压法都是采用热力学方法，依据的都是聚合物分子量的依数性原理，测定的都是聚合物的数均分子质量。它们所采用的仪器普遍特点是体积小、易操作，容易更换溶剂体系，使用较为灵活。 缺点：每种仪器都有一定的相对分子质量测试范围，而且范围较小，限制了其使用，只对相对分子质量值在其范围内的测试才有效，对相对分子质量值在测试范围边缘和测试范围之外的测定结果误差大。 沸点升高或冰点下降法（ Mn104 ） 蒸气压下降法（ Mn104 ） 膜渗透压法（103Mn106） 因此，首先要根据聚

43、合物的相对分子质量大概在哪个范围内来选择相应的仪器。第52页/共168页五、光散射法：（一）原理： 当一束光（入射光）通过介质时，除了一部分光沿着原来方向透过介质（称为透射光）之外，在入射方向以外的其他方向，同时发出一种很弱的光，称为散射光。散射光方向与入射光方向间的夹角为，称为散射角。o点为发出散射光的质点，称为散射中心。p为观察点，op间的距离为观测距离r。散射光示意图散射光示意图第53页/共168页根据溶液光散射理论，散射光的强度可用下式表示：根据溶液光散射理论，散射光的强度可用下式表示：0222204221)()/4(),(0IcAMcdcdnnrNrI式中：式中：观察角；观察角；M溶

44、质相对分子质量；溶质相对分子质量；A2二阶维利系数；二阶维利系数；n溶剂折射率；溶剂折射率；dn/dc溶液折射率溶液折射率与浓度变化的比值；与浓度变化的比值；N0阿伏加德罗常数；阿伏加德罗常数；0入射入射光波长；光波长；r观察点与散射点之间的距离；观察点与散射点之间的距离；I0入射光入射光的强度；的强度；I(r,)散射角散射角，观测距离，观测距离r处散射光的强度处散射光的强度将公式（将公式（24）整理得：）整理得：cAMcdcdnnNrIrI22240022021)(4),(（24）（25）第54页/共168页定义定义20),(rIrIRR称为散射介质的瑞利比或称为散射介质的瑞利比或Relay

45、因子因子kdcdnnN224002)(4则公式（则公式（25）整理得：）整理得：.21/2cAMRkc（26）1. 小质点稀溶液的光散射：散射质点的尺寸小于入射光在介小质点稀溶液的光散射：散射质点的尺寸小于入射光在介质中的波长的质中的波长的1/20时。时。散射光强的角度分布（没散射光强的角度分布（没有内干涉）有内干涉） 小质点的散射光强与小质点的散射光强与(1+cos2)成正比，即散射光强有角度依赖性，成正比，即散射光强有角度依赖性，如右图所示，散射光强的角度分布如右图所示，散射光强的角度分布是前后方向对称的。是前后方向对称的。第55页/共168页因此可推导出：)2cos1(21)(42222

46、4002cAMcdcdnnNR若散射角为若散射角为90o，cos90o = 0，则，则cAMcdcdnnNRo2224029021)(20对于一定的高分子对于一定的高分子-溶剂体系，入射光波长一定，令常数溶剂体系，入射光波长一定，令常数224002)(2kdcdnnN则则cAMckRo29021cAMRcko29021（27）（28）（29）第56页/共168页以oRck90对对c作图，即可求得相对分子质量作图，即可求得相对分子质量M和第二维利系数和第二维利系数A2cAMRcko29021kc/R90 - c图图由于由于=90度时度时,散射散射光受杂散光的干扰光受杂散光的干扰最小，故实验上常最

47、小，故实验上常用用R90o的测定计算小的测定计算小粒子的分子量。粒子的分子量。第57页/共168页2. 大质点稀溶液的光散射：当散射质点的尺寸与入射光在介质中的波长同数量级时，由于在同一质点不同部位的散射光具有相位差而引起内干涉作用。后向B处所产生的光程差大于前向A处，则前向散射光强大于后向散射光强。前后向光散射不具有对称性，因此需在散射强度公式中引入不对称散射函数P进行校正。散射质点的内干涉散射质点的内干涉散射光强的角度分布（有内干涉）散射光强的角度分布（有内干涉）第58页/共168页散射函数散射函数P表示在表示在角处散射光强度因干涉而减弱的程度。角处散射光强度因干涉而减弱的程度。为零时为零

48、时， P为为1。无干涉时的散射光强度大分子的散射光强度P则则cAMPRkc22212cos1（30） P的值与大分子的形状、大小及光波的波长有关。对于的值与大分子的形状、大小及光波的波长有关。对于分子大小为均方末端距分子大小为均方末端距 ，分子形状为无规线团，光波为，分子形状为无规线团，光波为的聚合物稀溶液，的聚合物稀溶液，2h.2sin3831112222hP（31）224002)(4dcdnnNk其中其中第59页/共168页 将公式（将公式（31）代入公式（）代入公式（30）得：）得：cAhMRkc2222222)2sin38311 (12cos1（32）公式（公式（32）为光散射计算的基

49、本公式，则）为光散射计算的基本公式，则MRkchMRkccAMRkccc1)sin2cos1()2sin38311 (1)sin2cos1(21)sin2cos1(002222202202（33）（34）则则第60页/共168页在聚合物溶液中，大分子的相对分子质量不相同，光散射在聚合物溶液中，大分子的相对分子质量不相同，光散射强度是各个分子的散射的和。在无限稀释时：强度是各个分子的散射的和。在无限稀释时：iiiiiiiiiiiiicmMmkccMckcMckR002)cos1sin2(即即wcMRkc1)sin2cos1(002 所以，光散射法测得的聚合物相对分子质量是所以，光散射法测得的聚合

50、物相对分子质量是质均相对分子质量。质均相对分子质量。第61页/共168页测试中，只需测定几个不同浓度的溶液，不同散射角处测试中，只需测定几个不同浓度的溶液，不同散射角处的散射强度，以的散射强度，以 对对sin2/2作图，外推作图，外推0，c 0，根据，根据截距为截距为1/Mw，可求得聚合物的质均相对分子质量。，可求得聚合物的质均相对分子质量。Rkcsin2cos12wcMRkc1)sin2cos1(002第62页/共168页 在低角度时（在低角度时（27oC），可以省去角度外推，只进行浓），可以省去角度外推，只进行浓度外推。这就是小角激光光散射（度外推。这就是小角激光光散射（LALLS，Low

51、-Angle Laser Light Scattering）的原理。）的原理。2. 浓度示差折光指数仪的浓度示差折光指数仪的结构：结构：（二）（二） 仪器结构及测试方法：仪器结构及测试方法：1. 小角激光光散射仪的基本结小角激光光散射仪的基本结构：构： 小角激光光散射基本结构示意图小角激光光散射基本结构示意图1-注射器注射器 2-激光器激光器 3-倒向镜倒向镜 4-衰减器衰减器 5-透镜透镜 6-试样池试样池 7-固定衰减器固定衰减器 8-光电倍增管光电倍增管示差折光指数仪结构示意图示差折光指数仪结构示意图1-光源光源 2-透镜透镜 3-光栅光栅 4-准直镜准直镜 5-溶液溶液 6-溶剂溶剂

52、7-成相镜成相镜 8-读数显微镜读数显微镜第63页/共168页3. 测试方法：测试方法： 光散射法主要测定瑞利比光散射法主要测定瑞利比R和折射率与浓度变和折射率与浓度变化的比值化的比值dn/dc。由。由dn/dc求出求出k值。值。 dn/dc可在手册可在手册中查出或在折光指数浓度增量仪上测出。中查出或在折光指数浓度增量仪上测出。 折光指数浓度增量仪利用光线在两液体界面的折光指数浓度增量仪利用光线在两液体界面的折射原理而制成，测出入射光和折射光的位移折射原理而制成，测出入射光和折射光的位移X，则则n= Xkk仪器常数，定期用氯化钠溶液进行标定仪器常数，定期用氯化钠溶液进行标定测定几个不同浓度溶液

53、的测定几个不同浓度溶液的n，以，以n/c对对c作图，外作图，外推到推到c0，得，得dn/dc。 R的测量采用间接法，选择的测量采用间接法，选择一参比物为标准散射法。一参比物为标准散射法。第64页/共168页3. 影响因素：灰尘 溶液中的灰尘会产生强烈的光散射，严重干扰聚合物溶液光散射的测量。溶液除尘是光散射方法成败的关键。（1）首先是溶剂除尘：配制测试样品的溶剂应进行精馏，并经过0.2m超过滤膜过滤后方可使用。（2）配制好的溶液也要用0.2m的过滤膜过滤。（3）测试中所用的器械，如注射器等，使用前要用洗液浸泡，清水强力冲洗。第65页/共168页（三）光散射法的应用：（三）光散射法的应用：1.

54、测定质均相对分子质量和第二维利系数：测定质均相对分子质量和第二维利系数： 使用小角激光光散射仪，测定纯溶剂和使用小角激光光散射仪，测定纯溶剂和45个浓度精个浓度精确的聚合物溶液的确的聚合物溶液的R。根据公式。根据公式以以 对对c作图，截距为作图，截距为1/Mw，斜率为，斜率为2A2。光散射法测定聚合物的光散射法测定聚合物的Mw和和A2cAMRkc20221)sin2cos1(Rkcsin2cos12第66页/共168页2. 测定聚合物的均方末端距：测定聚合物的均方末端距：根据公式根据公式)2sin38311 (1)sin2cos1(222202hMRkcc当当c0时，以时，以 对对 作图，外推

55、线的斜率作图，外推线的斜率为为 ，由该斜率得到聚合物的均方末端距，由该斜率得到聚合物的均方末端距 。2sin222298h2h3. 与与GPC联机使用：联机使用： 将将GPC仪与光散射仪联用，由光散射仪连续测定聚合物样仪与光散射仪联用，由光散射仪连续测定聚合物样品中各个级分的相对分子质量，由品中各个级分的相对分子质量，由GPC仪中的浓度示差检测器仪中的浓度示差检测器检测各个级分的浓度，即可得到聚合物的各种平均相对分子质检测各个级分的浓度，即可得到聚合物的各种平均相对分子质量。可以省去量。可以省去GPC法中必须由标准样品作校正曲线来进行对比法中必须由标准样品作校正曲线来进行对比才能得到相对分子质

56、量数值的方法。才能得到相对分子质量数值的方法。优点：既简便又可获得准确的数据。优点：既简便又可获得准确的数据。Rkcsin2cos12第67页/共168页缺点：（1）联机中存在一些实际问题，如机器的相互干扰屏蔽作用会影响一些数均的准确性。（2）光散射仪的安装和调试是非常精细的过程，入射光和不同角度的散射光必须严格处于同一平面，同时入射光要垂直地入射散射池并且通过样品池和检测器的旋转中心。（3）激光光散射实验中，必须对样品严格除尘。由LALLS静态测试 的公式：cAMRkcw221可转化为动态测定时从色谱柱中流出的每个级分的关系：可转化为动态测定时从色谱柱中流出的每个级分的关系：iiiwiicA

57、MRkc, 2,21 由连接的由连接的GPC测试到各个级分的浓度比例，按照计算公测试到各个级分的浓度比例，按照计算公式计算各种平均相对分子质量和相对分子质量分布。式计算各种平均相对分子质量和相对分子质量分布。wM第68页/共168页LALLS-GPC联机测定聚合物的相对分子质量联机测定聚合物的相对分子质量第69页/共168页4. 测定粘度方程中的测定粘度方程中的k、： kM 一些常用材料的一些常用材料的k、值已经经过标定，可以直接查手册值已经经过标定，可以直接查手册得到。但越来越多的新型的高性能及功能性材料，各种各样得到。但越来越多的新型的高性能及功能性材料，各种各样的共聚和共混材料，它们的的

58、共聚和共混材料，它们的k、值在手册中还查不到，需要值在手册中还查不到，需要进行标定。进行标定。对上式两边取对数得：对上式两边取对数得： Mklglglg 聚合物的聚合物的值一般都在值一般都在0.50.8之间，所以聚合物的质均之间，所以聚合物的质均相对分子质量与粘均相对分子质量较接近。配制一系列（相对分子质量与粘均相对分子质量较接近。配制一系列（7个以上）单分散性的样品，用光散射法依次测定其质均相对个以上）单分散性的样品，用光散射法依次测定其质均相对分子质量，近似认为是粘均相对分子质量，用粘度法测定其分子质量，近似认为是粘均相对分子质量，用粘度法测定其粘度，以粘度，以lg-lgM作图，可得到一条

59、直线，外推直线得到截作图，可得到一条直线，外推直线得到截距距lgk和斜率和斜率，可标定，可标定k、值。值。第70页/共168页光散射法标定聚合物的光散射法标定聚合物的k、值值第71页/共168页5. 测定聚合物的组成：测定聚合物的组成： 对于不同组成比的嵌段共聚物，折光指数增量对于不同组成比的嵌段共聚物，折光指数增量dn/dc相对于不同的组成分数相对于不同的组成分数X具有很好的加和性：具有很好的加和性：(dn/dc)0 = XA(dn/dc)A + (1-XA)(dn/dc)BPS-PTP的关系图的关系图嵌段共混嵌段共混例如：聚苯乙烯和聚异戊二例如：聚苯乙烯和聚异戊二烯的嵌段共聚物，分别测定烯

60、的嵌段共聚物，分别测定具有相同组成比的聚苯乙烯具有相同组成比的聚苯乙烯和聚异戊二烯的共混物和共和聚异戊二烯的共混物和共聚物的折光指数增量值聚物的折光指数增量值dn/dc，发现线性很好。发现线性很好。第72页/共168页六、粘度法：可测定聚合物的粘均相对分子质量。此外，粘度法在研究高聚物分子结构方面也很有价值，如可用于研究高分子在溶液中的形态和尺寸、高分子和溶剂分子间的相互作用等重要特性。（一） 原理： 纯溶剂的粘度只取决于液体本身的性质和温度。当聚合物分子溶入溶剂中形成高分子溶液后，会引起粘度变化：使溶剂的粘度增大。由于聚合物分子的庞大体积，这种粘度增大效应比小分子大得多。 粘度法测定聚合物的