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固体核磁共振谱仪多尺度实验技术的构建与管理孙平川【摘要】固体核磁共振谱仪是目前研究固体和软物质材料结构和动力学的有力工具,在近年的工作中,在固体核磁共振谱仪上系统构建了用于高分子材料结构与动力学检测的系列多尺度核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)实验技术,丰富和完善了NMR谱仪的实验功能并拓展了其应用范围.这项工作充分发挥了NMR 的潜在功能,提高了仪器的利用效率.通过制定完善的谱仪操作规程、实验室管理及学生的培训制度,保证了仪器的安全高效运行和学生实验能力的培养.通过积极对外开放交流,推动国内固体NMR在各学科领域的应用.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2010(027)011【总页数】4页(P1-4)【关键词】固体核磁共振;脉冲序列;宏指令;多尺度;高分子材料【作者】孙平川【作者单位】南开大学,功能高分子材料教育部重点实验室,天津,300071;南开大学,化学学院高分子化学研究所,天津,300071【正文语种】中文【中图分类】TH843;O482.53特约专栏——大型仪器公共服务体系建设与管理(下)编者按:“高等学校仪器设备和优质资源共享系统”是国家发展与改革委员会批准的教育部“十五”重点建设项目(发改社会[2004]2927号),其中,“大型仪器公共服务体系”的建设是重中之重。
本刊2010年的第9期和第10期《特约专栏》,分别以“大型仪器公共服务体系的建设和管理”(上)和(中),介绍了这个项目的国家级平台和校级平台的建设经验和成效,本期《特约专栏》——大型仪器公共服务体系建设与管理(下),则以大型仪器平台建设与管理为主,介绍南开大学、复旦大学、北京大学、吉林大学、重庆大学、中山大学的建设经验和有关教授、专家的研究成果,供广大读者借鉴、参考。
科学仪器延展了人类的视野,是我们在原子和分子等不同的尺度上探索自然奥秘的眼睛。
核磁共振就是这样一种独特的技术,它在半个多世纪的发展史上已经5次获得诺贝尔奖,其检测范围已覆盖了宽广的空间和时间尺度。
以下为1~6章的名词解释,资料来源为高分子物理(第四版)材料科学基础(国外引进教材),化工大词典,百度百科,维基百科等。
第一章高分子链的结构全同立构:高分子链全部由一种旋光异构单元键接而成间同立构:高分子链由两种旋光异构单元交替键接而成构型:分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列,这种排列就是热力学稳定的,要改变构型必需经过化学键的断裂与重组分子构造(Architecture):指聚合物分子的各种形状,一般高分子链的形状为线形,还有支化或交联结构的高分子链,支化高分子根据支链的长短可以分为短支链支化与长支链支化两种类型共聚物的序列结构:就是指共聚物根据单体的连接方式不同所形成的结构,共聚物的序列结构分为四类:无规共聚物、嵌段共聚物、交替共聚物、接枝共聚物接枝共聚物:由两种或多种单体经接枝共聚而成的产物,兼有主链与支链的性能。
嵌段共聚物(block copolymer):又称镶嵌共聚物,就是将两种或两种以上性质不同的聚合物链段连在一起制备而成的一种特殊聚合物。
环形聚合物:它的所有结构单元在物理性质与化学性质上都就是等同的超支化聚合物:就是在聚合物科学领域引起人们广泛兴趣的一种具有特殊大分子结构的聚合物构象:由于σ单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。
链段: 高分子链上划分出的可以任意取向的最小单元或高分子链上能够独立运动的最小单元称为链段。
链柔性:就是指高分子链在绕单键内旋转自由度,内旋转可导致高分子链构象的变化,因为伴随着状态熵增大,自发地趋向于蜷曲状态的特性。
近程相互作用:就是指同一条链上的原子或基团之间,沿着链的方向,因为距离相近而产生相互作用远程相互作用:因柔性高分子链弯曲所导致的沿分子链远距离的原子或基团之间的空间相互作用。
远程相互作用可表现为斥力或引力,无论就是斥力还就是引力都使内旋转受阻,构想数减少,柔性下降,末端距变大。
自由连接链:假定分子就是由足够多的不占体积的化学键自由结合而成,内旋转时没有键角限制与位垒障碍,其中每个键在任何方向取向的几率都相同。
固体核磁共振19.1 固体核磁共振基本原理19.1.1 核磁共振的基本原理及固体核磁中主要的相互作用如果我们将样品分子视为一个整体，则可将固体核磁中探测到的相互作用分为两大类：样品内部的相互作用及由外加环境施加与样品的作用。
前者主要是样品内在的电磁场在与外加电磁场相互作用时产生的多种相互作用力，这主要包括：化学环境的信息（分子中由于内在电磁场屏蔽外磁场的强度、方向等），分子内与分子间偶极自旋偶合相互作用，对于自旋量子数为>1/2的四极核尚存在四极作用。
外部环境施加与样品的主要作用有：1)由处于纵向竖直方向的外加静磁场作用于特定的核磁活性的核上产生的塞曼相互作用（Zeeman Interaction）, 核子相对映的频率为拉莫尔频率（Larmor Frequency）;2) 由处于x-y平面的振荡射频场产生的作用与待测样品的扰动磁场。
与溶液核磁共振技术测定化学结构的基本思路，在固体核磁共振实验中也是首先利用强的静磁场是样品中核子的能级发生分裂，例如对于自旋量子数I=1/2的核会产生两个能级，一个顺着静磁场方向从而导致体系的能量较低；另一个则逆着静磁场排列的方向使得体系相对能量较高。
经能级分裂后，处于高能级与低能级的核子数目分布发生改变，并且符合波尔兹曼分布原理：即处于低能级的核子数目较多而高能级的数目较少，最终产生一个沿竖直向上的净磁化矢量。
此磁化矢量在受到沿x-y平面的振荡射频磁场作用后产生一扭矩最终将沿竖直方向的磁化矢量转动一特定的角度。
由于这种射频脉冲施加的时间只是微秒量级，施加完射频脉冲后，体系中剩下的主要相互作用将会使这种处于热力学不稳定状态的体系恢复到热力学稳定的初始状态。
在磁化矢量的恢复过程中，溶液核磁中主要存在的相互作用有：化学位移，J-偶合等相对较弱的相互作用，而相对较强的分子间偶极自旋偶合相互作用在大多数体系中由于分子的热运动而被平均化。
但是在固体核磁共振实验中，由于分子处于固体状态从而难以使体系中的偶极自旋偶合作用通过分子热运动而平均化。
2005-2011年核磁共振研究进展[摘要]核磁共振分析技术是利用物理原理, 通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子结构与性质。
它不破坏被测样品的内部结构, 是一种无损检测方法。
本文重点介绍了核磁共振技术在高分子材料分析，结构生物学，食品品质分析，重油表征，表面活性剂混合胶束体系等中的应用研究进展。
[关键词]核磁共振技术应用研究进展核磁共振是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。
通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。
原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。
在交变磁场作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。
这种过程就是核磁共振。
核磁共振技术主要有两个学科分支: 核磁共振波谱(Nu-clearMagnetic Resonance Spectroscopy) 和磁共振成像 (Magnetic Resonance Imaging, 简称MR I)。
核磁共振波谱技术是基于化学位移理论发展起来的, 主要用于测定物质的化学成分和分子结构。
核磁共振成像技术诞生于 1973 年, 它是一种无损测量技术, 可以用于获取多种物质的内部结构图像。
最初的核磁共振技术主要用于核物理方面, 现今已经被化学, 食品, 医学, 生物学, 遗传学以及材料科学等领域广泛采用, 已经成为在这些领域开展研究工作的有力工具。
[1]1、固体核磁共振在高分子材料分析中的研究[2]动态核磁共振(dynamic NMR)一般用于研究物质内部分子、原子运动对核磁共振信号的影响。
高分子动态NMR方法被用来研究高分子体系的时间相关性。
可通过测定分子弛豫数据考察分子运动的速度,研究分子运动与大分子结构的内在关系。
还有人研究了压力对无规聚丙烯分子链运动的影响,其平均相关时间符合Vogel-Fulcher-Tammann-Hesse (VFTH)关系。
核磁共振在聚合物辐射化学中的应用摘要:本文介绍了不同核磁共振方法和技术在高分子材料研究中的应用。
主要论及核磁共振的常规氢谱、碳谱、多脉冲技术,以及固体核磁共振仪、核磁共振成象技术和核磁共振在高分子科学中的应用。
关键词：核磁共振方法；高分子材料核磁共振波谱是研究原子核在磁场中吸收射频辐射能量进而发生能级跃迁现象的一种波谱法。
通常专指氕原子的核磁共振波谱(质子核磁共振谱)的研究.同一核素的原子核在不同化学环境下能产生位置、强度、宽度等各异的谱线，为研究复杂的分子结构提供重要的信息。
1核磁共振基本原理核磁共振研究的对象为具有磁矩的原子核。
原子核是带正电荷的粒子，其自旋运动将产生磁矩，但并非所有同位素的原子核都有自旋运动，只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩。
原子核的自旋运动与自旋量子数I相关，I＝0的原子核没有自旋运动，I≠0的原子核有自旋运动。
核磁共振研究的主要对象是I＝1/2的原子核，这样的原子核不具有电四极矩，核磁共振的谱线窄，最易于核磁共振检测。
原子核同时具有电荷及自旋,根据古典电磁学理论，旋转的电荷可视为环电流，故原子核也有对应的磁矩μ,其与自旋角动量P成正比,关系如下:μ=γP=γI（1.1)。
磁矩和自旋角动量之间的比例常数定义为旋磁比γ,旋磁比随原子核种类而有所不同，I为自旋算符，P为角动量算符，是Plank常数h除以2π。
当受到外加磁场B0影响时，具自旋角动量的原子核其能级会分裂为（2I＋1）个非简并态，两个能级的能量差为ΔE＝－γ B0。
核磁共振就是样品处于某个静磁场中,具有磁距的原子核存在着不同能级，用某一特定频率的电磁波来照射样品，并使该电磁波满足两个能级的能级差条件,原子核即可进行能级之间的跃迁，发生核磁共振。
在考虑磁距与磁场相互作用时,可以用量子力学或经典力学加以处理。
每一种处理都有其方便之处。
对于弛豫和交换过程以经典处理更为合适；而在讨论化学位移和自旋耦合时,须要使用能级知识，因而要用量子力学进行处理。
拉伸状态下高分子弹性体聚集态结构与分子运动的固体高分辨核磁
共振研究
【摘要】：本文利用固体核磁共振技术，结合专用的原位拉伸装置对拉伸态的天然橡胶(NR)、聚醚酯嵌段共聚物(PEE)、乙烯-辛烯共聚物(POE)和乙烯-丙烯酸甲酯共聚物(EMA)等4个高分子弹性体体系的聚集态结构以及分子运动等进行了系统的研究，所得主要结果如下：1．设计出可以在4mmMAS转子中进行拉伸状态下高分子弹性体固体高分辨核磁共振实验的专用插件，该插件具有制作简单、操作方便等特点，放置了该插件的MAS转子最大稳定转速可达到7kHz。
凭借该装置，成功解决了高分子弹性体难以在高速魔角旋转下进行原位拉伸实验的问题，拓展了固体高分辨核磁共振在高分子结构研究中的应用范围。
2．首次通过原位拉伸的固体高分辨核磁共振方法对不同拉伸比的天然橡胶进行了系统的研究。
发现未拉伸的天然橡胶样品室温下也存在少量结晶，该结果为天然橡胶在室温下存在结晶的观点提供直接的证据。
~(13)CCP／MAS实验结果表明，随着拉伸比的增加，体系中的结晶含量也随之增加。
~(13)CT_1，~1HT_2等结果进一步证实不同拉伸比下结晶的存在并对结晶峰进行了归属。
定量结果表明，天然橡胶在拉伸比2.0倍左右开始产生拉伸诱导结晶，且在2.0到6.0拉伸比区间内，结晶度和拉伸比呈近似的线性关系。
拉伸比大于6.0倍时，拉伸诱导结晶趋缓，发现最大拉伸比(7.0)时的结晶度为19.3％。
相对未加炭黑的样品来说，加炭黑的样品在同等拉伸比下表现出较低
的结晶度，说明炭黑作为物理交联剂在一定程度上阻止了拉伸诱导结晶的产生。
3．固体核磁共振技术对PEE的研究结果表明，拉伸导致“软段”PTMO的结晶，新产生的结晶量以及这部分结晶的晶片厚度都随着拉伸比的增加而增加，且拉伸引起的结晶主要发生在PTMO非晶区。
拉伸对体系中非结晶的高频分子运动并没有明显的影响，拉伸使得结晶区更加趋于完善。
结晶厚度表征的结果显示，4.0倍拉伸比时PTMO非晶区与结晶区之间的界面层厚度以及它与4GT结晶区的过渡层厚度分别约为1.1nm和3.1nm，拉伸对PTMO链段的影响是均匀的。
4．固体核磁共振对EMA的研究结果表明，随着拉伸比的增加，共聚物中正交晶含量经历了先减少、后增加，然后在断裂伸长比的情况下再大幅度减少的过程，而单斜晶的含量则保持单调的有限增加；~(13)CT_1和自旋扩散实验结果表明，拉伸后的结晶厚度变小，在断裂伸长比之前，体系中结晶度的增加是由一些新的晶体的产生所导致的;结晶界面层厚度的测定结果显示，其厚度约为1.，nm，该结果进一步证明，结晶区，3cTI的双指数弛豫行为是由结晶界面层和结晶本体所造成的。
拉伸过程所导致的结晶厚度的降低，使得结晶界面层相对于结晶本体的含量增加。
5.对POE体系的研究结果表明，高弹性的尸OE不但存在结晶，且结晶中单斜晶含量明显高于其它的乙烯共聚物。
辛烯含量的多少是决定样品聚集态结构变化的最重要的因素，体系中的结晶度随着辛烯的含量增加而明显降低，单斜晶和正交晶含量的比值随着共聚单元的增加而增加，说明了较短的乙烯链段，更易形成单斜晶;较长的乙烯链段易于形成正交晶。
不同的样品处理
方式也是引起共聚物聚集态结构变化的重要因素。
拉伸对POE弹性体聚集态结构的影响不是一个单调的过程，在低拉伸比范围内，拉伸会导致结晶度的增加，而进一步增加拉伸比又会导致对结晶的破坏。
在结晶区中含量占优的单斜晶所受到的拉伸的影响和含量较少的正交晶所受的影响明显不同。
正交晶的13cTI弛豫行为随辛烯含量不同有明显变化，而单斜晶则变化很小，说明正交晶的晶片厚度随着辛烯含量增加而降低，而单斜晶晶片厚度则无明显变化。
通过对不同拉伸比样品，3CTI弛豫行为的研究发现，拉伸导致正交晶晶片厚度明显变薄，拉伸对于无定形相的高频分子运动几乎无影响。
拉伸对上述四个弹性体体系的聚集态结构都产生了很大影响，但是影响的程度和内容因体系而不同，对于本身存在着化学交联(天然橡胶)或者是物理交联(聚醚酷)的体系而言，拉伸导致了其中本来难以结晶组分的结晶，且结晶度随着拉伸比增加而增加，与此同时，体系结晶的晶片厚度也会逐渐增加;而对于结晶性共聚物体系，如EMA和POE，结晶区本来起到了物理交联的作用，在这种情况下拉伸的影响变得比较复杂，拉伸对于不同晶型的影响有所不同，在拉伸比较低的情况下体系总体的结晶度会有所增加，说明有新的结晶产生，当接近或达到断裂伸长比时，体系的结晶度会突然降低，含量占优的结晶会被拉伸所破坏，含量较低的结晶在整个拉伸过程中受的影响较小。
综合4个体系的结果来看，拉伸对体系中非晶区的高频分子运动几乎没什么的影响。
【关键词】：固体核磁共振拉伸天然橡胶聚醚酯乙烯-丙烯酸甲酯共聚物乙烯-辛烯共聚物聚集态结构分子运动
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：O482.532
【目录】：主要符号和缩略语9-10中文摘要10-12英文摘要12-15第一章前言15-291．1高分子弹性体的发展概况15-161．2高分子弹性体的拉伸研究16-201．2．1构成高分子弹性体的条件16-171．2．2拉伸对高分子弹性体的影响17-181．2．3高分子弹性体拉伸行为的常见研究方法18-201．3固体核磁共振技术在拉伸态高分子弹性体研究中的应用20-241．3．1固体核磁共振的常见技术20-221．3．2拉伸态高分子弹性体固体核磁共振研究22-231．3．3固体高分辨核磁共振研究拉伸态高分子弹性体的问题及对策23-241．4本文的研究目标以及主要内容24-26参考文献26-29第二章原位拉伸装置的设计29-342．1原位拉伸装置的设计背景29-302．2原位拉伸装置的加工和测试30-33参考文献33-34第三章天然橡胶的固体核磁共振研究34-513．1研究背景34-363．1．1天然橡胶概况34-353．1．2研究思路35-363．2实验部分36-373．2．1样品36-373．2．2核磁共振实验373．3结果与讨论37-483．3．1拉伸态天然橡胶的静态~（13）C质子去偶谱37-403．3．2拉伸态下天然橡胶聚集态结构的固体高分辨核磁共振研究40-423．3．3拉伸态天然橡胶分子运动的固体高
分辨核磁共振表征42-453．3．4拉伸态天然橡胶结晶度的定量表征45-483．4结论48-49参考文献49-51第四章拉伸状态下聚醚酯弹性体的固体核磁共振研究51-654．1研究背景51-524．1．1聚醚酯弹性体简况51-524．1．2研究目的524．2实验部分52-534．2．1样品52-534．2．2核磁共振实验534．3结果与讨论53-624．3．1固体高分辨碳谱研究拉伸对聚集态结构的影响53-564．3．2拉伸对聚醚酯弹性体分子运动的影响研究56-584．3．3聚醚酯弹性体结构的自旋扩散研究58-624．4结论62-63参考文献63-65第五章乙烯-丙烯酸甲酯共聚物的固体核磁共振研究65-855．1研究背景65-665．2实验部分66-675．2．1样品665．2．2核磁共振实验66-675．3结果与讨论67-825．3．1乙烯-丙烯酸甲酯共聚物的固体氢谱研究67-695．3．2乙烯-丙烯酸甲酯共聚物的固体高分辨核磁共振研究69-735．3．3拉伸对乙烯-丙烯酸共聚物分子运动的影响73-765．3．4乙烯-丙烯酸共聚物结晶界面层厚度的表征76-825．4结论82-83参考文献83-85第六章乙烯-辛烯共聚物的固体核磁共振研究85-1056．1研究背景85-866．2实验部分86-886．2．1样品86-876．2．2核磁共振实验87-886．3结果与讨论88-1026．3．1乙烯-辛烯共聚物的固体高分辨核磁共振研究88-956．3．2乙烯-辛烯共聚物分子运动能力的表征95-1026．4结论102-103参考文献103-105第七章总结105-107攻读学位期间发表和待发表的论文107-108 本论文购买请联系页眉网站。
