功能高分子结构的表征方法
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高分子材料科学与工程专业知识技能一、介绍高分子材料科学与工程是一门涉及高分子材料合成、加工、性能表征和应用的综合性学科。
其研究对象涉及聚合物、共聚物、复合材料等高分子材料,以及其在汽车、航空航天、电子、医药、建筑等领域的应用。
本文将围绕高分子材料科学与工程专业的知识和技能展开深入探讨,以帮助读者全面了解这一学科,并为相关专业的学生提供学习和就业指导。
二、高分子材料合成1.聚合反应在高分子材料科学与工程专业中,学生首先需要了解聚合反应的基本概念和原理。
聚合反应是指将单体分子通过化学反应形成具有线性或者支化结构的聚合物的过程。
对于不同种类的高分子材料,其聚合反应的方式和条件也会有所不同。
学生需要熟练掌握不同类型聚合反应的特点和条件,为后续的材料合成奠定基础。
2.聚合物合成方法在聚合物科学与工程专业中,学生还需要学习不同的聚合物合成方法,包括自由基聚合、离子聚合、环氧树脂固化等。
这些方法涉及到催化剂的选择、反应条件的控制、聚合物结构的调控等方面的知识。
掌握这些合成方法,对于学生将来从事高分子材料的研究和工程应用工作都具有重要意义。
三、高分子材料性能表征1.结构表征高分子材料的结构表征是对其分子结构、宏观形貌等特征进行分析和鉴定的过程。
通过使用一系列的仪器和技术,如核磁共振、红外光谱、激光粒度分析仪等,可以对高分子材料的结构进行深入研究。
学生需要学习不同的结构表征方法,并了解它们的适用范围和使用条件。
2.性能测试除了结构表征,高分子材料的性能测试也是学生需要掌握的重要技能之一。
拉伸强度、弯曲模量、热学性能、电学性能等指标都需要通过相应的测试方法进行表征。
学生需要学习这些性能测试方法的原理和操作技巧,为未来从事高分子材料性能评价和改性工作提供技术支持。
四、高分子材料应用1.功能高分子材料随着科技的不断进步,功能高分子材料在各个领域的应用日益广泛。
具有自修复功能的聚合物材料、智能感应材料、生物兼容高分子材料等。
分子结构表征分子结构是描述化学物质的一种方式,它通过描述分子的组成和结构来揭示物质的性质和行为。
分子结构表征是研究者在化学领域中广泛使用的一种工具,可以帮助我们理解分子的性质、相互作用和反应机制。
本文将从分子的组成、结构和性质三个方面来介绍分子结构表征的重要性和应用。
一、分子的组成分子是由原子构成的,不同元素的原子组合在一起形成不同的分子。
分子的组成可以通过化学式来表征,化学式是一种简洁的方式来描述分子的元素和原子比例。
例如,水分子的化学式为H2O,表示一个氧原子和两个氢原子组成了一个水分子。
化学式还可以帮助我们了解分子中原子的数量和排列方式。
二、分子的结构分子的结构是指分子中原子的排列方式和相互之间的连接方式。
分子的结构可以通过结构式来表征,结构式提供了关于原子之间键的类型和数量的信息。
共价键、离子键和氢键是常见的键类型。
例如,甲烷分子的结构式为CH4,表示一个碳原子和四个氢原子通过共价键连接在一起。
分子的结构对于分子的性质和行为起着重要的影响。
分子中原子之间的键的类型和长度决定了分子的稳定性和反应性。
此外,分子的结构还可以决定分子的空间取向和对其他分子的相互作用。
例如,分子中的双键和三键可以使分子具有不同的旋转和振动模式,从而影响分子的光谱性质和热力学性质。
三、分子的性质分子的性质是由分子的组成和结构决定的。
分子的性质可以通过物理性质和化学性质来描述。
物理性质包括分子的大小、形状、极性和熔点、沸点等,可以通过实验方法来测量。
化学性质包括分子的稳定性、反应性和与其他物质的相互作用等,可以通过实验和理论计算来研究。
分子结构表征在化学领域有着广泛的应用。
例如,分子结构表征可以帮助研究者理解分子的光谱特性,如红外光谱和核磁共振光谱。
分子结构表征还可以帮助研究者预测分子的活性和选择性,从而指导新药设计和催化剂设计。
此外,分子结构表征在材料科学、环境科学和生物科学等领域也有着重要的应用。
总结起来,分子结构表征是描述化学物质的重要工具,它通过描述分子的组成和结构来揭示物质的性质和行为。
高分子构象的荧光光谱研究薛奇南京大学化学化工学院,高分子科学与工程系荧光反射光谱技术中,有一种称为“无辐射能量转移”荧光方法。
如果在不同分子链上分别接上荧光给予体及接受体,当两个分子链距离较大(>3nm)时,荧光光谱中只出现给予体的信号,当二者距离较小(<3nm)时,荧光光谱中同时出现给予体及接受体的信号。
这一方法可用来检测链间分子链段的距离。
如果荧光的“接受体”和“给予体”接在同一根高分子链上时,则可测定分子内链段的距离,衡量分子链是否塌缩。
这种荧光光谱方法简称为NRET,(无辐射能量转移的英文缩写)。
由于NRET灵敏度极高,这是一种研究分子构象的重要方法。
本课题组用NRET研究了高分子链在溶液中的构象。
可以检测到高分子链在溶液中的构象转变。
提出了关于溶剂分子体积作用的新的概念。
最近,我们用NRET方法研究了超薄膜的构象,及与玻璃化转变的相关性。
从分子水平上为理解受限态高分子的玻璃化转变提出了重要的概念。
DI-02多电荷排斥作用体系的荧光关联光谱:理论、模拟、实验赵江中国科学院化学研究所,北京市海淀区中关村北一街二号多级动态过程普遍存在于多电荷软物质体系之中,如:胶体、乳液、聚电解质溶液、凝胶等等,如何在这种多级动态过程存在的情况下,获取单分子、单粒子的信息一直是软物质物理领域的重要研究课题及难点问题。
我们成功地将双色交叉关联光谱方法引入到这方面的研究中,发展了理论分析方法,从模拟与实验的双重层面上对带电胶体体系、聚电解质溶液等多电荷强排斥相互作用体系开展研究,有效地实现了分子与颗粒识别,获得了单分子、单粒子的动态信息以及相互作用参数。
235超速离心分析技术在高分子科学中的应用张广照华南理工大学,广州五山381号,510640超速离心分析技术可通过沉降速度,测量高分子在溶液中的沉降系数、扩散系数、流体力学半径和摩尔质量。
在本报告中,我们将介绍超速离心分析技术的原理,以及该技术在聚电解质和中性高分子动力学行为研究中的应用。
小角x射线散射技术在高分子表征中的应用小角x射线散射技术(small-angle X-ray scattering,简称SAXS)是一种非常有用的高分子表征技术,它可以提供高分辨率的结构信息和动力学信息。
在材料科学、生物医学和化学领域,SAXS已经被广泛应用于研究高分子材料的结构特性、相互作用和功能性。
SAXS技术可以用来研究高分子材料的分子结构。
高分子材料的结构与其性能密切相关,而传统的显微镜和X射线衍射技术对于纳米尺度的结构研究有限。
相比之下,SAXS技术具有更高的分辨率和灵敏度,可以提供更详细的分子结构信息。
通过测量散射光子的散射角度和强度,可以确定高分子材料的分子尺寸、形状和排列方式。
这些结构特性对于理解高分子材料的性质和功能至关重要。
SAXS技术还可以用来研究高分子材料的相互作用。
在高分子材料中,分子间的相互作用对于材料的性质和功能起着重要的调控作用。
SAXS技术可以通过测量散射光子的强度和角度随温度、压力或化学环境的变化来研究高分子材料的相互作用。
例如,可以通过SAXS 技术来研究高分子链的自组装行为、高分子与溶剂之间的相互作用以及高分子与其他分子之间的相互作用。
这些相互作用的研究有助于揭示高分子材料的结构演化机制和性质调控原理。
SAXS技术还可以用来研究高分子材料的功能性。
许多高分子材料具有特殊的功能性,如光学、电学、磁学和生物学功能等。
SAXS技术可以通过测量散射光子的强度和角度来研究高分子材料的功能性。
例如,可以利用SAXS技术来研究高分子材料的光学吸收、荧光发射和导电性能。
这些功能性研究有助于设计和优化高分子材料的性能,拓展其应用领域。
小角x射线散射技术在高分子表征中具有广泛的应用前景。
它可以提供高分辨率的结构信息和动力学信息,用于研究高分子材料的分子结构、相互作用和功能性。
通过SAXS技术的应用,我们可以更好地理解高分子材料的性质和功能,为高分子材料的设计和应用提供科学依据。
生物大分子的合成与表征生物大分子是指在自然界中广泛分布的高分子化合物,主要包括蛋白质、核酸、多糖和脂类等。
它们广泛存在于生物体内,承担着重要的生命活动功能,如储存遗传信息、转运分子、调节代谢等。
了解生物大分子的合成和表征对于加深人们对它们的理解和应用具有重要意义。
一、生物大分子的合成生物大分子的合成是指通过化学反应或生物合成途径,将小分子有机物逐步合成成大分子的过程。
生物大分子的合成既包括基础阶段的单体合成,也包括后续阶段的聚合反应。
以蛋白质和核酸为例,它们的合成过程大致如下:1. 蛋白质的合成蛋白质的合成又称蛋白质合成,是指将氨基酸按照指定的顺序和数量合成成蛋白质的过程。
它分为转录和翻译两个阶段。
在转录阶段,DNA的一条链被复制成RNA,这一过程由RNA 聚合酶催化完成。
RNA聚合酶依据DNA的模板序列在RNA分子中生成互补的序列。
转录的RNA分子称为mRNA(messenger RNA),是蛋白质合成的模板。
它被带有蛋白质合成能力的核糖体识别,以三个氨基酸一组的方式读取上面的密码,将氨基酸连接成多肽链。
氨基酸之间的结合是由肽键形成的。
2. 核酸的合成核酸包括DNA和RNA,它们都是由核苷酸组成的高分子,主要功能是贮存和传递遗传信息。
核苷酸是由糖、碱基和磷酸组成的,碱基包括腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶四种。
核苷酸的合成分为两个阶段,即碱基合成和磷酸化反应。
在碱基合成过程中,酶催化下的单糖会和碱基形成硫半乳糖苷键;在磷酸化反应中,由多个单糖分子组成的核苷酸串被磷酸化,形成磷酸二酯键。
这一过程由激酶类酶催化完成。
二、生物大分子的表征生物大分子的表征是指通过物理化学方法,对蛋白质、核酸等大分子进行分析和鉴定,以确定它们的组成、结构和功能等信息。
实验室中广泛采用的方法包括质谱法、X射线晶体学、核磁共振、红外光谱、荧光检测和凝胶电泳等。
1.质谱法质谱法是分子质量测量的主要手段,可以确定蛋白质肽链的氨基酸序列。
生物高分子材料的制备与性能研究高分子材料在材料科学中扮演着重要的角色,其广泛的应用为人们的生活带来了诸多便利。
然而,传统的高分子材料常常面临一系列的问题,如稳定性差、降解速度慢等。
为了克服这些问题,科学家们开始研究生物高分子材料,希望建立一种新型的材料体系,具备优异的性能与可控的可降解性。
本文将重点探讨生物高分子材料的制备方法与性能表征。
一.生物高分子材料的制备方法生物高分子材料的制备方法多种多样,下面将介绍几种常见的制备方法。
1. 生物合成法生物合成是一种自然界中生物体内或外部环境下合成材料的过程。
通过调控生物的代谢途径或基因表达,可以得到具有特定化学组成和结构的高分子材料。
例如,人工合成的牛黄酸和赖氨酸可以通过菌株发酵获得。
2. 聚合法聚合法是合成高分子材料的常用方法之一。
通过聚合反应,可以将单体转化为高分子链,并形成所需的材料。
例如,通过环氧树脂的聚合反应,可以得到高分子材料具有较好的强度和韧性。
3. 溶液共混法溶液共混法是将两种或更多种高分子材料的溶液混合在一起,通过相互作用生成新的材料。
通过控制混合物的比例和条件,可以调节材料的性能。
例如,将可降解聚乳酸与聚丙烯酸混合,可以得到一种新的生物高分子材料,具有较高的生物降解性能。
二.生物高分子材料的性能表征生物高分子材料的性能表征是确保其适用性和功能的重要环节。
常见的性能表征包括力学性能、热性能、形态结构和生物相容性。
1. 力学性能力学性能是评价材料抗拉强度、硬度、韧性等方面的一个重要指标。
通过拉伸试验、冲击试验等方法,可以评估材料在外力作用下的性能表现,以及材料是否满足特定应用领域的要求。
2. 热性能热性能包括玻璃转化温度、热稳定性等指标。
这些指标可以通过差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TGA)等仪器进行测试,了解材料在高温下的稳定性及热传导性能。
3. 形态结构形态结构是研究材料内部形貌、结晶性等特征的一个重要方面。
利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等成像技术,可以观察和研究材料的微观结构,为制备和性能优化提供指导。
高分子材料表征技术与应用高分子材料是现代工业制造中不可或缺的一种材料,在汽车、电子、建筑、医疗等领域中都有广泛应用。
而为了更好地利用这种材料,了解它的特性以及优化其性能,高分子材料的表征技术显得十分重要。
本文将从高分子材料的表征技术、应用以及未来发展等方面探讨其重要性。
一、高分子材料表征技术1. 热分析技术热分析技术是表征高分子材料的一种重要手段。
它可以通过测量样品在一定条件下的热重量变化或热量变化,来了解高分子材料的热稳定性、热动力学行为、结构变化等信息。
常见的热分析技术包括热重分析、热差示扫描量热法等。
2. 光谱技术光谱技术也是高分子材料表征的重要手段之一。
其基本原理是将高分子材料样品受到不同波长或频率的光线照射后,从样品中得到不同的光谱信号,并且通过分析这些信号来获得高分子材料的结构和性能信息。
常见的光谱技术包括红外光谱、紫外-可见光谱等。
3. 分子量测定技术对高分子材料而言,分子量是其性能和应用的关键参数之一。
因此,对高分子材料的分子量进行测定也是一种重要的表征方法。
常见的高分子材料分子量测定技术包括凝胶渗透色谱、粘度测定法等。
二、高分子材料的应用1. 汽车领域高分子材料在汽车领域中的应用较为广泛。
例如,车身和内饰件的制造中,高分子材料具有质量轻、强度高、制造效率高等优点,可以有效提升汽车整体性能。
同时,高分子材料还可用于汽车电池系统和轮胎制造等方面。
2. 医疗领域高分子材料在医疗领域中的应用也非常广泛。
例如,口腔种植、人工关节和医学绷带等产品中均采用高分子材料制造,它们具有易加工、卫生、耐腐蚀等优点。
3. 电子领域在电子产品中,高分子材料的应用也越来越普遍。
例如,高性能聚合物可以用于制造手机、电视、平板电脑等电子产品中的大量部件,具有绝缘性好、机械性能高等特点。
三、未来发展多年来,高分子材料表征技术在时空分辨、同步辐射、扫描探针技术等方面取得了许多初步成果。
在未来,高分子材料表征技术将更多地关注功能性材料的表征和应用,如纳米粒子、液晶材料、高附加值功能性高分子等。
傅里叶变换红外光谱法在高分子材料
研究中的应用
傅里叶变换红外光谱法(FT-IR)是一种常用的非破坏性表征高分子材料结构的技术。
它通过测量材料吸收、透射或反射红外光的强度,得到材料的红外吸收光谱图像。
这些光谱图像可以提供材料的分子振动信息,从而揭示材料的分子结构、化学键信息和分子间相互作用等重要特征。
在高分子材料研究中,FT-IR可以用于以下方面:
1. 确定材料的组成和结构:FT-IR可以检测材料中的特定化学键类型,如C-H键、O-H键、N-H键等。
通过观察这些键的吸收峰位置和强度,可以确定材料的组成和结构。
2. 研究材料的互作用:高分子材料通常包含多种功能性基团,它们之间会相互作用。
FT-IR可以检测这些基团之间的相互作用,例如氢键、范德华力等。
3. 分析材料的热性能:高分子材料的热性能与其分子结构密切相关。
FT-IR可以用于研究高分子材料的热性能,如热稳定性、热分解等。
4. 研究材料的形态结构:FT-IR还可以与显微镜等其他技术相结合,用于研究材料的形态结构,如薄膜、纤维等。
总之,FT-IR技术在高分子材料研究中具有广泛的应用前景,可以提供有关高分子材料结构、性能和功能的有价值的信息。
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2020年第#期分析仪器Analytical Instrumentation No.#Jul.20201、纟[综述73轧高性能与功能化高分子材料的表征技术及其特点李琴梅魏晓晓郭霞胡光辉史迎杰高峡$(有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室&北京市理化分析测试中心&北京100094)摘要:本文从高性能与功能化高分子材料的结构特点出发,围绕高性能高分子材料的功能化发展方向,针对其在光电领域,食品药品等民生安全健康领域,以及航天航空与军工领域的应用要求,介绍了高性能与功能化高分子材料的化学组成、分子结构与关键性能的表征技术特点%熟悉掌握高性能与功能化高分子材料的表征技术特点,对于该类材料的研发、生产制备与加工应用具有重要指导作用%关键词:高性能功能化高分子材料表征技术DOI:10.3969/j.issn.1001—232x.2020.04.001Characterization technology and characteristics of high performance and functional polymer materials.Li Qinmei&Wii Xiao+iao&Guo Xia&Hu Guanghui&Shi Yingjie&Gao Xia$(Beijing Center for Physical& Chemical Analysis&Beijing Key Laboratory of Organcc MateriaSs Testing Technology&Quality Evaluation&Beijing100094,China}Abstract:According to the application requirements in the fields of optoelectronics&food and medicine&aerospace and military industry,the characterization technology and characteristics&such as chemical composition&molecular structure and key properties&of high performance and functional polymer materials were reviewed.Familiar with the characterization technology and characteristics of high performance and functional polymer materials is essential for research and development,production,preparation and pro-cessingofthemate.ials.Key words:High performance;Functional polymer materials;Characterization technology高性能与功能化高分子材料是新材料领域中最重要的分支之一,被广泛应用于航天航空、新能源、医疗器械、集成电路、环境治理与增材制造等战略新兴产业,是国防安全和经济建设的重要基石%当前国际环境形势复杂多变,新材料进出口存在较多不确定性因素,我国高性能、功能化高分子材料的研发、生产制造和应用仍然存在较多难点、空白点和关键点%围绕创新发展,通过高精尖产业化关键技术研发攻关,打破瓶颈和垄断,推动高性能、功能化高分子材料的升级换代和制备应用势在必行%而在发展提升的过程中,通过各类分析测试技术对其进行精准表征是必不可少的关键环节%本文围绕高性能与功能化高分子材料的功能化发展方向,重点介绍其在光电领域,食品药品等民生安全健康领域,以及航天航空与军工领域的表征技术特点%1高性能与功能化高分子材料的表征内容高性能高分子是指力学性能优异、稳定性好、可在较高温度下连续使用的一类合成高分子材料,基金项目:北京市科学技术研究院高水平创新团队计划项目(HIT201902);北京市科学技术研究院市级财政项目(PXM2019_178305_000009)改革与发展课题(2020ZL0402)%2No.#Jul.2020分析仪器Analytical Instrumentation2020年第#期在化学元素组成上除了含有C、H、O元素之外,还常常含有N、S、F等杂元素;化学结构的特点是含有大量的芳环或芳杂环,分子链较刚硬%功能化高分子材料含义很广%从结构上分为热固性和热塑性两大类,后者也称高性能工程塑料,可替代金属作为结构材料,或用作先进复合材料的基体树脂,力学性能的特点是强、韧、刚,是航空、航天和现代科技的关键材料;从性能上分:一是指高模量、高强度及耐高温高分子材料等;二是指具有某种重要功能的高分子材料,如高模量高强度纤维和具有特殊光、电、声、磁等性能的有机材料#从应用领域上,根据目前国家发展需求,大致可分为:新能源电池、高效分离分析、高强高模、3D打印、隐身等尖端技术、第四代电子产品等急需的高性能高分子材料,以及具有高阻隔和特殊相容性能的食品接触、药品包装和生物医用(骨植入材料、血液透析膜等)等功能性、涉及民生安全的通用高分子材料及其复合物%高性能与功能化高分子材料具体包括但不限于如下种类:酚醛、密胺、脲醛树脂,含芳环环氧树脂,聚酰胺与聚酰亚胺,聚芳醚,聚芳腈,聚醚酮,聚醚砜,聚芳硫醚,聚苯并噁嗪,含二氮杂荼联苯结构聚合物,高性能纤维及其复合物等,以及经过功能改性或复合的通用高分子材料及其复合物%高性能与功能化高分子材料的基本表征内容包括化学组成、物理结构和材料性能等各类分析测试,其中化学元素表征既包括C、H、O、N、S等主要有机元素的分析测试,又包括无机及金属元素的分析测试,特别是重金属等杂质元素或离子基团的分析测试%在分子结构方面,高性能高分子材料化学结构的特点是含有大量的芳环或芳杂环,分子链较刚硬,其表征内容主要包括分子链段及其官能团的原子组成、键接顺序、空间立构等分析测试%在分子量与聚集态结构方面,主要包括整条分子链的大小及其分布,以及分子链聚集结构的分析测试%材料性能表征则包含以密度、溶解性、比表面、孔径等为主的基础物理性能,以及力学、老化、热、电等应用物理性能的分析测试%2不同领域高性能与功能化高分子材料的表征技术特点2.1电子电器和光电领域基于保护人类健康和环境的理念,对于电子电器产品及其高性能高分子材料中有毒有害成分的表征和监测已得到世界各国的重视,为控制电子电器废弃物对生态环境的污染,规范电子电器产品的材料及工艺标准,欧盟《关于在电子电器设备中限制使用某些有害物质指令》(RoHS)为代表的环保指令设定了某些有害物质的限量要求%RoHS2.0(EU2015/863)将限制使用的有害物质增加到10种,包括镉、铅、汞、多溴二苯醚等%欧盟的REACH 法规涉及的产品范围比RoHS指令更广,2019年1月15日起,REACH法规中高度关注物质(SVHC)清单增加至197种,要求每种SVHC含量不能超过0.1%%我国自2016年7月1日起实行的《电器电子产品有害物质限制使用管理办法》规定了在设计、生产、销售以及进口过程中,应标注有害物质名称及其含量,其中铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚的限量值与RoHS指令指标一致%因此,应用于电子电器和光电领域的高性能与功能化高分子材料,需针对C、H、O、N、S等主要有机元素的分析测试外,还要考虑无机及金属元素的检验检测,特别是重金属等有毒有害成分、杂质元素或离子基团的检验检测%应用于电子电器和光电领域的高性能高分子材料中铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚等成分的表征,一般根据目标物及产品的特性、含量水平等因素选择准确度和可操作性较强的表征手段%在元素分析测试方面,常用的仪器设备和技术方法包括:有机元素分析仪、原子吸收光谱、原子荧光光谱、X射线荧光光谱(XRF)13、电感耦合等离子体发射光谱(ICP)及质谱联用仪(ICP-MS)[P1],以及离子色谱仪等%对于材料中的多溴联苯和多溴二苯醚类阻燃剂、邻苯二甲酸酯类增塑剂等挥发性和半挥发性有机物,可采用气相色谱-质谱联用法(GC-MS)[Z6],高效液相色谱法(HPLC)Q或液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)[Z830]进行定性和定量分析,必要时可采用串联质谱进行更为准确的筛查「3133-%功能性高分子材料在光电领域的应用,要特别考虑杂质元素或离子基团等对高灵敏度光电产品的影响%例如,具有高导电性能的聚苯胺等导电高分子材料,以及石墨烯复合功能性高分子材料,在应用于电子电器、储能、光电转化领域时,其中的氟离子(F_)、氯离子(Cl H)、亚硝酸根离子(NO厂)、2020年第#期分析仪器Analytical Instrumentation No.#Jul.20203溴离子(Br_)等阴离子杂质含量会直接影响材料的导电性能,可以通过离子色谱法来进行分析测试%2.2食药等民生安全健康领域(1)食品接触材料高性能高分子材料用于食品接触材料领域,除了满足和考虑REACH法规中要求的高度关注物质(SVHC)的限制要求和分析测试之外,对于其中可溶出和迁移的化学物质的限量与迁移量的分析测试也需要重点关注%GB4806.6-2016*食品接触用塑料树脂+3#-、GB4806.7-2016*食品接触用塑料材料及制品+旳、GB9685-2016*食品接触材料及制品用添加剂使用标准+36-及相关公告分别对食品接触用高性能塑料树脂的原料、加工成品、生产塑料树脂、塑料材料及制品所用的添加剂做出了相关规定,确保塑料制品在正常及预期使用条件下不会对人体健康产生危害。
功能高分子结构的表征方法
功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料。
它们之所以具有特定的功能,是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团,或大分子与具有特定功能的其他材料进行了复合,或者二者兼而有之。
功能高分子材料从20世纪50年代才初露端倪,到70年代方成为高分子学科的一个分支,目前正处于成长时期。
它是在合成或天然高分子原有力学性能的基础上,再赋予传统使用性能以外的各种特定功能而制得的一类高分子。
一般在功能高分子的主链或侧链上具有显示某种功能的基团,其功能性的显示往往十分复杂,不仅决定于高分子链的化学结构、结构单元的序列分布、分子量及其分布、支化、立体结构等一级结构,还决定于高分子链的构象、高分子链在聚集时的高级结构等,后者对生物活性功能的显示更为重要。
可见研究功能高分子的结构是非常重要的,现在有很多种研究方法,如:红外光谱法,核磁共振法,热分析法,扫描电镜法,X-射线衍射法,原子力显微镜法,溶解法,透射电镜法等。
红外光谱是检测高分子材料组成与结构的最重要方法之一。
红外光谱技术已经广泛地用来鉴别高聚物,定量地分析化学成分,并用来确定构型、构象、支链、端基及结晶度除此之外,高聚物材料中的添加剂、残留单体、填料的鉴定都可以用红外光谱法完成。
现在红外光谱技术已成为高分子结构分析最成熟的分析手段之一【1,2,3,】 一般来说,吸收最强的谱带往往对应于其主要基团的吸收,因此是较为特征的,但有时一些不很强的谱带也能够很特征的反映高聚物的某种结构,可以作为鉴定这个高聚物存在的特征谱带。
例如图1是PVC 的红外光谱,其主要特征是由于碳链上邻接
氯原子所产生的。
它的最强谱带位于1250cm -1,在1340cm -1
也有一条较强谱带。
它们都归属于C-H 弯曲振动,由于氯原子直接连接在同一碳原子上,使其吸收强度大大增
加。
位于1430cm-1的强谱带对属于CH2的变形振动,和正常的CH2的变形振动频率(约出现在1475 cm-1)比较,谱带向低频方向位移了约45 cm-1,同时强度显著增加,这也是受氯原子的影响造成的。
在800 cm-1以下区域有一些较宽较强的谱带,彼此重叠在一起。
它们是C-Cl伸缩振动的吸收,谱带的位置与PVC分子链的不同构型和构象有关。
约在1100 cm-1处谱带是C-C伸缩振动的吸收,约在980 cm-1的谱带是CH2面内摇摆振动吸收【1】。
核磁共振波谱实际上也是一种吸收光谱,来源于原子核能级间的跃迁。
测定NMR 谱的根据是某些原子核在磁场中产生能量分裂,形成能级。
用一定频率的电磁波对样品进行照射,就可使特定结构环境中的原子核实现共振跃迁,在照射扫描中记录发生共振是的信号位置和强度,就得到NMR谱,谱上的共振信号位置反映样品分子的局部结构(例如官能团,分子构象等),信号强度则往往与有关原子核在样品中存在的量有关【1】。
核磁共振谱可用来计算高聚物混合物的化学组分。
以聚乙烯与硬脂酸混合物为例,其NMR谱如图2。
图2(a)为120mg原样的NMR谱。
与羧酸相连的亚甲基质子化
学位移为2.2ppm,其积分强度远小于主链中的亚甲基质子。
因此,若采用积分强度相比的直接计算法,误差较大,在样品中加入一系列已知量的纯脂肪酸,用化学位移2.2pm的共振峰强度对加入的脂肪酸量作图,通过外推法算出原样中含脂肪酸36%【1】。
热分析是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。
最常用的热分析方法有:差热分析(DTA)、热重量法(TG)、导数热重量法(DTG)、差示扫描量热法[1](DSC)等。
热分析技术能快速准确地测定物质的晶型转变、熔融、升华、吸附、脱水、分解等变化,对无机、有机及高分子材料的物理及化学性能方面,是重要的测试手段。
在科学研究和生产中,无论是对物质结构与性能的分析测试还是反应过程的研究,一种热分析手段与另一种或几种热分析手段或其他分析手段联合使用,都会收到互相补充。
互相验证的效果,从而获得更全面更可靠的信息。
例如复合树脂的热分析。
由图3可看出,复合树脂在30~160℃之间的DSC 曲线中有很宽的吸热峰,这是由复
合树脂中残留水分的蒸发引起的,复合树脂失重缓慢;在380~420℃之间有一个放热峰,而且复合树脂的失重速率明显加快,这是复合树脂中丙烯酸等低聚物的分解引起的;在420~510℃之间有一个很强的放热峰,而且这是复合树脂的失重最大(约30%左右),这是由于聚丙烯酸钠树脂的分解引起的
【5】。
从树脂的TG 曲线中为观察到复合树脂的玻璃化转变,这是由于复合树脂很宽的水蒸发吸热峰掩盖了树脂的玻璃化转变【6】。
扫描电子显微镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器.它可以进行如下基本分析:1、三维形貌的观察和分析;2、在观察形貌的同时,进行微区的成分分析。
X 射线衍射法是一种研究晶体结构的分析方法,而不是直接研究试样内含有元素的种类及含量的方法。
当X 射线照射晶态结构时,将受到晶体点阵排列的不同原子或分子所衍射。
X 射线照射两个晶面距为d 的晶面时,受到晶面的反射,两束反射X 光程差2dsin θ使入射波长的整数倍时,即2dsin θ=n λ(n 为整数),两束光的相位一致,发生相长干涉,这种干涉现象称为衍射,晶体对X 射线的这种折射规则称为布拉格规则。
θ称为衍射角(入射或衍射X 射线与晶面间夹角)。
n 相当于相干波之间的位相差,n =1,2…时各称0级、1级、2级……衍射线。
反射级次不清楚时,均以n =1求d 。
晶面间距一般为物质的特有参数,对一个物质若能测定数个d 及与其相对应的衍射线的相对强度,则能对物质进行鉴定
对分子表面的各种相互作用力进行测量,是原子力显微镜的一个十分重要的功能。
这对于了解分子的结构和物理特性是非常有意义的。
因为这种作用力可决定两种分子的接近或离开,化学键的形成或断裂【4】。
在原子力显微镜的探针和样品的表面涂复
需要测定的同一高分子聚合物。
当探针与样品表面接触时,涂复在探针和样品表面的高分子间的作用力对探针臂施加了一定的负荷。
这一附和被原子力显微镜的上的负荷传感元件感知,从而直接测量得到高分子之间的分子间作用力。
低分子分子间的作用力可以直接通过低分子间的内聚能密度表征。
内聚能指的是将以Van DerWaals力或氢键力相互结合的分子分离所需要的能量。
内聚能密度的测定方法为实际测量把1 mol的液体汽化所需要的能量。
对于高分子而言,由于其链型分子结构上基团之间相互作用所形成的Van Der Waals力的合力要大于分子中原子间的化学键力,分子在完全分离前即会出现化学键的断裂,即分子的裂解,因此高分子材料不可能出现气相形态。
可见,不可能用直接测定高分子内聚能密度的方式表征高分子间的分子间作用力。
在实践上,通常采用高分子聚合物的良溶剂溶解、分离高分子,然后以良溶剂的内聚能密度估计高分子聚合物的内聚能密度。
透射电镜,即透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,简称TEM),通常称作电子显微镜或电镜(EM),是使用最为广泛的一类电镜。
透射电镜是一种高分辨率、高放大倍数的显微镜,是材料科学研究的重要手段,能提供极微细材料的组织结构、晶体结构和化学成分等方面的信息。
透射电镜的分辨率为0.1~0.2nm,放大倍数为几万~几十万倍。
由于电子易散射或被物体吸收,故穿透力低,必须制备更薄的超薄切片(通常为50~100nm)。
其制备过程与石蜡切片相似,但要求极严格。
参考文献
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【2】沈德言《红外光谱法在高分子研究中的应用》,科学出版社,北京,1982
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【5】马占兴,黄凯兵,胡旺顺.聚丙烯酸钠-高岭土复合高吸水性树脂的制备及结构表征.
石油化工,2005,34(12):1201
【6】张小红,崔笔江,崔英德等.聚丙烯酸钠/高岭土复合高吸水性树脂的制备、结构与性能.精细化工,2003,20(10):584~588。