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光散射法分子量測定技術(shù)及應(yīng)用

丹東百特 2017-11-06 | 閱讀：20014

1、概述：對高分子聚合物材料而言，分子量是一個基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它的許多性能與分子量有關(guān)，如抗沖擊、高彈性等性能就是分子量大的結(jié)果。但是，分子量太大也影響高分子材料的流變性和加工性，給加工成型造成困難。因此，兼顧到使用性能和加工性能兩方面的要求，需要對高分子聚合物的分子量加以控制，需要研究聚合條件對產(chǎn)品分子量的影響，進而研究分子量對材料的加工性能和使用性能的影響，這兩方面的工作都要求測定聚合物的分子量。

高分子聚合物的分子量一般在10³-10⁷之間，平均分子量有各種不同的統(tǒng)計方法，常用的有數(shù)均分子量、重均分子量、Z均分子量、粘均分子量等。分子量的測試也有多種方法，如端基分析法、膜滲透壓法、光散射法、粘度法、凝膠色譜法等。不同方法得到的平均分子量的統(tǒng)計意義也不同，本文所介紹的是光散射法測定高分子聚合物的重均分子量。

2、原理：光散射是指光通過不均勻介質(zhì)而偏離原來的傳播方向，散開到所有方向的現(xiàn)象。我們可以通過光散射方法研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、粒度、粒形和分子量。

當(dāng)光源是垂直偏振光時，小粒子（尺寸小于波長1/20）的散射光強與入射光強關(guān)系如下：

在上式中，I₀是入射光強，I(θ)是距離散射顆粒r處與入射光成θ角的散射光強，λ是波長，α是散射顆粒的極化率。對于散射體積V中的N個分子，單位散射體積總散射光強I(θ)’

極化率α依賴于介質(zhì)的介電常數(shù)ε，可表示為

在這里介質(zhì)介電常數(shù)ε=n²，n是介質(zhì)折射率，由此得到

折射率隨濃度變化可近似表示為

dn/dc是折射率增量，c是顆粒濃度。聯(lián)立上述兩個等式得到

所以單位體積總散射光強可以表示為

由于

N_A是阿伏伽德羅常數(shù)，所以分子量可以通過計算散射光強得到

考慮到分子與溶劑的熱力學(xué)作用，

n₀是溶劑折射率，A₂是第二維利系數(shù)，它是定量描述溶劑-溶質(zhì)相互作用的參數(shù)。在良溶劑中，高分子線團伸展，A₂是正值，隨著溫度的降低或不良溶劑的加入，高分子鏈緊縮，A₂為負(fù)值。

上面的表達式中包含與測量裝置結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)，在這里定義瑞利比R(θ)為

光學(xué)常數(shù)K為

得到

根據(jù)上面的公式，我們可以做出Kc/R(θ)相對濃度c的直線（德拜曲線），截距倒數(shù)即為分子量M，斜率的1/2是第二維利系數(shù)A₂。第二維利系數(shù)A₂是表征粒子與溶劑或適當(dāng)分散介質(zhì)之間的相互作用力的一個參數(shù)，當(dāng)A₂>0時，粒子更“喜歡”溶劑而非它本身，趨于停留在穩(wěn)定溶液中，當(dāng)A₂<0時，粒子更“喜歡”它本身而非溶劑，因此可能會聚集。

3、儀器及測定方法：BT-90是采用動態(tài)光散射原理的納米粒度分布儀，它采用經(jīng)典90°接收光路，進口半導(dǎo)體激光器及光電倍增管，配有高精度的PID溫控系統(tǒng)，保證了測量的穩(wěn)定性，具有良好的準(zhǔn)確性。高分子聚合物分子量測定功能，就是在BT-90基礎(chǔ)上擴展的，使BT-90不但可以測粒度，還可測分子量。

分子量測定技術(shù)對樣品中的污染物或灰塵十分敏感，因此需要嚴(yán)格環(huán)境條件保證，一是所有玻璃器皿必須嚴(yán)格地除塵，且沒有劃傷。二是要用高純蒸餾水做介質(zhì)，并且用一次性過濾器過濾。三是實驗室要潔凈，潔凈度等級在十萬級以上。四是要避光，陽光不能直射在儀器上，最好是在暗室里進行分子量測定。

分子量的測定方法并不復(fù)雜，首先要配制4個不同濃度的樣品溶液，其次是依次將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、溶劑及配置好的4個濃度溶液按照濃度由低到高的順序放到儀器中，分別測定它們散射光強，經(jīng)過Kc/R(θ)變換，Kc/R(θ)數(shù)據(jù)點直線擬合即可計算出分子量結(jié)果和第二維利系數(shù)。

分子量標(biāo)準(zhǔn)樣品（聚苯乙烯）的測定結(jié)果：