高分子聚合物的主要表征方法
本文主要综述了高分子聚合物及其表征方法和检测手段。首先，从不同角度对高分 子聚合物进行分类，并对高分子聚合物的结构，生产，性能做了一个简单的介绍。其次， 阐述了表征和检测高分子聚合物的常用方法，例如：凝胶渗透色谱、核磁共振NMR）、 红外吸收光谱（IR）、激光拉曼光谱（LR）等。最后，介绍了检测高分子聚合物的常用 设备，例如：偏光显微镜、金相显微镜、体视显微镜、X射线衍射、扫描电镜、透射电 镜、原子力显微镜等。关键词：聚合物；表征方法；检测手段；常用设备ABSTRACTThis paper mainly summarizes the polymer and its detection means. First of all, this paper made a simple introduction of the polymer structure, production performance. Secondly, it describes the detection methods of polymers, such as: gel permeation chromatography, nuclear magnetic resonance (NMR), infrared absorption spectroscopy (IR), laser Raman spectroscopy (LR). Finally, it describes the common equipment used to characterize and detection of polymers, such as: polarizing microscope, metallographic microscope, microscope, X ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, atomic force microscopy.Key words: Polymer; Characterization; Testing means; common equipment高分子聚合物及其表征方法和测试手段1前言纵观人类发现材料和利用材料的历史，每一种重要材料的发现和广泛利用，都会把 人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平，给社会生产力和人类生活水平带来巨大 的变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步，所以说材料是人类社会进步的里 程碑。公元前80009000年，人类发明了陶器，进入了新石器时代。公元前3000年人类 发明青铜器，进入青铜器时代。公元前1000年，铁器的普遍应用，象征着人类进入了铁 器时代。18世纪，发明了蒸汽机。19世纪，发明了电动机和现代炼钢技术。19世纪末， 发明了人造丝。20世纪，出现了先进陶瓷，人类进入了“新陶瓷时代”，还有复合材料的 出现，比如合金。由此，先进材料也就成了社会现代化的先导，人类为了社会进步开始着力于开发先 进材料，发展高技术产业。而高分子聚合物也就渐渐的登上了先进材料的历史舞台。当代社会，随着工业、农业、交通运输事业的迅速发展，环境污染日趋严重。那么 高分子材料在环境治理中起到了举足轻重的作用。说到环境污染，那么我们首先想到的就是水资源污染，水资源污染现状对于整个世 界来说都是严峻的，水资源严重缺乏迫使人们不得不去提高水处理技术，而高分子聚合 物作为一类高效絮凝剂，在固液分离和水处理技术方面的研究与应用也随之加大和拓 宽，且不断深入1。近年来，随着石油用量的持续增加，石油运输、储存和使用过程中 产生的泄露及废弃物已对地球环境造成极大的威胁。尤其是最近几年的海上漏油事件屡 屡发生，从美国的墨西哥湾及我国渤海湾油井的直接泄露事故，到大量的远洋油轮泄露， 对海洋生态环境造成极大的破坏。除此之外，还有陆地上大量的含油工业废水。要解决 上述问题，迄今为止，最有效的途径就是制备具有超强选择性吸油能力的材料，把油污 从水中吸收并分离出来。吸油树脂是一种具有三维交联网状结构的高分子吸油材料，由 于具有良好的油水选择性、高吸油和保油能力、并能长时间浮在水面上等优点，越来越 受到研究人员的关注。再比如噪声污染，而且噪声污染已成为当代世界性的问题，同水污染和大气污染一 起被列为全球三大污染。它对人们身心健康的危害，日益为人们所认识和关注，并且在 人口密集、经济发达的大中城市，噪声污染的程度越加严重，成为环境治理过程中倍受 关注的热点问题。那么对噪声污染的防治措施主要是控制声源和采用吸声材料，而高分 子聚合材料就是一类重要的新型吸声材料，高分子聚合物吸声材料具有粘弹内阻尼的特 性，品种繁多，易于进行分子设计、材料设计和成型加工，是满足该技术要求的首选材 料。利用太阳能发电是人类解决能源危机和环境污染的重要途径。已经得到商业化的晶 体硅太阳能电池，因其具有制备工艺复杂、对材料要求苛刻、成本高的缺点，使得科学 界积极寻找太阳能电池研究的新领域。随着研究工作的不断深入，人们开始试图采用一 些其他的新型材料作为固态或准固态电解质取代原有的液态电解质，并取得了一定进 展。其中，高分子聚合物在染料敏化太阳能电池电解质中的应用在近几年已经引起相关 研究人员的重视4。而高分子材料在工业生产中应用的例子更是不胜枚举。塑料工业为了适应各社会的各种需求，研制出不同性能的功能塑料。满足煤炭工业 生产要求新型塑料不断出现，并且煤炭生产应用中显示了巨大的经济效益和社会效益。 随着化工材料的发展，高分子聚合物以质量轻、耐腐蚀、强度高、易加工等优良的综合 性能逐步“以塑代钢”，并被广泛应用于煤矿井下，如风筒、输送带、管材、塑料网假 顶、仪器设备外壳或零部件等。还可利用高分子聚合物堵漏、防水、防腐新技术，对住宅楼的排水管线进行修复， 与原来采用的更换排水管线相比，它不受任何客观条件的影响，如气温、天气、水、电、 场地等和其他条件的限制，工艺形成后的色泽可根据用户的需要调配，并具有理想的光 滑度和平整度，无异味、无杂质、无毒副作用，对室内环境无任何污染，省工省料，可 以降本增效。功能高分子染料已有40年历史，它是通过一定的化学反应将染料分子引入高分子链 上而形成，具有高强度、易成膜性、耐溶剂性和可加工性等特点，非常适宜于做水性油 墨色染料6。1973年，E.Marechal等首次对含染料的聚合物一高分子染料进行了系统研 究Gangneux等人和Maslosh等将高分子功能染料分别用于聚酰胺、聚酯染丝和聚酯、聚 氨酯色母粒着色，效果良好。之后在光电材料、亲和色谱、生物医学等领域广泛应用。 特别是日本的B.Wingard等研究的在聚苯乙烯材料上联有共价结合基团的黑色染料可 以应用于印刷油墨、墨水等。全色谱的偶氮高分子染料大量应用于涂料工业中。用于食 品包装的高分子染料也有报道。高分子染料制备滤光片，可简化制作过程，而且会得到 清晰的滤色效果。还可用于光刻、非线性光学材料、液晶、光电变色材料等。造纸工业要持续发展，就必须降低成本。为应对这一问题，整个造纸工业都在积极寻 找绿色添加剂，以达到既可保证产品质量又可降低外加成本。甚至是实现零外加成本以 及更少的化学品消耗和更低的废品率的目标。最近，法国罗盖特公司开发了一种能够提 高纸张湿部强度的新型助剂生物高分子聚合物7。随着造纸工业的快速发展，为了保证 连续性生产、提高产品质量，各种造纸助剂的使用日益加大。与合成聚合物相比，天然 聚合物最大的特点是“取之不尽，用之不竭”和“可生物降解”，这在倡导绿色生产的 今天显得尤为重要。高分子材料在我们生活中出现的越来越多，极大地方便了我们的生活。我们的生活 环境、衣食住行处处离不开这种材料。在制造生活用品洗涤剂时，可以通过调整月桂酰胺丙基氧化胺和高分子聚合物马来 酸-丙烯酸共聚物的配制比例及氯化钠的用量，来改善餐具洗涤剂黏度的稳定性。此材 料的洗涤剂流动性良好，具有很强的分散螯合作用，可在低温和高温条件下使用，对包 括磷酸盐在内的水垢具有良好的抑制作用。月桂酰胺丙基氧化胺具有良好的发泡、增稠、 调理和抗静电性能，与马来酸-丙烯酸共聚物复配后，能显著增加产品的综合洗涤能力、 提高产品的冷热储稳定性，同时黏度稳定性、流动性也有较大提高，增强了产品对温度 的适应范围。同时，高分子聚合物在别的行业也达到了充分的应用。具有广谱抗菌能力的抗菌肽为解决日益紧迫的细菌耐药性问题提供了一种新途径， 而有限的天然资源以及高昂的提取纯化成本使天然抗菌肽无法满足临床应用。从抗菌 肽结构上的两个共性两亲性与电正性出发，设计合成具有抗菌作用的高分子聚合物可望 解决这个难题。近十多年来，陆续合成了芳酰胺低聚物、亚苯基次乙炔基衍生物、甲基 丙烯酸酯聚合物、聚降冰片烯衍生物以及尼龙类聚合物等各类表面呈两亲的聚合物，为 医学事业做出了不可估量的贡献。随着学科之间的日益渗透，高分子聚合物在文物保护中的应用已越来越普遍。常用 的化学保护方法是将聚合物以稀溶液的形式渗入文物内部的孔隙或渗入由于风化引起 的文物损坏部位，聚合后形成的胶化物填补并加固了风化的文物，从而增强了文物的机 械强度，抑制或减缓水的侵蚀，起到对文物的保护作用9。2高分子聚合物2.1高分子聚合物的简介高分子聚合物是一类相对分子质量通常在10106以上的大分子物质，其分子所含原 子数通常数几万、几十万甚至高达几百万个分子长达1010 nm或更长。它由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量(通常可达 10106)化合物。例如聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯分子结构单元-CH2CHC1-重复连接 而成，因此-CH2CHC1-又称为结构单元或链节。由能够形成结构单元的小分子所组成的 化合物称为单体，是合成聚合物的原料。n代表重复单元数，又称聚合度，聚合度是衡 量高分子聚合物的重要指标。聚合度很低的(1100)的聚合物称为低聚物，只有当分 子量高达10106 (如塑料、橡胶、纤维等)才称为高分子聚合物。由一种单体聚合而 成的聚合物称为均聚物，如上述的聚氯乙烯、聚乙烯等。由两种以上单体共聚而成的聚 合物则称为共聚物，如氯乙烯-醋酸乙烯共聚物等。2.2高分子聚合物的分类可以从不同的角度对聚合物进行多种分类，例如按聚合物结构、来源、合成方法、 用途、热行为等来分类。(1) 按主链结构可将聚合物分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物三大类。碳链聚合物大分子主链完全由碳原子组成。绝大部分烯类和二烯类聚合物属于这一 类，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。杂链聚合物大分子主链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。如聚醚、聚酯、 聚酰胺等。天然高分子多属于这一类。元素有机聚合物大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝和氧、氮、硫、磷等 原子组成，但侧基多半由有机基团组成，如甲基、乙基、乙烯基、苯基等。有机硅橡胶 就是典型的例子。元素有机聚合物又称半有机高分子，如果主链和侧基均无碳原子，则成为无机高分 子如硅酸盐类。(2) 按来源，可分为天然高分子，合成高分子，改性高分子。(3) 按材料的性质和用途分类，可将高聚物分为塑料、橡胶和纤维。塑料是玻璃化温度或结晶聚合物熔点在室温以上，添加辅料后能在成型中塑制成一 定形状的高分子材料。其中，聚合物常称做树脂，可为晶态和非晶态。塑料的行为介于 纤维和橡胶之间，有很广的范围，软塑料接近橡胶，硬塑料接近纤维。软塑料的结晶度 由中到高，Tm、Tg有很宽的范围，弹性模量(15000350000 N/cm2)、抗张强度(1500 7000 N/cm2)、伸长率(20%800%)都从中到高。聚乙烯、聚丙烯和结晶度中等的尼 龙一66均属于软塑料。硬塑料的特点是刚性大、难变形。弹性模量(70 000350000 N/cm2)和抗张强
