高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。为了了解购入原料的成分或反推市场材料的配方，不少改性工厂的研发实验室都需要对塑料成分进行分析。

 

对普通材料进行逆向分析，企业技术人员通常是用火烧一烧、用牙咬一咬等宏观的凭经验来判断，对于一些复杂材料通常需要借助专业的实验方法。

 

对于复杂材料的成分分析主要是采用微谱分析的方法，运用GPC、XRD、红外、质谱等实验，经过评估、前处理、仪器分析、谱图库匹配、逆向分析的五大步骤，可以得到一些准确的谱图信息。这些信息与丰富的开发经验相结合，能够帮助研发人员还原塑料配方的成分。

 

今天，小编为大家整理改性塑料成分、结构分析常用的几种实验方法，在拿到不了解的材料时再也不会一头雾水啦！（由于实验方法多种多样，文章篇幅有限，本篇仅列举部分常用方法）

 

 

GPC——

分子量及其分布

 

基本原理：

 

GPC是一种特殊的液相色谱，所用仪器实际上就是一台高效液相色谱（HPLC）仪，主要配置有输液泵、进样器、色谱柱、浓度检测器和计算机数据处理系统。

 

该实验方法主要用于聚合物领域，以有机溶剂为流动相（氯仿，THF，DMF），常用固定相填料有苯乙烯-二乙烯基苯共聚物等。

 

 

与HPLC最明显的差别在于，二者所用色谱柱的种类（性质）不同：HPLC根据被分离物质中各种分子与色谱柱中的填料之间的亲和力而得到分离，GPC的分离则是体积排除机理起主要作用。

 

当被分析的样品通过输液泵随着流动相以恒定的流量进入色谱柱后，体积比凝胶孔穴尺寸大的高分子不能渗透到凝胶孔穴中而受到排斥，只能从凝胶粒间流过，最先流出色谱柱，即其淋出体积（或时间）最小；中等体积的高分子可以渗透到凝胶的一些大孔中而不能进入小孔，比体积大的高分子流出色谱柱的时间稍后、淋出体积稍大；体积比凝胶孔穴尺寸小得多的高分子能全部渗透到凝胶孔穴中，最后流出色谱柱、淋出体积最大。

 

 

因此，聚合物的淋出体积与高分子的体积即分子量的大小有关，分子量越大，淋出体积越小。分离后的高分子按分子量从大到小被连续的淋洗出色谱柱并进入浓度检测器。

 

 

标样：

 

聚苯乙烯（PS，溶于各种有机溶剂）；

 

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；

 

聚环氧乙烷（PEO，也叫聚氧化乙烯，溶于水）；聚乙二醇（PEG，溶于水）；

 

PEO与PEG的碳链骨架相同，但是其合成原料和封端不同，由于原料的性质，使其产物的分子量和结构都有一定的区别。PEO常是指一端为甲基封端，一端为羟基封端的聚环氧乙烷，而PEG一般是两端都是羟基封端的聚乙二醇。

 

eg.丁苯橡胶在塑炼时分子量分布的变化：

 

 

在塑炼过程中定时取样分析，结果如图，随时间的增加，高分子组分裂解增加，GPC曲线向低分子量方向移动，经过25min以后，高分子量组分几乎完全消失。如果塑炼的目的就是消除该组分，那么25min足够了，通过GPC数据可以帮助工作人员确定塑炼时间。

 

红外光谱——

官能团、化学组成

 

基本原理：

 

光谱分析是一种根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成，结构或者相对含量的方法。按照分析原理，光谱技术主要分为吸收光谱，发射光谱和散射光谱三种；按照被测位置的形态来分类，光谱技术主要有原子光谱和分子光谱两种。红外光谱属于分子光谱，有红外发射和红外吸收光谱两种，常用的一般为红外吸收光谱。

 

在高分子材料研究中的应用：

 

1）聚合物的分析与鉴别

 

聚合物的种类繁杂，谱图复杂。不同的物质，其结构不一样，对应的图谱也不同，因此可以根据分析结果与标准谱图进行对比才能得到最终结果。

 

 

 聚乙烯和聚苯乙烯的红外光谱图

 

2）聚合物结晶度的测量

 

由于完全结晶聚合物的样品很难获得，因此不能仅用红外吸收光谱独立测量结晶度的绝对量，需要联合其他测试方法的结果。

 

例如X射线衍射法、密度法、DSC法、核磁共振NMR吸收法等。

 

 

剪切振动峰值拟合

 

紫外光谱——

鉴别、杂质检查和定量测定

 

基本原理：

 

光照射样品分子或原子时，外层电子吸收一定波长紫外光，由基态跃迁至激发态而产生的光谱。紫外光波长范围是10-400nm。波长在10-200nm范围内的称为远紫外光，波长在200-400nm的为近紫外光。对于物质结构表征主要在紫外可见波长范围，即200-800nm。

 

1）定性分析：

 

尤其适用于共轭体系的鉴定，推断未知物的骨架结构，还可以与红外光谱、核磁共振波谱法等配合进行定性鉴定和结构分析。比较吸收光谱曲线与最大吸收波长的关系，进行定性测试。

 

 

2）定量分析：

 

根据Lambert-Beer定律，一定波长处被测定物质的吸光度与物质的溶度呈线性关系。通过测定溶液对一定波长入射光的吸光度求出该物质在溶液中的浓度和含量。

 

 

质谱测试

 

基本原理：

 

质谱是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息，将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。质谱是提供有机化合物分子量与化学式的方便与可靠方法，也是鉴别有机化合物的重要手段。

 

试样气化后，气体分子进入电离室。电离室的一端安有阴极灯丝，灯丝通电后产生电子束。分子在电子束冲击下，失去电子，解离成离子和进一步被打碎为不同质量数的带电荷碎片离子，这样的离子源是质谱仪最常用的，称为“电子轰击离子源”。

 

在高分子材料中的应用：

 

1）高分子材料的单体、中间体以及添加剂的分析

 

如下图的质谱图，可以确定该未知物分子含有1个羧基和1个甲基，其余部分只能是-CO2或者-C3H4。不过后者的可能性更大些。

 

 

2）聚合物的表征

 

每个高分子化合物都具有不同的分子式和分子结构，质谱图就像是高分子材料的“身份证”。根据其质谱图，可以确定是哪种高分子材料。

 

 

X射线衍射（XRD）——

确定高分子结晶性能

 

基本原理：

 

X射线是一种波长很短（约为10-8~10-12米），介于紫外线和伽马射线之间的电磁辐射。由德国物理学家伦琴于1895年发现。X射线能够穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相胶乳感光、气体电离。

 

XRD的应用：

 

此次将着重介绍XRD在高分子结晶度的应用或者计算。

 

天然纤维素结晶度的计算公式有以下四种:

 

 

根据下图可以看出，天然纤维素的4个衍射晶面半峰宽较大，衍射峰重合度较高，晶相与非晶相重合度较大，导致无定型峰定位困难。

 

 

天然纤维素的XRD图

 

小角X射线散射（SAXS）——

晶体在原子尺寸上的排列

 

基本原理：

 

晶体中的原子在射入晶体的X射线的作用下被迫强制振动，形成一个新的X射线源发射次生X射线。

 

如果被照射试样具有不同电子密度的非周期性结构，则次生X射线不会发生干涉现象，该现象被称为漫射X射线衍射。X射线散射需要在小角度范围内测定，因此又被称为小角X射线散射。

 

试样制备要求：

 

①块状试样：块状试样太厚，光束无法通过，因此必须减薄；

 

②薄膜试样：如薄膜试样厚度不够，可以用几片相同的试样叠加在一起测试；

 

③粉末试样：粉末试样应研磨成无颗粒感，测试时，需用非常薄的铝箔（载体）包住，或把粉末均匀搅拌在火棉胶中，制成合适厚度的片状试样；

 

④纤维试样：对于纤维状试样，应尽可能剪碎，如同粉末试样那样制备；

 

⑤颗粒状试样：对于无法研磨的粗颗粒状试样是比较麻烦的。一个方法是将颗粒尽可能切割成相同厚度的薄片，然后整齐的平铺在胶带上；另一个方法是将颗粒熔融或溶解，制成片状试样，但前提是不能破坏试样原有的结构；

 

⑥液体试样：溶液试样须注入毛细管中测试。制备溶液时，需注意：1、溶质在溶剂中完全溶解，即无沉淀。2、溶质与溶剂的电子密度差尽可能大。

 

在高分子材料中的应用:

 

在天然的和人工合成的高聚物中，普遍存在小角X射线散射现象，并有许多不同的特征。小角X射线散射在高分子中的应用主要包括以下几个方面：

 

①通过Guinier散射测定高分子胶中胶粒的形状、粒度以及粒度分布等；

 

②通过Guinier散射研究结晶高分子中的晶粒、共混高分子中的微区（包括分散相和连续相）、高分子中的空洞和裂纹形状、尺寸及分布等；

 

③通过长周期的测定研究高分子体系中片晶的取向、厚度、结晶百分数以及非晶层的厚度等；

 

④高分子体系中的分子运动和相变；

 

⑤通过Porod－Debye相关函数法研究高分子多相体系的相关长度、界面层厚度和总表面积等；

 

⑥通过绝对强度的测量，测定高分子的分子量。

 

从经验来看，往往复述测试机构的测试结果会存在一定的偏差，常见的TPE、TPV配方中往往会存在十几种甚至二十种不同的组份。就以PP为例，光是PP就存在均聚、共聚之分，共聚又分为无规和嵌段，同种无规共聚PP还存在分子量、熔指的不同，另外，接枝共聚物因为接枝率低的原因一般很能测得。虽都为PP，但不同厂家不同牌号的PP所制得的材料会有很大的差别。另外，材料的多样性会对红外分析、热重等分析产生不同的干扰，在材料加工过程中的反应以及分解也会产生各种各样的干扰源。

 

因此，成分分析只能是材料开发中的一种辅助手段，可以帮助你确定某些其中包含了哪些组份和大致的比例，然而真正高效的材料还是需要基于大量的实验不断地调整开发的。