本發(fā)明涉及一種測算聚合物分子量及其分布的方法,更具體地說涉及一種利用量熱分析測算結晶性聚合物分子量及其分布的方法。
背景技術:
聚合物的分子量及其分布對其物理性質或加工性能等多方面具有影響,是聚合物應用于科學研究、工業(yè)生產中最為重要的結構參數。目前通用測試分子量的方法基本上都是采用溶劑將聚合物進行溶解后形成稀溶液,通過測定端基數量、冰點、沸點、蒸汽壓、滲透壓等性質進行數均分子量的測定,或采用小角x射線或激光散射測定重均分子量,或測定粘度來確定粘均分子量,還包括基質輔助激光解吸/離子化飛行時間質譜(中國專利200410100203)等一些其他的表征手段。測量聚合物分子量分布的方法主要是通過沉淀、溶解或溶液體積排除分級后測定多個級分的分子量,算出多種不同類型平均分子量后,算多分散系數pdi。對于低溫下難以溶解或不容易找到合適溶劑的高分子體系,可以用高溫凝膠滲透色譜(htgpc)系統(tǒng)來進行分子量及其分布的測定。這些需要溶解后測定分子量及其分布的方法可以統(tǒng)稱為溶液法。無需溶解能夠測定聚合物分子量的方法,或稱為熔體法,現階段主要是零切粘度(η0)方法,在臨界纏結分子量以下,η0與聚合物分子量是1-1.6指數關系;而在臨界纏結分子量以上,η0與聚合物分子量是3-3.4指數關系,據此可給出聚合物分子量及其分布。但引入支鏈、星型結構或共聚基團或添加劑體系將影響整體流變性能,進而影響熔體的零切粘度,因此該方法進行分子量的測定,其實驗結果的可重復性和準確性存在較大的疑問,并不是聚合物分子量及其分布的通用定量測定方法。
差示掃描量熱儀(dsc)是一種用來表征各種材料熱行為的常見儀器,在聚合物領域可以測定高分子玻璃化轉變溫度、結晶和熔融溫度、結晶度和氧化誘導期等,可以進行交聯(lián)/固化、結晶動力學等研究。聚合物內部大部分大分子能夠通過規(guī)則分子排列形成的具有一定結晶度和熔點的聚合物定義為結晶性聚合物。基于平均場理論,結晶性聚合物的兩端基可看成是線性主鏈的稀釋劑,其熔點與聚合度存在如下關系:
其中參數分別為tm,
技術實現要素:
本發(fā)明的目的是解決現有技術中存在問題與不足,提供一種利用量熱分析測算結晶性聚合物分子量及其分布的方法,該方法可簡單易行的測算結晶性聚合物分子量及其分布。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:
本發(fā)明的利用量熱分析測算結晶性聚合物分子量及其分布的方法,其包括以下步驟:
1)利用通用差示掃描量熱儀對結晶性聚合物進行量熱分析,升降溫曲線上出現完整的且對應明確晶型結構的結晶與熔融峰,得到結晶性聚合物的結晶動力學和熔融熱力學數據;
2)對降溫曲線進行數學處理和數據分析,根據結晶動力學特征區(qū)分成核與生長階段,得到成核階段末期明確對應的相對結晶度xtn;
3)對升溫曲線進行數學處理,將結晶性聚合物的熔融曲線根據公式ⅰ變成數均分子量mi的質量分數曲線,再根據公式ⅱ計算得到數均分子量
其中a是與聚合物晶型結構、密度、摩爾熔融熱及表面能相關的常數,與聚合物的種類和晶體學結構相關,xc為聚合物的實際結晶度,tm、
4)將多分散聚合物按照摩爾數分成多等份,根據xtn平均值和起始值,得到不同分子量級分所對應的
本發(fā)明上述的利用量熱分析測算結晶性聚合物分子量及其分布的方法,其進一步的技術方案是所述的量熱分析降溫前需將樣品在其熔點溫度50℃以上退火10min及以上消除熱歷史影響,量熱分析時降溫速度40-15℃/min,降溫速度優(yōu)選25±5℃/min;升溫速度10-40℃/min,優(yōu)選15±5℃/min。
本發(fā)明上述的利用量熱分析測算結晶性聚合物分子量及其分布的方法,其進一步的技術方案還可以是所述的結晶性聚合物是通過量熱分析有完整的吸熱放熱峰、x射線衍射測試有明確的晶型結構的聚合物。
本發(fā)明上述的利用量熱分析測算結晶性聚合物分子量及其分布的方法,其更進一步的技術方案是所述的結晶性聚合物包括有結晶性烯烴類聚合物、結晶性雜鏈類聚合物和其他結晶性高分子。
本發(fā)明上述的利用量熱分析測算結晶性聚合物分子量及其分布的方法,其再進一步的技術方案是所述的結晶性烯烴類聚合物為聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚乙烯醇、等規(guī)聚甲基丙烯酸甲酯、等規(guī)聚苯乙烯、等規(guī)聚1-丁烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯或聚異丁烯。
本發(fā)明上述的利用量熱分析測算結晶性聚合物分子量及其分布的方法,其再進一步的技術方案還可以是所述的結晶性雜鏈類聚合物為聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚乳酸、聚ε-己內酯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚丁二酸丁二酯、尼龍6或尼龍66。
本發(fā)明上述的利用量熱分析測算結晶性聚合物分子量及其分布的方法,其再進一步的技術方案還可以是所述的其他結晶性高分子為結晶性烯烴類聚合物或結晶性雜鏈類聚合物的共混、填充、補強、增塑或交聯(lián)體系中的結晶性均聚物;或為結晶性烯烴類聚合物或結晶性雜鏈類聚合物的接枝、支化或共聚產物。
本發(fā)明與現有技術相比具有以下有益效果:
本發(fā)明的方法創(chuàng)造性的通過結晶動力學與熱力學分析,在目前現有表征、分析和文獻報道的晶型結構基礎上,利用通用量熱分析儀單次升降溫曲線計算得到結晶性聚合物的分子量及其分布,具有簡易、廉價、易于維護、應用范圍廣等優(yōu)點,具有深遠的學術研究和商業(yè)應用價值。相比較于傳統(tǒng)測試分子量及其分布的溶液法,其優(yōu)勢在于測試聚合物分子量及其分布的操作過程無需使用溶劑溶解樣品,對聚合物的結構例如支化、共聚或接枝不做要求,也不用提純樣品,可以用于測試過程與配方復雜的共混、填充或共聚體系。該方法的特殊優(yōu)勢在于可以應用于測試一些無法溶解的甚至輕度交聯(lián)的結晶性聚合物的分子量及其分布,可監(jiān)控結晶性聚合物在受熱過程中鏈降解或交聯(lián)行為。
附圖說明
圖1為實施例1中聚丙烯的高溫gpc測試分子量分布曲線
圖2為實施例1中聚丙烯通過量熱分析得到的平均數均分子量分布曲線
圖3為實施例1中聚丙烯通過量熱分析得到的多級分數均分子量分布曲線
圖4為實施例2(同對比例2)中聚丙烯通過旋轉粘度計零切粘度得到的分子量分布曲線
具體實施方式
以下通過具體實施例說明本發(fā)明,但本發(fā)明并不僅僅限定于這些實施例。
實施例1
某粒料形狀聚丙烯,稱取5mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至230℃并恒溫5min,快速升溫以消除熱歷史;隨后以30℃/min降溫至50℃,再以10℃/min升溫至230℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是1.47%,而起始成核相對結晶度為0.26%。升溫過程中得到結晶度為45.2%,公式ⅱ中的常數a=149.8g/mol,平衡熔點186℃。利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000041.gif"wi="379"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.26%和成核末期平均相對結晶度是1.47%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.26%至2.68%取十個均分點,分別根據公式ⅲ求得其級分數均分子量。各個級分重均分子量,根據公式ⅳ求得,平均后的得到其重均分子量
實施例2
粉料形狀聚丙烯。稱取5mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至230℃并恒溫3min,快速升溫以消除熱歷史;隨后以20℃/min降溫至50℃,再以10℃/min升溫至230℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是4.24%,而起始成核相對結晶度為0.87%。升溫過程中得到結晶度為44.8%,公式ⅱ中的常數a=149.8g/mol,平衡熔點186℃。因此通過同樣方式利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000051.gif"wi="387"he="67"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.87%和成核末期平均相對結晶度是4.24%,在0.87%至7.61%取十個均分點,分別根據公式ⅲ和ⅳ求得其級分數均分子量和重均分子量,平均后的得到其重均分子量
實施例3
粒料形狀聚丙烯,加入化學降解劑,可在升溫過程中裂解聚丙烯。稱取5mg左右進行量熱分析。設定升溫至230℃并恒溫3min,快速升溫以消除熱歷史;隨后以10℃/min降溫至50℃,再以10℃/min升溫至230℃,得到其成核末期平均相對結晶度是7.37%,而起始成核相對結晶度為0.59%。升溫過程中得到結晶度為45.3%,公式ⅱ中的常數a=149.8g/mol,平衡熔點186℃。利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000053.gif"wi="382"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.59%和成核末期平均相對結晶度是7.37%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.59%至14.2%取十個均分點,分別根據公式ⅲ和ⅳ求得其級分數均分子量和重均分子量,平均后的得到其重均分子量
實施例4
粉料形狀聚氧化乙烯,稱取3mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至150℃并恒溫5min,快速升溫以消除熱歷史;隨后以16℃/min降溫至-50℃,再以10℃/min升溫至150℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是4.7%,而起始成核相對結晶度為2.9%。對于聚氧化乙烯而言,升溫過程中得到結晶度為78.5%,公式ⅱ中的常數a=39.6g/mol,平衡熔點69℃。利用公式ⅲ和同樣方法可求得數均分子量
實施例5
粒料形狀共聚聚丙烯,共聚組分為少量乙烯辛烯等單體,升降溫處理以及降溫曲線進行數據處理和數學分析參考實施例1,得到其成核末期平均相對結晶度是2.11%,而起始成核相對結晶度為0.35%。升溫過程中得到在混合物中結晶度為34.8%,公式ⅱ中的常數a=149.8g/mol,平衡熔點186℃。因此通過同樣方式利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000057.gif"wi="234"he="71"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>
實施例6
粒料形狀高密度聚乙烯,稱取7mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至170℃并恒溫5min,快速升溫以消除熱歷史;隨后以20℃/min降溫至50℃,再以20℃/min升溫至170℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是2.35%,而起始成核相對結晶度為0.33%。升溫過程中得到結晶度為73.3%,公式ⅱ中的常數a=57.5g/mol,平衡熔點144℃。因此通過同樣方式利用公式ⅲ可求得數均分子量
實施例7
粒料形狀高密度聚乙烯,與炭黑按照8:1重量比在密煉機中混合均勻,稱取7mg左右進行量熱分析。升降溫處理以及降溫曲線進行數據處理和數學分析參考實施例6,得到其成核末期平均相對結晶度是2.34%,而起始成核相對結晶度為0.32%。升溫過程中得到結晶度為65.1%,真實結晶度為73.2%。公式ⅱ中的常數a=57.5g/mol,平衡熔點137℃。因此通過同樣方式利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000066.gif"wi="386"he="64"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.12%和成核末期平均相對結晶度是2.32%,在0.12%至4.52%取十個均分點,分別根據公式ⅲ和ⅳ求得其級分數均分子量和重均分子量,平均后的得到其重均分子量
實施例8
粒料形狀乙烯醋酸乙烯酯共聚物(eva),其中醋酸乙烯酯摩爾比約占14%。稱取5mg左右進行量熱分析。升降溫處理以及降溫曲線進行數據處理和數學分析參考實施例6,得到其成核末期平均相對結晶度是3.54%,而起始成核相對結晶度為1.02%。對于聚丙烯a而言,升溫過程中得到結晶度為45.2%,公式ⅱ中的常數a=57.5g/mol,平衡熔點144℃。利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000071.gif"wi="387"he="67"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為1.02%和成核末期平均相對結晶度是3.54%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.26%至6.06%取十個均分點,得到各個級分重均分子量。平均后的得到其重均分子量
實施例9
粉料形狀聚環(huán)氧丙烯,稱取10mg左右進行量熱分析,首先設定升溫至120℃并恒溫5min,快速升溫以消除熱歷史;隨后以20℃/min降溫至0℃,再以10℃/min升溫至120℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是3.38%,而起始成核相對結晶度為0.91%。升溫過程中得到結晶度為56.2%,公式ⅱ中的常數a=44.1g/mol,平衡熔點74℃。因此利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000074.gif"wi="379"he="70"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.91%和成核末期平均相對結晶度是3.38%,在0.91%至5.85%取十個均分點,分別根據公式ⅲ和ⅳ求得其級分數均分子量和重均分子量,平均后的得到其重均分子量
實施例10
聚對苯二甲酸乙二酯,粒料形狀,稱取4mg左右進行量熱分析。設定升溫至300℃并恒溫1min,隨后以30℃/min降溫至60℃,再以10℃/min升溫至290℃。數據處理和數學分析參考實施例1,得到其成核末期平均相對結晶度是1.92%,而起始成核相對結晶度為0.63%。升溫過程中得到結晶度為45.7%,公式ⅱ中的常數a=176.2g/mol,平衡熔點285℃。因此利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000076.gif"wi="368"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.26%和成核末期平均相對結晶度是1.47%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.26%至2.68%取十個均分點,分別根據公式ⅲ求得其級分數均分子量,得到圖4。各個級分重均分子量根據公式ⅳ求得,平均后的得到其重均分子量
實施例11
聚乳酸,碎片形狀,稱取4mg左右進行量熱分析。設定升溫至230℃并恒溫3min,隨后以20℃/min降溫至20℃,再以10℃/min升溫至230℃。數據處理和數學分析參考實施例1,得到其成核末期平均相對結晶度是3.11%,而起始成核相對結晶度為0.46%。升溫過程中得到結晶度為59.4%,公式ⅱ中的常數a=96g/mol,平衡熔點207℃。因此利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000081.gif"wi="398"he="67"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.46%和成核末期平均相對結晶度是3.11%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.46%至5.76%取十個均分點,分別根據公式ⅲ求得其級分數均分子量,得到各個級分重均分子量,然后根據公式ⅳ求得重均分子量
實施例12
粒料形狀等規(guī)聚苯乙烯,稱取7mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至280℃并恒溫5min以消除熱歷史;隨后以30℃/min降溫至50℃,再以10℃/min升溫至250℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是2.33%,而起始成核相對結晶度為0.12%。升溫過程中得到等規(guī)聚苯乙烯結晶度為35.1%,真實結晶度為73.2%。公式ⅱ中的常數a=128.9g/mol,平衡熔點249℃。因此通過同樣方式利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000083.gif"wi="421"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.56%和成核末期平均相對結晶度是4.31%,在0.56%至8.06%取十個均分點,分別根據公式ⅲ和ⅳ求得其級分數均分子量和重均分子量,平均后的得到其重均分子量
實施例13
粒料形狀尼龍6樣品,稱取5mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至280℃并恒溫5min以消除熱歷史;隨后以20℃/min降溫至50℃,再以10℃/min升溫至270℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是4.31%,而起始成核相對結晶度為0.56%。升溫過程中得到尼龍6結晶度為64.1%,公式ⅱ中的常數a=190g/mol,平衡熔點237℃。利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000085.gif"wi="371"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.56%和成核末期平均相對結晶度是4.31%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.56%至8.06%取十個均分點,分別根據公式ⅲ求得其級分數均分子量,根據公式ⅳ求得各個級分重均分子量。平均后的得到其重均分子量
實施例14
粒料形狀尼龍66樣品,稱取5mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至300℃并恒溫5min,快速升溫以消除熱歷史;隨后以30℃/min降溫至50℃,再以10℃/min升溫至290℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是2.04%,而起始成核相對結晶度為0.29%。升溫過程中得到結晶度為55.0%,公式ⅱ中的常數a=218.7g/mol,平衡熔點298℃。利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000091.gif"wi="395"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.29%和成核末期平均相對結晶度是2.04%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.29%至3.77%取十個均分點,分別根據公式ⅲ求得其級分數均分子量。根據公式ⅳ求得各個級分重均分子量,平均后的得到其重均分子量
實施例15
粉料形狀聚偏氟乙烯,稱取5mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至200℃并恒溫5min,快速升溫以消除熱歷史;隨后以30℃/min降溫至50℃,再以10℃/min升溫至200℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是1.35%,而起始成核相對結晶度為0.13%。升溫過程中得到聚偏氟乙烯結晶度為39.3%,公式ⅱ中的常數a=142.5g/mol,平衡熔點190℃。利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000093.gif"wi="418"he="64"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.13%和成核末期平均相對結晶度是1.35%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.13%至2.57%取十個均分點,分別根據公式ⅲ求得其級分數均分子量,根據公式ⅳ得到各個級分重均分子量,平均后的得到其重均分子量
實施例16
粒料形狀等規(guī)聚甲基丙烯酸甲酯,稱取5mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至210℃并恒溫5min以消除熱歷史;隨后以30℃/min降溫至50℃,再以15℃/min升溫至200℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是2.67%,而起始成核相對結晶度為0.34%。升溫過程中得到等規(guī)聚甲基丙烯酸甲酯結晶度為39.3%,公式ⅱ中的常數a=156.2g/mol,平衡熔點178℃。利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000095.gif"wi="430"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.34%和成核末期平均相對結晶度是2.67%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.34%至5.0%取十個均分點,分別根據公式ⅲ求得其級分數均分子量,根據公式ⅳ求得各個級分重均分子量,平均后的得到其重均分子量
實施例17
粒料形狀聚異丁烯,稱取10mg左右進行量熱分析。首先設定升溫至170℃并恒溫5min,快速升溫以消除熱歷史;隨后以30℃/min降溫至10℃,再以10℃/min升溫至160℃。對降溫曲線進行數據處理和數學分析,得到其成核末期平均相對結晶度是1.09%,而起始成核相對結晶度為0.11%。升溫過程中得到結晶度為25.4%,公式ⅱ中的常數a=98.4g/mol,平衡熔點140℃。利用公式??汕蟮脭稻肿恿?imgfile="bda0001205243390000101.gif"wi="403"he="69"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>根據起始相對結晶度為0.11%和成核末期平均相對結晶度是1.09%,可假定聚合物平均有十個級分分子量的聚合物均等相混而成,因此在0.11%至2.07%取十個均分點,分別根據公式ⅲ求得其級分數均分子量。根據公式ⅳ求得各個級分重均分子量,平均后的得到其重均分子量
對比例1
實施例1中聚丙烯,以十氫奈為溶劑進行高溫gpc測試,所得分子量分布曲線如圖1所示,其重均分子量
對比例2
實施例2中聚丙烯,粒料注塑做成圓片狀,在旋轉粘度計上穩(wěn)態(tài)剪切模式進行高溫熔體粘度測試,所得粘度與剪切速率的流動曲線,根據零切粘度(η0)計算得到其分子量分布曲線見圖4,其重均分子量