高分子聚合物的主要表征方法
摘要
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
ABSTRACT
This 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8000～9000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[2]。
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[3]。
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[5]。
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－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[8]。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10~106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10~10 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10～106）化合物。例如聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯分子结构单元-CH2CHCl-重复连接而成，因此-CH2CHCl-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（1～100）的聚合物称为低聚物，只有当分子量高达10～106（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（15000～350000 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—66均属于软塑料。硬塑料的特点是刚性大、难变形。弹性模量（70 000～350000 N/cm2）和抗张强度（3000～8500 N/cm2）都很高，而断裂伸长率很低（0.5%～3%）。这类塑料用的聚合物都具有刚性链，属无定型。塑料按其受热行为也可分为热塑性塑料和热固性塑料。依塑料的状态又可细分为模塑塑料、层压塑料、泡沫塑料、人造革、塑料薄膜等。
橡胶是玻璃化温度低于室温，在环境温度下能显示高弹性的高分子物质。分子间次价力小，具有典型的高弹性，在很小的作用力下，能产生很大的形变（500%～1000%），外力除去后，能恢复原状。因此，橡胶类用的聚合物要求完全无定型，玻璃化温度低，便于大分子的运动。经少量交联，可消除永久的残余形变。以天然橡胶为例，Tg低（-73℃），少量交联后，起始弹性模量小（<70 N/cm2）。经拉伸后，诱导结晶，将使模量和强度增高。伸长率为400%，强度增至1500 N/cm；500%时为2000 N/cm。橡胶经适度交联（硫化）后形成的网络结构可防止大分子链相互滑移，增大弹性形变。交联度增大，弹性下降，弹性模量上升，高度交联可得到硬橡胶。橡胶按原料分为天然橡胶和合成橡胶。按形态分为块状生胶、乳胶、液体橡胶和粉末橡胶。天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶和乙丙橡胶是常用的品种。
纤维是指由连续或不连续的细丝组成的物质。在动植物体内，纤维在维系组织方面起到重要作用。纤维用途广泛，可织成细线、线头和麻绳，造纸或织毡时还可以织成纤维层；同时也常用来制造其他物料，及与其他物料共同组成复合材料。纤维可被分作天然纤维及人造纤维。
(4) 按几何形状可分为两种，即线型大分子和体型大分子。
2.3 高分子聚合物的结构
聚合物的结构可分为链结构和聚集态结构两大类。
分子链结构
链结构又分为近程结构和远程结构。近程结构包括构造与构型，构造指链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、单体单元的排列顺序、支链的类型和长度等。构型是指某一原子的取代基在空间的排列。近程结构属于化学结构，又称一级结构。远程结构包括分子的大小与形态、链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。远程结构又称二级结构。链结构是指单个分子的形态。
近程结构对聚合物链的重复单元的化学组成一般研究得比较清楚，它取决于制备聚合物时使用的单体，这种结构是影响聚合物的稳定性、分子间作用力、链柔顺性的重要
因素。键接方式是指结构单元在高聚物中的联结方式。在缩聚和开环聚合中，结构单元的键接方式一般是明确的，但在加聚过程中，单体的键接方式可以有所不同，例如单烯类单体（CH2=CHR）在聚合过程中可能有头-头、头-尾、尾-尾三种方式。
对于大多数烯烃类聚合物以头-尾相接为主，结构单元的不同键接方式对聚合物材料的性能会产生较大的影响，如聚氯乙烯链结构单元主要是头-尾相接，如含有少量的头-头键接，则会导致热稳定性下降。
共聚物按其结构单元键接的方式不同可分为交替共聚物、无规共聚物、嵌段共聚物与接枝共聚物几种类型。同一共聚物，由于链结构单元的排列顺序的差异，导致性能上的变化，如丁二烯与苯乙烯共聚反应得丁苯橡胶（无规共聚物）、热塑性弹性体SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物）和增韧聚苯乙烯塑料。
结构单元原子在空间的不同排列出现旋光异构和几何异构。如果高分子结构单元中存在不对称碳原子（又称手性碳），则每个链节就有两种旋光异构。它们在聚合物中有三种键接方式：若聚合物全部由一种旋光异构单元键接而成，则称为全同立构；由两种旋光异构单元交替键接，称为间同立构；两种旋光异构单元完全无规时，则称为无规立构。分子的立体构型不同对材料的性能会带来影响，例如全同立构的聚苯乙烯结构比较规整，能结晶，熔点为240℃，而无规立构的聚苯乙烯结构不规整，不能结晶，软化温度为80℃。对于1，4-加成的双烯类聚合物，由于内双键上的基团在双键两侧排列的方式不同而有顺式构型与反式构型之分，如聚丁二烯有顺、反两种构型：其中顺式的1，4-聚丁二烯，分子链与分子链之间的距离较大，在常温下是一种弹性很好的橡胶；反式1，4-丁二烯分子链的结构也比较规整，容易结晶，在常温下是弹性很差的塑料。
远程结构
⑴高分子的大小：对高分子大小的量度，最常用的是分子量。由于聚合反应的复杂性，因而聚合物的分子量不是均一的，只能用统计平均值来表示，例如数均分子量和重均分子量。分子量对高聚物材料的力学性能以及加工性能有重要影响，聚合物的分子量或聚合度只有达到一定数值后，才能显示出适用的机械强度，这一数值称为临界聚合度。
⑵高分子的内旋转：高分子的主链很长，通常并不是伸直的，它可以卷曲起来，使分子呈现各种形态，从整个分子来说，它可以卷曲成椭球状，也可伸直成棒状。从分子局部来说，它可以呈锯齿状或螺旋状，这是由单键的内旋转而引起的分子在空间上表现不同的形态。这些形态可以随条件和环境的变化而变化。
⑶高分子链的柔顺性：高分子链能够改变其构象的性质称为柔顺性，这是高聚物许多性能不同于低分子物质的主要原因。主链结构对聚合物的柔顺性有显著的影响。例如，由于Si-O-Si键角大，Si-O的键长大，内旋转比较容易，因此聚二甲基硅氧烷的柔性非常好，是一种很好的合成橡胶。芳杂环因不能内旋转，所以主链中含有芳杂环结构的高分子链的柔顺性较差，具有耐高温的特点。侧基极性的强弱对高分子链的柔顺性影响很大。侧基的极性愈弱，其相互间的作用力愈大，单键的内旋转困难，因而链的柔顺性差。链的长短对柔顺性也有影响，若链很短，内旋转的单链数目很少，分子的构象数很少，必然出现刚性。
聚集态结构
聚集态结构是指高聚物分子链之间的几何排列和堆砌结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构以及织态结构。结构规整或链次价力较强的聚合物容易结晶，例如，高密度聚乙烯、全同聚丙烯和聚酰胺等。结晶聚合物中往往存在一定的无定型区，即使是结晶度很高的聚合物也存在晶体缺陷，熔融温度是结晶聚合物使用的上限温度。结构不规整或链间次价力较弱的聚合物（如聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等）难以结晶，一般为不定型态。无定型聚合物在一定负荷和受力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态。玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度（Tg），是无定型塑料使用的上限，橡胶使用的是下限温度。从高弹态到黏流态的转变温度称黏流温度(Tf），是聚合物加工成型的重要参数。
当聚合处于玻璃态时，整个大分子链和链段的运动均被冻结，宏观性质为硬、脆、形变小，只呈现一般硬性固体的普弹形变。聚合物处于高弹态时，链段运动高度活跃，表现出高形变能力的高弹性。当线型聚合物在黏流温度以上时，聚合物变为熔融、黏滞的液体，受力可以流动，并兼有弹性和黏流行为，称黏弹性。聚合熔体和浓溶液搅拌时的爬杆现象，挤出物出口模时的膨胀现象以及减阻效应等，都是黏弹行为的具体表现。其他如聚合物的蠕变、应力松弛和交变应力作用下的发热、内耗等均属黏弹行为。
2.4 高分子聚合物的生产
天然聚合物多从自然植物经物理或化学方法制取，合成聚合物由低分子单体通过聚合反应制得。聚合方法通常有本体（熔融）聚合、溶液聚合、乳液聚合和悬浮聚合等，依据对聚合物的使用性能要求可对不同的方法进行选择，如带官能团的单体聚合常采用溶液或熔融聚合法。研究聚合过程的反应工程学科分支称为聚合反应工程学。聚合物加工成各种制品的过程，主要包括塑料加工、橡胶加工和化学纤维纺丝，这三者的共性研
究体现为聚合物流变学。
2.5 高分子聚合物的性能
高弹形变和黏弹性是聚合物特有的力学性能。这些特性均与大分子的多层次结构的大分子链的特殊运动方式以及聚合物的加工有密切的关系。聚合物的强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、耐溶剂性以及电绝缘性、透光性、气密性等都是使用性能的重要指标。
3高分子聚合物的检测方法
3.1 凝胶渗透色谱
凝胶渗透色谱（Gel Permeation Chromatography，GPC），由J.C.Moore首先研究成功。不仅可用于小分子物质的分离和鉴定，而且可以用来分析化学性质相同分子体积不同的高分子同系物。又由于合成的高聚物几乎都不是均一分子的化合物，它具有多种分布，如分子量分布、化学组成分布，官能团分布和链结构分布。传统的化学分析技术如红外光谱(IR)，紫外光谱(UV)、核磁共振谱(NMR)、光散射(LS)和黏度测试只能获得聚合物相关性质的平均数值，而不能提供该性质的分布宽度和形状。为了优化聚合物的性质和准确表征聚合物的分布，必须采用合适的分离分析方法，高效液相色谱非常适合于分离分析可溶性高聚物。HPLC作为高分子分析方法在国内主要就用凝胶渗透色谱(gel-permeationchromatography，GPC)来表征高聚物的分子量及其分布[10]。它的工作原理是：让被测量的高聚物溶液通过一根内装不同孔径的色谱柱，柱中可供分子通行的路径有粒子间的间隙（较大）和粒子内的通孔（较小）。当聚合物溶液流经色谱柱时，较大的分子被排除在粒子的小孔之外，只能从粒子间的间隙通过，速率较快；而较小的分子可以进入粒子中的小孔，通过的速率要慢得多。经过一定长度的色谱柱，分子根据相对分子质量被分开，相对分子质量大的在前面（即淋洗时间短），相对分子质量小的在后面（即淋洗时间长）。自试样进柱到被淋洗出来，所接受到的淋出液总体积称为该试样的淋出体积。当仪器和实验条件确定后，溶质的淋出体积与其分子量有关，分子量愈大，其淋出体积愈小。
GPC法自上世纪60年代问世以来，发展非常迅速，成功地用于聚合物分子量及其分布的测定分析。例如：双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜，因它具有：质轻、透明、无毒、防潮、透气性低、机械强度高等优点，广泛用于食品、医药、日用轻工、香烟等产品的包装，并大量用作复合膜的基材，市场很好[11]。作为BOPP薄膜专用料，聚丙烯的相对
分子量及其分布是产品质量控制的重要指标,它直接影响聚丙烯树脂的加工性能。一般地，分子量分布宽则BOPP生产中挤出的厚片趋向边缘比中间稍厚，有利于横向拉伸；而分子量分布窄时中间比边缘厚，容易导致拉伸破膜。同时，分子量分布宽会使聚丙烯产品的熔体强度增大，一般认为分子量分布为6-8时有利于BOPP成膜[12]。所以，准确及时的表征聚丙烯树脂产品的相对分子质量及其分布具有重要意义。
高聚物分子量的检测方法还有很多，如化学法（端基分析法）、热力学法、动力学法、光学法、粘度法等[13]。
3.2 核磁共振（NMR）
带有磁性的原子核在外加磁场的作用下，核自旋产生的磁场与外磁场相互作用，核一边自旋，一边以外磁场方为轴线回旋，做拉摩尔进动。核的能级在这一强磁场的作用下，裂分为两个或两个以上的能级。这时用一定能量的电磁波照射核，使其能量恰好等于裂分后的两个能级差，核体系吸收能量，产生共振吸收，核由低能态跃迁到高能态。由于化合物中的核被运动着的电子所包围，在外加磁场的作用下，电子云运动产生感应磁场，起到对抗外磁场的作用，也就是屏蔽作用，因此核在磁场强度的作用下有所变化。而屏蔽作用的大小，与核外电子云密度密切相关，电子云密度大，屏蔽作用也越大。电子云密度影响着核所处的化学环境。因此，由于不同屏蔽作用，而使核产生不同的化学位移。在众多具有核磁距的核中，由于1H的天然丰度接近于100%，而且灵敏度高，因此最先得到应用。碳是有机化合物的基本骨架，13C-NHR谱化学位移范围在0～200之间，可获得更多信息，13C天然丰度低，邻近13C-13C的自旋-自旋偶合的几率只有万分之一，因而谱简单易解析。但由于天然丰度只有1.1%，而且磁矩小，灵敏度小，仅是1H的1/6400，故以前的连续波NMR仪器难以得到13C-NMR谱。自从PFT-NMR问世，仪器使用一定宽度强而短的射频脉冲辐射样品，使样品中所有被观察的核同时被激发，产生响应函数，通过傅立叶变换，得到NMR谱，从而得到很大的发展和应用。目前，NMR技术已成为研究高分子链结构的最主要的手段，在聚合物的构型、构象分析，立体异构体的鉴定和序列分布，支化结构和长度、数量、共聚和共缩聚物组成的定性、定量以及序列结构测量等方面均有独到之处。近年来又发展了二维核磁共振谱2D-NMR。二维谱的一个轴表示化学位移，另一个轴表示同核或异核的化学位移，也可以是一标量藕合常数。引入二维后，减少了谱线的拥挤和重叠，提供了核之间相互关系的新信息，对于分析复杂大分子特别有利。另外，近年发展的一种称为交叉极化－魔角旋转(CP-MAS)的方法，可以得到固体高分辨NMR谱。
核磁共振( NMR) 法可以定性和半定量地鉴别不饱和聚酯的各种组分[14]。单体的样品可以直接在丙酮或苯溶液中测定, 相同条件下聚酯中各组份的峰基本上与单体峰重叠雷同。这种谱图与使用红外光谱法有颇多相似处, 可以用来鉴别和测定合成聚酯使用的酸和醇。
3.2.1 化学位移(表明每种类型质子所处的电子环境)
化学位移是表征在NMR谱中各不相同化学环境的1H共振峰的位置相对于某一标准物共振峰的距离。一般以相对值表示，以某一标准物( 通常用四甲基硅烷，TMS) 的峰为原点，测出其它各峰与原点的相对距离作为化学位移值。用δ表示，
δ=信号频率与TMS共振频率之差(CPS为单位)/电磁辐射的频率(MHz为单位即CPS ×106为单位)
δ是与磁场强度或电磁辐射频率无关的参数。把TMS质子的吸收位置定为δ= 0.00, 则其它质子的化学位移可以在TMS左面若干处(低场)，或在TMS右面若干处(高场) 。有机化合物各种氢的化学位移值取决了它们的电子环境。如果磁场对质子的作用受到周围电子云的屏蔽，质子的共振信号就出现在高场；反之，就出现在低场。
3.2.2峰面积(通过峰面积表明质子数)
核磁共振信号的强度是通过吸收峰的大小显示出来的。而核磁共振信号下的面积与产生这组信号的质子数目成正比，在谱图上通常用从低场到高场的阶梯曲线来表示，阶梯的高度与峰面积成正比，各阶梯高度之比例与各种质子数目的比例相同，可以用来确定化合物的结构。也有用相对数字直接表示峰面积的，这样各种质子的比例更加简易明了。
3.2.3 信号的分裂(自旋-自旋偶合)
3.2.4谱图解析
根据积分曲线算出各峰的相对面积，求出每组峰所代表的质子数。然后根据值识别各组峰所对应的化学环境，如饱和链烃、烯烃、芳烃等。先解析没有偶合的质子讯号，再解析有偶合的质子讯号。最后再将全部“信息”进行分析，将认为可能合理的分子结构逐-“对号入座”。即：等位氢的种类数应等于峰的组数；等位氢的数目应与各组峰的面积成正比例；一种基团与邻近基团的位置关系应与各组峰的裂分数相对应。同时可找出类似化合物的谱图进行比较。
3.3 红外吸收光谱（IR）
红外吸收光谱也称分子振动转动光谱[15]。它是由于分子动能级的跃迁(同时伴随转
动能级的跃迁)而产生的，物质吸收电磁辐射应满足两个条件：①辐射应具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量，②辐射与物质之间有偶合作用(相互作用)。当一定频率(一定能量)的红外光照射分子时，如果分子中某个基因的振动频率和外界红外辐射频率一致就会产生共振吸收；由于构成分子的各原子因价电子得失的难易程度不同，而表现出不同的电负性，分子也因此而显示不同的极性。这些偶极子本身具有一定的原有振动频率，当外界辐射频率与偶极子振动频率相同时，分子与辐射产生相互作用(即振动耦合)，而增加它的振动能，使振动加激，振幅加大，分子由原来的基态振动跃迁到较高振动能级。
应用红外光谱，可测定分子键长、键角，由此推断分子的立体构型，根据所得力常数可以知道化学键的强弱。根据光谱中吸收峰位置可推断未知物结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组份的含量。因此红外光谱法的主要优点是特征性好，甚至可用来分析同分异构体、立体异构体等。因而主要用于定性。且适用红外光谱法的范围很广，但其局限性是灵敏度较欠缺，痕量分析困难，定量不好，谱图解释主要靠经验。
目前使用的红外光谱仪通常是FTIR。其光学部份大多数由迈克尔干涉仪组成，信号以干涉图形式送计算机进行傅立叶变换数学处理。FTIR仪器有可高信噪比，大能量输出，高波数精度，宽频测量范围和快速扫描的优点。因此在高分子材料剖析中有着特殊的重要地位。
3.4 激光拉曼光谱（LR）
拉曼光谱也属于一种分子振动光谱。其原理为，用以频率为V0光照射样品，光线发生散射，由于分子内振动能级跃迁，由极少一部分散射光频率发生变化产生ΔV，变为V0±ΔV，拉曼光谱就是测量这些散射频率位移和强度，获得分子信息。与红外光谱相反，拉光谱对分子中水极性基团敏感，特别适合研究高分子C-C骨架振动及硫化胶S－S 键等。由于水的拉曼散射很弱，而许多生物高分子只有在水存在条件下才具有活性，故拉曼光谱广泛用于生物高分子研究中。目前，利用多角度激光光散射系统(mult- anglelaser light scattering，MALL)和GPC(或HPSEC)，可测定高聚物分子量及分子量分布，分枝程度及分布等。
3.5 反气相色谱技术
漆酚钛螯合高聚物(UTP)具有优异的耐强酸、耐强碱、耐盐类溶液、耐多种有机溶剂和耐热性能，已作为防腐涂料在化工、轻工、石化、发电、机械、海洋工程等许多领域得到应用，并解决了许多重防腐蚀难题。为了进一步扩大UTP的应用领域，揭示其优异防腐性能与聚合物表面性质之间的关系显得尤为重要。反气相色谱法(IGC)已广泛应
用于研究聚合物材料性能，通过研究探针分子与聚合物表面的分子间相互作用可以直接测定聚合物表面物理化学性质。相对于其他常规的表征方法(如接触角)，反气相色谱法的突出优势在于可以在一个较宽的温度范围内对材料的表面性质进行表征。因此，可用反气相色谱法测定漆酚钛螯合高聚物的表面自由能和表面Lewis酸碱性[16]。
3.6流变学方法
目前很多研究均尝试利用流变学方法来探测表征部分相容聚合物共混体系的相分离行为[17]。且根据很多实验表明，利用流变学表征方法，结合常用的其他观测手段，将从更小尺度上得到共混体系的相分离特征，并与其在流场下的加工性能相关联。尤其对于弱非对称性的聚合物共混体系，用流变学实验表征方法与流变学模型计算相结合，将有助于人们更深入地了解相分离行为及规律。
4高分子聚合物表征方法的常用设备
高分子聚合物的结构形貌分为微观结构形貌和宏观结构形貌。微观结构形貌指的是高分子聚合物在微观尺度上的聚集状态，如晶态，液晶态或无序态（液态），以及晶体尺寸、纳米尺度相分散的均匀程度等。高分子聚合物的的微观结构状态决定了其宏观上的力学、物理性质，并进而限定了其应用场合和范围。宏观结构形貌是指在宏观或亚微观尺度上高分子聚合物表面、断面的形态，以及所含微孔（缺陷）的分布状况。观察固体聚合物表面、断面及内部的微相分离结构，微孔及缺欠的分布，晶体尺寸、性状及分布，以及纳米尺度相分散的均匀程度等形貌特点，将为我们改进聚合物的加工制备条件，共混组份的选择，材料性能的优化提供数据。
4.1 偏光显微镜（PLM）
利用高分子液晶材料的光学性质特点，可以用偏光显微镜观测不同高分子液晶，由液晶的织构图象定性判断高分子液晶的类型。
4.2 金相显微镜
金相显微镜可以观测高分子聚合物表面的亚微观结构，确定高分子聚合物内和微小缺陷。体视光学显微镜通常被用于观测高分子聚合物体表面、断面的结构特征，为优化生产过程，进行损伤失效分析提供重要的信息。
4.3 体视显微镜
使用体视显微镜时需要注意在取样时不得将进一步的损伤引入受观测的样品。使用金相显微镜时，受测样品需要首先在模具中固定，然后用树脂浇铸成圆柱形试样。圆柱
的地面为受测面。受测面在打磨、抛光成镜面后放置于金相显微镜上。高分子聚合物亚微观结构形貌的清晰度取决于受测面抛光的质量。
4.4X射线衍射
利用X射线的广角或小角度衍射可以获取高分子聚合物的晶态和液晶态组织结构信息。有关内容参见高分子聚合物的晶态和高分子聚合物液晶态栏目。
4.5 扫描电镜（SEM）
扫描电镜用电子束扫描聚合物表面或断面，在阴极射线管上（CRT）产生被测物表面的影像。对导电性样品，可用导电胶将其粘在铜或铝的样品座上，直接观察测量的表面；对绝缘性样品需要事先对其表面喷镀导电层（金、银或炭）。用SEM可以观察聚合物表面形态；聚合物多相体系填充体系表面的相分离尺寸及相分离图案形状；聚合物断面的断裂特征；纳米材料断面中纳米尺度分散相的尺寸及均匀程度等有关信息。
4.6透射电镜（TEM）
透射电镜可以用来表征聚合物内部结构的形貌。将待测聚合物样品分别用悬浮液法，喷物法，超声波分散法等均匀分散到样品支撑膜表面制膜；或用超薄切片机将高分子聚合物的固态样样品切成50 nm薄的试样。把制备好的试样置于透射电子显微镜的样品托架上，用TEM可观察样品的结构。利用TEM可以观测高分子聚合物的晶体结构，形状，结晶相的分布。高分辨率的透射电子显微镜可以观察到高分子聚合物晶的晶体缺陷。
4.7原子力显微镜（AFM）
原子力显微镜使用微小探针扫描被测高分子聚合物的表面。当探针尖接近样品时，探针尖端受样品分子的范德华力推动产生变形。因分子种类、结构的不同，范德华力的大小也不同，探针在不同部位的变形量也随之变化，从而“观察”到聚合物表面的形貌。由于原子力显微镜探针对聚合物表面的扫描是三维扫描，因此可以得到高分子聚合物表面的三维形貌。
原子力显微镜可以观察聚合物表面的形貌，高分子链的构象，高分子链堆砌的有序情况和取向情况，纳米结构中相分离尺寸的大小和均匀程度，晶体结构、形状，结晶形成过程等信息。
例如，利用原子力显微镜（AFM）可观察微胶囊的表面形态及其壁厚还可以测定力学性能。Leporatti等[18]采用原子力显微镜研究了聚烯丙基胺盐酸盐/聚磺化苯乙烯（PSS/PAH）微胶囊在干燥后的表面形态结构，水溶液中球状PSS/PAH微胶囊干燥后形
成了多角形结构，表面有皱褶。
4.8 扫描隧道显微镜（STM）
同原子力显微镜类似，扫描隧道显微镜也是利用微小探针对被测导电聚合物的表面进行扫描，当探针和导电聚合物的分子接近时，在外电场作用下，将在导电聚合物和探针之间，产生微弱的“隧道电流”。因此测量“隧道电流”的发生点在聚合物表面的分布情况，可以“观察”到导电聚合物表面的形貌信息。
扫描隧道显微镜可以获取高分子聚合物的表面形貌，高分子链的构象，高分子链堆砌的有序情况和取向情况，纳米结构中相分离尺寸的大小和均匀程度，晶体结构、形状等。和原子力显微镜相比，扫描隧道显微镜只能用于导电性的聚合物表面的观察。
5结束语
我相信，如果我们熟练的掌握这些表征方法和测试手段，并且在此基础上不断提升和进步，我们的技术将会帮助我们合成更多的高性能高分子材料，它可以消除噪声，可以减轻水资源污染情况，可以帮助地球减轻人类对资源的超负荷的需求，可以……人类社会，将会因为高分子材料而更加美好。
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致谢
本研究及学位论文是在我的导师孙看军教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着孙老师的心血和汗水，在四年的本科学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向孙老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
虽然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每一段，都有我的劳动。当看着自己的论文做成功时真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。
这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。
赵凯
2013年5月13 日
高分子材料的力学性能及表征方法
高分子材料的力学性能及表征方法 聚合物的力学性能是高分子聚合物在作为高分子材料使用时所要考虑的最主要性能。它牵涉到高分子新材料的材料设计，产品设计以及高分子新材料的使用条件。因此了解聚合物的力学性能数据，是我们掌握高分子材料的必要前提。聚合物力学性能数据主要是模量（E），强度（σ），极限形变（ε）及疲劳性能（包括疲劳极限和疲劳寿命）。由于高分子材料在应用中的受力方式不同，聚合物的力学性能表征又按不同受力方式定出了拉伸（张力）、压缩、弯曲、剪切、冲击、硬度、摩擦损耗等不同受力方式下的表征方法及相应的各种模量、强度、形变等可以代表聚合物受力不同的各种数据。由于高分子材料类型的不同，实际应用及受力情况有很大的差变，因此对不同类型的高分子材料，又有各自的特殊表征方法、例纤维、橡胶的力学性能表征。 表征方法及原理 （1）拉伸性能的表征 用万能材料试验机，换上拉伸实验的样品夹具，在恒定的温度、湿度和拉伸速度下，对按一定标准制备的聚合物试样进行拉伸，直至试样被拉断。仪器可自动记录被测样品在不同拉伸时间样品的形变值和对应此形变值样品所受到的拉力（张力）值，同时自动画出应力－应变曲线。根据应力-应变曲线，我们可找出样品的屈服点及相应的屈服应力值，断裂点及相应的断裂应力值，样品的断裂伸长值。将屈服应力，断裂应力分别除以样品断裂处在初制样时样品截面积，即可分别求出该聚合物的屈服强度σ屈和拉伸强度（抗张强度）σ拉值。样品断裂伸长值除以样品原长度，即是聚合物的断裂伸长率ε。应力－应变曲线中，对应小形变的曲线中（即曲线中直线部分）的斜率，即是聚合物的拉伸模量（也称抗张模量）E值。聚合物试样拉伸断裂时，试样断面单维尺寸（厚或宽的尺寸）的变化值除以试样的断裂伸长率ε值，即为聚合物样品的“泊松比”（μ）的数值。 （2）压缩性能、弯曲性能、剪切性的表征。 用万能材料试验机，分别用压缩试验，弯曲试验，剪切试验的样品夹具，在恒定的温度、湿度及应变速度下进行不同方式的力学试验。并根据不同的计算公式，求出聚合物的压缩模量、压缩强度、弯曲模量、弯曲强度、剪切模量、剪切强度等数据。 （3）冲击性能的表征。 采用摆锤式冲击试验机，按一定标准制备样品，在恒定温度、湿度下，用摆锤迅速冲击被测试样，根据摆锤的质量和刚好使试样产生裂痕或破坏时的临界下落高度及被测样品的截面积，按一定公式计算聚合物试样的冲击强度（或冲击韧性单位为J/cm2）。 （4）聚合物单分子链的力学性能。 用原子力显微镜（AFM）。将聚合物样品配成稀溶液，铺展在干净玻璃片上，除去溶剂后得到一吸附在玻璃片上的聚合物薄膜（厚度约90mm）。用原子力显微镜针尖接触、扫描样品膜，由于针间与样品中高分子的相互作用，高分子链将被拉起，记录单个高分子链被拉伸时拉力的变化，直至拉力突然降至为零。可得到若干高分子链被拉伸时的拉伸力和拉伸长度曲线，由此曲线可估算单个高分子链的长度和单个高分子从凝聚态中被拉出时的“抗张强度”。所用仪器 万能材料试验机 摆锤式冲击试验机
聚合物材料表征测试题库
高分子研究方法题库 1 在对聚合物进行各种光谱分析时，红外光谱主要来源于分子振动－转动能级间的跃迁；紫外-可见光谱主要来源于分子的电子能级间的跃迁；核磁共振谱主要来源于置于磁场中的原子核能级间的跃迁，它们实际上都是吸收光谱。 2、SEM 和TEM的三要素是分辨率、放大倍数、衬度。 2、在有机化合物中，解析谱图的三要素为谱峰的位置、形状和强度。 2 苯、乙烯、乙炔、甲醛，其1H化学位移值最大的是甲醛，最小的是乙炔，13C的化学位移值最大的是甲醛最小的是乙炔。 4、紫外光谱主要决定于分子中发色和助色基团的特性，而不是整个分子的特性。 3 差示扫描量热仪分功率补偿型和热流型两种。第107页 4 产生核磁共振的首要条件是核自旋时要有磁距产生。 5 当原子核处于外磁场中时，核外电子运动要产生感应磁场，核外电子对原子核的这种作用就是屏蔽作用. 6 分子振动可分为伸缩振动，弯曲振动 7 傅里叶红外光声光谱英文简称为FTIR-PAS.P28 8 干涉仪由光源，定镜，分束器，检测器等几个主要部分组成。P19 9 高聚物的力学性能主要是测定材料的强度和模量以及变形. 10 共混物的制样方法有流延薄膜法热压薄膜法溴化钾压片法P11 11 光声探测器和红外光谱技术结合即为红外声光谱技术. P27 12 核磁共振普与红外、紫外一样，实际上都是吸收光谱。红外光谱来源于分子振动-转动能级间的跃迁，紫外-可见吸收光谱来源于分子的电子能级间的跃迁。[P46] 13 核磁共振谱图上谱峰发生分裂，分裂峰数是由相邻碳原子上的氢数决定的，若分裂峰数为n，则邻碳原子氢数为n-1。 P50 15 红外光谱在聚合物研究中占有十分重要的位置，能对聚合物的化学性质、立体结构、构象、序态、取向等提供定性和定量的信息。P6 16 红外光谱中，波动的几个参数为波长、频率、波数和光速。 17 红外光谱中，在1300~1400cm，基团和频率的对应关系比较明确，这对确定化合物中的官能团很有帮助，称为官能团区． 18 红外活性振动能引起分子偶极矩变化Ｐ８ 19 红外区是电磁总谱中的一部分，波长在0.7~1000之间。 20 红外吸收光谱是直接地反映分子中振动能级的变化；而拉曼光谱是间接地反映分子中振动能级的变化。 21 记录X射线的方法有照相法和计数器法。P68 22 解析谱图三要素为谱峰位置形状和强度P/13 2 在紫外光谱中不同浓度的同一种物质，在某一定波长下的λmax处吸光度A的差异最大.所以测定最灵敏 23 聚合物的一般制样方法主要有流延薄膜法，热压薄膜法，溴化钾压片法 24 拉曼光谱研究高分子样品的最大缺点是：荧光散射。 25 拉曼位移的大小与入射光的频率无关，只与分子的能级结构有关。P30 26 凝胶渗透色谱对分子链分级的原理是体积排除理论。P96 27 凝胶渗透色谱仪的组成：系统自动进样系统加热恒温系统分离系统检测系统 28 强迫非共振法是研究聚合物粘弹动力学性能有效、普遍、重要的方法。P146 29 斯托克斯线或反斯托克斯线与入射光频率之差称为拉曼位移。P30 30 温度由低到高时，高聚物历经三种状态，即玻璃态，高弹态和粘流态。P2 31 现代热分析是指在程序控温之下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术P105
聚合物相容性的表征和测定
聚合物相容性的表征和测定 聚合物共混物是指两种或两种以上聚合物的混合物，正如合金一样，共混高聚物可以使材料得到单一的等聚物所不具有的性能，因此其合成具有很重要的意义。聚合物之间的相容性是选择适宜共混方法的重要依据，也是决定共混物形态结构和性能的关键因素。以下就聚合物之间相容性的基本特点，相容性的表征参数和测定方法进行简单的阐述。 从热力学角度来看，聚合物的相容性就是聚合物之间的相互溶解性，是指两种聚合物形成均相体系的能力。若两种聚合物可以任意比例形成分子水平均匀的均相体系，则是完全相容；如硝基纤维素-聚丙烯酸的甲脂体系。若是两种聚合物仅在一定的组成范围内才能形成稳定的均相体系，则是部分相容。如部分相容性很小，则为不相容，如聚苯乙烯-聚丁二烯体系。 相容与否决定于混合物的混合过程中的自由能变化是否小于0。即要求△G=△H-T△S<0.对于聚合物的混合，由于高分子的分子量很大，混合时熵的变化很小，而高分子-高分子混合过程一般都是吸热过程，即△H为正值，因此要满足△G<0是困难的。△G往往是正的，因而绝大多数共混高聚物都不能达到分子水平的混合，或者是不相容的，形成非均相体系。但共混高聚物在某一温度范围内能相容，像高分子溶液一样，有溶解度曲线，具有最高临界相容温度(UCST)和最低临界相容温度(LCST),这与小分子共存体系存在最低沸点和最高沸点类似。大部分聚合物共混体系具有最低临界相容温度，这是聚合物之间相容性的一个重要特点。 还应指出，聚合物之间的相容性还与分子量的分布有关。一般，平均分子量越大，聚合物之间的相容性就越小。 以上定性地描述了影响相容性的一些因素，那么在实际中如何判断聚合物之间的相容性呢？最常用的判据是溶度参数和Huggins-Flory相互作用参数。 聚合物合金作为一种多组分复合体，各组分间的相容性以及如何改善组分间的相容性是聚合物合金研究的重点内容，众所周知，大多数聚合物之间是不相容或部分相容 的，聚合物合金是多相结构体系，多相结构体系中，相形态结构和界面性质在某种程度上反映了合金中各组分间的相容性程度，而相容性好坏与合金性能有着密切关系。 (1)关于聚合物相容性的判据—溶解度参数根据溶解度参数预测有机化合物之间的相容性。 一般来说，两聚合物的溶解度参数差小于0.5时，相容性较好。 溶解度参数理论仅仅考虑到分子间的色散力，只适合于非极性分子的情况。 对于分子间有极性作用的情况，S.Chen.提出了三维溶解度参数的概念。 三维溶解度参数考虑聚合物间色散力、偶极力和氢键的作用。但由于三维溶解度参数测定较复杂，尚未普遍使用。 (2)玻璃化温度(T g)的评价法聚合物共混物的玻璃化转变温度与两种聚合物分子级的混合程度有直接关系。若两种聚合物组分相容，共混物为均相体系，只有一个玻璃化温度，若两组分完全不溶，则形成界面明显的两相结构，则有2个玻璃化温度，而且分别为两组分的T g，如果部分相容，所测的T g介于两种极限情况之间。两聚合物达到一定程度的分子级混合时，仍有两个T g，但相互靠近，靠近的程度取决于分子级混合的程度。 因此，我们可根据测定共混物的T g结果来判断体系各组分相容的程度。T g测定的方法有多种，较为简单的是热分析法(DSC)。
高分子聚合物的表征方法及常用设备
高分子聚合物的表征方法及常用设备 高分子聚合物的结构形貌分为微观结构形貌和宏观结构形貌。微观结构形貌指的是高分子聚合物在微观尺度上的聚集状态，如晶态，液晶态或无序态（液态），以及晶体尺寸、纳米尺度相分散的均匀程度等。高分子聚合物的的微观结构状态决定了其宏观上的力学、物理性质，并进而限定了其应用场合和范围。宏观结构形貌是指在宏观或亚微观尺度上高分子聚合物表面、断面的形态，以及所含微孔（缺陷）的分布状况。观察固体聚合物表面、断面及内部的微相分离结构，微孔及缺欠的分布，晶体尺寸、性状及分布，以及纳米尺度相分散的均匀程度等形貌特点，将为我们改进聚合物的加工制备条件，共混组份的选择，材料性能的优化提供数据。 高分子聚合物结构形貌的表征方法及设备包括： 1.偏光显微镜（PLM） 利用高分子液晶材料的光学性质特点，可以用偏光显微镜观测不同高分子液晶，由液晶的织构图象定性判断高分子液晶的类型。 2.金相显微镜 金相显微镜可以观测高分子聚合物表面的亚微观结构，确定高分子聚合物内和微小缺陷。体视光学显微镜通常被用于观测高分子聚合物体表面、断面的结构特征，为优化生产过程，进行损伤失效分析提供重要的信息。 3、体视显微镜 使用体视显微镜时需要注意在取样时不得将进一步的损伤引入受观测的样品。使用金相显微镜时，受测样品需要首先在模具中固定，然后用树脂浇铸成圆柱形试样。圆柱的地面为受测面。受测面在打磨、抛光成镜面后放置于金相显微镜上。高分子聚合物亚微观结构形貌的清晰度取决于受测面抛光的质量。 4.X射线衍射 利用X射线的广角或小角度衍射可以获取高分子聚合物的晶态和液晶态组织结构信息。有关内容参见高分子聚合物的晶态和高分子聚合物液晶态栏目。 5.扫描电镜（SEM） 扫描电镜用电子束扫描聚合物表面或断面，在阴极射线管上（CRT）产生被测物表面的影像。对导电性样品，可用导电胶将其粘在铜或铝的样品座上，直接观察测量的表面；对绝缘性样品需要事先对其表面喷镀导电层（金、银或炭）。 用SEM可以观察聚合物表面形态；聚合物多相体系填充体系表面的相分离尺寸及相分离图案形状；聚合物断面的断裂特征；纳米材料断面中纳米尺度分散相的尺寸及均匀程度等有关信息。 6.透射电镜（TEM） 透射电镜可以用来表征聚合物内部结构的形貌。将待测聚合物样品分别用悬浮液法，喷物法，超声波分散法等均匀分散到样品支撑膜表面制膜；或用超薄切片机将高分子聚合物的固态样样品切成50nm薄的试样。把制备好的试样置于透射电子显微镜的样品托架上，用TEM可观察样品的结构。利用TEM可以观测高分子聚合物的晶体结构，形状，
《物质结构与性质》复习讲义
《物质结构与性质》复习讲义 一.原子结构与性质. 一.认识原子核外电子运动状态，了解电子云、电子层（能层）、原子轨道（能级）的含义. 1.电子云：用小黑点的疏密来描述电子在原子核外空间出现的机会大小所得的图形叫电子云图.离核越近，电子出现的机会大，电子云密度越大；离核越远，电子出现的机会小，电子云密度越小. 电子层（能层）：根据电子的能量差异和主要运动区域的不同，核外电子分别处于不同的电子层.原子由里向外对应的电子层符号分别为K、L、M、N、O、P、Q. 原子轨道（能级即亚层）：处于同一电子层的原子核外电子，也可以在不同类型的原子轨道上运动，分别用s、p、d、f表示不同形状的轨道，s轨道呈球形、p轨道呈纺锤形，d轨道和f轨道较复杂.各轨道的伸展方向个数依次为1、3、5、7. 2.(构造原理） 了解多电子原子中核外电子分层排布遵循的原理，能用电子排布式表示1～36号元素原子核外电子的排布. (1).原子核外电子的运动特征可以用电子层、原子轨道(亚层)和自旋方向来进行描述.在含有多个核外电子的原子中，不存在运动状态完全相同的两个电子. (2).原子核外电子排布原理. ①.能量最低原理:电子先占据能量低的轨道，再依次进入能量高的轨道. ②.泡利不相容原理:每个轨道最多容纳两个自旋状态不同的电子. ③.洪特规则:在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋状态相同. 洪特规则的特例:在等价轨道的全充满（p6、d10、f14）、半充满（p3、d5、f7）、全空时(p0、d0、f0)的状态，具有较低的能量和较大的稳定性.如24Cr [Ar]3d54s1、29Cu [Ar]3d104s1. (3).掌握能级交错图和1-36号元素的核外电子排布式.
最新聚合物材料表征与测试考点
一、红外光谱中，什么是特征频率区、指纹区？二者的频率范围是多少？三键、 双键和单键分别在哪个频率范围内会产生吸收峰？ 能代表某种基团存在并具有较高强度的吸收峰所在的频率位置称为基团特征吸收频率。一些同系物或结构相似的化合物，在这个区域的谱带往往存在一定的区分，可以区别开来，如同人的指纹，因此称为指纹区 三键在2400-2100cm-1处产生吸收峰 双键在1900-1500cm-1处产生吸收峰 单键在1300cm-1以下产生吸收峰 二、什么是热分析？常用的热分析方法有哪些？（至少三种） 热分析是在受控程序温度条件下和规定的气氛测量物质的物理性质随温度或时间变化的技术。常用的热分析方法有差式扫描量热和差热分析、热重分析和动态力学分析 三、核磁共振氢谱图可以提供哪些主要信息？ 峰的数目:标志分子中磁不等性质子的种类，多少种； 峰的强度(面积)比:每类质子的数目(相对)，多少个； 峰的位移值(δ):每类质子所处的化学环境、化合物中位置； 峰的裂分数:相邻碳原子上质子数； 偶合常数(J):确定化合物构型。 四、X射线衍射谱图物相分析的基本思想是什么？说出晶态、非晶态、半晶态衍射谱图的特征分别是什么？（p78） 1）
2） 3）区分晶态与非晶态（鉴别是否有结晶） 聚合物鉴定 识别晶体类型 尖锐峰——结晶存在 弥散“隆峰”——样品中有非晶态 不尖锐不弥散的“突出峰”——有结晶存在，但不完善 五、拉曼与红外 一般说来极性基团的振动和分子非对称振动使分子的偶极矩变化，所以是红外活性的。非极性基团的振动和分子的全对称振动使分子极化率变化，所以是拉曼活性的。 拉曼光谱最适用于研究同种原子的非极性健如S－S，N＝N，C＝C，C≡C等的振动。 红外光谱适用于研究不同种原子的极性键如C＝O，C—H，N—H，O－H等的振动。 名词解释： 1双折射现象： 光束入射到各向异性的晶体上时，入射光分解为两束光而沿不同方向折射的现象。它们为振动方向互相垂直的线偏振光。 2化学位移： 由于原子核外电子运动产生了感应磁场，对外磁场产生屏蔽作用（σ屏蔽常数，反映核所处的化学环境），使质子的共振频率发生变化，在谱图上反映出谱峰的位置移动了
最新材料结构表征重点知识总结
第一章，绪论 材料研究的四大要素：材料的固有性质，材料的结构，材料的使用使用性能。 材料的固有性质大都取决于物质的电子结构，原子结构和化学键结构。 材料表征的三大任务及主要测试技术：1、化学成分分析：质谱，色谱，红外光谱，核磁共振；2、材料结构的测定，X射线衍射，电子衍射，中子衍射；3、形貌观察：光学显微镜，电子显微镜，投射显微镜。 第二章，红外光谱及激光拉曼光谱 2.1红外光谱的基本原理 红外光谱的定义：当一束具有连续性波长的红外光照射物质时，该物质的分子就有吸收一定的波长红外光的光能，并将其转变为分子的振动能和装动能，从而引起分子振动—转动能级的跃迁，通过仪器记录下来不同波长的透射率的变化曲线，就是该物质的红外吸收光谱。中红外去波数范围（4000—400cm-1） 简正振动自由度（3n-6或3n-5）及其特点：3n-6是分子振动自由度3n-5是直线分子的振 动自由度 特点：分子质点在振动过程中保持不变，所有的原子都在同一瞬间通过各自的平衡位置。每 个简谐振动代表一种振动方式，有它自己的特 征频率 简正振动的类型：1、伸缩振动2、弯曲振动 分子吸收红外辐射必须满足的条件：主要振动过程中偶极矩的变化、振动能级跃迁几率 2.2红外光谱与分子结构 红外光谱分区：官能团去（4000-1330cm-1）指纹区（1330-400cm-1） 基团特征频率定义：具有相同化学键或官能团的一系列化合物有共同的吸收频率，这种频率就叫基团特征频率 影响因素，内部因素：诱导效应，共振效应，键应力的影响，氢键的影响，偶合效应，费米共振；外部因素：物态的变化的影响，折射率和粒度的影响，溶剂的影响 诱导效应：在具有一定极性的共价键中，随着取代基的电负性不同而产生不同程度的静电诱导作用，引起分子中电荷分布的变化，从而改变了键的常熟，使振动的频率发生改变，这就是诱导效应。 2.3红外光谱图的解析方法 普带的三个特征：1位置：基因存在的最有用的特征；2形状：有关基因存在的一些信息；3相对强度：把红外光谱中一条普带的强度和另一条谱带相比，可以得出一个定量的概念 影响谱图质量的因素：1仪器参数的影响；2环境的影响：空气湿度，样品污染等;3厚度的影响（要求10——50um） 2.7激光拉曼光谱 基本概念： 拉曼散射：人射光照射在样品上，人射光子与样品之间发生碰撞有能量交换称为拉曼散射斯托克斯线：拉曼散射中，散射光能量减少，在垂直方向测量到散射光中，可以检测到频率为（）的线，称为斯托克斯线。 反斯托克斯线：相反，若样子分子获得能量，在大于人射光频率出收到散射光线 拉曼位移：斯托克斯线或反斯托克斯线与人射光频率之差称了拉曼位移
聚合物测试表征复习重点
第一章：红外吸收光谱法 1.红外吸收法的基本原理及仪器组成； 2.样品的制备方法； 3.红外吸收光谱法在高聚物定性分析中的应用，熟悉高聚物红外吸收谱图横、 纵坐标表示的物理意义，熟悉常见官能团吸收峰位置，能够给出红外图谱上主要吸收峰的归属，从而判断该聚合物的种类；能够通过红外图谱中可反应官能团的消失或新官能团的出现来判断高聚物化学反应的进程。 第二章：热分析 1.热分析方法的种类； 2-1.差示量热扫描法(DSC)的基本原理、实验技术和主要影响因素； 2-2.DSC在高分子材料领域的应用，分物理转变的研究和化学反应的研究两类。物理转变包括结晶/熔融、液晶转变等相转变以及玻璃化转变等；化学反应包括聚合、交联等。可以用来测定聚合物的结晶度、反应热，研究结晶动力学和反应动力学。 2-3.重点：用DSC研究聚合物结晶行为时常采用的两种测试方法(非等温结晶法和等温结晶法)：熟悉结晶聚合物的升温曲线和降温曲线中各个参数的物理意义，掌握熔点和结晶点的确定方法，能够通过熔融峰面积计算聚合物的结晶度。 2-4.玻璃化转变温度的确定。如何通过熔融DSC曲线判断两相聚合物共混物的相容性好坏？(玻璃化转变温度、熔点间位置的变化) 3-1.热重法(TG)的基本原理、实验技术和主要影响因素； 3-2.TG的应用-广泛应用于高分子材料的组成分析、热稳定性测定、氧化或分解反应及其动力学研究、失去低分子物的缩聚反应研究和材料老化研究等； 3-3.重点：熟悉TG曲线各项参数的物理含义；如何通过TG曲线判断聚合物耐热性能的好坏(失重百分数温度1%、5%、50%);如何通过TG曲线分析材料的组成。 第三章：X射线法(大角X射线衍射法-WAXD、小角X射线散射法-SAXS) 1.X射线在晶体中衍射的基本原理及测定方法-布拉格方程：nλ=2dsinθ,其中 θ为掠射角，晶面间距d，n为正整数(1,2,3……)，称衍射级数； 2.了解X射线衍射法在聚合物中的应用；
高分子聚合物的主要表征方法
摘要 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
ABSTRACT This 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
材料表征方法思考题答案
第一章XRD 1.X射线的定义、性质、连续X射线和特征X射线的产生、特点。 答：X射线定义：高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。性质：看不见；能使气体电离，使照相底片感光，具有很强的穿透能力，还能使物质发出荧光；在磁场和电场中都不发生偏转；当穿过物体时只有部分被散射；能杀伤生物细胞。 连续X射线产生：经典物理学解释——由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。量子力学解释——大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。特点：强度随波长连续变化 特征X射线产生：当管电压达到或高于某一临界值时，阴极发出的电子在电场的加速下，可以将物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。此时的原子处于激发态。处于激发态的原子有自发回到激发态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量降低。原子从高能态变为低能态时，多出的能量以X射线的形式释放出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能级差一定，故辐射出波长一定的特征X射线。特点：仅在特定的波长处有特别强的强度峰。 2.X射线与物质的相互作用 答：X射线与物质的相互作用，如图所示 一束X射线通过物体后，其强度因散射和吸收而被衰减，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。 散射分为两部分，即相干散射和不相干散射。当X射线照射到物质的某个晶面时可以产生反射线，当反射线与X射线的频率、位相一致时，在相同反射方向上的各个反射波相互干涉，产生相干散射；当X射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，产生波长比入射X射线波长长的X射线，且波长随着散射方向的不同而改变，这种现象称为不相干散射。其中相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。 物质对X射线的吸收是指X射线通过物质时，光子的能量变成了其它形式的能量，即产生了光电子、俄歇电子和荧光X射线。当X射线入射到物质的内层时，使内层的电子受激发而离开物质的壳层，则该电子就是光电子，与此同时产生内层空位。此时，外层电子将填充到内层空位，相应伴随着原子能量降低，放出的能量就是荧光X射线。当放出的荧光X射线回到外层时，将使外层电子受激发，从而产生俄歇电子而出去。产生光电子和荧光X射线的过程称为光电子效应，产生俄歇电子的过程称为俄歇效应。示意图见下：
第三节 物质组成的表示方法(第3课时)
第3章第三节物质组成的表示方法（第3课时）【学习目标】 1、能根据相对原子质量求相对分子质量； 2、能根据化学式进行简单的计算。 【学习重点、难点】能根据化学式进行简单的计算 【学习过程】 一、课前预习〖阅读〗P85-86 二、思考与交流 （一）计算物质的相对分子质量 相对分子质量：构成分子的各原子的相对原子质量的总和 CO2的相对分子质量= Ca（OH）2的相对分子质量= （二）纯净物中元素之间的质量关系 1、化合物中各元素的质量比 CO2中C、O 质量比= NH4HCO3中N、H、C、O的质量比= 2、化合物中元素的质量分数 （1）Fe2O3中Fe的质量分数= （2）NH4NO3中N的质量分数= 注意：在计算质量分数时，一定要把所求元素的原子个数找清楚，不要漏掉。 3、化合物中某元素质量的计算 化合物中某元素质量=化合物的质量×该元素的质量分数 （1）36g水中含有多少克氢元素？多少克氧元素？ 化合物的质量=化合物中某元素质量÷该元素的质量分数 （2）求多少克CO2中会有6g碳元素？ 三、总结与反思 四、达标检测 1、10个二氧化碳分子和10个二氧化硫分子，一样多的是( ) A．氧分子个数B．氧原子个数C．氧元素个数D．氧元素的质量分数2、已知尿素的化学式为CO(NH2)2，试根据其化学式计算： （1）尿素的相对分子质量（2）尿素中各元素的质量比 （3）尿素中氮元素的质量分数（4）求120g尿素中含氮元素的质量
（5）求多少千克尿素与158kg的碳酸氢铵含氮量相等。 3、维生素C主要存在于蔬菜和水果中，它能促进人体生长发育，增加人体对疾病的抵抗力，近年来科学家还发现维生素C有防癌作用。根据维生素C的化学式：C6H8O6，你可获得哪此信息？ ① ② ③ 4、商店中现有碳铵（NH4HCO3）、尿素[CO(NH2)2]两种氮肥，标价为：碳铵0.54元/kg，尿素1.25元/kg，若用100元钱买化肥，通过计算论证理论上买哪种化肥合算？ 5、尿素[CO(NH2)2]是一种肥效高的常用氮肥。现有一尿素样品，测得其中氮元素的质量分数是43.5%，通过计算说明尿素是纯净物还是混合物。 6、青少年应“珍爱生命，远离毒品”。海洛因是一种常见毒品，其元素质量分数分别为C:68.29%，H:6.23%，O:21.68%，其余为氮。若已知相对分子质量不超过400，求海洛因的化学式。 五、课后训练《同步导学》第6课时物质组成的表示方法（二）
反气相色谱法表征聚合物表面性质的方法比较
【摘要】以聚甲基丙烯酸甲酯 丙烯酸丁酯 苯乙烯基七环戊基多面齐聚倍半硅氧烷三元共聚物为模型聚合物，全面介绍了反气相色谱技术表征聚合物表面性质的方法，探讨了不同的计算方法对测定结果的影响。结果表明：Schultz方法和Dorris/Gray方法均可用于计算聚合物的表面能的色散分量γＤs，但两者测得的γＤs值存在一定的差异，且随温度的升高，差异逐渐增大，Dorris/Gray方法更适合于计算聚合物的γＤs；而Sawyer、Schultz和Papirer 3种方法都能表征聚合物表面与极性探针的特殊相互作用以及聚合物表面的酸碱特征，其中以溶剂探针的沸点作参照点的Sawyer计算方法更具有简单、快捷的优点，更具有实用性。 【关键词】反气相色谱表面性质聚合物 1 引言 高分子材料因其独特的性能，已广泛应用于工业、农业、航空航天、国防、民用生活等各个领域。对于聚合物片材、薄膜、纤维等，其表面性质甚至比其本体性质更重要[1]。 反气相色谱（Inverse Gas Chromatography, IGC）所采用的气相色谱实验技术成熟、操作简便、设备简单，而且可得到的数据量大，在研究聚合物的热转变、结晶行为、溶液的热力学性质以及聚合物共混的热力学相溶性等方面获得了广泛应用[2～5]。特别是20世纪90年代以来，IGC技术在聚合物表面性质的表征中同样获得了成功的应用[6～8]，能够从理论上为聚合物材料的共混和复合提供有价值的实验依据。因此，IGC技术可能成为表征聚合物表面性质的常用方法。 IGC技术表征聚合物的表面性质包括：溶剂分子与聚合物表面分子间的相互作用参数、聚合物表面能的色散分量以及表面的酸性常数和碱性常数等。计算过程中，同一参数可以采用不同的处理方法得到。本研究以聚甲基丙烯酸甲酯 丙烯酸丁酯 苯乙烯基七环戊基多面 为模型聚合物，采用 齐聚倍半硅氧烷三元共聚物(poly(MMA co BA co styryl POSS)) IGC技术测定聚合物表面能的色散分量以及表面的酸性常数和碱性常数等物理化学参数，介绍了数据的计算方法，并比较了不同计算方法的可行性和实用性。 2 实验部分 2.1 仪器与试剂 GC 16A型气相色谱仪（日本岛津公司）；色谱工作站：N2000(南京千谱公司)。 探针分子：正己烷(Hexane)、正庚烷(Heptane)、正辛烷(Octane)、正壬烷(Nonane)、乙酸乙酯(Ethylacetate, EtAc)、二氯甲烷(Dichloromethane, DCM)、三氯甲烷(Trichloromethane, TCM )、乙醚(Diethylether)、四氢呋喃(Tetrahydrofuran, THF)、丙酮(Acetone)均为分析纯，其物理化学性质见表1，硅藻土载体(60～80目)，以上试剂均购于上海化学试剂厂；甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸丁酯（BA）、苯乙烯基七环戊基多面齐聚倍半硅氧烷（styryl POSS）三元共聚物（自制，制备方法及表征见文献[8]）。
物质结构练习题
物质结构练习题 一、选择 1.在一个多电子原子中，具有下列各套量子数(n，l，m，m s )的电子，能量最大的电子具有的量子数是-------- ( ) (A) 3,2,+1,+1/2 (B) 2,1,+1,-1/2 (C) 3,1,0, -1/2 (D) 3,1, -1,+1/2 2. 原子序数为19 的元素的价电子的四个量子数为----------- ( ) (A) n＝1,l＝0,m＝0,m s ＝+1/2 (B) n＝2，l＝1，m＝0，m s ＝+1/2 (C) n＝3,l＝2,m＝1,m s ＝+1/2 (D) n＝4，l＝0，m＝0，m s ＝+1/2 3. 氢原子中的原子轨道的个数是----------- ( ) (A) 1个(B) 2个(C) 3个(D) 无穷多个 4. 对于原子的s轨道，下列说法中正确的是----------- ( ) (A) 距原子核最近(B) 必有成对电子(C) 球形对称(D) 具有方向性 5. 下列各组量子数中，合理的一组是---------- ( ) (A) n=3，l=1，m1 =+1，m s=+1/2 (B) n=4，l=5，m1 =-1，m s= +1/2 (C) n=3，l=3，m1 =+1，m s=-1/2 (D) n=4，l=2，m1 =+3，m s= -1/2 6. 在能量简并的d轨道中电子排布成，而不排布成，其最直接的根据是---------- ( ) (A) 能量最低原理(B) 保里原理(C) 原子轨道能级图(D) 洪特规则 7. 若将N 原子的基态电子构型写成1s2 2 s 2 2p x2 2p y1，这违背了---- ( ) (A) Pauli 原理(B) Hund 规则(C) 对称性一致的原则(D) Bohr 理论 8. 在分子中衡量原子吸引成键电子的能力用------------ ( ) (A) 电离能(B) 电子亲合能(C) 电负性(D) 解离能 9. 能和钠形成最强离子键的单质是----------------- ( ) (A) H2 (B) O2 (C) F2 (D) Cl2 10. 下列物质中，既有离子键又有共价键的是--------( ) (A) KCl (B) CO (C) Na2SO4 (D) NH4+ 11. 下列说法中正确的是-----------( ) (A) 共价键仅存在于共价型化合物中(B)由极性键形成的分子一定是极性分子 (C) 由非极性键形成的分子一定是非极性分子(D) 离子键没有极性 12. 下列化学键中，极性最弱的是------------ ( ) (A) H-F (B) H-O (C) O-F (D) C-F 13. 下列分子中属极性分子的是------------------- ( ) (A) SiCl4(g) (B) SnCl2 (g) (C) CO2 (D) BF3 14. BF3 分子的偶极矩数值( D )为-------------- ( ) (A) 2 (B) 1 (C) 0.5 (D) 0 15. 下列各组判断中正确的是-------------------- ( ) (A) CH4，CO2非极性分子(B) CHCl3，BCl3，H2S，HCl极性分子 (C) CH4，H2S，CO2非极性分子(D) CHCl3 ，BCl3 ，HCl极性分子 16. 为确定分子式为ＸＹ2 的共价化合物是直线型还是弯曲型的，最好要测定它的----( ) (A)与另一个化合物的反应性能(B)偶极矩(C)键能(D) 离子性百分数 17. 下列说法中正确的是---------------- ( ) (A) BCl3分子中B—Cl键是非极性的(B) BCl3分子和B—Cl键都是极性的 (C) BCl3分子是极性分子，而B—Cl键是非极性键 (D) BCl3分子是非极性分子，而B—Cl键是极性键 18. 下列物质中，含极性键的非极性分子是------------------------- ( ) (A) H2O (B) HCl (C) S O3 (D) NO2 19. 在单质碘的四氯化碳溶液中，溶质和溶剂分子之间存在着------------ ( ) (A) 取向力(B) 诱导力(C) 色散力(D) 诱导力和色散力 20. 下列液态物质中只需克服色散力就能使之沸腾的是: -----------( ) (A) H2O (B) CO (C) HF (D) Xe
最新医用高分子材料表征方法及原理
医用高分子材料表征方法及原理 医用高分子材料是一类特殊用途的材料。它们在使用过程中，常需与生物肌体、血液、体液等接触，有些还须长期植入体内。由于医用高分子与人们的健康密切相关，因此对进入临床使用阶段的医用高分子材料具有严格的要求，要求有十分优良的特性。归纳起来，一个具备了以下七个方面性能的材料，可以考虑用作医用材料。 （1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应人体环境对高分子材料主要有以下一些影响： 1)体液引起聚合物的降解、交联和相变化； 2)体内的自由基引起材料的氧化降解反应； 3)生物酶引起的聚合物分解反应； 4)在体液作用下材料中添加剂的溶出； 5)血液、体液中的类脂质、类固醇及脂肪等物质渗入高分子材料，使材料增塑，强度下降。 但对医用高分子来说，在某些情况下，“老化”并不一定都是贬意的，有时甚至还有积极的意义。如作为医用粘合剂用于组织粘合，或作为医用手术缝合线时，在发挥了相应的效用后，反倒不希望它们有太好的化学稳定性，而是希望它们尽快地被组织所分解、吸收或迅速排出体外。在这种情况下，对材料的附加要求是：在分解过程中，不应产生对人体有害的副产物。 （2）对人体组织不会引起炎症或异物反应 有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不良影响，但在合成、加工过程中不可避免地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面,从而对周围组织发生作用，引起炎症或组织畸变，严重的可引起全身性反应。 （3）不会致癌 根据现代医学理论认为，人体致癌的原因是由于正常细胞发生了变异。当这些变异细胞以极其迅速的速度增长并扩散时，就形成了癌。而引起细胞变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素，也有病毒引起的原因。 当医用高分子材料植入人体后，高分子材料本身的性质，如化学组成、交联度、相对分子质量及其分布、分子链构象、聚集态结构、高分子材料中所含的杂质、残留单体、添加剂都可能与致癌因素有关。但研究表明，在排除了小分子渗出物的影响之外，与其他材料相比，高分子材料本身并没有比其他材料更多的致癌可能性。 （4）具有良好的血液相容性 当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时间与体内的血液接触。因此，医用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的。高分子材料的血液相容性问题是一个十分活跃的研究课题，但至今尚未制得一种能完全抗血栓的高分子材料。这一问题的彻底解决，还有待于各国科学家的共同努力。 （5）长期植入体内不会减小机械强度 许多人工脏器一旦植入体内，将长期存留，有些甚至伴随人们的一生。因此，要求植入体内的高分子材料在极其复杂的人体环境中，不会很快失去原有的机械强度。事实上，在长期的使用过程中，高分子材料受到各种因素的影响，其性能不可能永远保持不变。我们仅希望变化尽可能少一些，或者说寿命尽可能长一些。 一般来说，化学稳定性好的，不含易降解基团的高分子材料，机械稳定也比较好。
东华大学材料结构表征及其应用作业答案
“材料研究方法与测试技术”课程练习题 第二章红外光谱法 1.为什么说红外光谱是分子振动光谱？分子吸收红外光的条件是什 么？双原子基团伸缩振动产生的红外光谱吸收峰的位置主要与哪些因素有关? 答案:这是由于红外光谱是由样品分子振动吸收特定频率红外光发生能级跃迁而形成的。分子吸收红外光的条件是：(1)分子或分子中基团振动引起分子偶极矩发生变化；(2)红外光的频率与分子或分子中基团的振动频率相等或成整数倍关系。双原子基团伸缩振动产生的红外光谱吸收峰的位置主要与双原子的折合质量（或质量)和双原子之间化学键的力常数(或键的强度；或键的离解能）有关。 2.用诱导效应、共轭效应和键应力解释以下酯类有机化合物的酯羰 基吸收峰所处位置的范围与饱和脂肪酸酯的酯羰基吸收峰所处位置范围（17３５~１75０cm-１）之间存在的差异。 芳香酸酯：１7１5~1730ｃm-１ α酮酯：1740～175５ｃm-1 丁内酯：～１82０cm-1 答案：芳香酸酯:苯环与酯羰基的共轭效应使其吸收峰波数降低;α酮酯：酯羰基与其相连的酮羰基之间既存在共轭效应，也存在吸电子的诱导效应，由于诱导效应更强一些，导致酯羰基吸收峰的波数上升；丁内酯：四元环的环张力使酯羰基吸收峰的波数增大。
3.从以下FTIR谱图中的主要吸收峰分析被测样品的化学结构中可能 存在哪些基团？分别对应哪些吸收峰? 答案:3４８6ｃｍ－1吸收峰:羟基（－OH）；3335cｍ-1吸收峰：胺基（－NH２或-NH-)；2971cm-1吸收峰和2８７0cｍ-1吸收峰：甲基(-C Ｈ3）或亚甲基(-ＣH２-)；２115ｃm－1吸收峰:炔基或累积双键基团(-N＝C＝Ｎ-);1７28cm-1吸收峰：羰基；１604ｃm-1吸收峰、15２6cm-１吸收峰和1458cｍ-１吸收峰:苯环;1１08cｍ-１吸收峰和11４8cm-1吸收峰：醚基（C-O-C)。1２３２ｃｍ-1吸收峰和1247cｍ－１吸收峰：C-N。 第三章拉曼光谱法 1. 影响拉曼谱峰位置(拉曼位移)和强度的因素有哪些？如果分子的同一种振动既有红外活性又有拉曼活性，为什么该振动产生的红外光谱吸收峰的波数和它产生的拉曼光谱峰的拉曼位移相等？
高分子材料力学性能
高分子材料的力学性能及表征方法 用途 聚合物的力学性能是高分子聚合物在作为高分子材料使用时所要考虑的最主要性能。它牵涉到高分子新材料的材料设计，产品设计以及高分子新材料的使用条件。因此了解聚合物的力学性能数据，是我们掌握高分子材料的必要前提。聚合物力学性能数据主要是模量（E），强度（σ），极限形变（ε）及疲劳性能（包括疲劳极限和疲劳寿命）。由于高分子材料在应用中的受力方式不同，聚合物的力学性能表征又按不同受力方式定出了拉伸（张力）、压缩、弯曲、剪切、冲击、硬度、摩擦损耗等不同受力方式下的表征方法及相应的各种模量、强度、形变等可以代表聚合物受力不同的各种数据。由于高分子材料类型的不同，实际应用及受力情况有很大的差变，因此对不同类型的高分子材料，又有各自的特殊表征方法、例纤维、橡胶的力学性能表征。 表征方法及原理 （1）拉伸性能的表征 用万能材料试验机，换上拉伸实验的样品夹具，在恒定的温度、湿度和拉伸速度下，对按一定标准制备的聚合物试样进行拉伸，直至试样被拉断。仪器可自动记录被测样品在不同拉伸时间样品的形变值和对应此形变值样品所受到的拉力（张力）值，同时自动画出应力－应变曲线。根据应力-应变曲线，我们可找出样品的屈服点及相应的屈服应力值，断裂点及相应的断裂应力值，样品的断裂伸长值。将屈服应力，断裂应力分别除以样品断裂处在初制样时样品截面积，即可分别求出该聚合物的屈服强度σ屈和拉伸强度（抗张强度）σ拉值。样品断裂伸长值除以样品原长度，即是聚合物的断裂伸长率ε。应力－应变曲线中，对应小形变的曲线中（即曲线中直线部分）的斜率，即是聚合物的拉伸模量（也称抗张模量）E值。聚合物试样拉伸断裂时，试样断面单维尺寸（厚或宽的尺寸）的变化值除以试样的断裂伸长率ε值，即为聚合物样品的“泊松比”（μ）的数值。 （2）压缩性能、弯曲性能、剪切性的表征。 用万能材料试验机，分别用压缩试验，弯曲试验，剪切试验的样品夹具，在恒定的温度、湿度及应变速度下进行不同方式的力学试验。并根据不同的计算公式，求出聚合物的压缩模量、压缩强度、弯曲模量、弯曲强度、剪切模量、剪切强度等数据。 （3）冲击性能的表征。
高分子聚合物的取向表征
高分子聚合物的取向表征 用途 高分子和它的链段本身具有较大的长度，因此在空间上必然指向一定的方向。当高分子链段在空间随机取向时，由概率论可知，此时分子或分子链段指向各个方向的几率是相同的。在宏观上，高分子的这种取向方式使高分子聚合物在各个方向上呈现相同的品质，即各向同性性质。高分子链段也可能沿某些方向规整地周期性排列，从而形成高分子晶体。在一些条件下，如外力，流动等，相当数量的高分子链段会平行指向同一方向，由此形成的高分子聚集态结构被称作取向态结构。高分子链段平行地向同一方向排列的现象叫做高分子聚合物的取向。 表征方法及原理 1.高分子聚合物中分子链的取向度 1.1 高分子聚合物的取向 由于高分子聚合物取向后多数分子链段指向同一个方向，在这一方向上，高分子聚合物的宏观性能显然与其他方向存在差异，材料呈各项异性性质。在力学性能上，取向方向的强度、刚度会明显提高，而与之垂直方向上的强度和刚度则可能会降低。在光学性能上，高分子聚合物的取向导致双折射现象的出现。热性能上，热膨胀系数在取向和非取向方向上不同。高分子聚合物在外力作用下的取向有两种方式： l 单轴取向 l 双轴取向 单轴取向：高分子聚合物在单一方向上被外力拉伸；聚合物的长度增加，厚度和宽度减小。分子链受外力的影响指向受力方向。 双轴取向：外力在两个互相垂直的方向拉伸高分子聚合物。聚合物的在受力方向的长度增加，厚度减小，高分子链段相对于拉伸平面平行排列，在拉伸平面内则为随机排列。可见，双轴取向后，高分子聚合物在拉伸平面内的性能呈各项同性。 1.2 取向度 高分子聚合物中分子链段向特定方向排列的程度叫做取向度。取向度一般用取向函数F表示： F=0.5 (3cos2θ —1) 在定义取向函数时，通常取一特定的方向（如拉伸方向）作为参考方向，取分子的链轴方向与参考方向的夹角为取向角，θ。对于实际的高分子聚合物，θ不是一个定值，而是按一定的方式分布，因此取向函数方程中的θ往往采用实际取向角的平均值。 2.取向度的测定方法 2.1 广角X射线衍射法（W AXS） 选定取向单元（例如高分子主链轴、高聚物结晶主轴），然后选择取向度的参考方向，如拉伸方向。用广角X射线衍射仪获取样品的衍射图，取赤道线上Debye环（常用最强环）的强度分布曲线的半高宽（单位为“度”），计算聚合物样品中高分子链及微晶体的取向度： 式中，Π为聚合物样品中高分子链及微晶体沿样品被拉伸方向的取向度，H°为赤道线上Debye环强度分布曲线的半高宽度。Π值没有明确物理意义，只能做相对比较的参考数据。 2.2 双折射法表征纤维的取向度。 用偏光显微镜观测浸于油中的纤维。“浸油”是已知折光指数的油剂。变换不同折光指数的油