폴리머 특성화

Polymer characterization

폴리머 특성화는 폴리머 과학의 분석적인 분야다.

그 규율은 다양한 수준의 고분자 물질의 특성화와 관련이 있다.특성화는 일반적으로 재료의 성능을 향상시키는 것을 목표로 한다.이와 같이 많은 특성화 기법은 강도, 불변성, 열 안정성, 광학적 특성 등 재료의 바람직한 특성과 이상적으로 연계되어야 한다.[1]

특성화 기법은 일반적으로 분자 질량, 분자 구조, 형태학, 열 특성 및 기계적 특성을 결정하는 데 사용된다.[2]

분자질량

중합체의 분자 질량은 전형적인 분자와 다르며, 중합반응이 분자 무게와 모양의 분포를 만들어 낸다는 점에서 차이가 있다.분자 질량의 분포는 평균 분자량, 중량 평균 분자량, 다분자량으로 요약할 수 있다.이러한 매개변수를 결정하는 가장 일반적인 방법으로는 대조적 특성 측정, 정적 광 산란 기술, 점도계 및 크기 제외 크로마토그래피 등이 있다.

크기 배제 크로마토그래피의 일종인 겔투과 크로마토그래피는 특히 고분자의 유체역동적 체적을 바탕으로 분자량 분포 파라미터를 직접 결정하는 데 유용한 기법이다.겔투과 크로마토그래피는 분자량 분포의 절대 결정(즉, 크로마토그래픽 분리상세)을 위해 다각광 산란(MALS), 저각 레이저광 산란(LALS) 및/또는 점성계와 결합하여 사용하는 경우가 많으며, 분자량 분포의 분지 비율과 긴 체인 브라의 정도도에도 무관하다.적절한 용제가 발견될 수 있다면 폴리머의 응결.[3]

복합체의 어금니 질량 결정은 훨씬 복잡한 절차다.이 합병증은 용제가 균등분해체에 미치는 영향과 이것이 복합체 형태학에 어떤 영향을 미칠 수 있는가에 의해 발생한다.복합체의 분석에는 일반적으로 여러 가지 특성화 방법이 필요하다.예를 들어, 선형 저밀도 폴리에틸렌(에틸렌의 복합체 및 헥센이나 옥틴과 같은 고알켄)과 같은 짧은 체인 분지를 가진 복합체는 분석 온도 상승 용출 분율(ATREF) 기법의 사용을 요구한다.이러한 기법들은 다양한 분자량 위에 어떻게 짧은 사슬 가지가 분포되어 있는지를 밝혀낼 수 있다.복합체를 UV 및/또는 굴절률에 대해 서로 다른 반응을 제공하는 2개의 기본 중합체로 구성된 경우, 다중 각도 광 산란, UV 흡수 및 미분 굴절률로 구성된 3중 검출 시스템과 결합된 GPC를 사용하여 복합체 분자 질량 및 구성의 보다 효율적인 분석이 가능하다.[4]

분자구조

알려지지 않은 유기화합물의 분자구조를 결정하는 데 사용되는 많은 분석 기법들은 폴리머 특성화에도 사용된다.자외선 가시 분광기, 적외선 분광기, 라만 분광기, 핵 자기공명 분광기, 전자 스핀 공명 분광기, X선 회절, 질량 분광기 등의 분광기법이 공통 기능군을 식별하는 데 사용된다.

형태학

폴리머 형태학은 폴리머 체인의 무정형 또는 결정체 부분과 그것들이 서로에 미치는 영향에 의해 주로 지시되는 미량 특성이다.중합체 형태학에 의해 만들어진 영역은 현대의 현미경 도구를 사용하여 볼 수 있을 만큼 충분히 크기 때문에 현미경 검사 기법은 특히 이러한 미시적 특성을 결정하는데 유용하다.사용되는 가장 일반적인 현미경 기법으로는 X선 회절, 전송 전자 현미경, 스캐닝 전송 전자 현미경, 스캐닝 전자 현미경, 원자력 현미경 등이 있다.

메소스케일(나노미터에서 마이크로미터까지)의 폴리머 형태학은 많은 재료의 기계적 특성에 특히 중요하다.전송 전자 현미경 검사는 얼룩 기술과 결합되어 있지만, 또한 스캐닝 전자 현미경 검사, 스캐닝 프로브 현미경은 폴리부타디엔-폴리스타일렌 중합체와 많은 폴리머 혼합과 같은 물질의 형태학을 최적화하는 중요한 도구다.

X선 회절은 일반적으로 이 등급의 물질에 대해 비정형적이거나 불완전하게 결정되는 만큼 강력하지 않다.소각 X선 산란(SAXS)과 같은 소각 산란(Small-angle)은 반고리 중합체의 긴 기간을 측정하는 데 사용할 수 있다.

열적 특성

폴리머 특성화의 진정한 일꾼은 열 분석, 특히 차동 스캐닝 열량 측정이다.재료의 구성 및 구조 매개변수의 변화는 일반적으로 용해 전환 또는 유리 전환에 영향을 미치며, 이러한 변화는 많은 성능 매개변수와 연결될 수 있다.세미스트리탈린 폴리머의 경우 결정성을 측정하는 중요한 방법이다.열가비계 분석은 또한 폴리머 열 안정성 및 내연제와 같은 첨가제의 효과를 나타낼 수 있다.다른 열 해석 기법은 일반적으로 기본 기법의 조합이며, 차열 분석, 열역학 분석, 동적 기계적 열 분석 및 유전체 열 분석을 포함한다.

동적 기계적 분광학 및 유전체 분광학은 본질적으로 열분석의 확장으로, 복합적인 계량학이나 물질의 유전적 기능에 영향을 미치기 때문에 온도와 함께 보다 미묘한 변화를 나타낼 수 있다.

기계적 특성

중합체 내 기계적 성질의 특성화는 일반적으로 중합체 물질의 강도, 탄력성, 점탄성, 음이소트로피의 측정을 말한다.폴리머의 기계적 특성은 폴리머 체인의 Van der Waals 상호작용과 체인의 연장 및 적용된 힘의 방향으로 정렬하는 능력에 크게 좌우된다.폴리머가 광선을 형성하는 경향과 같은 다른 현상은 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있다.전형적으로 중합체 재료는 기계적 특성에 따라 탄성체, 플라스틱 또는 단단한 중합체로 특징지어진다.[5]

인장강도, 항복강도, 영의 계수는 강도와 탄성의 측도로, 특히 중합체 재료의 응력 변형 특성을 설명하는데 관심이 많다.이러한 특성은 인장 시험을 통해 측정할 수 있다.[6]결정체나 세미스트리탈린 중합체의 경우, 무이소트로피는 중합체의 기계적 특성에 큰 역할을 한다.[7]폴리머의 결정성은 차동 스캐닝 열량측정을 통해 측정할 수 있다.[8]무정형 및 세미스트리탈린 폴리머의 경우 응력이 가해질수록 폴리머 체인이 분해되어 정렬할 수 있다.응력을 체인 정렬 방향으로 가하면 폴리머 체인은 폴리머의 등뼈를 연결하는 공밸런트 결합이 응력을 흡수하기 때문에 더 높은 항복응력과 강도를 보일 것이다.단, 응력이 체인 정렬 방향에 정상으로 적용되면, 체인 간의 Van der Waals 상호작용은 주로 기계적 특성에 대한 책임이 있으므로 항복응력이 감소한다.[9]이는 인장 시험을 통해 확인된 응력 변형 그래프에서 관측할 수 있을 것이다.따라서 인장 시험을 위한 표본 내 체인 방향을 포함한 표본 준비는 관측된 기계적 특성에 큰 역할을 할 수 있다.

결정체와 세미스트리탈린 중합체의 파괴 특성은 Charpy 충격 시험으로 평가할 수 있다.합금 시스템에서도 사용할 수 있는 샤르피 테스트는 샘플에 노치를 만든 다음, 진자를 사용하여 노치에서 샘플을 파쇄하는 방식으로 수행된다.진자의 움직임은 표본에 의해 흡수된 에너지를 파괴하기 위해 추론하는 데 사용될 수 있다.Charpy 시험은 또한 진자 질량의 변화로 측정된 골절의 변형률을 평가하는 데 사용될 수 있다.전형적으로, 깨지기 쉽고 다소 연성 고분자만 Charpy 테스트로 평가된다.파단 에너지 외에도 파단이 샘플의 전체 파단인지, 샘플이 샘플의 일부에서만 파단을 경험했는지, 그리고 심하게 변형된 부분이 여전히 연결되어 있는지와 마찬가지로 파단 유형을 시각적으로 평가할 수 있다.엘라스토머는 일반적으로 샤르피 시험 결과를 억제하는 높은 수율 변형률 때문에 샤르피 시험으로 평가되지 않는다.[10]

중합체 재료의 기계적 특성에 영향을 미치는 많은 특성이 있다.중합 정도가 올라갈수록 중합체의 강도도 높아지는데, 더 긴 사슬은 Van der Waals 상호 작용과 체인 얽힘이 높다.긴 중합체는 얽힐 수 있으며, 이는 이후 벌크 계수의 증가로 이어진다.[11]크레이즈는 폴리머 매트릭스에서 형성되지만 폴리머 매트릭스의 작은 결함에 의해 정지되는 작은 균열이다.이러한 결함은 일반적으로 1차 위상 전체에 걸쳐 분산되는 두 번째 낮은 계량 중합체로 구성된다.광석은 작은 균열이 골절로 이어지지 않고 더 높은 스트레스와 긴장감을 흡수할 수 있게 함으로써 중합체의 강도를 높이고 침식을 감소시킬 수 있다.만약 광선이 번식하거나 결합할 수 있다면, 그것들은 표본의 공동화와 파괴로 이어질 수 있다.[12][13]크레이즈는 전송 전자 현미경 검사 및 전자 현미경 검사로 볼 수 있으며, 일반적으로 합성 중 고분자 물질로 설계된다.일반적으로 보온성 고분자에서 볼 수 있는 크로스링크는 또한 계수를 증가시키고, 응력을 발생시키며, 폴리머의 강도를 산출할 수 있다.[14]

동적 기계적 분석은 많은 중합체 시스템에서 공통되는 점탄성 행동을 특성화하는 데 사용되는 가장 일반적인 기법이다.[15]DMA는 또한 폴리머의 기계적 거동의 온도 의존성을 이해하는 또 다른 중요한 도구다.동적 기계적 해석은 저장 계량 및 유리 전환 온도 측정, 교차 연결 확인, 형상기억 폴리머의 전환 온도 결정, 보온재에서의 치료 모니터링, 분자량 결정 등에 사용되는 특성화 기법이다.중합체 검체에 진동력이 가해지며 검체의 반응이 기록된다.DMA는 샘플에서 가해지는 힘과 변형 회복 사이의 지연을 문서화한다.점탄성 검체는 동적 계수라고 불리는 정현성 계수를 나타낸다.각 변형 시 회수된 에너지와 손실된 에너지를 모두 고려하며, 탄성계수(E')와 손실계수(E')에 의해 각각 정량적으로 기술된다.가해진 응력과 표본에 가해진 스트레인은 시간 경과에 따라 측정되는 위상차 ẟ을 나타낸다.재료에 응력을 가할 때마다 새로운 계수가 계산되기 때문에 DMA를 사용하여 다양한 온도 또는 응력 빈도에서 계수의 변화를 연구한다.[16]

다른 기법으로는 점성법, 계량법, 진자경도 등이 있다.

기타 기법

참조

  1. ^ http://camcor.uoregon.edu/labs/polymer-character.차트로프, 리처드."폴리머 특성화 실험실".오리건 대학교 캠코어. 2013.
  2. ^ Campbell, D.; Pethrick, R. A.; White, J. R. 폴리머 특성화 물리적 기법.채프먼과 홀 1989 페이지 11-13.
  3. ^ S. 포드지메크.폴리머의 특성화를 위해 다각 레이저 산란 광도계와 결합된 GPC의 사용.분자량, 크기 및 분기의 결정에 대하여.J. Appl. 폴리머 Sci. 1994 54, 91-103.
  4. ^ Rowland, S. M.; Striegel, A. M. (2012). "Characterization of Copolymers and Blends by Quintuple-Detector Size-Exclusion Chromatography". Anal. Chem. 84 (11): 4812–4820. doi:10.1021/ac3003775. PMID 22591263.
  5. ^ "Mechanical Properties of Polymers".
  6. ^ Strapassen, R.; Amico, S. C.; Pereira, M. F. R.; Sydenstricker, T.H.D. (June 2015). "Tensile and impact behavior of polypropylene/low density polyethylene blends". Polymer Testing: 468–473.
  7. ^ Lotters, J C; Olthuis, W; Bergveld, P (1997). "The mechanical properties of the rubber elastic polymer polydimethylsiloxane for sensor applications". Journal of Micromechanics and Microengineering. 7 (3): 145–147. doi:10.1088/0960-1317/7/3/017.
  8. ^ Blaine, Roger L. "Determination of Polymer Crystallinity by DSC" (PDF).
  9. ^ Ward, I M (February 1962). "Optical and Mechanical Anisotropy in Crystalline Polymers". Proceedings of the Physical Society. 80 (5): 1176–1188. doi:10.1088/0370-1328/80/5/319.
  10. ^ Tak, A. G. M. (1977). "Charpy Tests on Brittle Polymers*". Polymer Engineering and Science. 17 (10): 733–736. doi:10.1002/pen.760171007.
  11. ^ de Gennes, P. G.; Léger, L. (1982). "Dynamics of Entangled Polymer Chains". Annu. Rev. Phys. Chem. 33: 49–61. doi:10.1146/annurev.pc.33.100182.000405.
  12. ^ "Polymer Properties Database".
  13. ^ Passaglia, Elio (1987). "Crazes and Fracture in Polymers". J. Phys. Chem. Solids. 48 (11): 1075–1100. doi:10.1016/0022-3697(87)90119-3.
  14. ^ Litozar, Blaz; Krajnc, Matjaz (2011). "Cross-Linking of Polymers: Kinetics and Transport Phenomena". Ind. Eng. Chem. Res. 50.
  15. ^ "Introduction to polymers: 5.4 Dynamic mechanical properties".
  16. ^ Mernard, Kevin (2008). Dynamic Mechanical Analysis: A Practical Introduction. CRC Press.
  17. ^ Alb, A.M.; Drenski M.F.; Reed, W.F. "중합반응의 지속적 온라인 모니터링(ACOMP)" 폴리머 인터내셔널, 57,390-396.28
  18. ^ 미국 특허 6052184 및 미국 특허 6653150, 기타 특허 보류 중