对于交联聚合物,与交联度直接相关的有效链平均分子量 C M 是一个重要的结构参数,C M 的大小对交联聚合物的物理机械性能具有很大的影响。
因此,测定和研究聚合物的溶度参数与交联度十分重要,平衡溶胀法是间接测定交联聚合物的溶度参数与有效链平均分子量 C M 的一种简单易行的方法。另外还可间接测得高分子-溶剂的相互作用参数1x 。 一、实验目的:
(1)了解溶胀法测聚合物溶度参数及 C M 的基本原理。
(2)掌握重量法测交联聚合物溶胀度的实验技术。 (3)粗略地测出交联聚合物的溶度参数、C M 及1x 。 二、实验原理:
聚合物的溶度参数不像低分子化合物可直接从汽化热测出,因为聚合物分子间的相互作用能很大,欲使其汽化,势必裂解为小分子,所以只能用间接的方法测定,平衡溶胀法是其中的一种方法。交联结构的聚合物不能为溶剂所溶解,但能吸收大量的溶剂而溶胀。溶胀过程中,溶剂分子渗入聚合物内使体积膨胀,以致引起三维分子网的伸展,而分子网受到应力产生了弹性收缩力,阻止溶剂进入网状链。当这两种相反的倾向相互抵消时,即溶剂分子进入交联网的速度与被排出的速度相等,就达到了溶胀平衡态。
溶胀的凝胶实际上是聚合物的溶解液,能溶胀的条件与线性聚合物形成溶液相同。根据热力学原理,聚合物能够在液体中溶胀的必要调节是混合自由能m m m S T H F ?-?=? (1)
式中m H ?和 m S ?分别为混合过程中焓和熵的变化,T 为体系的温度。因混合过程的m S ?为正值,故T m S ?必为正值。显然,要满足m F ?,必须使m S T H ?
()V H m 2
2121δδφφ-=? (2)
式中1φ 和 2φ 分别为溶胀体中溶剂和聚合物的体积分数;1δ 和2δ 分别为溶剂和聚合物的溶胀参数;V 是溶胀体积的总体积。
由式(2)可见,1δ 与 2δ 愈接近,m H ? 值愈小,愈能满足m F ?<0 。当 1δ和 2δ相等时,0=?H ,此时交联网的溶胀度可达到极大值。
平衡溶胀法就是根据上述原理,把称量后的交联聚合物放到一系列溶度参数不同的溶剂中去,让它在恒定温度下充分溶胀。当达到溶胀平衡态时,对溶胀体称重,求出聚合物交联网在各种溶剂中的溶胀度Q ,
2
2
2211ρρρW W W Q ????
??+= (3)
式中 1W 和 2W 分别为溶胀体内溶剂和聚合物的重量;1ρ 和 2ρ 分别为溶剂和聚合物溶胀前的密度。
显然,能够使聚合物溶胀度达到最大值的那种溶剂,其溶度参数必定与聚合物的溶度参数最接近。若将聚合物在一系列不同溶剂中的平衡溶胀度Q 对相应溶剂的溶度参数 δ 作图,Q 必出现极大值,用 m ax Q 表示,那么m ax Q 所对应的
δ 值即可视为聚合物的溶度参数,用 2δ表示
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