高分子材料的結構決定其性能，對結構的控制和改性，可獲得不同特性的高分子材料。為了了解購入原料的成分或反推市場材料的配方，不少改性工廠的研發(fā)實驗室都需要對塑料成分進行分析。

對普通材料進行逆向分析，企業(yè)技術人員通常是用火燒一燒、用牙咬一咬等宏觀的憑經(jīng)驗來判斷，對于一些復雜材料通常需要借助專業(yè)的實驗方法。

對于復雜材料的成分分析主要是采用微譜分析的方法，運用GPC、XRD、紅外、質(zhì)譜等實驗，經(jīng)過評估、前處理、儀器分析、譜圖庫匹配、逆向分析的五大步驟，可以得到一些準確的譜圖信息。這些信息與豐富的開發(fā)經(jīng)驗相結合，能夠幫助研發(fā)人員還原塑料配方的成分。今天，小編為大家整理改性塑料成分、結構分析常用的幾種實驗方法，在拿到不了解的材料時再也不會一頭霧水啦！

GPC——分子量及其分布

基本原理：

GPC是一種特殊的液相色譜，所用儀器實際上就是一臺高效液相色譜（HPLC）儀，主要配置有輸液泵、進樣器、色譜柱、濃度檢測器和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

該實驗方法主要用于聚合物領域，以有機溶劑為流動相（氯仿，THF，DMF），常用固定相填料有苯乙烯-二乙烯基苯共聚物等。

與HPLC最明顯的差別在于，二者所用色譜柱的種類（性質(zhì)）不同：HPLC根據(jù)被分離物質(zhì)中各種分子與色譜柱中的填料之間的親和力而得到分離，GPC的分離則是體積排除機理起主要作用。

當被分析的樣品通過輸液泵隨著流動相以恒定的流量進入色譜柱后，體積比凝膠孔穴尺寸大的高分子不能滲透到凝膠孔穴中而受到排斥，只能從凝膠粒間流過，最先流出色譜柱，即其淋出體積（或時間）最小；中等體積的高分子可以滲透到凝膠的一些大孔中而不能進入小孔，比體積大的高分子流出色譜柱的時間稍后、淋出體積稍大；體積比凝膠孔穴尺寸小得多的高分子能全部滲透到凝膠孔穴中，最后流出色譜柱、淋出體積最大。

因此，聚合物的淋出體積與高分子的體積即分子量的大小有關，分子量越大，淋出體積越小。分離后的高分子按分子量從大到小被連續(xù)的淋洗出色譜柱并進入濃度檢測器。

標樣：

聚苯乙烯（PS，溶于各種有機溶劑）；

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；

聚環(huán)氧乙烷（PEO，也叫聚氧化乙烯，溶于水）；聚乙二醇（PEG，溶于水）；

PEO與PEG的碳鏈骨架相同，但是其合成原料和封端不同，由于原料的性質(zhì)，使其產(chǎn)物的分子量和結構都有一定的區(qū)別。PEO常是指一端為甲基封端，一端為羥基封端的聚環(huán)氧乙烷，而PEG一般是兩端都是羥基封端的聚乙二醇。

eg.丁苯橡膠在塑煉時分子量分布的變化：

在塑煉過程中定時取樣分析，結果如圖，隨時間的增加，高分子組分裂解增加，GPC曲線向低分子量方向移動，經(jīng)過25min以后，高分子量組分幾乎完全消失。如果塑煉的目的就是消除該組分，那么25min足夠了，通過GPC數(shù)據(jù)可以幫助工作人員確定塑煉時間。

紅外光譜——官能團、化學組成

基本原理：

光譜分析是一種根據(jù)物質(zhì)的光譜來鑒別物質(zhì)及確定它的化學組成，結構或者相對含量的方法。按照分析原理，光譜技術主要分為吸收光譜，發(fā)射光譜和散射光譜三種；按照被測位置的形態(tài)來分類，光譜技術主要有原子光譜和分子光譜兩種。紅外光譜屬于分子光譜，有紅外發(fā)射和紅外吸收光譜兩種，常用的一般為紅外吸收光譜。

在高分子材料研究中的應用：

1）聚合物的分析與鑒別

聚合物的種類繁雜，譜圖復雜。不同的物質(zhì)，其結構不一樣，對應的圖譜也不同，因此可以根據(jù)分析結果與標準譜圖進行對比才能得到最終結果。

 聚乙烯（左）和聚苯乙烯（右）的紅外光譜圖

2）聚合物結晶度的測量

由于完全結晶聚合物的樣品很難獲得，因此不能僅用紅外吸收光譜獨立測量結晶度的絕對量，需要聯(lián)合其他測試方法的結果。

例如X射線衍射法、密度法、DSC法、核磁共振NMR吸收法等。

剪切振動峰值擬合

紫外光譜——鑒別、雜質(zhì)檢查和定量測定

基本原理：

光照射樣品分子或原子時，外層電子吸收一定波長紫外光，由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)而產(chǎn)生的光譜。紫外光波長范圍是10-400nm。波長在10-200nm范圍內(nèi)的稱為遠紫外光，波長在200-400nm的為近紫外光。對于物質(zhì)結構表征主要在紫外可見波長范圍，即200-800nm。

1）定性分析：

尤其適用于共軛體系的鑒定，推斷未知物的骨架結構，還可以與紅外光譜、核磁共振波譜法等配合進行定性鑒定和結構分析。比較吸收光譜曲線與最大吸收波長的關系，進行定性測試。

2）定量分析：

根據(jù)Lambert-Beer定律，一定波長處被測定物質(zhì)的吸光度與物質(zhì)的溶度呈線性關系。通過測定溶液對一定波長入射光的吸光度求出該物質(zhì)在溶液中的濃度和含量。

質(zhì)譜測試

基本原理：

質(zhì)譜是指廣泛應用于各個學科領域中通過制備、分離、檢測氣相離子來鑒定化合物的一種專門技術。質(zhì)譜法在一次分析中可提供豐富的結構信息，將分離技術與質(zhì)譜法相結合是分離科學方法中的一項突破性進展。在眾多的分析測試方法中，質(zhì)譜學方法被認為是一種同時具備高特異性和高靈敏度且得到了廣泛應用的普適性方法。質(zhì)譜是提供有機化合物分子量與化學式的方便與可靠方法，也是鑒別有機化合物的重要手段。

試樣氣化后，氣體分子進入電離室。電離室的一端安有陰極燈絲，燈絲通電后產(chǎn)生電子束。分子在電子束沖擊下，失去電子，解離成離子和進一步被打碎為不同質(zhì)量數(shù)的帶電荷碎片離子，這樣的離子源是質(zhì)譜儀最常用的，稱為“電子轟擊離子源”。

在高分子材料中的應用：

1.高分子材料的單體、中間體以及添加劑的分析。

如下圖的質(zhì)譜圖，可以確定該未知物分子含有1個羧基和1個甲基，其余部分只能是-CO2或者-C3H4。不過后者的可能性更大些。

2.聚合物的表征。

每個高分子化合物都具有不同的分子式和分子結構，質(zhì)譜圖就像是高分子材料的“身份證”。根據(jù)其質(zhì)譜圖，可以確定是哪種高分子材料。

X射線衍射（XRD）——確定高分子結晶性能

基本原理：

X射線是一種波長很短（約為10-8~10-12米），介于紫外線和伽馬射線之間的電磁輻射。由德國物理學家倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)。X射線能夠穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相膠乳感光、氣體電離。

XRD的應用：

此次將著重介紹XRD在高分子結晶度的應用或者計算。

天然纖維素結晶度的計算公式有以下四種:

根據(jù)下圖可以看出，天然纖維素的4個衍射晶面半峰寬較大，衍射峰重合度較高，晶相與非晶相重合度較大，導致無定型峰定位困難。

天然纖維素的XRD圖

小角X射線散射（SAXS）——晶體在原子尺寸上的排列

基本原理：

晶體中的原子在射入晶體的X射線的作用下被迫強制振動，形成一個新的X射線源發(fā)射次生X射線。

如果被照射試樣具有不同電子密度的非周期性結構，則次生X射線不會發(fā)生干涉現(xiàn)象，該現(xiàn)象被稱為漫射X射線衍射。X射線散射需要在小角度范圍內(nèi)測定，因此又被稱為小角X射線散射。

試樣制備要求：

①塊狀試樣：塊狀試樣太厚，光束無法通過，因此必須減??；

②薄膜試樣：如薄膜試樣厚度不夠，可以用幾片相同的試樣疊加在一起測試；

③粉末試樣：粉末試樣應研磨成無顆粒感，測試時，需用非常薄的鋁箔（載體）包住，或把粉末均勻攪拌在火棉膠中，制成合適厚度的片狀試樣；

④纖維試樣：對于纖維狀試樣，應盡可能剪碎，如同粉末試樣那樣制備；

⑤顆粒狀試樣：對于無法研磨的粗顆粒狀試樣是比較麻煩的。一個方法是將顆粒盡可能切割成相同厚度的薄片，然后整齊的平鋪在膠帶上；另一個方法是將顆粒熔融或溶解，制成片狀試樣，但前提是不能破壞試樣原有的結構；

⑥液體試樣：溶液試樣須注入毛細管中測試。制備溶液時，需注意：1、溶質(zhì)在溶劑中完全溶解，即無沉淀。2、溶質(zhì)與溶劑的電子密度差盡可能大。

在高分子材料中的應用:

在天然的和人工合成的高聚物中，普遍存在小角X射線散射現(xiàn)象，并有許多不同的特征。小角X射線散射在高分子中的應用主要包括以下幾個方面：

①通過Guinier散射測定高分子膠中膠粒的形狀、粒度以及粒度分布等；

②通過Guinier散射研究結晶高分子中的晶粒、共混高分子中的微區(qū)（包括分散相和連續(xù)相）、高分子中的空洞和裂紋形狀、尺寸及分布等；

③通過長周期的測定研究高分子體系中片晶的取向、厚度、結晶百分數(shù)以及非晶層的厚度等；

④高分子體系中的分子運動和相變；

⑤通過Porod－Debye相關函數(shù)法研究高分子多相體系的相關長度、界面層厚度和總表面積等；

⑥通過絕對強度的測量，測定高分子的分子量。

從小編的經(jīng)驗來看，往往復述測試機構的測試結果會存在一定的偏差，常見的TPE、TPV配方中往往會存在十幾種甚至二十種不同的組份。就以PP為例，光是PP就存在均聚、共聚之分，共聚又分為無規(guī)和嵌段，同種無規(guī)共聚PP還存在分子量、熔指的不同，另外，接枝共聚物因為接枝率低的原因一般很能測得。雖都為PP，但不同廠家不同牌號的PP所制得的材料會有很大的差別。另外，材料的多樣性會對紅外分析、熱重等分析產(chǎn)生不同的干擾，在材料加工過程中的反應以及分解也會產(chǎn)生各種各樣的干擾源。

因此，成分分析只能是材料開發(fā)中的一種輔助手段，可以幫助你確定某些其中包含了哪些組份和大致的比例，然而真正高效的材料還是需要基于大量的實驗不斷地調(diào)整開發(fā)的。