摘要

大多數(shù)現(xiàn)代高性能聚合物旨在增強(qiáng)特定的材料性能。許多備受矚目的工程塑料、樹(shù)脂和凝膠都是由這類前體材料制成的。光散射技術(shù)可用于解決在處理特殊功能塑料及相關(guān)聚合物前體時(shí)遇到的諸多獨(dú)特問(wèn)題。

關(guān)注領(lǐng)域：新材料開(kāi)發(fā)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、塑料回收

同義詞：高性能材料、功能材料、特種聚合物

什么是高性能聚合物？

自現(xiàn)代材料科學(xué)誕生以來(lái)，高性能聚合物已有多種不同定義。該術(shù)語(yǔ)通常指具有新穎特性或功能的材料或材料前驅(qū)體，這些特性通?？赏ㄟ^(guò)外部刺激進(jìn)行控制。許多高性能聚合物旨在增強(qiáng)甚至最大化某種特定的材料特性（如耐熱性、結(jié)晶度、光學(xué)透明度、機(jī)械強(qiáng)度等）。所有這些功能材料的基本構(gòu)成單元都是為滿足特定行業(yè)需求而設(shè)計(jì)的合成聚合物。多年來(lái)，其確切定義已經(jīng)發(fā)生了變化。

許多曾經(jīng)新穎的制造和原型塑料最初被歸類為高性能材料，但如今已十分常見(jiàn)。經(jīng)典的例子包括耐化學(xué)腐蝕的材料如 PEEK（聚醚醚酮）和尼龍，機(jī)械加工塑料如 Delrin（聚甲醛）以及生物塑料如 PLA（聚乳酸）。近期的例子包括用于 3D 打印的原型塑料、其他熱塑性塑料、生物塑料、牙科樹(shù)脂、復(fù)合材料、陶瓷、熱固性粘合劑、防滑涂層、離子交換樹(shù)脂、絮凝劑以及各種增韌或耐化學(xué)腐蝕的工程塑料。

光散射：一種表征新型聚合物的工具

靜態(tài)光散射是測(cè)量聚合物分子量的首選技術(shù)之一。與小分子不同，合成聚合物幾乎總是多分散的。這種關(guān)于鏈長(zhǎng)和分子量的固有多分散性是不可避免的，對(duì)許多先進(jìn)材料而言，這種多分散性往往具有功能性，直接導(dǎo)致了一些更理想的性能表現(xiàn)。光散射技術(shù)可用于多分散性材料（如聚合物），以給出平均分子量，而無(wú)需進(jìn)行化學(xué)分離或額外純化。通過(guò)光散射還可獲得一些其他參數(shù)，包括鏈長(zhǎng)、聚合度、回旋半徑和持續(xù)長(zhǎng)度等。所有這些大分子特性直接影響最終混合物或塑料的整體性能，因此在生產(chǎn)新型聚合物時(shí)，這些特性至關(guān)重要。

案例研究：磺化聚合物和樹(shù)脂

強(qiáng)離子交換樹(shù)脂是一類有趣的特種材料，通常由具有強(qiáng)永久電荷的交聯(lián)聚合物制成，包括聚陽(yáng)離子和聚陰離子?；腔酆衔锞褪瞧渲幸环N，盡管主鏈具有疏水性，但由于其高線性電荷密度，可使其具有極高的水溶性。這些聚陰離子與陽(yáng)離子分子（包括小離子、膠體和各種其他大離子）結(jié)合得非常牢固。除了作為離子交換樹(shù)脂的構(gòu)成單元外，磺化聚合物還用于許多其他高度專業(yè)化的應(yīng)用，包括增塑劑、工業(yè)用水軟化劑以及商業(yè)燃料電池中質(zhì)子交換膜的功能組分。

制備磺化聚苯乙烯用于光散射測(cè)量

選擇了一種超高分子量的聚苯乙烯磺酸鈉（NaPSS）作為研究對(duì)象，因?yàn)樗砹艘环N常見(jiàn)的商業(yè)聚合物。該商業(yè)聚合物通過(guò)對(duì) 1 MDa 的聚苯乙烯進(jìn)行磺化反應(yīng)制備而成，確切的磺化程度未知，但假設(shè)超過(guò)99%。光散射實(shí)驗(yàn)通常需要對(duì)樣品進(jìn)行除塵處理，然而，由于長(zhǎng)鏈聚電解質(zhì)之間相互作用強(qiáng)烈且傾向于伸展成較大尺寸，對(duì)這種聚合物溶液的過(guò)濾存在困難。為解決這個(gè)問(wèn)題，在溶解聚合物之前對(duì)所有原液進(jìn)行仔細(xì)過(guò)濾。然后使用 BI-200SM 研究級(jí)光散射系統(tǒng)對(duì)這些樣品進(jìn)行分析。

通過(guò)靜態(tài)光散射測(cè)定分子量需要構(gòu)建 Zimm 圖，這涉及在不同聚合物濃度C_p和散射角 θ 下進(jìn)行測(cè)量。配置 4-5 種濃度的樣品，每種濃度在三種不同的離子強(qiáng)度下制備，最終得到 14 種不同的聚合物溶液。樣品的質(zhì)量濃度至少應(yīng)精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，以便準(zhǔn)確外推至零濃度（例如，0.93 g/L 應(yīng)表示為 9.3020 x 10^-01 g/L）。

如圖 1 和圖 2 所示，這種磺化聚合物的極高電荷密度使得構(gòu)建 Zimm 圖所需的雙重外推法（濃度和角度）變得復(fù)雜。在低鹽環(huán)境下，聚合物鏈之間以及鏈內(nèi)的長(zhǎng)程靜電作用均未被屏蔽。這在沒(méi)有任何背景電解質(zhì)（無(wú)鹽）的情況下最為明顯（如圖1所示），此時(shí)雙重外推法無(wú)法得出具有物理意義的分子量。即使在中等鹽濃度條件下（圖2），在最高樣品濃度時(shí)仍存在一些長(zhǎng)程分子間相互作用。當(dāng)加入足夠量的鹽后，這些長(zhǎng)程靜電作用被中和，從而得到了一個(gè)更為常規(guī)的 Zimm 圖和合理的分子量值（圖3）。

結(jié)論：

研究高性能聚合物面臨的挑戰(zhàn)之一在于它們通常被設(shè)計(jì)成具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，這意味著這些在工業(yè)上極具實(shí)用價(jià)值的樣品往往會(huì)給測(cè)量工作帶來(lái)挑戰(zhàn)，需要仔細(xì)考量每種測(cè)量方法的理論局限性。正如磺化聚合物的示例所示，恰恰是其高線性電荷密度特性加大了分析難度。靜態(tài)光散射是研究合成聚合物的一種非常有用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)認(rèn)識(shí)到高鹽濃度可以屏蔽長(zhǎng)程靜電作用，我們能夠獲得有用的結(jié)果。

總結(jié)：

• 高性能聚合物是一類廣泛的特種商用聚合物，通常用作功能材料、塑料和其他特種化學(xué)品的前體。
• 靜態(tài)光散射是測(cè)量諸如合成聚合物這類多分散樣品分子量的理想方法。
• 高鹽離子濃度可屏蔽強(qiáng)離子交換樹(shù)脂的相互作用，這一特性通常用于洗脫帶電分子和大離子。同樣的特性也可被用來(lái)屏蔽磺化聚合物溶液中的長(zhǎng)程分子間相互作用。