Die genaue Charakterisierung neuer Materialien ist unerlässlich, um ihre chemische Identität zu verifizieren und ihre Eigenschaften zu verstehen. Bei Polymeren ist dies jedoch alles andere als trivial. Organische Polymermaterialien können amorph, kristallin oder semikristallin sein, und ihre physikalischen Zustände können von Feststoffen bis hin zu Ölen und Gelen reichen. Das Vorhandensein unterschiedlicher Kettenlängen kann die Komplexität zusätzlich erhöhen. Darüber hinaus können Lösungsmittel einen erheblichen Einfluss haben, indem sie Quellung oder Kontraktion verursachen und die Oberfläche, die Oberflächenenergie sowie die Gesamtaktivität des Polymers beeinflussen.
Leitlinien zur Methodenauswahl
Um die Herausforderungen bei der Charakterisierung polymerer Materialien zu bewältigen, ist in der Regel eine Kombination von Techniken erforderlich. Für eine gute wissenschaftliche Praxis sollte mindestens eine Analysetechnik einen Hinweis auf die Reinheit geben, und es empfiehlt sich, mindestens eine Technik einzusetzen, die jeden der folgenden drei Bereiche abdeckt:
Chemische Eigenschaften;Einschließlich der Identifizierung von funktionellen Gruppen, chemischen Bindungen, absichtlich und unabsichtlich zugesetzten Chemikalien und Komponenten sowie intermolekularen Wechselwirkungen.
Molekulare Eigenschaften; Einschließlich des Verhaltens in verschiedenen Lösungsmitteln, des Molekulargewichts (MW), des Streuverhaltens und der Vernetzungsdichte.
Mechanische und dynamische Gesamteigenschaften; Insbesondere thermische Eigenschaften, Viskoelastizität, mechanische Festigkeit, Kompressibilität, Relaxation und Kriechen.
Für die Untersuchung der jeweiligen Bereiche stehen mehrere Analysetechniken zur Verfügung, wobei die Wahl der Technik von der Art des Polymers abhängt. Dies ist von Vorteil, da ein bestimmtes Polymer unter bestimmten Testbedingungen in manchen Fällen keine eindeutigen Daten liefert. Tabelle 1 gibt einen Überblick über einige gängige Testtechniken zur Untersuchung verschiedener Aspekte eines polymeren Materials.
Tabelle 1: Häufig verwendete Analysetechniken zur Polymercharakterisierung
Analysetechnik | Chemische Bindungen* | Intra- und intermolekulare Wechselwirkungen* | MW-Verteilung** | Lösungsmitteleigenschaften** | Thermisches Verhalten*** | Massenstruktur*** | Schüttgutverhalten*** |
NMR (flüssig) | x | x | x | x |
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FTIR | x | x |
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Raman | x | x |
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Massenspektrometrie |
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| x |
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SEC/GPC |
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| x |
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AFM |
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| x |
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TGA |
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| x |
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DSC |
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| x |
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Mikroskopie |
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| x |
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NMR (Festkörper) | x | x |
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| x |
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Rheologie |
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| x |
DLS |
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| x |
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| x |
* Chemische Eigenschaften
** Molekulare Eigenschaften
*** Schüttguteigenschaften
Im nächsten Abschnitt gehen wir detaillierter auf die Informationen ein, die fünf häufig verwendete Techniken über Polymereigenschaften liefern können.
Polymercharakterisierung mit NMR
Die Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie kann detaillierte Informationen über Bindungen in der Primärstruktur sowie über die Netzwerkstruktur und das Netzwerkverhalten liefern. Besonders wichtig ist, dass die NMR einen Hinweis auf die Produktreinheit geben kann. 1H- und 13C-Experimente im löslichen Zustand werden häufig eingesetzt, aber auch 19F, 31P und 15N können nützliche Informationen liefern.
Zweidimensionale (2D) NMR-Techniken für gebundene Gruppen (z. B. COSY, HMQC und HMBC) können molekulare Details für Polymere mit komplexen Strukturen liefern, und andere fortgeschrittene Techniken können die Gesamtstruktur und Wechselwirkungen sowie die Polymergrößenverteilung untersuchen. Festkörper-NMR kann nützliche Informationen über die Strukturen fester Polymere liefern, die über deren chemische Zusammensetzung hinausgehen, weist jedoch im Vergleich zur Flüssig-NMR eine geringere spektrale Auflösung auf.
Die NMR-Spektroskopie weist jedoch einige Nachteile auf. Spektren polymerer Materialien können komplex sein und breite Resonanzen aufweisen. Derzeit ist die Bestimmung des Molekulargewichts nur bei kurzen Polymeren mit einem Polymerisationsgrad N < 100 möglich; daher können die Massenspektrometrie oder chromatographische Techniken wie die Größenausschlusschromatographie bessere Alternativen darstellen.
Polymercharakterisierung mit SEC
Die Größenausschlusschromatographie (SEC), auch bekannt als Gelpermeationschromatographie (GPC), wird häufig zur Messung der Molekulargewichtsverteilung von Polymeren eingesetzt. Zu den erfassten Daten können das zahlenmittlere Molekulargewicht (Mn), das gewichtsmittlere Molekulargewicht (Mw) und die Dispersität (Đ) gehören.
Die Kalibrierung mit Standards ist erforderlich, wenn die Verteilung ausschließlich mit einem RI-Detektor gemessen wird, und dieser Ansatz ermöglicht keine numerisch genaue Bestimmung des Molekulargewichts. Eine weitere Technik, die einen Mehrwinkel-Lichtstreudetektor (SEC-MALS) verwendet, ermöglicht die Bestimmung eines exakten Molekulargewichtsmittels.
Polymercharakterisierung mit FTIR- und Raman-Spektroskopie
Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und die Raman-Spektroskopie messen die Wechselwirkung von Licht mit bestimmten Bindungen innerhalb eines Moleküls und zeigen das Vorhandensein oder Fehlen einer funktionellen Gruppe an. Beide Techniken können verwendet werden, um Fingerabdruckspektren des Materials aufzunehmen, die zur Identifizierung der allgemeinen Struktur des Polymers durch Vergleich mit einer Spektralbibliothek genutzt werden können.
Die FTIR-Spektroskopie ist eine schnelle und einfache Methode zur Identifizierung des Vorhandenseins oder Fehlens von Gruppen mit starken Dipolen (z. B. Ester, Azide und Alkohole), während die Raman-Spektroskopie am besten zur Identifizierung von Gruppen mit schwachen Dipolen geeignet ist (z. B. Alkine, Disulfide und Thiole). Weder FTIR noch Raman liefern jedoch quantitative Informationen oder die genaue Molekülstruktur eines Polymers, weshalb sie in Verbindung mit einer anderen Methode, wie z. B. NMR, eingesetzt werden sollten.
Polymercharakterisierung mit DSC
Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) kann die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Polymeren, die Glasübergänge und thermodynamische Phasenumwandlungen durchlaufen, effektiv bestimmen. Die vom Polymer beim Erhitzen oder Abkühlen abgegebene oder aufgenommene Wärmemenge wird im Verhältnis zu einer Referenzprobe überwacht. Die Temperaturänderungsrate in jeder Probe wird durch kompositionelle und physikalische Phasenänderungen beeinflusst, was zu Unterschieden im Wärmefluss als Funktion der Temperatur führt, die mit der spezifischen Wärme (Cp) des Materials korrelieren.
DSC kann verwendet werden, um den Schmelzpunkt (Tm), den Kristallisationspunkt (Tc), den Glasübergang (Tg), die thermische Stabilität und die Wärmekapazität von Polymeren zu bestimmen. DSC kann auch zur Überwachung der Reinheit und Qualität von Polymeren eingesetzt werden, da Verunreinigungen und strukturelle Unterschiede häufig zu Veränderungen der Phasenübergangstemperaturen führen. DSC ist jedoch eine destruktive Methode und liefert keine direkten Elementinformationen.
Measurlabs bietet Charakterisierungsdienstleistungen für organische Polymere mit allen oben beschriebenen Methoden und weiteren an. Zögern Sie nicht, unsere Experten über das untenstehende Formular zu kontaktieren, um Ihre Analyseanforderungen zu besprechen und ein Angebot für Ihr Material anzufordern.