侯倩倩,劉霞,龔維,許峰,張文申,董雅卓,荀其寧,冀克儉
(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所,濟(jì)南 250031)
環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的物理力學(xué)和電絕緣性能,可制成涂料、膠黏劑、模壓材料、注射結(jié)構(gòu)功能材料、復(fù)合材料等,在國(guó)防、民用等各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[1-8]。
相對(duì)分子質(zhì)量作為環(huán)氧樹(shù)脂本征結(jié)構(gòu)表征指標(biāo)之一,對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的基本性能、固化工藝、固化物的結(jié)構(gòu)乃至復(fù)合材料性能均有決定性影響,是環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[9-13]。環(huán)氧樹(shù)脂是多相對(duì)分子質(zhì)量的低聚物,性質(zhì)不僅取決于平均相對(duì)分子質(zhì)量,同時(shí)也取決于相對(duì)分子質(zhì)量分布。即使平均相對(duì)分子質(zhì)量相同的環(huán)氧樹(shù)脂,若相對(duì)分子質(zhì)量分布不同,則環(huán)氧樹(shù)脂的黏度、軟化點(diǎn)等也不同,進(jìn)而造成固化產(chǎn)物某些性能不同。一般情況,隨著樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量的增大,樹(shù)脂的軟化點(diǎn)也提高。在低相對(duì)分子質(zhì)量段,軟化點(diǎn)的增加趨勢(shì)較為明顯,在高相對(duì)分子質(zhì)量段,軟化點(diǎn)的增加趨勢(shì)放緩。相對(duì)分子質(zhì)量大小及分布也可用于指導(dǎo)固化工藝。隨高分子環(huán)氧樹(shù)脂含量的增加,樹(shù)脂的活性也增大,凝膠時(shí)間縮短,而隨低相對(duì)分子質(zhì)量環(huán)氧樹(shù)脂的增加,樹(shù)脂活性下降,凝膠時(shí)間變長(zhǎng)。因此,通過(guò)獲得相對(duì)分子質(zhì)量低、中、高區(qū)的比例,可以清楚表征環(huán)氧樹(shù)脂的固化速率,準(zhǔn)確測(cè)定環(huán)氧樹(shù)脂的相對(duì)分子質(zhì)量及分布對(duì)于監(jiān)控樹(shù)脂合成和工藝控制具有重要的意義。
對(duì)于聚合物,相對(duì)分子質(zhì)量指的是一個(gè)平均數(shù),因此有相對(duì)分子質(zhì)量分布的概念。根據(jù)所用的統(tǒng)計(jì)方法,相對(duì)分子質(zhì)量分為數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量、重均相對(duì)分子質(zhì)量、粘均相對(duì)分子質(zhì)量、Z均相對(duì)分子質(zhì)量,重均與數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量之比稱(chēng)為分布指數(shù)[14]。目前,用于檢測(cè)相對(duì)分子質(zhì)量的主要分析方法有凝膠滲透色譜法、核磁共振波譜法、蒸汽壓滲透法、質(zhì)譜法,不同的相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定方法均有優(yōu)劣之處,各實(shí)驗(yàn)室在對(duì)樣品進(jìn)行相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定時(shí)需要對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行考察,對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)間、操作難易程度、實(shí)驗(yàn)成本等,并根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備,對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行選擇。筆者環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)試方法進(jìn)行綜述。
凝膠滲透色譜法是目前最為廣泛使用的測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量及其分布的方法之一,該方法直接且快速,重復(fù)性好[15-16]。當(dāng)聚合物溶液通過(guò)凝膠色譜柱時(shí),大分子物質(zhì)尺寸大于凝膠孔徑,率先流出,小分子物質(zhì)部分進(jìn)入凝膠孔內(nèi),較晚流出。
凝膠色譜法(單檢測(cè)器)是一種相對(duì)測(cè)量方法,可獲得數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量、重均相對(duì)分子質(zhì)量、分布指數(shù)等信息。測(cè)量時(shí)需要建立GPC標(biāo)定曲線,標(biāo)定的準(zhǔn)確與否將直接影響到測(cè)量結(jié)果的可靠性,最常用的標(biāo)定方法為相對(duì)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定法。相對(duì)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定法是用一組已知相對(duì)分子質(zhì)量的相對(duì)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)建立校準(zhǔn)曲線,根據(jù)校正曲線可推算出在相同淋洗體積下待測(cè)樣品的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布。常用的相對(duì)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有聚苯乙烯、聚丁二烯、聚乙烯等。凝膠色譜-多檢測(cè)器聯(lián)用法是將示差-光散射-黏度檢測(cè)器與凝膠色譜儀連用,可以得到三維的檢測(cè)結(jié)果。一維是按照分子尺寸分離高分子的色譜過(guò)程,二維是給出相對(duì)分子質(zhì)量的光散射器的響應(yīng)值,三維是來(lái)自黏度檢測(cè)器,給出了與分子密度成反比的響應(yīng)值。通過(guò)結(jié)合這些變量,可以獲得數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量、重均相對(duì)分子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量分布、特性粘數(shù)分布、Mark-Houwink方程參數(shù)K和α等重要數(shù)據(jù)。
國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者使用凝膠色譜法針對(duì)不同物質(zhì)進(jìn)行了相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定研究。趙娟[17]采用GPC檢測(cè)獲得了不同牌號(hào)的環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量分布,結(jié)果表明,低相對(duì)分子質(zhì)量部分,會(huì)改善樹(shù)脂的加工性能,但固化制成品的力學(xué)強(qiáng)度和韌性會(huì)限值后其粘度與相對(duì)分子質(zhì)量成3.4次冪指數(shù)上升,粘度的急劇增加導(dǎo)致加工成型困難,過(guò)大的相對(duì)分子質(zhì)量分布會(huì)使環(huán)氧樹(shù)脂在不同溫度下體系粘度出現(xiàn)較大的的波動(dòng)性,導(dǎo)致固化工藝控制范圍變化。張泉福等[18]用GPC法測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量分布,并結(jié)合蒸汽壓滲透法測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量來(lái)鑒定國(guó)內(nèi)外若干種典型雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂的相對(duì)分子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量分布參數(shù),為環(huán)氧樹(shù)脂工藝和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)及新的監(jiān)測(cè)手段。該法可較全面地反映環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量分布特性,了解各相對(duì)分子質(zhì)量區(qū)段的比例,并可控制產(chǎn)物的聚合工藝,是環(huán)氧樹(shù)脂制造工藝和加工應(yīng)用中的有效監(jiān)測(cè)手段。董雅卓等[19]采用凝膠色譜法測(cè)定氟醚橡膠相對(duì)分子質(zhì)量,考察了單檢測(cè)器及三檢測(cè)器兩種不同的測(cè)試方法。使用單檢測(cè)器是采用不同相對(duì)分子質(zhì)量的聚苯乙烯作為標(biāo)準(zhǔn)樣品,以標(biāo)準(zhǔn)樣品相對(duì)分子質(zhì)量的對(duì)數(shù)及其保留時(shí)間作圖,得到標(biāo)準(zhǔn)校正曲線,計(jì)算樣品的相對(duì)分子質(zhì)量。采用三檢測(cè)器聯(lián)用時(shí),僅采用一種已知K和α的聚苯乙烯作為標(biāo)準(zhǔn)品,計(jì)算得到樣品相對(duì)分子質(zhì)量。結(jié)果表明,單檢測(cè)器法及三檢測(cè)器聯(lián)用法均具有較高的準(zhǔn)確度、精密度,重復(fù)性較高。湛愛(ài)冰[20]等建立凝膠滲透色譜測(cè)定雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量及其分布的方法。選用PLgel色譜柱,用窄標(biāo)校正法建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,可對(duì)目前大部分雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂(重均相對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量為(300~50 000)進(jìn)行檢測(cè)。該方法準(zhǔn)確可靠,為雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂尤其是固態(tài)高分子環(huán)氧樹(shù)脂生產(chǎn)過(guò)程中的相對(duì)分子質(zhì)量精確控制提供了有效的監(jiān)測(cè)途徑。林朝陽(yáng)等[21]采用激光光散射-示差檢測(cè)器聯(lián)用凝膠滲透色譜測(cè)定了聚丙烯酰胺相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布、丙烯酰胺單體殘留量。在檢測(cè)殘留單體含量的同時(shí),雙檢測(cè)器聯(lián)用直接測(cè)定聚丙烯酰胺的相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布,方法準(zhǔn)確度高,重復(fù)性好。
在凝膠色譜法中,最重要的因素是提高色譜的分離能力、縮短分析時(shí)間和適應(yīng)色譜柱對(duì)試樣量的負(fù)載能力。三個(gè)條件互相矛盾,最好的實(shí)驗(yàn)效果應(yīng)在保持高分離能力的前提下,縮短分離時(shí)間。如何確定流動(dòng)相、色譜柱、流量、進(jìn)樣體積等多個(gè)測(cè)試參數(shù),從而獲得分離度良好的色譜圖是該方法的難點(diǎn)。另外,該方法對(duì)樣品與標(biāo)準(zhǔn)品的分子鏈結(jié)構(gòu)有一定要求,當(dāng)兩者形狀一致時(shí),測(cè)定結(jié)果才較為準(zhǔn)確。若不能選用合適的標(biāo)準(zhǔn)品,則對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。
質(zhì)譜法的原理是以某種方式對(duì)有機(jī)物分子進(jìn)行電離、碎裂,按照質(zhì)荷比大小將碎裂離子分離,并檢測(cè)其強(qiáng)度,通過(guò)對(duì)分子離子峰強(qiáng)度的檢測(cè)來(lái)確定其相對(duì)分子質(zhì)量。由于高分子聚合物分子轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗍窍喈?dāng)困難的[22-23],經(jīng)典質(zhì)譜法不適用于聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定。近年來(lái),電噴霧(ESI)、大氣化學(xué)電離(APCI)等大氣壓電離技術(shù)出現(xiàn)后,使質(zhì)譜與液相色譜聯(lián)用測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量成為可能。其中,基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜法(MALDI-TOF MS)是近年來(lái)新興的一種軟電離有機(jī)質(zhì)譜方法,通過(guò)引用基質(zhì)分子,不產(chǎn)生或產(chǎn)生較少的碎片離子,被用來(lái)檢測(cè)和鑒定蛋白質(zhì)、多肽、核苷酸、多糖以及多種高聚物等[24-28]。該方法還可獲得末端基團(tuán)、重復(fù)單元及其連接順序等信息,還可根據(jù)離子碎片信息反推合成機(jī)理等。
李智立等[29]應(yīng)用基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù),研究了E12、E31、E42、E44和E51五種牌號(hào)環(huán)氧樹(shù)脂,獲得了由質(zhì)譜圖可以較直觀地了解到樹(shù)脂的聚合度及其不同聚合度組分之間的相對(duì)含量,為該類(lèi)樹(shù)脂的應(yīng)用及分析其固化機(jī)理提供了科學(xué)依據(jù)。李智利等[30]用基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜獲得了環(huán)氧樹(shù)脂的聚合度及其不同聚合度組分的分子結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)該類(lèi)樹(shù)脂中含有環(huán)氧氯丙烷的聚合物,給出了可能的分子結(jié)構(gòu)。
如何選擇合適的基質(zhì)和離子化試劑是MALDITOF-MS技術(shù)的關(guān)鍵。基質(zhì)主要用來(lái)吸收能量,傳遞給聚合物分子,同時(shí)保護(hù)聚合物分子不被激光破壞,可以減弱聚合物分子之間的相互作用。通過(guò)優(yōu)化基質(zhì),可改善聚合物樣品結(jié)晶情況,使樣品分布均勻并解析電離,從而提高M(jìn)ALDI-TOF-MS測(cè)試靈敏度。離子化試劑主要發(fā)揮離子化的作用,同時(shí)不干擾基質(zhì)和聚合物分子共結(jié)晶,聚合物一般采用金屬陽(yáng)離子實(shí)現(xiàn)離子化。由于不同類(lèi)型高分子聚合物的鏈結(jié)構(gòu)、基質(zhì)均可影響離子化程度,因此針對(duì)不同的環(huán)氧樹(shù)脂體系優(yōu)化離子試劑尤為重要。MALDI-TOF-MS技術(shù)在不同類(lèi)型混合物方面應(yīng)用有限,主要也是由于基質(zhì)和離子化試劑的因素導(dǎo)致的。此外,該方法沒(méi)有分離能力,樣品在分析前需要進(jìn)行純化處理。
蒸汽壓滲透法是經(jīng)典的熱力學(xué)平衡法,是根據(jù)理想溶液的拉烏爾定律建立的。在溶劑沸點(diǎn)以下的恒溫體系中,用測(cè)量溫差的方式間接測(cè)量蒸汽壓下降值。試樣溶液的飽和蒸汽壓低于溶劑的飽和蒸汽壓,導(dǎo)致飽和蒸汽項(xiàng)的溶劑分子冷凝在試樣溶液液滴上,從而放出冷凝熱,兩液滴之前產(chǎn)生溫差。通過(guò)測(cè)量溫度的變化,換算為樣品的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量。由于測(cè)溫技術(shù)的提高,蒸汽壓滲透法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在石油化工產(chǎn)品、橡膠、生物大分子等領(lǐng)域。該方法操作簡(jiǎn)單,測(cè)量速度快,樣品制備簡(jiǎn)單,結(jié)果準(zhǔn)確,適合測(cè)定數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量在2×104g/mol以下的聚合物[31-32]。
駱傳環(huán)等[33]使用蒸汽壓滲透儀對(duì)香菇多糖的相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)定。高作寧等[32]探究了蒸汽壓滲透法測(cè)定滲透系數(shù)的理論基礎(chǔ),并對(duì)過(guò)量熱力學(xué)與滲透系數(shù)間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了探討。王瑞等[34]利用蒸汽壓滲透法測(cè)定液體橡膠相對(duì)分子質(zhì)量,并采用不同相對(duì)分子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)定儀器常數(shù)K值。結(jié)果表明,儀器常數(shù)可隨標(biāo)準(zhǔn)樣品的相對(duì)分子質(zhì)量增大而增大,這可能是由于溶質(zhì)的吸附效應(yīng)引起的系統(tǒng)誤差。在實(shí)際樣品測(cè)量時(shí),應(yīng)選用跟樣品相對(duì)分子質(zhì)量相近的標(biāo)準(zhǔn)樣品建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。李紅等[35]采用蒸汽壓滲透法測(cè)定石油產(chǎn)品相對(duì)分子質(zhì)量,試驗(yàn)過(guò)程中,根據(jù)油品性質(zhì)的不同,分別建立了相對(duì)分子質(zhì)量小于500和相對(duì)分子質(zhì)量大于500的標(biāo)準(zhǔn)曲線,樣品按照濃度遞增的順序進(jìn)行檢測(cè),以消除系統(tǒng)誤差的影響。
蒸汽壓滲透法測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量的影響因素較多:溶劑類(lèi)型影響所產(chǎn)生信號(hào)的大小,蒸發(fā)熱較小的溶劑可產(chǎn)生較大的信號(hào);溶質(zhì)的純度尤其是水分雜質(zhì)的存在對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大,測(cè)量時(shí)樣品的純度和干燥狀態(tài)是非常重要的;溶質(zhì)的揮發(fā)性決定了蒸汽壓滲透法測(cè)定數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的下限,當(dāng)溶質(zhì)揮發(fā)性增大時(shí),儀器基線漂移明顯;儀器常數(shù)K對(duì)溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量具有依賴(lài)性,但是采用適當(dāng)方法消除儀器常數(shù)對(duì)溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的依賴(lài)性;液滴尺度對(duì)信號(hào)的影響,主要與溶液的濃度有關(guān),當(dāng)選用合適濃度時(shí),可消除液滴尺寸效應(yīng)的影響。
核磁共振波譜法(NMR)是一種用于表征聚合物的方法,可用來(lái)表征聚合物的主鏈序列結(jié)構(gòu)、競(jìng)聚率以及立構(gòu)規(guī)整度、弛豫現(xiàn)象、端基結(jié)構(gòu)等微觀結(jié)構(gòu)。隨著核磁共振波譜技術(shù)的發(fā)展,利用其測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的報(bào)道越來(lái)越多,主要包括核磁氫譜結(jié)合端基分析法,以及通過(guò)擴(kuò)散序列譜(DOSY)測(cè)量在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)法。根據(jù)聚合物結(jié)構(gòu)特征,其端基結(jié)構(gòu)的化學(xué)位移通常與主鏈結(jié)構(gòu)不同,可通過(guò)端基分析法計(jì)算其數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量,即通過(guò)主鏈重復(fù)單元中質(zhì)子信號(hào)與端基的質(zhì)子信號(hào)相比,計(jì)算出數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量。DOSY方法是通過(guò)測(cè)量聚合物的擴(kuò)散系數(shù),根據(jù)已知標(biāo)準(zhǔn)樣品的擴(kuò)散系數(shù)與相對(duì)分子質(zhì)量之間的關(guān)系,求出未知聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量。
Weibin等[36]報(bào)道了利用DOSY測(cè)量聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的方法,實(shí)驗(yàn)利用標(biāo)準(zhǔn)樣品聚苯乙烯的相對(duì)分子質(zhì)量與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系擬合了一條校準(zhǔn)曲線,然后利用該校準(zhǔn)曲線測(cè)量樣品聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量。冀克儉等[37]用1H、13C核磁共振波譜對(duì)二酚基丙烷環(huán)氧樹(shù)脂E51、縮水甘油胺型環(huán)氧樹(shù)脂AG80、脂環(huán)族縮水甘油酯TDE85的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,并通過(guò)二維COSY譜及1H、13C化學(xué)位移相關(guān)譜對(duì)各共振峰進(jìn)行了指認(rèn)。冀克儉等[38-39]還利用1H-NMR測(cè)定了E型環(huán)氧樹(shù)脂和F型環(huán)氧樹(shù)脂的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量,并利用13C-NMR表征了環(huán)氧樹(shù)脂的微觀結(jié)構(gòu)。牛曉剛等[40]利用核磁共振技術(shù)表征生物大分子的動(dòng)態(tài)特性,該技術(shù)既可以用來(lái)研究皮秒到秒的時(shí)間尺度范圍,又可以通過(guò)同位素標(biāo)記、多維實(shí)驗(yàn)提供某一具體氨基酸殘基位點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況,同時(shí)可以用于表征生物大分子的相對(duì)分子質(zhì)量變化。
采用核磁氫譜結(jié)合端基分析法測(cè)量聚合物相對(duì)分子質(zhì)量不需要標(biāo)樣校準(zhǔn),測(cè)得的是絕對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量,且更加簡(jiǎn)單、快速和準(zhǔn)確。但要求樣品具有較高的信號(hào)強(qiáng)度,否則可能引入誤差。利用DOSY法進(jìn)行相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定,需要有結(jié)構(gòu)相同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,且溫度、濃度、黏度等對(duì)擴(kuò)散系數(shù)均有一定影響,該方法具有局限性。
準(zhǔn)確測(cè)定環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量及分布,獲得可靠的分析數(shù)據(jù),對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂的品質(zhì)控制具有極其重要的意義。目前測(cè)定環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量的方法有凝膠色譜法、質(zhì)譜法、核磁共振波譜法、蒸汽壓滲透法等,不同的方法可獲得不同類(lèi)型的相對(duì)分子質(zhì)量,凝膠色譜法適用于大部分環(huán)氧樹(shù)脂樣品測(cè)試,可同時(shí)獲得樣品的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量、重均相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布等多種信息;質(zhì)譜法對(duì)樣品要求較高,且要選擇合適的基質(zhì)和離子化試劑;蒸汽壓滲透法可測(cè)定樣品的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量,但影響因素較多,需根據(jù)樣品及溶劑特征考察儀器參數(shù)的影響;核磁共振波譜法不需要標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn),測(cè)得樣品的絕對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量,但對(duì)樣品純度、結(jié)構(gòu)有一定要求。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,需根據(jù)樣品特點(diǎn)及測(cè)試需求選擇適用于被測(cè)樣品的測(cè)定方法。隨著儀器靈敏度和精密度不斷提高,環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定范圍將更廣,精確度將更高,為環(huán)氧樹(shù)脂的研制與生產(chǎn)提供更豐富的信息。