Khối lượng mol và phân bố

Vì một polyme tổng hợp là hỗn hợp của các chuỗi có độ dài khác nhau, khối lượng mol của nó phải được mô tả bằng các giá trị trung bình và độ rộng của phân bố, những yếu tố này cùng nhau kiểm soát gần như mọi tính chất vật lý.

Definition

Khối lượng mol và sự phân bố của nó mô tả, tương ứng, kích thước trung bình của các chuỗi trong một mẫu polyme và sự phân tán của độ dài chuỗi xung quanh giá trị trung bình đó, được định lượng bằng các giá trị trung bình như khối lượng mol trung bình số và khối lượng mol trung bình khối và bằng tỷ lệ của chúng, độ phân tán.

Scope

Chủ đề này bao gồm mô tả thống kê về khối lượng mol polyme: khối lượng mol trung bình số, trung bình khối và trung bình độ nhớt; phân bố khối lượng mol và độ phân tán của nó; phân bố có xác suất cao nhất từ các quá trình ngẫu nhiên; và các phương pháp thực nghiệm—thẩm thấu kế màng, tán xạ ánh sáng, sắc ký loại trừ kích thước và đo độ nhớt dung dịch loãng—được sử dụng để xác định các đại lượng này và mối quan hệ của chúng với các tính chất.

Core questions

• Tại sao một polyme yêu cầu các giá trị trung bình thay vì một khối lượng mol duy nhất?
• Khối lượng mol trung bình số và khối lượng mol trung bình khối khác nhau như thế nào, và tỷ lệ của chúng có ý nghĩa gì?
• Mỗi giá trị trung bình được đo lường bằng thực nghiệm như thế nào?
• Phân bố ảnh hưởng đến hành vi cơ học và xử lý như thế nào?

Key theories

Các giá trị trung bình thống kê của khối lượng mol

Giá trị trung bình số có trọng số bằng nhau cho mỗi chuỗi và được đo bằng các phương pháp liên kết, trong khi giá trị trung bình khối có trọng số các chuỗi theo khối lượng của chúng và được đo bằng tán xạ ánh sáng; tỷ lệ của chúng, độ phân tán, bằng một đối với một mẫu đồng nhất và tiến gần đến hai đối với sự phát triển từng bước ngẫu nhiên.

Phân bố có xác suất cao nhất (Flory)

Sự hình thành liên kết ngẫu nhiên với khả năng phản ứng bằng nhau tạo ra một phân bố độ dài chuỗi hình học có độ phân tán có xu hướng bằng hai ở mức chuyển hóa cao, một tiêu chuẩn để so sánh các quá trình trùng hợp sống (độ phân tán gần bằng một) và các polyme thương mại rộng.

Mechanisms

Các giá trị trung bình khác nhau có trọng số khác nhau đối với quần thể: các tính chất liên kết như áp suất thẩm thấu đếm số phân tử và do đó cho ra giá trị trung bình số; tán xạ ánh sáng phản ứng với khối lượng và cho ra giá trị trung bình khối; độ nhớt dung dịch loãng cho ra giá trị trung bình độ nhớt nằm giữa hai giá trị trên. Sắc ký loại trừ kích thước tách các chuỗi theo kích thước thủy động lực học và, với hiệu chuẩn thích hợp hoặc các đầu dò ghép nối, báo cáo toàn bộ phân bố. Hình dạng của phân bố đó phát sinh trực tiếp từ cơ chế trùng hợp, hẹp đối với các hệ sống và rộng đối với các quá trình trùng hợp gốc tự do hoặc trùng hợp từng bước thông thường.

Clinical relevance

Khối lượng mol và độ phân tán là các thông số kiểm soát chất lượng chính của bất kỳ sản phẩm polyme nào vì chúng quyết định độ bền, độ dẻo dai, độ nhớt nóng chảy và độ hòa tan. Phân bố hẹp mang lại hành vi sắc nét, dễ dự đoán, có giá trị trong các ứng dụng chính xác, trong khi độ rộng được kiểm soát có thể cải thiện khả năng xử lý, vì vậy việc đo lường và xác định khối lượng mol là trọng tâm của cả nghiên cứu và sản xuất.

History

Staudinger đã liên kết độ nhớt dung dịch với độ dài chuỗi vào những năm 1930, và các phương pháp tuyệt đối nghiêm ngặt đã ra đời sau đó: thẩm thấu kế màng cho giá trị trung bình số, lý thuyết tán xạ ánh sáng của Debye vào những năm 1940 cho giá trị trung bình khối, và sắc ký loại trừ kích thước (sắc ký thấm gel) từ những năm 1960 để đo lường toàn bộ phân bố một cách thường xuyên.

Key figures

• Hermann Staudinger
• Paul Flory
• Peter Debye

Seminal works

• hiemenz2007
• flory1953

Frequently asked questions

Tại sao khối lượng mol trung bình số và khối lượng mol trung bình khối lại khác nhau?

Giá trị trung bình số đếm mỗi chuỗi như nhau, trong khi giá trị trung bình khối ưu tiên hơn các chuỗi nặng hơn. Vì các mẫu thực tế chứa một loạt các kích thước, giá trị trung bình khối luôn ít nhất bằng hoặc lớn hơn; tỷ lệ của chúng, độ phân tán, đo lường độ rộng của phân bố.

Độ phân tán gần bằng một cho thấy điều gì?

Nó cho thấy độ dài chuỗi gần như đồng nhất, đặc trưng của quá trình trùng hợp sống hoặc được kiểm soát. Các polyme trùng hợp gốc tự do và trùng hợp từng bước thông thường thường có độ phân tán khoảng hai hoặc cao hơn.