Молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение

Состав и строение макромолекул зависят не только от химического состава и строения молекул мономера, но и от способа, с помощью которого осуществлено соединение малых молекул в большие. При этом как в цепных, так и в ступенчатых процессах синтеза полимеров невозможно представить себе случай, когда все образующиеся макромолекулы имели бы одинаковую степень полимеризации, т. е. одинаковую молекулярную массу. В любом образце полимера присутствуют макромолекулы разных размеров, т. е. любой полимер неоднороден по молекулярной массе. Эта полидисперсность является одним из основных понятий в химии и физике полимеров. Существенные прочностные свойства полимеров проявляются при довольно больших значениях молекулярной массы (5 — 10 тыс.) и далее возрастают с ее увеличением. Регулирование молекулярной массы полимера в процессе синтеза является, таким образом, важным фактором влияния на его механические свойства.

Полимолекулярность, или полидисперсность, полимеров заложена уже в самом характере процессов синтеза, в их статистичности. Любой образец полимера может быть представлен набором отдельных фракций, состоящих из макромолекул приблизительно одинакового размера. Очевидно, что число таких фракций может быть бесконечно большим, и даже отдельную фракцию нельзя получить с абсолютно одинаковыми по размеру макромолекулами.

Помимо средней молекулярной массы полимер может быть охарактеризован еще типом распределения по молекулярным массам, т. е. молекулярно — массовым распределением (ММР).

ММР полимера оказывает существенное влияние на его физико — механические свойства.

Кривая 1 на рисунке 10 соответствует, так называемому, узкому ММР, когда основная масса полимера содержит фракции с молекулярной массой около 8000, а доля фракций с меньшими или большими значениями молекулярных масс значительно меньше. Кривая 2 соответствует широкому молекулярно — массовому распределению, когда содержание фракций с близкими значениями молекулярных масс велико, а содержание преобладающей фракции (молекулярная масса около 15 000) лишь незначительно больше, чем содержание других фракций (например, молекулярной массы 10 000 или 20 000). Кривая З показывает преобладание двух фракций (16 000 и 27 000).

• 1 — узкое ММР (преобладают фракции с ММ (10 + 12)10³⁾;
• 2 — широкое ММР (присутствуют фракции с ММ (4 +28)10³ в ощутимых количествах);
• 3 — бимодальное ММР (преобладают фракции с ММ (14 + 16)10³ и (26+28)10³)

Рисунок 10 — Дифференцальные кривые молекулярно массового распределения трех основных видов Повышенное содержание высокомолекулярных фракций в полимере сообщает ему более высокие прочностные характеристики, повышенную твердость и температуростойкость. Начало пластического течения таких полимеров смещается в область более высоких температур. Полимеры с большим содержанием низкомолекулярных фракций имеют низкие прочностные параметры и в целом характеризуются худшими механическими свойствами. Средняя молекулярная масса и молекулярно — массовое распределение являются важными контрольными величинами при получении полимеров с нужными механическими свойствами.

Поскольку молекулярная масса полимера является среднестатистической величиной, то очевидно, что различные методы определения дают и разные ее значения. Если метод определения слабо чувствителен к молекулам малого размера, то значение молекулярной массы получится выше, чем в случае, если метод одинаково чувствителен к макромолекулам любого размера. Поэтому значение молекулярной массы, полученное с помощью какого — либо одного метода, не может точно характеризовать соотношение больших и сравнительно малых молекул в данном полимере. Методы определения молекулярной массы полимера в целом или молекулярных масс отдельных фракций обычно объединяют в две группы — среднечисловые и среднемассовые.

К среднечисловым относят методы, основанные на определении числа молекул в разбавленных растворах полимеров: понижение температуры замерзания раствора (криоскопия), повышение температуры кипения раствора (эбулиоскопия), определение числа концевых групп в макромолекулах, измерение осмотического давления раствора. Получаемая при этих измерениях среднечисловая молекулярная масса представляет собой суммарную массу всех молекул в образце полимера, отнесенную к одной среднестатистической молекуле, формула (1).

где i изменяется от 1 до ?;

N_i — число молекул с молекулярной массой M_i.

К среднемассовым относят такие методы определения молекулярной массы, которые основаны на установлении массы отдельных макромолекул: измерение скорости седиментации, скорости диффузии, светорассеяния в растворах полимеров. Среднемассовая молекулярная масса представляет собой сумму произведений масс всех фракций полимера на молекулярные массы фракций, отнесенную к общей массе полимера, формула (2).

где W_i — масса фракции с молекулярной массой M_i, т. е. W_i = N_i M_i;

N_i — число молекул с молекулярной массой M_i.

Близка к среднемассовому значению средневязкостная молекулярная масса полимера, которая определяется измерением вязкости разбавленных растворов.

В случае если полимер состоит из одной фракции с очень близкими друг к другу размерами молекул, он называется монодисперсным. Во всех остальных случаях и отношение является мерой полидисперсности полимера.

Обычно на кривой молекулярно — массового распределения полимера значение приходится на максимум, т. е. на фракцию, доля которой в составе полимера наибольшая, а значение сдвинуто вправо по оси абсцисс (рис. 11).

Рисунок 11 — Кривая молекулярно — массового распределения полимера.