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数均分子量检测

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发布时间：2025-07-11 03:42:58 更新时间：2025-07-10 03:42:58

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

数均分子量检测

数均分子量（Mn）是高分子材料科学中至关重要的基本参数，它代表聚合物分子链的平均长度，定义为体系中所有分子的总质量除以分子总数。准确测定数均分子量对于理解聚合物的物理化学性质（如溶液行为、熔融粘度、机械强度、热稳定性等）、优化合成工艺、控制产品质量以及预测材料的最终应用性能具有决定性的意义。无论是基础研究还是工业应用，数均分子量的精确表征都是聚合物研发、生产及质检环节不可或缺的核心内容。

检测项目

数均分子量检测的核心项目即为测定聚合物的数均分子量（Mn）。此外，根据不同的检测方法和仪器配置，通常还可以同步测定或关联计算出其他重要参数，例如：

重均分子量（Mw）：通过检测可直接得到或通过计算得出。
分子量分布（MWD）或多分散指数（PDI = Mw/Mn）：这是衡量分子量均一性的关键指标。
分子量分布曲线：直观展示不同分子量组分在聚合物中的相对含量。

这些关联数据共同构成了对聚合物分子量特性的全面描述。

检测仪器

数均分子量的测定依赖于特定的精密仪器，主要可分为两大类：

依数性方法仪器：
- 膜渗透计（Membrane Osmometer）：基于渗透压原理，是测定Mn的绝对方法，特别适用于分子量在2万到100万之间的聚合物。
- 蒸气压渗透仪（Vapor Pressure Osmometer, VPO）：基于蒸气压下降原理，适用于分子量在几百到5万之间的聚合物溶液，尤其适用于低分子量聚合物或寡聚体。
- 冰点降低/沸点升高仪：基于依数性原理，但应用相对较少，主要用于小分子或低聚物。
末端基分析仪器：
- 滴定仪：通过化学滴定反应测定聚合物链末端的特定官能团数量来计算Mn，适用于末端基明确且可定量的聚合物（如聚酯、聚酰胺）。
- 光谱仪（如核磁共振NMR、红外IR、紫外UV）：利用光谱技术定量分析聚合物链末端的特征基团。
凝胶渗透色谱/尺寸排阻色谱（GPC/SEC）及其联用技术：
- GPC/SEC系统：配备示差折光检测器（RI）、紫外检测器（UV）、粘度检测器（VIS）、光散射检测器（LS）或多角度激光光散射检测器（MALLS）等。虽然GPC本身是相对方法，需要标准样品校准，但通过配备绝对分子量检测器（如在线粘度计、多角度激光光散射仪）或与依数性方法结合校准，可以准确测定绝对Mn（尤其是结合光散射和浓度检测器）。GPC/SEC是现代实验室测定聚合物分子量及其分布最常用、最高效的工具。

检测方法

针对数均分子量Mn的检测，主要有以下几种经典方法：

膜渗透法： 将聚合物溶液与纯溶剂用半透膜隔开，溶剂分子会向溶液侧渗透，达到平衡时测量渗透压。根据渗透压与溶液浓度的关系（van't Hoff方程），外推至零浓度即可得到Mn。该方法为绝对方法，不依赖标准样。
蒸气压渗透法（VPO）： 测量溶液中溶质引起的蒸气压下降。仪器通过检测两个匹配热敏电阻上由于溶剂蒸气压不同而产生的温差，该温差与溶液的摩尔浓度成正比，进而可计算Mn。适用于较低分子量范围。
末端基分析法： 通过化学或光谱手段定量测定聚合物分子链末端的可反应或可检测基团数量。由于每个聚合物分子链末端基团数量是已知的（如线性双端基聚合物一般为1或2个），因此末端基团的摩尔浓度即对应分子链的摩尔浓度，结合样品质量即可计算出Mn。此方法要求末端基明确、稳定且可精确测量。
凝胶渗透色谱/尺寸排阻色谱（GPC/SEC）法：
- 相对法： 使用已知分子量的窄分布标准聚合物（通常与被测样品化学结构相似）建立淋洗体积（或时间）与分子量的校准曲线。将未知样品在相同条件下测试，根据其淋洗体积在标准曲线上查得表观分子量，再通过普适校正或马克-豪温克方程换算成真实分子量（包括Mn）。此法依赖于标准样和校准曲线。
- 绝对法： 在GPC系统中串联绝对分子量检测器（如多角度激光光散射MALLS仪、在线粘度计）。MALLS可直接测量溶液中大分子的均方根旋转半径和分子量，无需标准样和校准曲线，可直接给出流出液中每个级分的绝对分子量（包括Mn、Mw）。粘度计结合浓度检测器也可通过普适校准原理得到绝对分子量。

检测标准

为了确保数均分子量检测结果的准确性、可靠性和可比性，国际上和各国标准化组织制定了一系列标准方法，常见的包括：

ISO 标准：
- ISO 16014 (系列): 塑料 - 使用尺寸排阻色谱法测定聚合物的平均分子量和分子量分布 (详细规定了不同检测器联用GPC/SEC的方法)。
- ISO 16525-1,2,3: 胶粘剂 - 使用凝胶渗透色谱法测定聚合物平均分子量及其分布。
- ISO 4655: 橡胶 - 用尺寸排阻色谱法测定溶聚丁苯橡胶的分子量分布。
ASTM 标准：
- ASTM D5296: 用高效尺寸排阻色谱法测定聚苯乙烯分子量平均值和分子量分布的标准试验方法（使用PS标样校准）。
- ASTM D6474: 用多角度激光光散射检测器测定聚烯烃分子量分布和分子量平均值的标准试验方法（绝对法）。
- ASTM D3750: 用膜渗透压法测定聚合物数均分子量的标准试验方法。
- ASTM D3593: 用膜渗透法测定聚氯乙烯（PVC）稀溶液数均分子量的标准试验方法。
- ASTM D4875：用高温膜渗透法测定聚烯烃数均分子量的标准试验方法。
GB (中国国家标准)：
- GB/T 21863: 凝胶渗透色谱法(GPC) - 用四氢呋喃做淋洗液。
- GB/T 36214: 塑料聚合物分散体用凝胶渗透色谱法测定平均分子量和分子量分布。
- GB/T 27843: 化学品聚合物低分子量组分含量测定凝胶渗透色谱法(GPC)。
- GB/T 12005.10: 聚丙烯酰胺分子量测定粘度法（可间接关联Mn，非直接绝对法）。