ポリマー特性評価

ポリマーの特性評価は、ポリマー科学の分析分野です。

この分野は、さまざまなレベルでポリマー材料の特性評価に関係しています。特性評価の目標は通常、材料の性能を向上させることです。したがって、多くの特性評価技術は、理想的には、強度、不浸透性、熱安定性、光学特性など、材料の望ましい特性にリンクされている必要があります。^[1]

特性評価技術は、通常、分子量、分子構造、分子形態、熱特性、機械的特性を決定するために使用されます。^[2]

ポリマーの分子量は、重合反応によって分子量と形状の分布が生じるという点で、一般的な分子とは異なります。分子量の分布は、数平均分子量、重量平均分子量、および多分散度によってまとめることができます。これらのパラメータを決定する最も一般的な方法には、凝集特性測定、静的光散乱法、粘度測定、およびサイズ排除クロマトグラフィーなどがあります。

ゲル浸透クロマトグラフィーは、サイズ排除クロマトグラフィーの一種で、ポリマーの流体力学的容積に基づいて分子量分布パラメータを直接決定するために使用される特に有用な技術です。ゲル浸透クロマトグラフィーは、適切な溶媒が見つかる限り、ポリマーの分子量分布、分岐比、長鎖分岐度を絶対的に（つまり、クロマトグラフィー分離の詳細とは無関係に）決定するために、多角光散乱（MALS） 、低角レーザー光散乱（LALLS）、および/または粘度測定と組み合わせて使用​​されることがよくあります。[ ^3]

コポリマーのモル質量測定は、はるかに複雑な手順です。この複雑さは、ホモポリマーに対する溶媒の影響と、それがコポリマーの形態にどのように影響するかによって生じます。コポリマーの分析には通常、複数の特性評価方法が必要です。たとえば、直鎖低密度ポリエチレン(エチレンとヘキセンやオクテンなどの高級アルケンのコポリマー) などの短鎖分岐を持つコポリマーには、分析温度上昇溶出分画 (ATREF) 技術を使用する必要があります。これらの技術により、短鎖分岐がさまざまな分子量にどのように分布しているかを明らかにすることができます。コポリマーが UV や屈折率に対して異なる応答を示す 2 つのベースポリマーで構成されている場合は、GPC と、多角度光散乱、UV 吸収、示差屈折測定を含む 3 重検出システムを組み合わせて使用​​することで、コポリマーの分子量と組成をより効率的に分析できます。^[4]

未知の有機化合物の分子構造を決定するために使用される分析技術の多くは、ポリマーの特性評価にも使用されます。紫外可視分光法、赤外分光法、ラマン分光法、核磁気共鳴分光法、電子スピン共鳴分光法、X線回折、質量分析などの分光技術は、一般的な官能基を識別するために使用されます。

ポリマーの形態は、ポリマー鎖の非晶質または結晶質部分と、それらの相互影響によって主に決定されるミクロスケールの特性です。ポリマー形態によって生成されるドメインは、最新の顕微鏡機器を使用して観察できるほど大きいため、顕微鏡技術はこれらのミクロスケールの特性を決定するのに特に役立ちます。使用される最も一般的な顕微鏡技術には、X 線回折、透過型電子顕微鏡、走査型透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、および原子間力顕微鏡があります。

メソスケール（ナノメートルからマイクロメートル）のポリマー形態は、多くの材料の機械的特性にとって特に重要です。染色技術と組み合わせた透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡は、ポリブタジエン-ポリスチレンポリマーや多くのポリマーブレンドなどの材料の形態を最適化するための重要なツールです。

このクラスの材料は非晶質または結晶化が不十分であるため、X 線回折は通常それほど強力ではありません。小角 X 線散乱(SAXS)などの小角散乱は、半結晶性ポリマーの長周期を測定するために使用できます。

ポリマーの特性評価に最も役立つのは熱分析、特に示差走査熱量測定です。材料の組成および構造パラメータの変化は通常、その融解転移またはガラス転移に影響し、これらは多くの性能パラメータに結び付けられます。半結晶性ポリマーの場合、これは結晶化度を測定する重要な方法です。熱重量分析は、ポリマーの熱安定性や難燃剤などの添加剤の効果を示すこともできます。その他の熱分析技術は、通常、基本的な技術の組み合わせであり、示差熱分析、熱機械分析、動的機械熱分析、誘電熱分析などがあります。

動的機械分光法と誘電分光法は、本質的には熱分析の拡張であり、材料の複素弾性率または誘電機能に影響を与える温度によるより微妙な変化を明らかにすることができます。

ポリマーの機械的性質の特徴付けは、通常、ポリマー材料の強度、弾性、粘弾性、異方性の尺度を指します。ポリマーの機械的性質は、ポリマー鎖のファンデルワールス相互作用と、加えられた力の方向に鎖が伸びて整列する能力に大きく依存します。ポリマーがひび割れを形成する傾向などの他の現象も、機械的性質に影響を与える可能性があります。通常、ポリマー材料は、その機械的性質に応じて、エラストマー、プラスチック、または剛性ポリマーとして特徴付けられます。^[5]

引張強度、降伏強度、ヤング率は、強度と弾性の尺度であり、高分子材料の応力-ひずみ特性を説明する上で特に重要です。これらの特性は、引張試験によって測定できます。^[6]結晶性または半結晶性ポリマーの場合、異方性がポリマーの機械的特性に大きな役割を果たします。^{[7]ポリマーの結晶化度は、}示差走査熱量測定によって測定できます。^[8]非晶質および半結晶性ポリマーの場合、応力が加えられると、ポリマー鎖はほどけて整列します。応力が鎖の整列方向に加えられると、ポリマーのバックボーンを接続する共有結合が応力を吸収するため、ポリマー鎖はより高い降伏応力と強度を示します。ただし、応力が鎖の整列方向に対して垂直に加えられると、鎖間のファンデルワールス相互作用が主に機械的特性に関与するため、降伏応力は減少します。^[9]これは、引張試験で得られる応力-ひずみグラフで観察できます。したがって、サンプル内の鎖の配向を含む引張試験のためのサンプルの準備は、観察される機械的特性に大きな役割を果たす可能性があります。

結晶性および半結晶性ポリマーの破壊特性は、シャルピー衝撃試験で評価できます。合金系でも使用できるシャルピー試験は、サンプルにノッチを作成し、振り子を使用してノッチでサンプルを破壊します。振り子の動きを使用して、サンプルが破壊するために吸収したエネルギーを推定できます。シャルピー試験は、振り子の質量の変化で測定される破壊時のひずみ速度を評価するためにも使用できます。通常、シャルピー試験では、脆性およびやや延性のあるポリマーのみが評価されます。破壊エネルギーに加えて、破壊がサンプルの完全な破壊であったか、サンプルの一部のみが破壊され、大きく変形した部分がまだ接続されているかなど、破壊の種類を視覚的に評価できます。エラストマーは、降伏ひずみが高く、シャルピー試験の結果を妨げるため、通常、シャルピー試験では評価されません。^[10]

ポリマー材料には、その機械的性質に影響を与える多くの特性がある。重合度が上がると、より長い鎖は高いファンデルワールス相互作用と鎖の絡み合いを持つため、ポリマーの強度も上がる。長いポリマーは絡み合う可能性があり、その結果、体積弾性率が増加する。^[11]クレイズは、ポリマーマトリックスに形成される小さな亀裂であるが、ポリマーマトリックスの小さな欠陥によって阻止される。これらの欠陥は通常、一次相全体に分散している第2の低弾性ポリマーで構成される。クレイズは、小さな亀裂が破壊につながることなくより高い応力と歪みを吸収できるようにすることで、ポリマーの強度を高め、脆さを低下させることができる。クレイズが伝播または合体すると、サンプルにキャビテーションと破壊を引き起こす可能性がある。^{[12] [13]}クレイズは透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡で確認でき、通常は合成中にポリマー材料に組み込まれる。熱硬化性ポリマーに典型的に見られる架橋は、ポリマーの弾性率、降伏応力、降伏強度を増加させることもできる。^[14]

動的機械分析は、多くのポリマー系に共通する粘弾性挙動の特性評価に使用される最も一般的な手法です。^[15] DMA は、ポリマーの機械的挙動の温度依存性を理解するためのもう 1 つの重要なツールでもあります。動的機械分析は、貯蔵弾性率とガラス転移温度の測定、架橋の確認、形状記憶ポリマーのスイッチング温度の決定、熱硬化性樹脂の硬化の監視、および分子量の決定に使用される特性評価手法です。振動力がポリマーサンプルに適用され、サンプルの応答が記録されます。DMA は、サンプルに適用された力と変形回復との間の遅延を記録します。粘弾性サンプルは、動的弾性率と呼ばれる正弦波弾性率を示します。回復されたエネルギーと失われたエネルギーの両方が各変形中に考慮され、それぞれ弾性率 (E') と損失弾性率 (E'') によって定量的に説明されます。サンプルに適用された応力とひずみは、時間の経過に伴って測定される位相差 ẟ を示します。材料に応力が加えられるたびに新しい弾性率が計算されるため、DMAはさまざまな温度や応力周波数における弾性率の変化を調べるために使用されます。^[16]

その他の技術としては、粘度測定、レオメトリー、振り子硬度測定などがあります。

• フィールドフローフラクショネーション
• レーザー支援質量分析
• アコンプ^{[17] [18]}
• マイクロフィ
• 二重偏光干渉計
• マトリックス支援レーザー脱離/イオン化