Polymer Karakterisering använda tekniker ljusspridning och utrustning från Malvern Instruments
Ämnen som tas upp
Bakgrund
Dynamisk ljusspridning
Polymerer
Icke-invasiv Backscatter Optik
Fallstudier
Fallstudie 1: Mätning Polymer Molecular Mått och vikt
Fallstudie 2 - Övervakning Polymer fasövergångar
Fallstudie 3: Övervakning förändringar i polymera konformation
Slutsatser
Zetasizer Nano System
Bakgrund
Ljusspridning tekniker används ofta för karakterisering av lösningar av polymerer och makromolekyler.
Dynamisk ljusspridning
Dynamisk ljusspridning (också känd som fotonen korrelation spektroskopi (PCS) och kvasi-elastisk ljusspridning (QELS)) mäter tidsberoende variationer i intensiteten av spridda ljus som beror på att partiklarna genomgår Brownsk rörelse. Hastigheten i denna Brownsk rörelse mäts och kallas translationell diffusionskoefficient D. Detta diffusionskoefficient kan omvandlas till partikelstorlek med Stokes-Einstein ekvation.
Polymerer
Polymerer används i en mängd olika tillämpningar på grund av sin mångfald av fastigheter. Den molekylära struktur, konformation och orientering av polymermolekylerna hög grad kan påverka den makroskopiska egenskaperna hos materialet.
Slumpmässiga spole polymermolekylerna har öppna konformationer. Detta resulterar i låga skillnader brytningsindex med den kontinuerliga fasen och som ett resultat de sprider mycket ljus. För sådana svagt spridning prover, observerade intensiteten i spridning med konventionell DLS instrument (dvs. 90 ° detektion) inte är tillräcklig för framgångsrik dimensionering mätningar som skall utföras.
Icke-invasiv Backscatter Optik
Den Zetasizer Nano utbud av instrument innehåller icke-invasiv återspridning (KROSSADE KAKAOBÖNOR ™) optik. Det spridda ljuset detekteras i en vinkel på 173 °. Romanen optik arrangemanget maximerar upptäckt av spridda ljuset med bibehållen signalkvalitet. Detta ger exceptionell känslighet som krävs för att mäta storleken på molekyler mindre än 1000 Daltons .
Fallstudier
I detta meddelande sammanfattar mätningar utförda på olika polymerer i lösning med Zetasizer Nano S . Nano S innehåller ett 4mW He-Ne laser som arbetar vid en våglängd av 633nm och en lavin fotodiod (APD) detektor.
Fallstudie 1: Mätning Polymer Molecular Mått och vikt
Även trodde absolut molekylvikt mätningarna erhålls med hjälp av statisk ljusspridning kan molekylvikt ibland härledas ur DLS mätningar genom att utnyttja Mark-Houwinck relation som definierar inneboende viskositet av en polymer lösning i termer av molekylvikt av lösning.
Detta visar sig vara nära relaterat till translationell diffusionskoefficient (D) av molekylerna i följande ekvation:
D = KM - α
Där k är en konstant för en viss polymer i ett lösningsmedel, M är molekylvikt solute och A är en konformationsanalys parameter beskriver den kompakta av molekylen i lösning. Ett uppmätt värde för en av 1 tyder på att lösta molekylerna är styva stavar ett värde av 0,5 till 0,67 erhålls med slumpmässiga spolar och ett värde på 0,3 inträffar för sfärer. Därför är det möjligt att få information om konformation av ett löst ämne molekyl i ett särskilt lösningsmedel från DLS mätningar.
29,2 | Med loggar av ekvationen D = km, följande uttryck erhålls;
Log D = log K - α log M
Därför är en graf över Log D mot log M kommer att ge en tomt vars lutning är en. Den translationella diffusionskoefficient, D, är relaterad till partikelstorlek genom Stoke-Einstein ekvation. Därför kan en tomt på Log partikelstorlek mot log M också bestämma värdet av en. Figur 1 visar en sådan komplott för att uppgifterna i tabell 1. Lutningen på linjen är 0,31 indikerar att polystyren molekyler har antagit en sfärisk konformation i toluen.
Figur 1. Täppan av log z-genomsnittlig diameter kontra logaritmiska molekylvikten för polystyren i toluen. Lutningen på linjen är 0,31 vilket tyder på att molekylerna har en sfärisk konformation är lösningen.
Fallstudie 2 - Övervakning Polymer fasövergångar
Poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) är en av de mest välkända polymerer som uppvisar en reversibel, temperaturberoende fasövergång. Vid vilken temperatur detta sker kallas moln punkt eller lägre kritiska lösning temperatur (LCST). PNIPAM är lösligt vid temperaturer under den LCST och polymeren har ett slumpmässigt spole konformation. Vid temperaturer över LCST, polymerkedjorna kollapsar i en globule. Detta skarp övergång beror på förändringar i vätebindningar med vattenmolekyler till amid grupp av sidokedjan.
Figur 2 visar resultaten från en temperatur scanna av ett urval av PNIPAM upprättats i avjoniserat vatten med en 0,01% w / v koncentration. Mätningar gjordes vid 0,5 ° C intervall med en temperatur på 10 till 40 ° C. En fördröjning på 5 minuter har använts vid varje temperatur för att säkerställa att provet viskositeten var jämvikt före mätningarna togs. Både den genomsnittliga diskonteringsränta (i kilo räknas per sekund (kcps)) och z-genomsnittlig diameter (nm) plottas som funktion av temperatur (° C).
Figur 2. Medelvärdet diskonteringsränta (kcps) och z-genomsnittlig diameter (nm) av PNIPAM ritas som en funktion av temperaturen.
Den stora ökningen i det genomsnittliga diskonteringsränta vid en temperatur av 32 ° C är i linje med tidigare publicerade LCST värden för PNIPAM. Denna ökning av det spridda ljuset resultat från en förändring i brytningsindex PNIPAM molekyler som de genomgår en övergång från slumpmässigt spole kondenserad globule. Brytningsindex för kondenserad globule strukturen är högre än den slumpmässiga spole polymeren.
Figur 3 visar fördelningen intensiteten storlek erhålls vid (a) 10 ° C och (b) 40 ° C. När PNIPAM molekyler i en slumpmässig coil-konfiguration är storleksfördelning bredare jämfört med när polymeren i en kondenserad globule. Den polydispertion indexvärden som erhålls vid dessa två temperaturer 0,491 och 0,087 respektive. Det lägre värdet 0,087 bekräftar smalare storleksfördelning ses vid 40 ° C.
Figur 3. Intensiteten storlek distributioner av 0,01% w / v PNIPAM mätt vid (a) 10 ° C och (b) 40 ° C.
Fallstudie 3: Övervakning förändringar i polymera konformation
Dynamisk ljusspridning enkelt kan övervaka temperaturberoende förändringar i konformation av polymera partiklar. Figur 4 visar effekten på den genomsnittliga diskonteringsränta och z-genomsnittlig diameter av en polymer partikel spridning när temperaturen ökade. Mätningarna gjordes på 1 ° C intervaller med en jämviktstiden 5 minuter vid varje temperatur.
Figur 4. Effekten av ökande temperatur på den genomsnittliga diskonteringsränta och z-genomsnittlig diameter av en polymer partikel spridning.
