Молекулярная масса полимеров является фундаментальным параметром, определяющим физико-химические свойства полимерных материалов, включая механическую прочность, вязкость, термическую стабильность и растворимость. В отличие от низкомолекулярных соединений, полимеры представляют собой смеси макромолекул различной длины, что приводит к распределению молекулярных масс.
Молекулярная масса полимера характеризует массу одной макромолекулы. Для полимеров выделяют несколько типов молекулярной массы:
Средняя молекулярная масса по числу (Mn): [ M_n = ] где (N_i) — количество макромолекул с молекулярной массой (M_i). Этот показатель чувствителен к маломолекулярным компонентам смеси и отражает среднюю длину цепей по числу макромолекул.
Средняя молекулярная масса по массе (Mw): [ M_w = ] Этот параметр больше влияет на свойства, связанные с механической прочностью и вязкостью, так как учитывает вклад более тяжёлых макромолекул.
Полидисперсность (Đ): [ Đ = ] Показатель, отражающий ширину распределения молекулярных масс. Для идеальных полимеров с узким распределением Đ приближается к 1, для синтетических полимеров обычно 1,5–3,0 и выше.
Осмотические методы: Определение молекулярной массы по осмотическому давлению растворов полимера, эффективно для низкомолекулярных полимеров. Позволяет вычислить (M_n) из зависимости (/c) при нулевой концентрации.
Вязкостные методы: Основываются на измерении вязкости растворов полимера. Эмпирическая зависимость [η] = K·M^a связывает вязкость с молекулярной массой. Используется преимущественно для оценки Mw, особенно в полимерах высокой молекулярной массы.
Электрофоретические методы и гель-проникающая хроматография (GPC/SEC): Гель-проникающая хроматография позволяет получать полное распределение молекулярных масс. Разделение происходит по гидродинамическому объёму макромолекул. Интегрируя сигнал детектора, вычисляют Mn, Mw и другие усреднённые показатели.
Масс-спектрометрия: Используется для низкомолекулярных полимеров и олигоэфиров, включая MALDI-TOF и ESI. Позволяет точно определять массы отдельных цепей и их распределение.
Полимерные материалы редко обладают узким распределением. Распределение может быть:
Понимание распределения молекулярной массы важно для прогнозирования свойств материала, так как механические и реологические характеристики определяются в первую очередь более длинными цепями.
Молекулярно-массовые характеристики являются центральным понятием в химии полимеров. Комплексное изучение Mn, Mw, Đ и их распределения позволяет не только предсказывать физические свойства полимеров, но и оптимизировать синтез и переработку материалов. Контроль этих параметров лежит в основе разработки новых полимерных систем с заданными эксплуатационными характеристиками.