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前沿应用|赋能高分子制造智能化:低场时域核磁技术实现EMAA离聚物动态相组成与链运动性的分钟级质控

来源:苏州纽迈分析仪器股份有限公司 更新时间:2026-01-20 17:00:27 阅读量:14
导读:聚(乙烯-共-甲基丙烯酸)离子聚合物在熔融加工过程中,其离子聚集结构和链段运动性直接影响流动性、成型性与最终产品性能。然而,传统表征手段在熔体态、高黏度体系中面临以下痛点:

聚(乙烯-共-甲基丙烯酸)离子聚合物在熔融加工过程中,其离子聚集结构和链段运动性直接影响流动性、成型性与最终产品性能。然而,传统表征手段在熔体态、高黏度体系中面临以下痛点:


无法原位表征:SAXS、TEM等方法需固态样品,无法反映熔体动态结构;

测试周期长:流变学测试虽能反映宏观黏度,但无法解析微观相分布;

对高黏度样品不敏感:高中和度(DoN > 60%)EMAA熔体黏度过高,传统流变仪难以测量;

无法区分动态相:DSC、FTIR等方法难以区分“离子聚集相”“连接相”“悬垂相”的运动性差异。



解决方案:

低场核磁快速、原位、多相分辨的表征策略

目前,陶氏化学发表的一篇论文中采用了纽迈分析仪器股份有限公司生产的低场核磁(TD-NMR)设备(型号为VTMR20-010V-I),结合 CPMG脉冲序列三组分拟合模型,在熔融温度以上(100℃)对EMAA进行快速、无损伤的原位分析,一次测试同时获得:



三动态相含量比例(A1, A?, A?)



各相运动性指标(T?1, T??, T??)



整体链运动性综合指标(T????)

将 EMAA 划分为低运动性相(离子聚集体、酸基团及其周围聚合物链;上标为l)、中间相(离子簇与酸基团之间的柔性网络链;上标为i)和高运动性相(悬挂链、低分子量齐聚物;上标为h),

图1:EMAA离聚物动态相组成模型图


中和度(DoN)对动态相与链运动的影响

表1:中和度(DoN)对动态相与链运动的影响

01



低运动相(Al、T2l):

Al随 DoN 增加持续上升(0% DoN 时 23.2%→90% DoN 时 51.4%),表明中和度越高,离子聚集体形成越多;T2l随 DoN 增加先下降后趋于稳定(0% DoN 时 0.493 ms→50% DoN 时 0.190 ms),50% DoN 后基本维持在 0.187-0.192 ms,说明离子聚集体的刚性随中和度增加而增强,50% DoN 后离子聚集体堆积达到极限。

02



中间相(Ai、T2i

A i呈现先小幅上升(0%-23% DoN)后下降的趋势,在 23% 和 50% DoN 处出现两个拐点,反映了离子聚集体形成与网络链转化的平衡过程;T2i随 DoN 增加先下降(0% DoN 时 1.719 ms→50% DoN 时 0.532 ms)后小幅上升(50%-90% DoN 时 0.532→0.653 ms),说明低 DoN 时网络链运动性受离子聚集体纠缠限制,高 DoN 时部分低运动性短链被离子聚集体捕获,剩余长链运动性略有提升。

03



高运动相(Ah、T2h

Ah随 DoN 增加持续下降(0% DoN 时 18.2%→90% DoN 时 6.6%),表明更多悬挂链被捕获到低运动性相;T2h随 DoN 增加先下降(0% DoN 时 10.815 ms→50% DoN 时 4.927 ms)后显著上升(90% DoN 时 14.508 ms),50% DoN 后高运动性相与低运动性相分离加剧,悬挂链限制减少。

04



整体运动性(T2avg

随 DoN 增加持续下降(0% DoN 时 1.207 ms→90% DoN 时 0.301 ms),与 EMAA 熔体拉伸粘度随中和度增加而升高的已知特性一致,验证了低场核磁数据的可靠性。

05



技术价值

仅通过一次TD-NMR测试,即可系统揭示DoN对三相结构演变的影响,为配方中“中和度-加工性”平衡提供直接依据。


增塑剂对动态相分布与链运动的影响

表2:增塑剂对动态相分布与相运动性的影响(对照组为 27.5% DoN 的 EMAA 新批次样品。)


该表探究了四种增塑剂对 EMAA 动态相和链流动性的影响,结果分析如下:

01



对照组

作为基准,T2avg=0.442 ms,各相含量和T2值为增塑剂影响提供对比基准。

02



甘油

Al基本不变(31.7%→31.2%),T2l升高(0.222→0.258 ms),T2avg显著升高(0.442→0.533 ms)。甘油因极性和氢键作用插入离子聚集体,松散其堆积结构,降低刚性,提升整体链流动性,且不形成新的低运动相。

03



赖氨酸

Al显著升高(31.7%→39.8%),T2l基本不变(0.222→0.223 ms),T2avg下降(0.442→0.400 ms)。赖氨酸通过胺基和氨基酸结构作为离子聚集体内或间的交联剂,增加离子聚集体含量并维持其刚性,导致链流动性下降。

04



二甲基乙醇胺(DMEA)

Al 升高(31.7%→34.4%),T2l升高(0.222→0.257 ms),T2avg升高(0.442→0.504 ms)。DMEA 与残留酸基团反应形成铵羧酸盐,改变原有K+羧酸盐离子聚集体结构,降低刚性,提升链流动性。

05



邻苯二甲酸二辛酯(DOP)

A升高(31.7%→37.2%),T2i和T2h均升高(T2i:0.711→0.868 ms;T2h:7.104→10.446 ms),T2avg略有升高(0.442→0.471 ms)。DOP 作为非极性增塑剂偏好 PE 相,降低中间相和高运动相极性,引发离子聚集体融合(相分离加剧),整体提升链流动性。

06



技术价值

TD-NMR可直观区分增塑剂是“插入离子相”还是“增强相分离”,为筛选适用于高离子含量体系的增塑剂提供快速评价手段。


低场TD-NMR如何成为解决EMAA研发与质控痛点的利器

01

实现微观参数与宏观性能的定量关联

研究提出的种群加权平均T2值(T2avg)可直接作为 EMAA 链流动性与加工性的量化指标,解决了传统加工性评价(如熔体粘度测试)难以适用于高中和度(>60% DoN)EMAA 的难题。通过动态相含量(Al、Ai、Ah)和各相T2值的变化,可精准预判 EMAA的粘弹性、韧性等宏观性能,为聚合物性能优化提供了 “微观参数调控” 的明确靶点,打破了 “试错式” 研发的传统模式。


02

构建高效、稳健的表征技术体系

该研究建立的低场 TD-NMR 表征流程具有显著技术优势:实验总时长仅约 1 分钟,避免了高场 NMR 的复杂操作与长耗时;三组分模型拟合R2>0.994,关键参数(T2avg)的日间偏差 < 2%,重复性与稳定性优异,实现了从实验室研发到工业检测的技术适配。该技术体系为聚合物动态表征提供了 “快速、精准、低成本” 的新方案,推动了低场 NMR 在高分子材料领域的应用拓展。


参考资料

Chen, Z., Xu, Y., Zhang, Z., Yan, Q., Song, A., Qiu, X., Rau, N., & Drumright, R. (2025). Poly (ethylene-co-methacrylic acid) ionomer dynamic phase composition and polymer chain mobility characterization by time domain NMR. International Journal of Polymer Analysis and Characterization, 30 (7), 867-876. https://doi.org/10.1080/1023666X.2025.2462057


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