[科普中國]-溶脹比

溶脹是高分子聚合物在溶劑中體積發(fā)生膨脹的現(xiàn)象。交聯(lián)高聚物因吸收一定量溶劑而發(fā)生溶脹。當(dāng)達(dá)到溶脹平衡時，其體積與溶脹前體積之比稱為溶脹比。溶脹比與溫度、壓力、高聚物的交聯(lián)度及溶質(zhì)、溶劑的性質(zhì)有關(guān)。

基本概念溶解和溶脹高分子的溶解比小分子困難得多，一方面由于分子量巨大，長鏈分子尺寸與溶劑小分子相差懸殊，擴散能力不同；另一方面由于分子鏈處于相互纏結(jié)狀態(tài)，分子間作用力強，分離困難。因而高分子溶解過程相當(dāng)緩慢，常需要幾小時、幾天，甚至幾星期。溶解的過程分為兩個階段，先是溶劑小分子滲透、擴散到高分子之間，削弱大分子間相互作用力，使體積膨脹，此過程稱為溶脹。然后鏈段和分子整鏈的運動加速，分子鏈松動、解纏結(jié)，達(dá)到雙向擴散均勻，完成溶解。1

溶脹平衡交聯(lián)聚合物分子鏈之間有化學(xué)鍵連接，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，整個材料可視為一個高分子，只要交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不破壞，交聯(lián)聚合物就不能發(fā)生溶解。但是由于網(wǎng)鏈尺寸大，溶劑小分子也能滲透、擴散到網(wǎng)鏈之間，使網(wǎng)鏈間距增大，材料體積膨脹，發(fā)生溶脹，最終形成凝膠。

溶脹過程中，存在兩種作用力相互競爭、相互依存的狀態(tài)：一種是溶劑與聚合物分子的作用力，該力使分子鏈間相互作用減弱，溶劑滲透進(jìn)入聚合物內(nèi)部，使體積膨脹；另一種是由于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)膨脹后，網(wǎng)鏈向三維空間伸展，使構(gòu)象熵減少，而分子熱運動又使網(wǎng)鏈回縮，產(chǎn)生彈性回縮力，使體積減小。溶脹初期，第一種力占上風(fēng)，聚合物體積不斷膨脹；隨著體積膨脹越大，彈性回縮力也越大。當(dāng)兩種競爭力的作用相互抵消、達(dá)到平衡，即溶劑的深入、膨脹作用與交聯(lián)網(wǎng)的彈性回縮作用相等時，溶脹結(jié)束，體積恒定，此時稱為溶脹平衡。1

測試方法常用重量法測定材料的溶脹比。

將已知量起始凝膠置于指定溫度的特定溶劑中，每隔一定時間用絹絲濾網(wǎng)過濾以除去溶膠及被溶解部分，然后稱重得溶脹凝膠重。將溶脹后的凝膠再次浸泡于溶劑中( 溫度同上 )，隔一定時間過濾并稱重。如此反復(fù)進(jìn)行，直至凝膠總質(zhì)量不變，達(dá)到溶脹平衡。最后將達(dá)到溶脹平衡的水凝膠干燥至恒重，稱重得溶脹平衡時干凝膠重。2

溶脹比q按下式計算：3

式中，Va——試樣溶脹平衡時吸收溶劑的體積，mL；

W0——干凝膠質(zhì)量，g；

W——試樣溶脹平衡時的質(zhì)量，g；

ρa——溶劑密度，g/cm3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王強 - 副教授 - 西南大學(xué)