Come calcolare il peso molecolare del polimero

I polimeri contengono una vasta gamma di catene con diverso peso molecolare, a differenza di molte altre sostanze. Quindi, non possiamo calcolare il peso molecolare esatto di un polimero; invece, calcoliamo il peso molecolare medio di un polimero. È molto importante determinare il peso molecolare medio di un polimero poiché le sue proprietà dipendono da esso. Ad esempio, un polimero con un peso molecolare medio elevato si comporterebbe in un modo completamente diverso rispetto a un polimero con un peso molecolare medio basso. Esistono vari approcci per il calcolo dei pesi molecolari medi dei polimeri tra cui la viscosimetria, l'osmometria, la cromatografia per esclusione di dimensioni, l'ultracentrifugazione, la dispersione della luce, l'analisi del gruppo terminale e la titolazione torbidimetrica.

Questo articolo si concentra su,

1. Come calcolare il peso molecolare del polimero?
       - Peso molecolare medio numerico
       - Peso molecolare medio ponderale

2. Che cos'è la viscometria?

3. Cos'è l'ultracentrifugazione?

Come calcolare il peso molecolare del polimero

Esistono due metodi comuni per calcolare il peso molecolare medio dei polimeri se le distribuzioni di peso molecolare sono note.

Peso molecolare medio numerico

Il primo metodo è il peso molecolare medio numerico (m_n), che viene trovato dall'equazione;

m_n= Σ X_io M_io

M_io è la media molecolare della gamma di dimensioni io, e x_io è la frazione del numero totale di catene all'interno dell'intervallo specificato.

Peso molecolare medio ponderale

Il secondo metodo è il peso molecolare medio ponderale (m_w), trovato per equazione;

m_w= Σ w_io M_io

M_io è la media molecolare della gamma di dimensioni io, e W_io è la frazione in peso delle molecole all'interno dell'intervallo dato.

Cos'è la viscometria

La tecnica più comune che viene utilizzata per determinare il peso molecolare medio di un polimero è la viscosimetria, dove viene impiegato il viscosimetro di Ubbelohde. In questo metodo, il polimero dovrebbe essere in forma liquida; in caso contrario, deve essere sciolto usando un solvente con una concentrazione nota. Secondo l'equazione di Mark-Houwink, il peso molecolare può essere calcolato se la viscosità (η) è conosciuto.

[η] = K M ^un    ... 1

K e a sono costanti note che dipendono dal solvente, dal tipo di polimero e dalla temperatura.

Il valore di [η] può essere determinato dal tracciamento ((η- η₀) / η₀c) in funzione di c, dove c è la concentrazione della soluzione polimerica. Per determinare il η usando il viscosimetro, in primo luogo, dovrebbe essere realizzata una serie di soluzioni di polimeri. Quindi il tempo di efflusso deve essere determinato per ciascuna soluzione (t). Secondo l'equazione di Huggins,

(t - t₀) / t₀c = (η - ηo) / η₀c ... 2

t₀ è il tempo di efflusso del solvente puro senza polimero. Usando la precedente equazione 1 e 2, possiamo determinare la viscosità media di un polimero.

Viscosimetro di Ubbelohde

 Cos'è l'ultracentrifugazione

In questo metodo, il peso molecolare medio di un polimero viene determinato misurando i tassi di sedimentazione. La velocità di sedimentazione delle particelle è solitamente molto lenta. Per accelerare il processo, possiamo usare un'ultracentrifuga. Il peso molecolare medio di un polimero può essere determinato dalla seguente equazione;

M = S R T / (1- ρν_S) D

M è il peso molecolare del campione, R è la costante universale del gas, T è la temperatura, ρ è la densità della soluzione,  ν_S è il volume specifico del soluto, S è la costante di sedimentazione e D è il coefficiente di diffusione.

S deve essere determinato prima usando l'equazione sottostante.

S = s / r ω²

s è la velocità, r è il raggio e ω è la velocità angolare.

Oltre a queste tecniche principali, anche la cromatografia, l'osmometria, la diffusione della luce, l'analisi del gruppo finale e i metodi di titolazione turbidimetrica vengono applicati per determinare il peso molecolare dei polimeri. Tuttavia, la tecnica più comunemente usata e la più semplice è la viscosimetria.

Riferimenti

Stuart, B. H. (2008).Analisi dei polimeri (Vol. 30). John Wiley & Sons.

Cortesia dell'immagine: 

"Ubbelohde lepkosciomierz" di Warczp - Opera propria (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia