高分子材料的表征——分子量与分子量分布

高分子材料，简称高分子，又称高分子聚合物，英文名称为Polymer 或 Macromolecule。Polymer是对应“单体”monomer来命名的，多个单体的集合叫做Polymer。Macromolecule是对应“分子”molecule而言的，Macro表示“宏大”，故大分子称之为Macromolecule。

与小分子化合物相比，高分子最大的特点就是分子量较大。关于分子量达到多少以上的分子才被称为高分子，并没有严格的定义，但是行业内默认的划分标准是，把相对分子量低于1000g/mol的分子称之为小分子；相对分子量介于1000-10000g/mol之间的叫做“齐聚物”或“低聚物”；相对分子量大于10000g/mol的分子称为高分子。

高分子化合物是由千百个原子以共价键相互连接而成的，虽然它们的相对分子质量很大，但都是以简单的结构单元和重复的方式连接的，且单体种类相对较少。例如传统塑料三巨头，聚乙烯（PE）是由乙烯分子“双键”打开，分子间相互连接而成；聚氯乙烯（PVC）是氯乙烯在过氧化物、偶氮化合物等引发剂或在光、热作用下按自由基聚合反应机理聚合而成的聚合物；聚丙烯（PP）是丙烯通过加聚反应而成的聚合物。可降解材料的代表聚乳酸（PLA）是由乳酸单体先合成丙交酯，再在一定条件下开环聚合而得，因此聚乳酸又叫做聚丙交酯；聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物。

高分子材料因其分子量长度不同，相对分子量也不尽相同，绝大多数高分子化合物是许多相对分子质量不同的同系物的混合物，因此高分子化合物的相对分子质量是平均相对分子量。根据统计方法不同，高分子的平均相对分子量可以分为四种不同的表示方法：数均分子量（Mn），重均分子量（Mw），Z均分子量（Mz），黏均分子量（Mη）。其中，数均分子量（Mn）是按照分子数或物质的量的统计出的平均分子量；重均分子量（Mw）是按照质量统计出高分子的平均分子量；Z均分子量（Mz）是按Z量来统计的平均分子量；黏均分子量（Mη）是用溶液黏度法测得的平均分子量。

高分子的分子量在众多的表示方法中，数均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）最为常用，衡量高分子材料分子量分布的指标——多分散系数（PDI）也是通过Mw与Mn的比值来衡量。

假设高分子材料总共有n个（mol）分子，总质量为w，其中分子量大小不同的各组分分子量为M1，M2，M3，······，Mi；对应的物质的量为n1， n2， n3， ······，ni；对应的质量为w1， w2， w3， ······，wi。

那么：

Mn = n1/n*M1 + n2/n*M2 + n3/n*M3 + ······ + ni/n*Mi

Mw = w1/w*M1 + w2/w*M2 + w3/w*M3 + ······ + wi/w*Mi

PDI=Mw/Mn

举个例子：

例如，A有1元钱，B有9元钱，那么从高分子材料相对分子量的角度来计算A与B的数均分子量和重均分子量。

Mn = 1/2*1+9/2 *1= 5 元；

Mw = 1/10*1+ 9/10*9= 8.2元；

PDI=Mw/ Mn = 8.2/5 = 1.64。

在理论上的极端情况下，高分子聚合物中所有的分子链都一样长，所有分子的分子量都相同，那么数均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）也将相同，多分散系数（PDI）数值为“1”，即高分子材料中PDI越接近“1”，聚合物分子间的分子量差距越小，分子量分布越均匀。在上述例子中PDI为1.64，A与B之间的“贫富差距”还是比较大的。

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