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核磁法測玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以及與DSC測Tg對比
點(diǎn)擊次數(shù):1790 更新時間:2022-01-13

核磁法測玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以及與DSC測Tg對比

玻璃態(tài)與玻璃化轉(zhuǎn)變


無定形聚合物在較低的溫度下,分子熱運(yùn)動能量很低,只有較小的運(yùn)動單元如側(cè)基、支鏈和鏈節(jié)能夠運(yùn)動,而分子鏈和鏈段均處于被凍結(jié)狀態(tài),這時的聚合物所表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)和玻璃相似,故稱這種狀態(tài)為玻璃態(tài)(glassy-state)。


玻璃化轉(zhuǎn)變是無定型聚合物在經(jīng)受熱過程或加入增塑劑(比如水)后產(chǎn)生的一種物理變化,隨著溫度的降低,聚合物從橡膠態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變點(diǎn)對應(yīng)的溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,用Tg表示。Tg是十分重要的物理化學(xué)參數(shù),它能決定食品體系的質(zhì)量、安全性和穩(wěn)定性。


在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度之下,聚合物處于一種剛性的狀態(tài),內(nèi)部具有很高的黏度,分子遷移和擴(kuò)散實(shí)際上可視為不存在,此時一切造成食品品質(zhì)變化的反應(yīng)的反應(yīng)速率都大大降低,甚至不發(fā)生反應(yīng)。


當(dāng)溫度升高到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以上時,聚合物軟化或轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài),體系黏度降低而分子遷移增加,這種情況下食品體系容易發(fā)生fu敗變質(zhì)。所以,測得食品體系的Tg值,將其在低于Tg的條件下保藏,可以最大限度地保存其原有的色、香、味、形等食用品質(zhì)以及營養(yǎng)成分。


目前應(yīng)用*泛的測定Tg的方法有差示掃描量熱法(DSC)、動力機(jī)械分析法(DMA)、熱機(jī)械法(TMA)、動態(tài)熱機(jī)械法(DMTA),與核磁共振法(NMR)等。采用NMR技術(shù)來測定玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度是一項(xiàng)新技術(shù),它能夠進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、實(shí)時、quan方位的定量測量,而且對樣品不具有破壞性,在測量食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及其他方面具有廣闊的應(yīng)用前景。


低場核磁共振法測試Tg原理與優(yōu)勢:


NMR是一種通過測定活性原子核的弛豫特性來描述分子運(yùn)動特性的技術(shù)。用NMR測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是基于弛豫時間(T1、T2)可以衡量玻璃化轉(zhuǎn)變時分子鏈段運(yùn)動的急劇變化。與上述方法相比,NMR對所測食品樣品沒有限制,對樣品亦不具破壞性,靈敏度高,能夠快速、實(shí)時、quan方位、定量的研究樣品。


核磁法測玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以及與DSC測Tg對比


玻璃化轉(zhuǎn)變是指非晶態(tài)的高聚物(包括晶態(tài)高聚物中的非晶體部分)從玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變或者從高彈態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變。許多研究人員已經(jīng)接受食品也是聚合物這一觀點(diǎn)并將其作為聚合物體系進(jìn)行分析,聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)是分子運(yùn)動,聚合物由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)時,含有質(zhì)子的基團(tuán)運(yùn)動頻率增加,這些變化可由弛豫時間T1和T2來衡量。


當(dāng)聚合物處于玻璃態(tài)時,T2不隨溫度而變,表現(xiàn)出剛性晶格的性質(zhì),玻璃化轉(zhuǎn)變后,突破剛性晶格的限制,T2隨溫度升高而增大。繪制T2-溫度曲線,T2轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對應(yīng)的溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。


T2-溫度曲線和T1-溫度曲線都是由兩條近似直線的不同斜率的直線部分組成,這兩條直線的交點(diǎn)就看作為相轉(zhuǎn)變點(diǎn),所對應(yīng)的溫度就是相轉(zhuǎn)變溫度,即我們所要測定的Tg。對于“U"曲線,其zui低點(diǎn),即為相轉(zhuǎn)變點(diǎn),所對應(yīng)溫度為Tg。


核磁法測玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以及與DSC測Tg對比


DSC與核磁法測Tg對比


當(dāng)物質(zhì)的物理性質(zhì)發(fā)生變化(例如結(jié)晶、熔融或晶型轉(zhuǎn)變等),或者起化學(xué)變化時,往往伴隨著熱力學(xué)性質(zhì)如熱焓、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)的變化。DSC就是通過測定其熱力學(xué)性質(zhì)的變化來表征物理或化學(xué)變化過程的。它是在程序控制溫度條件下,測量輸入給樣品與參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種熱分析方法。實(shí)驗(yàn)過程中記錄的信息是保持樣品和參比樣的溫度相同時,兩者的熱量之差,因此DSC得到的曲線橫軸為溫度(時間),縱軸為熱量差。


由于DSC測試時樣品用量很少,一般以mg為單位,對于非均相體系,不具有代表性;由于樣品量少,升溫速度快,很容易沖過Tg點(diǎn),而帶來誤差。


核磁法測試時樣品用量一般是以克為單位,可精確控制樣品的升溫速度,測試結(jié)果更精確,也更能代表非均相體系的Tg值。


變溫核磁共振分析儀


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