第三章 聚合物溶液
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7.1 聚合物的溶液性质高分子溶液在高分子工业和科学研究中占有很重要的地位。
一般将浓度低于5%的称为稀溶液。
如用于测定分子量及其分布的溶液、高分子絮凝剂、高分子减阻剂等都是稀溶液;而纺丝用的溶液(>15%)、涂料与胶粘剂(>60%)等都是浓溶液。
对于稀溶液,人们的研究已经比较深入,已能定量或半定量地描述其性质;但对浓溶液,限于它的复杂性,人们的研究着重于应用方面,至今还没有很成熟的理论。
7.1.1分子间相互作用和溶度参数聚合物溶解在溶剂中形成溶液的过程,实质上是溶剂分子进入聚合物,拆散聚合物分子间作用力(称为溶剂化)并将其拉入溶剂中的过程。
聚合物分子间、溶剂分子间以及聚合物与溶剂分子间这三种分子间作用力的相对大小是影响溶解过程的关键的内在因素。
所以首先要讨论这些分子间作用力。
分子间作用力包括取向力、诱导力、色散力和氢键力,前三者又称为范德华力。
取向力是极性分子的永久偶极之间的引力,诱导力是极性分子的永久偶极与它在其他分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力,色散力是分子瞬间偶极之间的相互作用力。
氢键力是极性很强的原子上的氢原子(带正电性),与另一电负性很大的原子上的孤对电子相互吸引而形成的一种键,例如:范德华力对一切分子都存在,没有方向性和饱和性,作用力约比化学键小1~2个数量级。
氢键力则具有方向性和饱和性,键能虽也比化学键小,但比范德华力大,因而氢键力的存在对于高分子的性质起很大的作用。
以尼龙为例,当氨基酸单元为奇数碳时,每个酰胺基都能形成氢键;当氨基酸单元为偶数时,只有一半酰胺基可以形成氢键。
因而奇数尼龙的熔点高于偶数尼龙,呈现所谓“奇偶规律”(图7-1)。
分子间作用力的强弱可以用内聚能的大小来衡量。
内聚能定义为消除1mol物质全部分子间作用力时内能的增加。
对于小分子,它相当于汽化热(或升华热),然而高分子不能汽化,只能用间接的方法测定。
单位体积内的内聚能称为内聚能密度CED,它可用于比较不同种高分子内分子间作用力的大小。
第9 讲第三章高分子溶液3.1 高分子溶液概述3.2 聚合物的溶解3.2.1溶解过程3.2.2 聚合物溶解过程热力学3.1 高分子溶液概述◆高分子溶液是指聚合物溶解在溶剂中形成的二元或多元体系。
◆稀溶液中大分子以无规线团状孤立分散于溶剂分子中;在浓溶液中大分子链段的分布大体均匀,成为所谓―缠结网‖。
◆对聚合物稀溶液(浓度一般在1%以下)的研究是探索孤立大分子链结构和分子之间作用的最好途径;也是测定聚合物分子量及其分布的必要条件。
对于稀溶液,随着浓度的提高,孤立存在的无规线团分子开始相互接触,继而交叠形成所谓“亚浓溶液”。
聚合物亚浓溶液也有重要的工业应用价值,直接与动力学性质相关联。
例如,强化采油中,聚合物溶液驱油是行之有效的规模巨大的工程,其中高分子溶液在多孔介质中及其壁面上的动力学行为起着关键作用。
纤维工业中的溶液纺丝,溶液浓度一般在15%以上,粘度往往显得很大,稳定性也较差。
油漆,涂料和胶粘剂,浓度可达60%,粘度更大。
交联聚合物的溶胀体—凝胶,则为半固体状态。
塑料工业中的增塑体是一种更浓的溶液,呈固体状态,而且有一定的机械强度。
以上这些体系都属于高分子浓溶液的范畴。
3.2聚合物的溶解 3.2.1溶解过程1、非晶态聚合物的溶解特点:(与低分子固态化合物相比较)●溶解过程相当缓慢;必经―溶胀‖和―溶解‖两个过程。
●溶解过程初期通常都要经过―溶胀‖的阶段;聚合物结构不同,溶胀行为亦不同。
分为无限溶胀(线形非晶聚合物)和有限溶胀(交联聚合物)。
2、晶态聚合物的溶解由于晶态聚合物的晶体内部大分子排列紧密而规整,分子间作用力较强,溶解过程比低分子晶态化合物的溶解困难而缓慢得多。
晶区的溶解亦比非晶区的溶解困难。
影响晶态聚合物溶解性能的因素:1)聚合物的类型和极性(分为两大类)聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯等极性晶态缩聚物大分子之间作用力很强,所以溶解困难。
高密度聚乙烯和全同、间同聚丙烯等非极性晶态加聚物虽然没有极性基团,但是分子链高度规整而结晶度高,溶解困难。