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高分子材料的性能是其内部结构和分子运动的具体反映。
掌握高分子材料的结构与性能的关系，为正确选择、合理使用高分子材料，改善现有高分子材料的性能，合成具有指定性能的高分子材料提供可靠的依据。
高分子材料的高分子链通常是由103~105个结构单元组成，高分子链结构和许许多多高分子链聚在一起的聚集态结构形成了高分子材料的特殊结构。
因而高分子材料除具有低分子化合物所具有的结构特征(如同分异构体、几何结构、旋转异构)外，还具有许多特殊的结构特点。
高分子结构通常分为链结构和聚集态结构两个部分。
链结构是指单个高分子化合物分子的结构和形态，所以链结构又可分为近程和远程结构。
近程结构属于化学结构，也称一级结构，包括链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、结构单元的排列顺序、支链类型和长度等。
远程结构是指分子的尺寸、形态，链的柔顺性以及分子在环境中的构象，也称二级结构。
聚集态结构是指高聚物材料整体的内部结构，包括晶体结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构等有关高聚物材料中分子的堆积情况，统称为三级结构。
1. 近程结构(1) 高分子链的组成高分子是链状结构，高分子链是由单体通过加聚或缩聚反应连接而成的链状分子。
高分子链的组成是指构成大分子链的化学成分、结构单元的排列顺序、分子链的几何形状、高聚物分子质量及其分布。
高分子链的化学成份及端基的化学性质对聚合物的性质都有影响。
通常主要是指有机高分子化合物，它是由碳-碳主链或由碳与氧、氮或硫等元素形成主链的高聚物，即均链高聚物或杂链高聚物。
高密度聚乙烯(HDPE)结构为－[CH2CH2]n－，是高分子中分子结构最为简单的一种，它的单体是乙烯，重复单元即结构单元为CH2CH2 ，称为链节，n为链节数，亦为聚合度。
聚合物为链节相同，集合度不同的混合物，这种现象叫做聚合物分子量的多分散性。
聚合物中高分子链以何种方式相连接对聚合物的性能有比较明显的影响。
对于结构完全对称的单体(如乙烯、四氟乙烯)，只有一种连接方式，然而对于CH2=CHX或CH2=CHX2类单体，由于其结构不对称，形成高分子链时可能有三种不同键接方式：头-头连接，尾-尾连接，头-尾连接。
高分子的结构和性能的关系高分子的结构和性能的关系高分子化合物分子的大小对化学性质影响很小，一个官能团，不管它在小分子中或大分子中，都会起反应。
大分子与小分子的不同，主要在于它的物理性质，而高分子之所以能用作材料，也正是由于这些物理性质。
下面简要讨论高分子的结构与物理性能的关系。
一、高分子的两种基本结构及其性能特点高分子的分子结构可以分为两种基本类型:第一种是线型结构，具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物。
第二种是体型结构，具有这种结构的高分子化合物称为体型高分子化合物。
此外，有些高分子是带有支链的，称为支链高分子，也属于线型结构范畴。
有些高分子虽然分子链间有交联，但交联较少，这种结构称为网状结构，属体型结构范畴。
在线型结构(包括带有支链的)高分子物质中有独立的大分子存在，这类高聚物的溶剂中或在加热熔融状态下，大分子可以彼此分离开来。
而在体形结构(分子链间大量交联的)的高分子物质中则没有独立的大分子存在，因而也没有相对分子质量的意义，只有交联度的意义。
交联很少的网状结构高分子物质也可能被分离的大分子存在(犹如一张张"鱼网"仍可以分开一样)。
应该指出，上述两种基本结构实际上是对高分子的分子模型的直观模拟，而分子的真实精细结构除了少数(如定向聚合物)外，一般并不清楚。
两种不同的结构，表现出相反的性能。
线型结构(包括支链结构)高聚物由于有独立的分子存在，故具有弹性、可塑性，在溶剂中能溶解，加热能熔融，硬度和脆性较小的特点。
体型结构高聚物由于没有独立大分子存在，故没有弹性和可塑性，不能溶解和熔融，只能溶胀，硬度和脆性较大。
因此从结构上看，橡胶只能是线型结构或交联很少的网状结构的高分子，纤维也只能是线型的高分子，而塑料则两种结构的高分子都有。
二、高分子化合物的聚集状态高聚物的性能不仅与高分子的相对分子质量和分子结构有关，也和分子间的互相关系，即聚集状态有关。
同属线型结构的高聚物，有的具有高弹性(如天然橡胶)，有的则表现出很坚硬(如聚苯乙烯)，就是由于它们的聚集状态不同的缘故。
高分子材料的分子结构与物理性质高分子材料作为一种重要的工业原料，在各个行业都有广泛的应用。
它可以用于制造塑料、橡胶、纤维等产品，具有很好的物理性能和机械性能，同时还能够通过改变分子结构来改变其特性。
本文将从高分子材料的分子结构和物理性质两个方面进行讨论。
一、高分子材料的分子结构高分子是由单体分子通过聚合反应组成的。
他们通常由大量的重复单元组成，有一条或多条聚合主链，辅助链和横向连接等支链。
高分子的分子结构对其物理性质有着重要的影响。
1.聚合度和分子量聚合度和分子量是高分子材料分子结构最基本也是最重要的参数。
聚合度通常指的是单个聚合物中单体数量的总和，分子量则是聚合物中所有单体分子的相对分子质量。
分子量越大，聚合物的物理性质越好，强度越高，同时也容易受到热量的影响。
2.分子结构高分子材料的分子结构通常包括线性、支化和交联三种形式。
线性分子结构的高分子只有一条主链，分子量较小，物理性能一般。
支化分子结构的高聚物具有分子链的分支结构，分子量较大，物理性能好，但热稳定性较差。
交联分子结构的高分子具有大量交联点，具有非常强的物理性能和热稳定性，但是也往往是刚性的。
3.结晶度结晶度是聚合物分子结构的另一个重要参数，这个参数直接决定了材料的物理性质。
结晶度高的高聚物材料具有优异的刚性和强度，但是也比较易于碎裂，结晶度并不高的高聚物材料则更具有一定的难燃性和柔韧性。
二、高分子材料的物理性质高分子材料的物理性质涵盖了它的各个领域，包括机械性能、热性能、电性能、光学性能和界面性能等方面。
下面我们将逐一介绍。
1.机械性能高分子材料的机械性能是评价其物理性质的关键指标之一。
高聚物材料的受力性能和耐磨性都较好，但是吸水性和腐蚀性较强。
与金属材料相比，高分子材料的刚性和强度略微逊色，但是也有不同领域的应用。
2.热性能高分子材料的热性能是由其聚合度和分子结构所决定的。
不同的聚合物材料具有不同的熔点和滑动温度，其热形变温度和热稳定性也会影响其应用范围和适用场景。
高分子聚合物及其结构与性能关系的三个层次姓名：刘灵芝学号：2011020214 高分子聚合物指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量(通常可达104～106)化合物。
例如聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯分子结构单元—CH2CHCl—重复连接而成，因此—CH2CHCl—又称为结构单元或链节。
由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体，是合成聚合物的原料。
n代表重复单元数，又称聚合度，聚合度是衡量高分子聚合物的重要指标。
聚合度很低的(1～100)的聚合物称为低聚物，只有当分子量高达104～106(如塑料、橡胶、纤维等)才称为高分子聚合物。
由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物，如上述的聚氯乙烯、聚乙烯等。
由两种以上单体共聚而成的聚合物则称为共聚物，如氯乙烯—醋酸乙烯共聚物等。
1. 聚合物的分类聚合物的分类可以从不同的角度对聚合物进行分类，如从单体来源、合成方法、最终用途、加热行为、聚合物结构等。
(1)按分子主链的元素结构，可将聚合物分为碳链、杂链和元素有机三类。
碳链聚合物指大分子主链完全由碳原子组成。
杂链聚合物指大分子主链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。
元素有机聚合物指大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝和氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机基团组成，如甲基、乙基、乙烯基等。
有机硅橡胶就是典型的例子。
元素有机又称杂链的半有机高分子，如果主链和侧基均无碳原子，则成为无机高分子。
(2)按材料的性质和用途分类，可将高聚物分为塑料、橡胶和纤维。
橡胶通常是一类线型柔顺高分子聚合物，分子间次价力小，具有典型的高弹性，在很小的作用力下，能产生很大的形变，外力除去后，能恢复原状。
纤维通常是线性结晶聚合物，平均分子量较橡胶和塑料低，纤维不易形变，伸长率小，弹性模量和抗张强度都很高。
塑料通常是以合成或天然聚合物为主要成分，辅以填充剂、增塑剂和其他助剂在一定温度和压力下加工成型的材料或制品。
高聚物结构与性能的关系
1. 高聚物的结构
按研究单元的不同分类，高聚物结构可分为两大类：一类为高聚物的链结构，即分子内的结构，是研究一个分子链中原子或基团之间的几何排列；另一类为高聚物的分子聚集态结构，即分子间的结构，是研究单位体积内许多分子链之间的几何排列。
对高聚物材料来说，链结构只是间接影响其性能，而分子聚集态结构才是直接影响其性能的因素。
高聚物链结构
高聚物的链结构包括近程结构和远程结构。
近程结构是指结构单元的化学组成、立体异构、连接顺序、以及支化、交联等；远程结构是指高分子链的构象、分子量等。
高聚物链结构是决定高聚物基本性质的主要因素，各种高聚物由于链结构不同其性质则完全不同。
例如，聚乙烯柔软容易结晶，聚苯乙烯硬而脆不能结晶；全同立构聚丙烯在常温下是固休，可以结晶，而无规立构聚丙烯在常温下则为粘稠的液体等。
高聚物的聚集态结构
高聚物的分子聚集态结构包括晶态、非晶态、液晶态、取向态等；高聚物的分子聚集态结构是在加工成型过程中形成的，是决定高聚物制品使用性能的主要因素。
即使具有相同链结构的同一种高聚物，由于加工成型条件的不同，其成型品的使用性能就有很大差别。
例如，结晶取向程度不同直接影响纤维和薄膜的力学性能；结晶大小和形态不同可影响塑料制品的耐冲击强度，开裂性能和透明性。
因此对高聚物材料来说，链结构只是间接影响其性能，而分子聚集态结构才是直接影响其性能的因素。
研究高聚物分子聚集态结构的意义就在于了解高聚物分子聚集态结构的特征，形成条件及其与材料性能之间的关系，以便人为地控制加工成型条件得到具有预定结构和性能的材料，同时为高聚物材料的物理改性和材料设计建立科学基础。
2.高聚物结构与力学性能的关系
链结构与力学性能的关系
不同的高聚物，有不同的分子结构，当然会显示出不同的材料性能出来。
聚
乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚丙烯腈、环氧树脂和聚二甲基硅氧烷(硅橡胶)等等都是不同分子结构的高聚物，它们或是晶态高聚物，或是非晶态高聚物，或是橡胶，或是不溶不熔的热固性树脂，这些都是一般人都知道的常识。
交联能使本来可溶可熔的热塑性塑料成为既不能溶解也不会熔融的热固性树脂，物理力学性能有了大幅提高；普通的支化会使高聚物的性能变坏；单官能团的封端能大大改善聚碳酸酯的热稳定性，以及具有离子键的高聚物玻璃化温度会提高很多等等，这样的例子俯首可拾。
在我们的高分子物理教材中都详细的介绍高聚物结构单元的化学组成、端基、结构单元的键接方式、结构单元的空间立构、结构单元的键接序列以及支化和交联导致的不同高
聚物的不同性能。
如：分子链越刚硬则T
g 越高；大的侧基常使T
g
增大，但长
的柔性侧链却因能使分子相互远离，起内增塑的作用而使T
g
下降；对称性往往
能使T
g 下降；凡使分子间相互作用增大的因素常使T
g
增大以及结构对于T
m
的
影响等等，这里就不再赘述。
但这里需要强调的是，高聚物分子链的运动作用。
我们知道结构是死的，如何在固定的分子结构基础上演变出千变万化的性能来呢那就得靠“分子运动”正是通过高分子链特有的链段运动，高聚物才呈现丰富多彩的玻璃化转变现象,在高于玻璃化温度以上呈现特有的高弹性，才会有与通常阿累尼乌斯方程不同的特有温度依赖性—WLF方程。
也正是由于杂链节或-SO
2
基在低于玻璃化温度的玻璃态能发生运动才使得杂链高聚物，如聚碳酸酯及聚芳砜能在外力作用时通过杂链节的运动吸收能量，使得这些高聚物在玻璃态具有优良的机械力学性能（抗冲性能）。
在晶态高聚物方面的例子是聚四氟乙烯在19~31℃的晶形转变导致它在最常见的温度范围内力学性能的不稳定，而正是通过与少量六氟丙烯的共聚，阻止了聚四氟乙烯的晶形转变，才使氟塑料成为实用的材料。
聚集态结构与力学性能的关系
高聚物材料的特点之一是它们的力学性能不完全取决于它们的化学结构。
化学结构一定的某种高聚物可以由于不同的聚集态（凝聚态结构）而显示出不同的性能来。
这不同的聚集态又大多是由不同的加工成形方法和条件而造成的。
与一般的小分子有机化合物不一样，高聚物主要是作为材料来使用的，这里，重要的是它们的物理力学性能而不是它们的化学性能（某些功能高聚物除外）。
因此，对其物理力学性能有重要影响的凝聚态结构就显得特别重要。
因为即使高聚物的化学组成是一定的，也会由于其凝聚态结构不同，而产生出完全不同的物理力学性能。
2.2.1 结晶的影响
材料的结晶状况对力学性能影响很大。
在结晶区中高聚物分子排列有序，分子内相互作用较强，因此晶区的存在往往给材料增加刚硬的特性。
在非晶区或结晶不完善的区域中分子堆砌较松，分子运动较为容易，它们的存在有助于增加高聚物的柔韧性。
因此一般如模量、屈服应力、强度、硬度等随结晶度增加而提高，断裂伸长、抗冲击性能等则下降，随着温度的变化，由于T g对结晶高聚物力学性能影响较小，因此它们能在熔点以下较宽的温度范围内保持其力学性能。
由此可知，一切能影响结晶状况的因素都将对材料的性能带来影响。
2.2.2 取向的影响
在高分子的多重运动单元，最重要的是整链(大尺寸单元)和链段(小尺寸单元)的运动，表现在受拉伸应力时可能产生所谓的大尺寸取向和小尺寸解取向。
由于取向对性能的重大影响，人们一直企图造成高度取向以获得高强度和高模量的材料。
取向造成了力学性能的各向异性。
在取向方向上强度、模量等性能明显增大而伸长下降。
以单轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯屈服应力各向异性为例。
对单轴方向高度取向的材料，在垂直于取向的方向上强度很小，很容易裂开。
双轴取向时，在该两轴构成的平面内性能均匀，不存在薄弱方向。
对于力学性能与取向程度间的关系有不少研究。
关于全同立构聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的研究结果表明，单轴取向的纤维和薄膜在取向方向上的模量是取决于试样中晶区和非晶区的总的平均取向，而强度则是由非晶区的分子取向决定的，均与试样的制备历史无关。
2.2.3 多组分的影响
聚集态结构上的多组分体系包括的面是很广的，它们的结构特点就是存在着多种相态。
实际中应用的高聚物材料多半是或多或少以这种结构形式出现的。
例如用橡胶改性的耐冲击塑料或以塑料改性的橡胶往往是两种高聚物的共混物或共聚物，互不混溶形成不均一的相态。
高聚物材料中的填料、玻璃纤维等也是不同于树脂的相态。
广义来说结晶高聚物也是一种结构上多组分的体系。
改变多组
分体系的结构状态可以在很大程度上变化材料的性能。
这时一般具有两相结构，一相是连续相，一相是分散相，以一定的大小和形状分散在连续相中。
对这一类材料有一些共同的因素是在研究性能时应该注意的。
①两相的组成。
就是什么组分构成连续相，什么组分构成分散相。
一般说，数量上少的组成构成分散相，数量上占优势的组分构成连续相并由它决定材料的基本性能。
但这不是绝对的，尤其对共混共聚体系来说，两相的组成和形态很易受加工条件和使用条件的影响，当然性能也随之发生变化。
例如由苯乙烯、丁二烯组成的SBS嵌段共聚物，由不同的溶剂体系得到的试样性能完全不同，以聚丁二烯为连续相的样品呈现橡胶状的拉伸特性而以聚苯乙烯为连续相的样品则呈现典型的塑料行为。
同样，在力学作用下两相的结构状况也会变化，因此拉伸过的样品的性能就会与原先的样品不同。
②两相间的相互作用。
两相间有一定的相互作用有利于应力的传递，因而有助于加强分散相对连续相性能的影响。
例如用橡胶来改进聚苯乙烯的抗冲击性能时，用接枝的办法往往比共混的效果好。
又例如用短玻璃纤维增强聚丙烯时，若将聚丙烯改性，使之在加工过程中与玻璃纤维间形成一定的键的连接，增强了玻璃纤维对整体性能的影响，能使耐温性能有较大的改善。
3.总结
上面所讲的不是一个全面的系统的总结，只是通过一些例子说明性能是由结构决定的，以及对高聚物材料来说有影响的结构因素和影响的程度。
关于高聚物的结构以及结构和力学性能的关系等方面都有待进一步的深人研究和新的突破。
