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高分子物理重要知识点(1人评价)|95人阅读|8次下载|举报文档高分子物理重要知识点(1人评价)|96人阅读|8次下载|举报文档1 高分子物理重要知识点第一章高分子链的结构 1.1高分子结构的特点和内容高分子与低分子的区别在于前者相对分子质量很高，通常将相对分子质量高于约1万的称为高分子，相对分子质量低于约1000的称为低分子。
相对分子质量介于高分子和低分子之间的称为低聚物（又名齐聚物）。
一般高聚物的相对分子质量为104~106，相对分子质量大于这个范围的又称为超高相对分子质量聚合物。
英文中“高分子”或“高分子化合物”主要有两个词，即polymers和Macromolecules。
前者又可译作聚合物或高聚物；后者又可译作大分子。
这两个词虽然常混用，但仍有一定区别，前者通常是指有一定重复单元的合成产物，一般不包括天然高分子，而后者指相对分子质量很大的一类化合物，它包括天然和合成高分子，也包括无一定重复单元的复杂大分子。
与低分子相比，高分子化合物的主要结构特点是：（1）相对分子质量大，由很大数目的结构单元组成，相对分子质量往往存在着分布；（2）主链有一定的内旋自由度使分子链弯曲而具有柔顺性；（3）高分子结构不均一，分子间相互作用力大；（4）晶态有序性较差，但非晶态却具有一定的有序性。
（5）要使高聚物加工成为有用的材料，需加入填料、各种助剂、色料等。
高分子的结构是非常复杂的，整个高分子结构是由不同层次所组成的，可分为以下三个主要结构层次（见表1－1）：表1-1高分子的结构层次及其研究内容名称内容备注链结构一级结构（近程结构）结构单元的化学组成键接方式构型（旋光异构，几何异构）几何形状（线形，支化，网状等）共聚物的结构指单个大分子与基本结构单元有关的结构二级结构（远程结构）构象（高分子链的形状）相对分子质量及其分布指由若干重复单元组成的链段的排列形状三级结构（聚集态结构、聚态结构、超分子结构）晶态非晶态取向态液晶态织态指在单个大分子二级结构的基础上，许多这样的大分子聚集在一起而成的聚合物材料的结构由于高分子结构的如上特点，使高分子具有如下基本性质：比重小，比强度高，弹性，可塑性，耐磨性，绝缘性，耐腐蚀性，抗射线。
第一章高分子的链结构第一节高分子结构的特点与分类一、高分子物理研究的内容高分子物理，又叫“高聚物的结构与性能”，是研究高聚物的结构、高聚物的性能、以及结构与性能相互关系的一门科学。
二、高聚物结构的分类（一）分类（1）分子内结构：高分子的链结构（2）分子间结构：高分子的聚集态结构（二）高分子的链结构1、定义是指单个高分子的结构和形态，研究的是单个高分子链中原子或基团的几何排列。
包括高分子链的近程结构和远程结构。
2、高分子链的近程结构（1）定义是以一个或几个结构单元为研究对象，研究的是链的构造与构型；属于化学结构。
也叫“一次结构”。
（2）高分子链的构造是指高分子链的组成，包括：链节的化学组成；结构单元的键接顺序；链的几何形状。
（3）高分子链的构型是指高分子链中取代基的几何排列，包括：a、几何异构b、旋光异构3、高分子链的远程结构（1）定义以整个链为研究对象，研究的是分子链中链段的运动，涉及单个高分子的构象结构，研究链的大小和形态。
也叫“二次结构”。
（2）高分子链的大小即分子量的问题。
（3）高分子链的形态即链构象的问题。
（三）高分子的聚集态结构1、定义是指分子之间相互排列的结构和形态，包括三次结构和高次结构；属于物理结构。
2、高分子的三次结构分子链之间通过分子间作用力聚集而成的结构，包括结晶态、非晶态、取向态、液晶态结构等。
注意：二次结构与三次结构之间的区别3、高分子的高次结构是指高分子与添加剂之间、高分子之间所形成的结构，包括合金结构和复合材料的结构。
也叫“织态结构”。
高聚物结构研究的内容：三、高分子结构的特点与低分子物质相比，高分子的结构有如下特点：（1）高分子链由许多结构单元组成结构单元相当于一个小分子，可以是一种（均聚物），也可以是几种（共聚物）；以共价健相连接，形成线形的、支化的、网状的。
（2）高分子链具有柔性主链有一定的内旋转自由度，可以使主链弯曲而具有柔性；并且由于分子的热运动，弯曲链的形状可以不断改变。
第一章高分子材料基础知识第一节.高分子材料的基本概念一、高分子材料的结构1.高分子的含义：高分子材料是以高分子化合物为主要成分（适当加入添加剂）的材料。
高分子化合物：1.天然：松香、石蜡、淀粉2.合成：塑料、合成橡胶、合成纤维高分子化合物都是一种或几种简单低分子化合物集合而成为分子量很大的化合物，又称为高聚物或聚合物。
通常分子量>5000 高分子材料没有严格界限<500 低分子材料如：同为1000的多糖（低），石蜡（高）一般高分子化合物具有较好的弹性、塑性及强度二、高分子化合物的组成：高分子化合物虽然分子量很大，但化学组成比较简单。
都是由一种或几种简单的低分子化合物聚合而成。
即是由简单的结构单元以重方式相连接。
例：聚乙烯由乙烯聚合而成{ }概念：单体——组成高分子化合物的低分子化合物链节——大分子链由许许多多结构相同的基本单元重复连接构成，组成大分子链的这种结构单元称为链节。
聚合度——链节的重复次数。
n↑导致机械强度↑熔融粘度↑流动性差，不利于成型加工。
n要严格控制。
三、高分子的合成：加聚反应、缩聚反应①加聚反应：指一种或几种单体，打开双键以共价键相互结合成大分子的一种反应例如：乙烯→聚乙烯（均聚）②分类：均聚：同种单体聚合共聚：两种或两种以上单体聚合（非金属合金丁二烯+苯乙烯→丁苯橡胶二元共聚三元共聚ABS：丙烯脂：耐腐蚀表面致密丁二烯：呈橡胶韧性苯乙烯：热塑加工）特点：反应进行很快链节的化学结构和单体的相同反应中没有小分子副产物生成②缩聚反应：指一种或几种单体相互混合儿连接成聚合物，同时析出（缩去）某种低分子物质的反应。
例：尼龙（聚酰胺）氨基酸，缩去一个水分子聚合而成。
特点：由若干步聚合反应构成，逐步进行。
链节化学结构与单体不完全相同，反应中有小分子副产物生成。
总结：目前80%的高分子材料由加聚反应得到。
四、聚合物的分类与命名①按聚合物分子的结构分类a．碳链聚合物：这一类聚合物分子主链是由碳原子一种元素所组成{ }侧基有多种，主要是聚烯烃、聚二烯烃（橡胶）b. 条链聚合物，器结构特点是除碳原子外，还有氧、氮、硫原子。
第1章 有机高分子材料的结构1.1引言天然有机高分子化合物，如木材、橡胶、棉花、毛皮和蚕丝等都已经被人类广泛应用；生命运动中天然有机高分子化合物也不乏其广泛的应用，如蛋白质、酶、淀粉、纤维素等都是动植物体内生物和生理学过程中不可缺少的基本有机物。
在科学发展到二十世纪初期，知识和技术的积累已经可以使人类来逐步确定这些高分子化合物的结构，并通过低分子有机物来合成它们。
许多我们常用的塑料、橡胶和纤维材料都是合成高分子材料。
事实上从第二次世界大战结束后，材料领域中高分子材料的发展可以说是日新月异，一个个高分子材料的新发明和新发现冲击着材料领域，给人以世界变得太快的感觉。
塑料、橡胶和纤维都可以廉价合成，有许多性能还比天然生产的产品有更优越的性能；在许多应用上，它们已经逐步在取代木材和金属材料，并且有更好的性能价格比。
与其他材料一样，高分子合成材料的性能和它们的结构有密切的关系，在本章中我们着重研究它们的分子和晶体结构，而把结构和性能的关系和制备工艺放到以后的章节中加以阐述。
1.2碳氢化合物分子由于许多高分子化合物都是有机物，我们要简单回顾一下它们的分子结构。
首先，许多有机化合物都是碳氢化合物，即它们主要由氢和碳元素组成。
碳原子有四个电子，可供形成共价键，然而，氢原子只有一个电子，每个氢原子贡献一个电子与碳原子的一个电子形成一个共价键，就像甲烷（CH 4）分子中那样。
碳原子间也可共用两对电子，形成双键，两个碳原子还分别和两个氢原子形成单键，如乙烯（C 2H 4）分子中就是这样。
在少数情况下，碳原子还可以形成三键。
如乙炔（C 2H 2）中就是这样。
甲烷、乙烯和乙炔的结构分子式分别如下：图1.1 烷烃的结构举例CHHHHCHHCHHCHCH双键和三键称为不饱和键，也就是说碳原子没有充分地和其它原子结合。
双键可看成是两个单键，碳原子位置稍加调整就可以允许两个其余碳原子以外的其它原子和它成键。
饱和碳氢化合物中，所有原子都是单键结合，因此如果没有移去一个原子，就不能加入另一个原子。
饱和碳氢化合如表1.1所示。
表1.1 饱和烷烃化学式和结构式举例名称 化学成分 结构式举例甲烷（Methane ）乙烷（Ethane ）丙烷（Propane ） 丁烷（Butane ） 戊烷（Pentane ） 己烷（Hexane)CH 4C 2H 6 C 3H 8 C 4H 10 C 5H 12 C 6H 14相互结合的共价键很强，但分子间的相互作用为范德瓦尔斯力（Van de Waals bond)，键很弱，因此，这些碳氢化合物的熔点和沸点都不高；但熔点和沸点随分子量的上升呈上升趋势。
有些碳氢化合物有相同的分子式，但分子结构不同，这就构成了所谓的同分异构现象，如丁烷的两种同分异构体如图1.2所示。
C HH H C HHH C HHHC HHC HHHC HHCHHH CH HC H H C H HHCHHHC HH CHHHCHHH H正丁烷 异丁烷图1.2 丁烷同素异构体碳氢化合物的一些物理性能和其同分异构的结构状态有关，如正丁烷与异丁烷的沸点分别是-0.5与-12.3℃。
还有许多的有机合物，他们中的许多种都可在有机高分子化合物中。
表1.2列出了几种常用的碳氢化合物，其中R 和R’表示的是一些官能团，即在化学反应中保持整体性的原子集合体，如CH 3，C 2H 5和C 6H 5（甲基、乙基和苯基）等。
表1.2 有机化合物举例种类特征单元代表物质结构式名称醇(alcohols)R —OH甲醇醚(ethers)R-O-R’二甲基乙醚酸(acids)OHR —C OH OH H C C H O乙酸醛(aldehydes)RC=OH HC=OH甲醛 芳香烃(Aromatichydrocarbon)ROH苯酚1.3高分子化合物分子高分子化合物顾名思义，其分子和前面所讲的碳氢化合物相比是巨大无比的，因此也常常被称为“宏观分子”。
在这些分子中，原子经常以共价键方式结合，对大多数高分子化合物来说，分子呈柔性链状，主链通常由碳原子组成，链上碳原子分别以一个单键和旁边的两个碳原子成键，如图1.3所示。
OHH C HH HOHC H H C HH图1.3 高分子化合物的分子链其余剩下的两个电子可以和相邻原子或原子基团形成共价结合，形成边界原子或支链。
很显然，在主链或支链上形成双键是可能的。
这些大分子都可以认为是由若干小的基元（mer ）在链上不断重复而组成，一个单一基元称为单体（monomer ）。
高分子（polymer ）其含义就是大量的基元组成的分子；然而，单体指的是由一个基元组成的分子。
1.4高分子化学重新考察一下乙烯这个碳氢化合物，它在室温和常压下是气体，并有如下结构式：图1.4 乙烯分子结构如果它在特定的温度和压力下加以催化合成，那么，就变成为聚乙烯[Polyethylene （PE ）]高分子化合物，它在常压下是固态物质。
在这个过程中，形成了很多的乙烯单体单元，双键变成为单键，打开的两个单键现在比较活跃，可以和邻近碳原子形成键接，或者是形成其余可能的共价键。
这个反应可写成以下的结构式：图1.5 乙烯分子的活化式中黑点表示的是活化的电子。
由此，这些活化的单体相互靠近，然后形成一系列的链结，最后生成长链，可用图1.6(a)表示。
但是，图中的直链表达并不是一种完全准确的描述，碳原子间的键接角并不是图中所示的180︒而是109︒。
更精确的示意图如图1.6(b)所示，其实C H HC H HCH HCH HC H HC H HC HH C HH C HH C HH C HH C HH C HH C HH碳链是一条之字型弯曲的长链，C —C 键长为0.154纳米。
通常，在我们的讲课中这个细节被忽略，而简单地用直链加以描述。
如果聚乙烯中所有的氢原子都被氟原子所替代，那么，所生成的就是聚四氟乙烯塑料[polytetrafluoroethylene(PTFE)], 它的结构式和基元由图1.7(a)表示；聚四氟乙烯塑料属于一个被称为碳氟化合物的高分子化合物系，它的商业名称为特氟隆（telflon ），它具有非常好的耐酸碱腐蚀性能。
（a ） (b)图1.6 聚乙烯[Polyethylene （PE ）]分子及其链结构聚乙烯单元中，如有一个氢原子被氯原子规则替代就形成了聚氯乙烯[polyvinyl chloride(PVC)]高分子塑料，它的结构式和基元如图1.7(b)所示。
聚氯乙烯基元中，氯基被换成甲基就形成了聚丙烯[polypropylene(PP)]塑料，它的结构式和基元如图1.7(c)所示。
所述的高分子都是由同一个基元重复排列而成，这样的高分子化合物称为均聚高分子化合物。
很显然，高分子化合物也可以是由不同基元按一定规律成链的方式形成的化合物，这种更为普遍的化合物称为共聚物。
C H HC H HC H HC H HC H HC H H C H HC H H基元(a) 聚四氟乙烯塑料[polytetrafluoroethylene(PTFE)]或TEFLON(b) 聚氯乙烯[polyvinyl chloride(PVC)](c) 聚丙烯[polypropylene(PP)]塑料图1.7不同高分子的分子及其链结构我们讨论到此，可以发现，我们研究的基元总是只有两个激活的键，这些基元称为双向功能基元，即它可以通过和其它基元和基团形成链状分子结构；当然，也存在有三个激活键的基团，如下表中的酚醛基元就是一个代表，这些基元称为三向功能基元，即它可以和其余基元和基团形成空间三维的分子结构，这将在稍后讨论。
为了方便查阅，表1.3中列出了一些常见的高分子化合物和基元。
C C C C C C C 基元FF F F FFFFF F F F FF FFC CH HH ClCH HH ClCH HH Cl C H HH Cl基元CCCC C H HH CH 3C H HH C H HH C H HH CH 3CH 3 CH 3基元C C C C表1.3 常见的高分子化合物和基元序号中文名英文名简称结构基元1 2 3聚乙烯聚氯乙烯聚四氟乙烯polyethylenepolyvinyl chloridepolytetrafluo-roethylenePEPVCPTFECFFCFFCHHCHHCHCH3CHHCHClCHHH H4 5 6 7 8聚丙烯聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)酚醛塑料尼龙66polypropylenepolystyrenepolymethyl methacrylatePhenol-formaldehydepolyhexamethyleneadipamidePP PS PMMAbakelitenylon661.5分子量在高分子物质中，分子链很长，因此有很大的分子量，但是在高分子物质的合成过程中，可存在一个分子链长短不一的一系列从大到小的分子群，也就是说可以有不同长短的链状分子分布，或从分子量上说就是有一定的分子量分布。
通常需确定一个平均分子量，可以通过测量粘度和渗透压的方法加以测定。
一般可用两种平均分子量的概念来描述平均分子量。
第一种定义称为数均分子量，设M 为总重量，M 1,M 2,...,M i ,...分别是分子中值链长为n 1,n 2,...n i ...范围内的分子的平均（中值）分子量，数均分子量W n 定义为：niiM X M =∑（1）其中X i 是中值链长为n i 的分子数量百分比。
同理可定义重均分子量为：Wi i MW M =∑ （2）其中W i 是中值重量为M i 的分子的重量百分比。
另外还可以用平均链长来表是分子的聚合度，定义为平均分子量和基元质量的比值：mMii=n （3）其中i =n 或w ，它标志着以基元长度标定的平均链长度，其中m 是基元质量。
显见，不同定义的平均分子量是不会完全相同的，因此分子聚合度的量值也随定义而略有不同。
例题：假定聚氯乙烯的分子量分布由图1.8(a)、(b)和相应的数表1.4(a)、(b)给出。
试求其：(a) 数均分子量和重均分子量；(b) 数均聚合度。
0 0.05 0.1 0.15 0.20.250.3 数量百分比分子量（g/mole ）5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000（a ）分子量和数量百分比 （b ）分子量和重量百分比图1.8 某聚氯乙烯材料分子量分布图解：a) 数均分子量和重均分子量见表1.4。
表1.4分子量g/mole 中值M i (g/mole)x i x i M i 5000—10000 10000—15000 15000—20000 20000—25000 25000—300007500 12500 17500 22500 275000.05 0.16 0.22 0.27 0.20375 2000 3850 6075 5500重量分比00.050.10.150.20.250.3分子量（g/mole ）50001000015000200002500030000350004000030000—35000 35000—4000032500 375000.08 0.022600 750nM=21150分子量g/mole 中值M i (g/mole)W i W i M i 5000—10000 10000—15000 15000—20000 20000—25000 25000—30000 30000—35000 35000—400007500 12500 17500 22500 27500 32500 375000.02 0.10 0.18 0.29 0.26 0.13 0.02150 **** **** 6525 7150 4225 750WM=23200 b)m g m o l e=⨯+⨯+=21201310135456250....(/)33850.62/21150===mMnnn许多高分子物质的性质都随分子量增加而有所改变，比如，分子量在100克/摩尔以下时，在标准条件下，有机物常处于气态，在1000克/摩尔以下，有机物常呈蜡状。
