第二章高分子物理高分子链的结构
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高分子物理:高分子的链结构引言高分子物理是研究高分子材料的物理性质、结构和动力学行为的学科。
在高分子材料中,链结构对其性质和表现起着至关重要的作用。
本文将详细介绍高分子的链结构,包括线性链、支化链和交联链。
线性链结构线性链是最简单的高分子链结构,由许多重复单元依次连接而成。
高分子链的长度可以长达数千个重复单元,形成长而直的链状结构。
线性链结构决定了高分子的柔韧性和弹性。
由于其链状结构,线性高分子能够自由转动和移动,因此具有较好的流动性和可加工性。
线性链的化学结构和重复单元的排列方式直接影响高分子的性质。
高分子中的化学键和功能基团的选择会改变高分子链的相互作用和排列方式,从而影响其力学性能、热学性质和化学稳定性。
支化链结构支化链结构是在线性链上添加分支或支链的结果。
分支能够改变高分子的物理性质和化学性质。
分支的引入会增加高分子链之间的交互点,限制高分子链的移动,从而影响高分子的流动性和可加工性。
此外,支化结构还会增加高分子材料的表面积,改变其吸附能力和溶解度。
支化结构还能够影响高分子材料的热学性质。
由于分支的存在,高分子链之间的相互作用会增强,从而提高高分子的玻璃化转变温度和熔点。
此外,支化结构还能够降低高分子材料的结晶性,从而影响其力学性能和热学稳定性。
交联链结构交联链结构是在高分子链之间形成共价键的结果。
交联能够增加高分子材料的强度、硬度和耐热性。
通过交联,高分子链之间形成三维网络结构,限制了其移动和形变。
因此,交联链结构的高分子材料通常具有较高的机械强度和耐久性。
交联还能够改善高分子材料的耐温性。
交联链的形成增加了高分子链的连接数,提高了高分子材料的稳定性和耐热性。
交联链结构还能够降低高分子材料的溶胀性和吸水性,从而改善其稳定性和耐候性。
链结构对高分子性能的影响高分子的链结构直接影响其性能和应用。
线性链结构的高分子通常具有较好的流动性和可加工性,适用于注塑和挤出成型等加工工艺。
支化链结构的高分子则具有较高的热稳定性和耐候性,适用于高温和户外环境下的应用。
第2章高分子的链结构一、选择题1.如果不考虑键接顺序,线形聚异戊二烯的异构体种类数为()。
A.6B.7C.8【答案】C【解析】说明聚异戊二烯有三种不同的聚合方式,每种不同的聚合方式都有不同的异构体:①1,2-聚合:全同立构1,2-聚异戊二烯;间同立构1,2-聚异戊二烯;无规立构1,2-聚异戊二烯②3,4-聚合:全同、间同、无规立构3,4-聚异戊二烯③1,4-聚合:顺式、反式1,4-聚异戊二烯2.当主链由下列饱和单键组成时,其柔顺性的顺序为()。
A.-C-O>-Si-O->-C-C-B.-Si-O->-C-C->-C-O-C.-Si-O->-C-O->-C-C-【答案】C【解析】说明-Si-O-键的内旋转比-C-O-键容易,-C-O-键的内旋转比-C -C-容易,所以柔顺性的顺序为-Si-O->-C-O->-C-C-。
3.PS,PP,PE三者柔顺性的排列顺序为()。
A.PP<PS<PEB.PE<PP<PSC.PS<PP<PE【答案】C【解析】非极性取代基由于空间位阻效应影响高分子链的内旋转,非极性取代基体积愈大,分子链的单键内旋转愈困难,分子链柔顺性愈小。
PS中的取代基苯基大于PP中的甲基取代基,甲基取代基大于-H,所以聚合物的柔顺性顺序为:PS<PP<PE。
4.如果C-C键长l=1.54×10-10m,则聚合度为1000的聚乙烯自由结合链的根均方末端距为:(r2)1/2=()。
A.4.87×10-9mB.6.89×10-9mC.9.74×10-9m【答案】B【解析】说明(r2)=nl2=2000×(1.54×10-10)2(r2)1/2=6.89×10-9m5.全同聚乙烯醇的分子链所采取的构象是()。
A.平面锯齿链B.扭曲的锯齿链C.螺旋链【答案】A【解析】因为聚乙烯醇的取代基-OH能形成分子内氢键,因而与聚α-烯烃不同,全同聚乙烯醇不形成螺旋链,而形成平面锯齿链构象。
高分子物理思考题答案第-章高分子链的结构1.构型(configuration)是指分子中由化学键所固定的原子在空间的排列。
构造(Architecture)是指聚合物分子的各种形状。
构造:一般为线型,还有支化高分子、接技梳型高分子、星型高分子、交联网络高分子、树枝状高分子、“梯形”高分子、双螺旋型高分子等。
聚氯丁二烯的各种可能构型:(1)1,4--加成有顺,反结构(2)1,,2加成有头-尾、头-头、尾-尾三种键合方式;其中头-头键合方式又有全同,间同,无规立构2.聚乙烯分子链上没有侧基,内旋转位能不大,柔顺性好。
该聚合物为什么室温下为塑料而不是橡胶?答:这是由于聚乙烯分子对称性好,容易结晶,从而失去弹性,因而在室温下为塑料而不是橡胶。
6.从结构出发,简述下列各组聚合物的性能差异:(1)聚丙烯腈与碳纤维;(2)无规立构聚丙烯与等规立构聚丙烯;(3)顺式聚1,4-异戊二烯(天然橡胶)与反式聚1,4-异戊二烯(杜仲橡胶)。
(4)高密度聚乙烯、低密度聚乙烯与交联聚乙烯。
答:结构包括构型和构象。
(1)聚丙烯腈和碳纤维的结构分别为CH2HCCNnHCCCN CHCCNHCNPAN取代基的极性大,相互作用力大,分子链内旋转受阻严重,柔顺性很差。
具有高的硬度和刚性。
碳纤维是由PAN高温环化、芳构化制得,分子具有梯形结构,分子链刚性更大,可用作耐高温聚合物的增强填料。
(2)无规立构的PP,不结晶,常温下为橡胶;等规PP容易结晶,常温下为塑料,比较硬。
(3)天然橡胶为顺式的,链间距大;杜仲橡胶为反式的,链间距小,易结晶,比顺式的刚性好。
(4)HDPE的支链少、结晶度高,是定向聚合得到的,是晶体;LDPE为高压自由基聚合得到的,支链多,不结晶;交联的PE不溶不熔,三者的硬度依次降低。
3.比较下列四组高分子链的柔顺性并简要加以解释。
(4)中取代基对称排列,分子偶极矩极小,易内旋转;3中极性取代基较中比例大,分子内旋转困难,故柔顺性最差。
高分子物理课后答案第一章:高分子链的结构一、根据化学组成不同,高分子可分为哪几类?(1、分子主链全部由碳原子以共价键相连接的碳链高分子2、分子主链除含碳外,还有氧、氮、硫等两种或两种以上的原子以共价键相连接的杂链高分子3、主链中含有硅、硼、磷、铝、钛、砷、锑等元素的高分子称为元素高分子4、分子主链不含碳,且没有有机取代基)二、什么是构型,不同构型分别影响分子的什么性能?(构型是指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何构型;1、旋光异构影响旋光性2、几何异构影响弹性 3、键接异构对化学性能有很大影响)三、什么是构造,分子构造对高分子的性能有什么影响?(分子构造是指聚合物分子的各种形状,线性聚合物分子间没有化学键结构,可以在适当溶剂中溶解,加热时可以熔融,易于加工成型。
支化聚合物的化学性质与线形聚合物相似,但其物理机械性能、加工流动性能等受支化的影响显著。
树枝链聚合物的物理化学性能独特,其溶液黏度随分子量增加出现极大值。
)四、二元共聚物可分为哪几种类型?(嵌段共聚物、接枝共聚物、交替共聚物、统计共聚物)五、什么是构象?什么是链段?分子结构对旋转位垒有什么影响?(构象表示原子基团围绕单元链内旋转而产生的空间排布。
把若干个链组成的一段链作为一个独立运动的单元,称为链段。
位垒:1、取代基的基团越多,位垒越大2、如果分子中存在着双键或三键,则邻近双键或三键的单键的内旋转位垒有较大下降。
)六、什么是平衡态柔性?什么是动态柔性?影响高分子链柔性的因素有哪些?(平衡态柔性是指热力学平衡条件下的柔性,取决于反式与旁式构象之间的能量差。
动态柔性是指外界条件影响下从一种平衡态构象向另一种平衡态构象转变的难易程度,转变速度取决于位能曲线上反式与旁式构象之间转变位垒与外场作用能之间的联系。
影响因素:一、分子结构:1、主链结构2、取代基3、支化交联4、分子链的长链二、外界因素:温度、外力、溶剂)七、自由连接链?自由旋转链?等效自由连接链?等效自由旋转链?蠕虫状链?(自由连接链:即键长l 固定,键角⊙不固定,内旋转自由的理想化模型。
第二章高分子的链结构1.聚合物的层次结构聚合物的结构包括高分子的链结构和聚合物的凝聚态结构,高分子的链结构包括近程结构一级结构和远程结构二级结构;一级结构包括化学组成,结构单元连接方式,构型,支化于交联;二级结构包括高分子链大小相对分子质量,均方末端距,均方半径和分子链形态构象,柔顺性;三级结构属于凝聚态结构,包括晶态结构,非晶态结构,取向态结构,液晶态结构和织态结构; 2.结构单元的键接方式,许多实验证明自由基或离子型聚合产物中大多数是头—尾键接的,链接方式对聚合物的性能有比较明显的影响;例1:纤维要求分子链中单体单元排列规整,结晶性能好,强度高,便于抽丝和拉伸例2:维尼纶纤维缩水性较大的根本原因:聚乙烯醇PVA做维尼纶只有头—尾键接才能使之与甲醛缩合生成聚乙烯醇缩甲醛;如果是头—头键接额,羟基就不易缩醛化,是产物中保留一部分羟基,羟基的数量太多会使纤维的强度下降;3.聚合物的空间构型概念:结构单元为—CH2—CHR—型的高分子,在每一个结构单元中都有一个手性碳原子,这样,每一个链节就有两种旋光异构体,高分子全部由一种旋光异构体键接而成称为全同立构,由两种旋光异构单元交替键接,称为间同立构,两种旋光异构单元完全无规键接时,则称为无规立构全同立构和间同立构的高聚物有时统称为等规高聚物高聚物中含有全同立构和间同立构的总的百分数是指等规度由于内双键的基团在双键两侧排列的方向不同而有顺式构型与反式构型之分,他们称为几何异构体例:几何构型对聚合物的影响聚丁二烯1,2-加成的全同立构或间同立构的聚丁二烯PB,由于结构规整,容易结晶,弹性很差,只能作为塑料使用;顺式1,4-聚丁二烯链的结构也比较规整,容易结晶,在室温下是一种弹性很好的橡胶,反式1,4-聚丁二烯分子链的结构也比较规整,容易结晶,在室温下是弹性很差的塑料;4. 高分子共聚物共聚物的序列结构常用参数平均序列长度L和嵌段数R;当R=100时表明是交替共聚,R=0时表明是嵌段共聚物例1:聚甲基丙烯酸甲酯PMMA分子带有极性酯基是分子间作用力比聚苯乙稀PS大,因此在高温的流动性差,不宜采取注塑成型法加工;需将PMMA和少量PS共聚可以改善树脂的高温流动性,适用于注塑成型ps. 和少量的丙烯晴AN共聚后,其冲击强度,耐热性,耐化学腐蚀性都有所提高,可供制造耐油的机械零件例2:ABS树脂在结构组成制备工艺上可提高产品的力学性能的方法ABS树脂是丙烯晴,丁二烯和苯乙烯的三元共聚物;其中丙烯晴有CN基,能使聚合物耐化学腐蚀,提高制品的抗张强度和硬度;丁二烯使聚合物呈现橡胶状韧性,这是材料抗冲击强度增高的主要因素;苯乙烯的高分流动性能好,便与加工成型,而且可以改善制品表面光洁度.,ps. ABS是一类性能优良的热塑性塑料例3:SBS在结构和组成上的特点及加工方法概述用阴离子聚合法制得的苯乙烯与丁二烯的嵌段共聚物SBS树脂;丁二烯常温是一种橡胶,而聚苯乙烯是硬性塑料,两者不相容,因此SBS具有两项结构;聚丁二烯段形成连续的橡胶相,聚苯乙烯是热塑性的,聚苯乙烯起交联作用高温下可以破坏也可以重组,所以SBS是一种可以注塑方法进行加工而不需要硫化的橡胶;聚氨酯与其相似,统称热塑性弹性体;5.高分子链的支化例:为什么高压聚乙烯的冲击强度好于低压聚乙烯的冲击强度支化对物理性能的影响有时相当显著,高压聚乙烯低密度聚乙烯LDPE由于支化破坏了分子的规整性,使其结晶度大大降低,低压聚乙烯高密度聚乙烯HDPE是线型分子,易于结晶,故在密度,熔点,结晶度和硬度方面都高于强者;分子链支化程度增加,分子间的距离增加,分子间的作用力减小,因而使拉伸强度降低,但冲击强度会提高;6.高分子链的交联支化高分子能够溶解,交联高分子不熔不熔,只有交联度不大的时候能在溶剂中溶胀;热固性塑料和硫化橡胶都是交联高分子例:硫化橡胶未经硫化交联的橡胶分子之间容易滑动,受力后会产生永久变形,不能回复原状,经硫化的橡胶分子间不能滑移,才有大的可逆弹性变形,所以橡胶一定要经过硫化变成交联结构后才能使用;交联度小的橡胶含硫5%一下弹性较好,交联度大的橡胶含硫20%~30%弹性就差,交联度再增加,机械强度和硬度都将增加,最终失去弹性而变脆;7.高分子链的构象概念:构象:单间内旋转而产生的分子在空间的不同排列形态,由于热运动分子的构象在时刻改变,因此高分子的键的构象是统计性的,由此可知,这种构象是不固定的;构型:大分子链中由化学键所固定的原子在空间的几何排列,这种排列是稳定的要改变构型必经过化学键的断裂和重组;构型包括单体单元的键合顺序,空间构型的规整性,支化度,交联度以及共聚物的组成及序列结构;无规线团:单键内旋转是导致分子链呈蜷曲构象的原因,内旋转愈自由,蜷曲的趋势越大,我们称这种不规则的蜷曲高分子链的构象为无规线团;理想链理想柔性链,自由链接链:高分子键的一种理想化的简单模型,假定高分子的主链由足够多的不占体积的化学键自有链接而成,这些键的取向不受键角以及相邻旋转交的限制,没有位垒的障碍,在空间上的取向几率都相等;自由旋转链:每个链都能在键角限制范围内自由旋转,不考虑空间位阻影响,有足够多的不占体积的化学键自有链接而成,这些键的取向受键角及相邻旋转交的限制,没有位垒障碍;受阻旋转链:同自由旋转链,除不能自由旋转;末端距:对于线性高分子,分子链的一端至另一端的直线距离即为末端距;均方末端距:末端距的平方的平均值,通常用来表征高分子链的尺寸;高斯链:把真实的高分子末端距模型化的一种由n个长度为l的统计单元组成,他的末端距大小分布符合高斯统计函数,这种假想链叫做高斯链Ps.末端距的计算见附录例1. 自由连接链和高斯链的区别1.高斯链的统计单元为链段,自由链接链的链接单元为化学键2.高斯链可以产生链段的回转和取向,自有链接连不能产生化学链的旋转和取向3.高斯链是实际存在的,自有链接连是不存在的4.高斯链研究高分子链的共性,自有链接链是理想化的;例2.聚丙烯是否可以通过单键的内旋转由全同立构变成间同立构,为什么答:不可以;因为全同立构和间同立构是属于构型的范畴,构型是指分子中有化学键所固定的原子在空间的排列;单键的内旋转只会改变构象,而改变构型必须经过化学键的断裂才能实现;例3.为什么只有柔性高分子链才适合做橡胶答:橡胶具有高弹性,弹性模量很小,形变量很大的特点;只有处于蜷曲状态的长链分子才能在外力的作用下产生大形变,才能作为橡胶;蜷曲程度与柔性是相对应的,蜷曲程度越高,柔性越好,所以适合做香蕉的高分子必须具备相当程度的柔性;例4.试述近程相互作用和远程相互作用的含义以及它们对高分子链构象以及柔性的影响答:所谓“近程”和“远程”是根据沿大分子链的走向来区分的,并非为三维空间上的远和近;事实上,即使是沿高分子长链很远的枝节也会由于主链单间内旋转而在三维空间上相互靠的很近;近程相互排斥作用的存在使得实际高分子的内旋转受阻,是指在空间可能有的构象数远远小于自由内旋转的情况,受阻程度越大构象数就越少,高分子链的柔性就越小;远程相互作用可为斥力,也可称为引力;当大分子链中相距较远的原子或原子团由于单键的内旋转,可是其间的距离小于范德瓦尔斯半径而表现为斥力,大于范德瓦尔斯半径为引力,五轮哪种力都使单间内旋转受阻构象数减小,柔性下降,末端距变大;例5. 分子链柔顺性大小顺序聚乙烯PE,聚丙烯PP,聚丙烯晴PAN,聚氯乙烯PVC取代基极性越大,取代基之间的相互作用就越强,高分子链内旋转越困难,柔性越小;取代基的极性顺序为—CN>—CL—CH3—H,所以PE>PP>PVC>PAN例6.请排出分子间作用力的大小聚苯乙烯,聚对苯二甲酸乙二酯和尼龙66,聚乙烯尼龙66>据对苯甲酸乙二酯>聚苯乙烯>聚乙烯尼龙66分子间能形成氢键,因此分子间作用力最大;聚对苯二甲酸乙二酯含有强极性基团,分子间作用力比较大,聚苯乙烯含有侧基,连段运动较困难,分子间作用力较小,聚乙烯是非极性分子,又不含侧基,分子间作用力最小;例7. 请排出结晶难易程度的排序1聚对苯二甲酸乙二酯和聚间苯二甲酸乙二酯,聚乙二酸乙二酯2尼龙66,尼龙1010聚己二酸乙二酯>聚对苯二甲酸乙二酯>聚间苯二甲酸乙二酯,这是由于聚己二酸乙二酯的柔顺性好,聚间苯二甲酸乙二酯对称性不高,尼龙66>尼龙1010尼龙66中氢键密度大于尼龙1010第三章高分子溶液1.聚合物溶解过程和溶剂选择概念:内聚能密度:内聚能是将一摩尔液体或固体分子汽化时所需要的能量,单位体积的内聚能即为内聚能密度;δ溶度参数:溶度参数是内聚能密度的平方根;溶质与溶剂的溶度参数越接近越可能相互溶解;冻胶:是由范德瓦尓斯力交联而成的,加热可以拆散范德瓦尓斯力的交联,使冻胶溶解;凝胶:是高分子链之间以化学键形成的交联结构的溶胀体;例1.聚合物的溶解过程答:聚合物的溶解过程分为两个阶段,先是溶剂分子深入聚合物内部,是聚合物体积膨胀,称为溶胀,然后才是高分子均匀分散在溶剂中形成完全溶解的分子分散的均相体系,对于交联聚合物,在与溶剂接触时也会发生溶胀,但因有交联的化学键束缚,不能再进一步使交联分子拆散,只能停留在溶胀阶段,不会溶解;例2.聚合物的溶解度与分子量的关系:溶解度与聚合物的分子量有关,分子量大的溶解度小,分子量小的溶解度大,对交联聚合物来说,交联度大的溶胀度小,交联度小的溶胀度大;例3.非晶聚合物和结晶聚合物对溶解的影响非晶聚合物的分子堆砌比较松散,分子间的相互作用较弱,因此溶剂分子比较容易渗入聚合物内部使之溶胀和溶解;静态聚合物由于分析排列规整,堆砌紧密,分子间相互作用力很强,以致溶剂分子深入聚合物内部非常困难,因此晶态聚合物的溶解比非晶态聚合物困难得多;溶液的热力学性质溶解过程的自发需要满足△Fm=△Hm-T△Sm<0对于极性聚合物在极性溶剂中,由于高分子溶剂强烈相互作用,分子排列趋于混乱所以△Sm增加溶解时放热△Hm<0且使体系△Fm降低所以溶解过程能自发进行非极性聚合物,溶解过程一般是吸热的△Hm>0,故只有在升高温度T或者减小混合热△Hm才能使体系自发溶解;非极性溶液的混合热△Hm的大小取决于溶度参数,如果两种液体溶度参数接近,则混合热越小,两种液体越能互相溶解;Ps.聚丙烯腈不能溶解在溶度参数与他相接近的乙醇,甲醇,苯酚;乙二醇等溶剂中,这是因为这些溶剂的极性太弱了,只有二甲基甲酰胺,二甲基乙酰胺,乙腈,二甲基亚砜,丙二腈才能使其溶解;丙酮不能溶解聚苯乙烯是丙酮极性太强而聚苯乙烯是弱极性的;可以得出结论,极性聚合物,不但要求它与溶剂的溶度参数中的非极性部分接近,还要求极性部分也接近才能溶解;注:如果溶质与溶剂间能形成结晶性非极性聚合物的溶剂选择最困难,它的溶解包括两个过程:其一是结晶部分的熔融;其二是高分子与溶剂的混合,两者都是吸热的过程,所以要提高温度;除非生成氢键,因为氢键的生成是放热反应;例1.溶剂的选择原则:1)极性相近,要求溶剂的极性和高聚物极性相近,极性高聚物选择极性相当的溶剂;2)溶度参数相近原则,参数越接近,溶解可能性越大,非晶态—非极性比较合适,对于晶态的非极性高聚物需加外界条件,对晶态极性不适用;3)溶剂化原则基团的相互作用溶剂分子与高分子链之间相互吸引作用是高分子链与链之间相互分离导致高分子溶解于溶剂形成溶液;理想溶液概念:理想溶液:是指溶液中溶质分子间溶剂分子间和溶质分子间的相互作用能都相等,溶解过程没有体积变化也没有焓的变化;Huggins参数:是表示高分子溶液混合时相互作用能的变化θ温度:是高分子溶液的一个参数,当T=θ时高分子溶液中的过量化学位为零,与理想溶液中溶剂的化学位没有偏差θ条件:通过选择溶剂和温度使高分子溶液中溶剂的过量化学位为零的条件,这种条件称为θ条件或θ状态;无扰状态:高分子在稀溶液中,一个高分子很难进入另一个高分子所占的区域,即每个高分子都有一个排斥体积;如果高分子链段和溶剂分子相互作用能大于高分子链段与高分子链段的相互作用能,则高分子被溶剂化而扩张,使高分子不能彼此接近,高分子的排斥体积就很大;如果高分子链段与溶剂分子相互作用能等于高分子链段与高分子链段的相互作用能;高分子与高分子可以与溶剂分子一样彼此接近,互相贯穿,这样排斥体积为零,相当于高分子处于无扰状态;这种状态的尺寸就称为无扰尺寸;扩张因子:高分子在良溶剂中,由于溶剂化的作用,是卷曲的高分子链伸展,高分子的均方末端距和均方旋转半径扩大;扩张因子α是指高分子链的均方末端距或均方旋转半径与高分子链在θ状态下的均方末端距或均方旋转半径之比,它表示高分子链的扩张程度;溶胀比:交联高聚物在溶胀平衡时的体积与溶胀前的体积之比例1. 根据高分子的混合自由能,推导出其中溶剂的化学位变化,并讨论在什么条件下高分子溶液中溶剂的化学位变化,等与理想溶液中溶剂的化学位变化答:见附录例2. 高分子溶液在什么情况下与理想溶液的一些热力学性质相近当T=θ时;高分子溶液中溶剂的过量化学位为零;χ1=1/2,高分子处于θ状态,此时高分子溶液与理想溶液的一些热力学性质相近;例3. 什么是θ温度当高于,低于或等于θ温度时,大分子的自然构象有何不同为什么θ温度是高分子溶液的一个参数;当T=θ时,高分子溶液中溶剂△μ=0与理想溶液中的溶剂化学位没有偏差;当T>θ时,溶剂为高分子良溶剂,在良溶剂中,高分子链由于溶剂化而扩张,高分子线团伸展,当T<θ时,溶剂为高分子的不良溶剂,在不良溶剂中,高分子链由于溶剂化作用很弱,高分子链紧缩;当T=θ时,溶剂为高分子的θ溶剂,在θ溶剂中,高分子链段与高分子链段的相互作用能等于高分子链段与溶剂的相互作用能,高分子与高分子可以与溶剂分子一样彼此接近,互相贯穿,这样高分子链的排斥体积为零,相当与高分子链处于无干扰的无规线团;例4.试举出可判定聚合物溶解性好坏的三种热力学参数,并讨论当它们分别为何值时,溶剂是良溶剂,θ溶剂,劣溶剂:过量化学位△μ₁,Huggins参数χ₁,第二维利系数A₂可以判定聚合物溶解性的好坏的三种热力学参数,△μ₁<0,χ₁<1/2,A₂>0时为良溶剂;△μ₁=0,χ₁=1/2,,A₂=0时为θ溶剂;μ₁>0,χ₁>1/2,A₂<0时为劣溶剂;Ps.θ状态与真正的理想溶液还是有区别的,真正的理想溶液没有热效应,任何温度下都呈现理想行为,而在θ温度时的高分子稀溶液只是过量化学位等于0而已;偏摩尔混合热和偏摩尔混合熵都不是理想值,只是两者的非理想效应近似相互抵消;例5.临界共溶温度:是聚合物溶解曲线极大处的温度就是Tc;溶质的分子量越大,溶液的临界共溶温度越高;当温度降至Tc一下某一定值时,就会分离成稀相和浓相,当体系分成两相最终达到相平衡时,每种组分在两相间扩散达到动态平衡,这就要求每种组分在两相间的化学未达到相等;相分离的起始点就是临界点,在临界点,两个相浓度相等;简述荣章法测定聚合物的δ的原理和方法溶胀法可以测定交联聚合物的平衡溶胀比,及交联聚合物达到溶胀平衡时的体积与溶胀前的体积之比;若交联聚合物与溶剂的溶度参数越接近,高分子与溶剂的相互作用愈大,及高分子溶剂化程度愈大,交联网链愈能充分伸展,是交联聚合物的平衡溶胀比增大,若用若干种不同溶度参数的溶剂溶胀聚合物,用溶胀法分别测定聚合物在这些溶剂中的平衡溶胀比,以平衡溶胀比对溶剂的溶度参数作图,找出平衡溶胀比极大值所对应的溶度参数,此溶度参数可作为交联聚合物的溶度参数;Ps.增塑剂为了改善聚合物材料的成型加工性能和使用性能,通常在聚合物树脂中加入高沸点,低挥发性的小分子液体或低沸点固体,以降低玻璃化转变温度和粘流温度,改善树脂流动性,降低粘度石制品有较好的柔韧性,和耐寒性;第四章高分子的多组分体系高分子的相容性概念高温临界共溶温度UCST:高温互容低温分相;低温临界共溶温度LCST:低温互容高温分相;曲线分析见附录临界胶束浓度:将嵌段共聚物溶解在小分子溶剂中,如果溶剂溶解共聚物前段时没有很强的选择性,那么嵌段共聚物的溶液性质与一般均聚物的溶液性质没有和大的差别;但如果溶剂对其中的某一嵌段具有很强的相互吸引作用,在固定温度改变浓度或固定浓度改变温度两种条件下,嵌段共聚物类似于小分子的表面活性剂,与溶剂作用强的嵌段倾向于与溶剂混合,而另一嵌段就倾向于与其它链的相似嵌段聚集在一起,形成胶束,形成胶束的临界条件被称为临界胶束浓度,和临界胶束温度;进一步增加浓度,这些胶束逐渐发生交叠,形成物理凝胶几乎不能流动,形成凝胶的临界浓度称为临界胶束浓度静态光散射通过测定溶液中形成结构的平均分子量来估算是否形成了胶束Ps.UCST,LCST曲线见附录第五章聚合物的非晶态非晶态聚合物的结构模型概念无规线团模型:在非晶态聚合物本体中,分子链的构象与在溶液中的一样,成无规线团状,线团的尺寸在θ状态下高分子的尺寸相当,线团分子之间是任意相互贯穿和无规缠结的,前端的堆砌不存在任何有序的结构,因而非晶态聚合物在凝聚态结构上是均相的;玻璃化转变:玻璃态和高弹态之间的转变称为玻璃化转变,对应的转变温度即玻璃化转变温度;玻璃态:当非晶聚合物在较低的温度下受外力时,有与链段运动被冻结,只能使主链的键长和键角有微小的改变,因此从宏观上来说,聚合物形变是很小的,形变与受力的大小成正比,当外力除去后,形变能立刻回复;这种力学性质称虎克型弹性体,又称普弹体,非晶态聚合物处于具有普弹性的状态,称为玻璃态;玻璃化温度:高聚物分子链开始运动或冻结的温度;它是非晶态高聚物作为塑料使用的最高温度,橡胶使用的最低温度;高弹态:在聚合物受到外力时,分子链可以通过单键的内旋转和链段的改变构象以适应外力的作用,由于这种变形是外力作用促使聚合物主链发生内旋转的过程,它需要的外力显然比聚合物在玻璃态时变形所需外力要小得多,而变形量却大得多,这种性质叫做高弹性,它是非晶态聚合物处在高弹态下特有的力学特征;粘流态:整个分子链运动,松弛时间缩短,在外力作用下发生粘性流动,它是整个分子链互相滑动的宏观表现;形变不可逆外力除去后,形变不能再自发回复自由体积理论:Fox和Flory提出,认为液体或固体物质,其体积由两部分组成:一部分是被分子占据的体积;另一部分是未被占据的自由体积;后者以“孔穴”的形式分散于整个物质之中,正是由于自由体积的存在,分子链才可能发生运动;自由体积理论认为,当聚合物冷却时,起先自由体积逐渐减少,到某一温度时,自由体积达到一最低值,这是聚合物进入玻璃态;在玻璃态下,有与链段运动被冻结,自由体积也被冻结,并保持一恒定值,自由体积“孔穴”的大小及分布也将基本上维持固定;因此对任何聚合物,玻璃化温度就是自由体积达到某一临界值的温度,在这临界值一下,已经没有足够的空间进行分子链构象的调整了;因而聚合物的玻璃态可视为等自由体积状态;不管什么聚合物,发生玻璃化转变时,自由体积分数都等于2.5%;Ps. WLF方程见附录例1::无规线团模型的实验证据1.橡胶的弹性理论完全是建立在无规线团模型基础上的,而且实验证明,橡胶的弹性模量和应力-温度系数关系并不随稀释剂的加入而有反常的改变,说明在非晶态下,分子链是完全无序的,并不存在可被进一步溶解或拆散的局部有序结构2.在非晶聚合物的本体和溶液中,分别用高能辐射是高分子发生交联,实验结果并未发现本体体系中发生分子内教练的倾向比溶液中更大,说明本体中并不存在诸如紧缩的线团或折叠连那些局部有序的结构;3用X光小角散射的实验结果,提别有力的支持了无规线团;.对于分子量相同的聚甲基丙烯酸甲酯试样,用不同的方法光散射,X光散射和中子散射,不同条件下本体或溶液中,测得分子的回转半径相近;并且本体的数据与θ溶剂氯代正丁烷的数据以及所得指向的斜率更为一致,证明非晶态本体中,分子的形态与它在θ溶剂中一样,它们的尺寸都是无扰尺寸例2.两相球粒模型1模型包含了一个无序的粒间相,从而能为橡胶弹性变形的回缩力提供必要的构象熵,因而可以解释橡胶的弹性回缩力;2实验测得许多聚合物的非晶和结晶密度比按分子链成无规线团形态的完全无序的模型计算的密度高,说明有序的粒子相与无序的粒间相并存,两相中由于嵌段的堆砌情况有差别,导致了密度的差别;3模型例子中嵌段的有序堆砌,为洁净的迅速发展准备了条件,这就不难解释许多聚合物结晶速度很快的事实;4某些非晶态聚合物缓慢冷却或热处理后密度增加,电镜下还观察到球粒的增大,这可以用粒子相有序程度的增加和粒子相的扩大来解释;例3.非晶态聚合物形变-温度曲线如果取一块非晶聚合物试样,对它施加一恒定的力,观察试样发生的形变与温度的关系,我们将所得到的曲线称为形变-温度曲线或热机械曲线;当温度较低时,试样呈刚性固体状,在外力作用下只发生非常小的形变;温度升到某一范围后,式样的形变明显的增加,并随后,并在随后的温度区间达到一相对稳定的形变,在这一个区域中,试样变成柔软的弹性体,温度继续升高,形变基本上保持不变;温度再进一步升高,则形变量又逐渐加大,试样最后完全变成粘性流体; Ps.形变温度曲线见附录例4.试用分子运动的观点说明非晶聚合物的三种力学状态和两种转变在玻璃态下,由于温度较低,分子运动的能量很低,不足以克服主链内旋转的位垒,因此不足以激发起链段的运动,链段处于被冻结的状态,只有那些较小的运动单元,如侧基,支链和小链节能运动,当收到外力时,由于链段处于冻结状态,只能使主链的键长和键角有微小的改变,形变很小,当外力除去后形变能立刻回复;随着温度的升高,分子热运动的能量增加,当达到某一温度Tg时,链段运动被激发,聚合物进入高弹态,在高弹态下,链段可以通过单键的内旋转和链段的运动不断地改变构象,但整个分子仍然不能运动;当受到外力时,分子链可以从蜷曲状态变为伸直状态,因而可发生较大形变;温度继续升高,整个分子链也开始运动,聚合物进入粘流态,这时高聚物在外力作用下便发生粘性流动,它是整个分子链互相滑动的宏观表现,外力去除后,形变不能自发回复;玻璃化转变就是链段有运动到冻结的转变,流动转变使整个分子链由冻结到运动的转变;例5.为什么聚合物通常有一份相对确定的玻璃化温度,却没有一个确定的粘流温度随着相对分子量的增加,玻璃化温度会升高,特别是在较低的相对分子质量范围内,这种影响较为明显,但是当相对分子质量增加到一定程度后,玻璃化温度随着相对分子质量的变化很小;而聚合物的粘流温度是整个分子链开始运动的温度,相对分子质量对粘流温度的影响比较明。
高分子物理第02讲高分子链的结构高分子链是由一系列重复单元组成的长链状高分子分子,也是高分子的基本结构单元。
高分子链的组成主要由高分子单体通过共价键结合而成。
高分子链可以是线性的,也可以是分支的。
线性高分子链由单体经过链端的连续反应添加而成,而分支高分子链则是由于反应开始时引入了分支单体。
此外,高分子链还可以存在环状结构,环状结构的形成通常依赖于特定的反应条件。
高分子链的组成直接影响其物理性质和化学性质,因此了解高分子链的组成对于理解高分子物理至关重要。
高分子链的构型和取向是指高分子链在空间中的排列方式。
高分子链可以存在不同的构型,如螺旋状、扭曲状和直线状等。
高分子链的构型一方面取决于化学结构,另一方面也受到外部条件的影响,如温度和溶剂等。
高分子链的取向是指高分子链朝向空间的方向,一般可分为随机取向和有序取向。
有序取向通常是在特定的条件下形成的,如聚合物拉伸或拉延时。
高分子链的构型和取向决定了高分子材料的力学性质和物理性质。
高分子链的晶体结构是指高分子链在晶体中的排列方式。
高分子链可以形成晶体结构,也可以形成非晶体结构。
晶体结构是一种有序的高分子链排列方式,其中高分子链按照一定的规律排列,形成多个晶胞,并在空间中排列成一个有序的晶体。
晶体结构通常有明显的晶体衍射图样。
非晶体结构则是高分子链无规则排列的状态,通常没有明显的晶胞和晶体衍射图样。
非晶体结构的高分子材料具有较好的韧性和透明性。
高分子链的末端结构是指高分子链的端部结构。
高分子链的末端可能是自由基、离子或官能团等,末端的结构对高分子链的交联、反应和改性等具有重要的影响。
末端的结构可以通过在高分子合成过程中引入合适的单体来控制。
不同的末端结构可以使高分子链具有不同的性质和功能。
总结起来,高分子链的结构由其组成、构型和取向、晶体结构以及末端结构等多个方面决定。
了解高分子链的结构对于理解高分子物理和高分子材料的性质具有重要意义。
深入研究高分子链的结构对于设计和开发高分子材料具有重要的指导作用。
第一章高分子的链结构一、名词解释1、高分子链结构:单个高分子的结构和形态。
高分子的聚集态结构:高分子凝聚在一起形成的高分子材料本体的内部结构。
2、近程结构:是构成高分子的最基本微观结构,包括其组成和构型。
远程结构:大分子链的构象,即空间结构,以及链的柔顺性等。
3、链段:高分子链可看作是由多个包含i个键的段落自由连接组成,这种段落称为链段。
链节:重复单元4、静态链柔性:高分子链处于热力学稳定状态时的蜷曲程度。
动态链柔性:高分子链从一种平衡构象状态转变到另一种平衡构象状态的难易程度。
5、均方末端距:线形高分子链的一端到另一端的直线距离,以h表示,h2即为均方末端距。
均方回转半径:旋转半径的平方值的平均。
(旋转半径——支化大分子链的质量中心到各个链段的质量中心的距离,是向量。
)6、自由结合链:键长l固定,键角Φ固定,内旋转自由的理想化的模型。
(键角不固定,同时不考虑内旋转位垒障碍)自由旋转链:假定链中每一个键都可以在键角所允许的方向自由转动,不考虑空间位阻对转动的影响。
(键角固定,同时不考虑内旋转位垒障碍)等效自由结合链:将真实大分子链中的链段等同于自由结合链中的化学键,这种由ne个链段组成的高分子链就是一个自由结合链。
高斯链:等效自由结合链的链段分布符合高斯分布函数的高分子链。
7、刚性因子(又称空间位阻参数,刚性比值):为实测的无扰均方末端距与自由旋转链的均方末端距比值的平方根。
分子无扰尺寸:在θ条件下测得的高分子尺寸称为无扰尺寸。
(单位分子量均方末端距的平方根)等效链段长度:以等效自由结合链描述分子尺寸。
特征比:无扰链与自由链接链均方末端距的比值。
二、名词解释1、P12、P33、LDPE是低密度聚乙烯,又叫高压聚乙烯,是高压状态下自由基聚合得到的。
HDPE是高密度聚乙烯,又叫低压聚乙烯。
相比LDPE,密度大,强度高,硬度好。
LLDPE是线性低密度聚乙烯,线性低密度聚乙烯在结构上不同于一般的低密度聚乙烯,因为不存在长支链。