第五章 聚合物的结晶态
- 格式:ppt
- 大小:9.75 MB
- 文档页数:85
聚合物的结晶能力聚合物能否结晶和结晶能力的差别,具根本原因是不同聚合物具有不同的结构特征,大分子排列的有规整性,在长度上能形成高度有序的晶格。
当然不可能要求大分子链节全部都是规整的排列,而是指不规整部分少(如支链、交链或结构上的其他不规整性),而且要有合理的长度。
一般而言,大分子链的结构对称性愈好,愈容易结晶.如聚乙烯和聚四氟乙烯,但这并不意味着分子链必须具备高度的对称性,许多结构对称性不强而空间排列规整的聚合物同样也能结晶。
如果说分子空间排列的规整性是聚合物结晶的必要条件,那么大分子间的次价力(如偶极力、诱导力、色散力和氢键等)则是其结晶的充分条件。
因为前者只能说明大分子能够排成有序的阵列,而后者可克服分子热运动以保证整齐的阵列不会混乱。
大分子链的柔顺性是结晶时链段向结晶表面扩散和排列所必需的。
柔顺性差,在一定程度上降低聚合物的结晶能力;柔顺性过大则分子易缠结,排列成序的机会反而小。
另外,分子链节小易于形成晶核,也有利于结晶。
很多缩聚聚合物,由于其重复结构单元一般比加聚聚合物长,所以结晶比较困难。
当聚合物链采用位能最低的构象状态以及链段能密堆积(链中分子具有范德华半径时分子所占空间的体积分数称为分子密堆积分数)时,则结晶能力强。
结晶能力仅是聚合物能够结晶的内因,只有在有利的结晶条件下才能形成结晶。
2.6.1.2 聚合物的结晶形态晶体最本质的特点是微观结构的有序性,即离子、原子或分子在空间排列按最紧密堆积而具有三维长程有序的点阵结构。
这种在空间按一定的周期性排列的有规则质点所组成的空间点阵,具有一定的几何尺寸,称为晶格,每个质点位于晶格的结点上。
晶体的最小单元是“品胞”,了解一个晶胞的原子的性质和位置,就可以决定全部晶体结构。
晶胞的大小和形状,可以用六面体的三边之长(晶轴长度)a、b、c和三个夹角α、β、γ等六个晶胞参数来确定,见图2—36。
组成晶胞的六面体共有七种类型:立方、六方、四方、三方、斜方、单斜和三斜。
结晶态聚合物的表征用途结晶态是高分子凝聚态的主要形态之一,有关固体聚合物的结晶度、晶体形态、结晶过程以及结晶原理等内容,是高分子凝聚态物理研究的核心内容之一。
而关系到这些学术问题的有关数据又往往和聚合物作为材料使用时的性能密切相关。
(如力学性能、热性能、光学性能、溶解性等)。
同样在聚合物成型加工过程中如何控制加工条件,使成型后的聚合物材料中形成有利于材料性能的结晶形态,也是聚合物加工技术的研究方向。
因此聚合物形态的表征是高分子物理研究和高分子成型加工研究中的重要手段。
表征方法及原理(1)结晶度Wc的表征国际应用化学联合会(IUPAC)1988粘推荐用Wc,a表示质量分率结晶度,下标c为结晶度,另一下标字母a代表用不同方法测得的质量分率结晶度,方法不同下标a将分别是其他字母。
①广角X射线衍射(WAXS)测聚合物结晶度Wc,x用广角X射线衍射仪,对样品做出不同2θ角的衍射曲线,将衍射曲线的峰分解为结晶峰面积和非晶区面积,结晶峰面积与总衍射面积之比,即为Wc,x(下标x代表X射线衍射方法)②密度测量法计算聚合物的结晶度We,d在密度梯度管中配置自上而下密度连续变化的密度梯度液体,并用标准密度的玻璃小球标定密度梯度管不同位置高度的密度值,将待测聚合物样品投入标定后的密度梯度管中,测出聚合物样品的密度,其倒数即为聚合物样品的比容。
再用X射线衍射测得的该聚合物的晶胞参数,计算得到该聚合物“纯晶体“的比容;由膨胀计法测定不同温度下该聚合物熔体的密度,外推到聚合物样品测密度时温度下该聚合物非晶区的比容,按下式计算结晶度:(有时聚合物的,值可从专业手册中查到)③量热法计算聚合物的结晶度的Wc,h用示差扫描量热仪(DSC),测定聚合物样品的熔融热焓(熔融峰的面积)ΔHm,从手册中查找该聚合物100%结晶时的熔融热焓值ΔHm 标准,则ΔHm标准也可采用下述方法求得,即用其他方法(如广角X光衍射法WAXD,密度法等)已测得结晶度的该类聚合物的不同样品,分别用DSC法测不同样品的熔融热焓,以测得的熔融焓ΔHm值对结晶度作图,外推到100%结晶度时的熔融热焓值即为ΔHm标准。
聚合物的结晶形态包括以下几种:
1. 单晶:分子链垂直于片晶平面排列,晶片厚度一般只有10nm左右。
2. 树枝晶:许多单晶片在特定方向上的择优生长与堆积形成树枝状。
3. 球晶:呈圆球状,在正交偏光显微镜下呈现特有的黑十字消光,有些出现同心环。
4. 纤维状晶:晶体呈纤维状,长度大大超过高分子链的长度。
5. 串晶:在电子显微镜下,串晶形如串珠。
6. 柱晶:中心贯穿有伸直链晶体的扁球晶,呈柱状。
7. 伸直链晶体:高分子链伸展排列晶片厚度与分子链长度相当。
这些结晶形态在聚合物的结构中起着重要的作用,并影响了聚合物的物理和化学性质。