1-2 高分子合成材料的结构与性能在线视频

同学们大家好

这一节我们一起来学习

高分子合成材料的结构与性能

我们知道任何材料的性能

都是由其结构决定的

性能是其内部结构和分子运动的具体反映

高分子合成材料也不例外

为了适应现代科学技术

工农业生产

以及国防工业的各种要求

获得不同性能的高分子合成材料

首先就要从结构入手

掌握高分子材料的结构与性能的关系

是非常重要的

高分子合成材料的高分子链

通常是由很多个结构单元组成

高分子的链结构

和许多高分子链聚集在一起的

这种聚集态结构

就形成了高分子材料的结构层次

链结构是指单个高分子化合物

分子的结构和形态

所以链结构又可以分为

近程结构和远程结构

近程结构也称为一级结构

它包括链的原子种类和排列

结构单元的键接方式

构型 链的几何形状

共聚物的序列结构

远程结构

也称为二级结构

是指高分子链的形态

或者叫构象

以及高分子的大小

分子量以及分布

聚集态结构一般都统称为三级结构

它是指高分子链之间

通过范德华力和氢键

形成具有一定规则排列的聚集态结构

主要包括晶态 非晶态 取向态

液晶态以及织态等

高分子进程结构中

链的原子种类和排列主要有三种方式

一是碳链高分子

这种高分子

主链全部由碳原子组成

碳原子之间是以共价键连接的

例如聚乙烯

聚丙烯

聚苯乙烯的

它的性能特点是

通常这类高分子不溶于水

可加工性好

但耐热性较差

第二种是杂链高分子

它的主链中除了碳原子以外

还会有氧

氮

硫

磷等原子

比如尼龙

聚苯醚

聚甲醛等

这些高分子就是杂链的高分子

它们的性能特点是通常具有极性

易水解

醇解

耐热性比较好

强度高

三是元素有机高分子

主链中不含碳原子

含有硅

磷

钛

铝等元素

如聚二甲基硅氧烷就是杂链高分子

这种高分子的性能特点是

具有无机物的热稳定性

有机物的弹性和塑性

结构单元键接方式

对于结构完全对称的单体

比如乙烯

四氟乙烯

只有一种键接方式

对于结构不对称的单元

形成高分子链时会有三种不同的键接方式

如头-头连接

尾-尾连接和头-尾连接

大多数烯烃类聚合物

都是以头-尾相接为主

结构单元的不同键接方式

对高分子材料的性能会产生较大的影响

比如聚氯乙烯链结构单元

主要就是以头尾相接的

若含有少量的头头键接

就会导致聚氯乙烯高分子热稳定性能下降

一般情况下

自由基或离子型聚合物的产物中

是以头尾连接为主的

构型主要是指分子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

必须经过化学键的断裂和重组

高分子中结构单元是由化学键所固定的原子

在空间的几何排列构成的

主要有三种

第一种是全同立构

它全部是由一种旋光异构单元连接的

第二种是间同立构

是由两种旋光异构单元交替连接的

第三种是无规立构

两种旋光异构单元

它完全是无规的链接

全同立构和间同立构的高分子结构比较规整

这种高分子容易结晶

而无规立构的结构不规整

不能结晶

软化点也比较低

高分子链的几何形状主要是有三种

一种是线型的

一种是支化型的

还有一种是交联型的

那么对于线型高分子链

它是由许多链节组成的长链

通常是一种卷曲的状态

为团状

这类聚合物

有较高的弹性

塑性好

硬度低

是典型的热塑性材料

对于支化型的高分子链

它主要包括在主链上带有支链的

这种支链

有长有短

还有以及新型的和树枝状的高分子

这类高聚物加热是可以融化的

易溶于有机溶剂

可以反复加工成型

交联型的高分子链

分子链之间是有许多链接相互交联

这类高聚物

它通常具有较高的硬度

脆性大

没有弹性和塑性

对于共聚物的序列结构而言

共聚物是由两种以上的

单体键合而成的聚合物

如果以A B两种单体单元

所构成的共聚物为例

分析的话

按它的链接方式

主要包括无规

交替

嵌段

和接枝共聚

不同类型的共聚物

它们的性能也不相同

常用共聚法来对某种高分子材料进行改性

高分子的远程结构

它主要涉及两个方面

一是高分子的大小

构象和柔顺性

高分子大小的量度是用分子量来表述

分子量通常是用统计平均值来表示

如数均分子量

和重均分子量

高分子的许多特殊性质

都是与分子量大小有关的

如高分子的溶液性质

高分子之间的作用力大

只有液态和固态

是不能气化的这种性质

固体聚合物具有一定的力学强度

可抽丝

能制膜等

都与分子量有关

分子量分布

是描述高分子的分子量大小不一

参差不齐的特性的

也称为分子量的多分散性

高分子是由化学组成相同

分子量不相等

结构不同的同系聚合物的混合物所组成

所以高分子的分子量是不均一

分子量分布对高分子材料的加工

和使用性能都是有明显影响的

一般来说

分子量分布窄一些

是有利于加工控制和使用性能的提高的

如合成纤维和塑料

如果分子量分布窄的话

它的加工性能和使用性能会比较好

高分子的构象

是由分子链中单键内旋转运动

引起原子在空间位置的变化而构成

大分子链的各种形态

分子链可以在保持链长和链角不变的情况下

进行旋转

大量的单链都随时进行着旋转

因此说高分子链取某种构象

就是指它取这种构象的几率最大

高分子的柔顺性是由构象变化而获得的

是不同卷曲程度的一种特性

柔顺性的度量

是末端距和均方末端距

柔顺性是高聚物许多性能

不同于低分子物质的主要的原因

通常

内旋转的单键数目越多

内旋转阻力越小

构象数越大

那么柔顺性就会越好

容易内旋转的链就被称为柔性链

不易内旋转的链则称为刚性链

高分子的三级结构也称为凝聚态结构

是指高分子链之间的排列和堆砌结构

它主要包括晶态 非晶态 液晶态

取向态和织态结构

对于聚合物的晶态来说

它和小分子的晶态是不一样的

一般具有晶体不完善

熔点范围宽及结晶速度慢等特点

根据结晶条件的不同

高分子的这个晶态

又包括单晶 球晶

伸直链晶片

纤维状晶片和串晶等

结晶会使高分子链排列规整

堆砌紧密

这样就增强了分子链间的作用力

使聚合物的密度

强度

硬度

耐热性

耐溶剂性

耐化学腐蚀性等性能有所提高

从而改善高分子材料的实用性能

但是结晶也会使高分子材料的高弹性

断裂伸长率

抗冲击强度等性能下降

对以弹性和韧性为主要使用性能的材料

这是不利的

如结晶会使橡胶失去弹性

发生爆裂

所以结晶对高分子材料的性能的影响

是两个方面的

那聚合物非晶态的结构

它是一个比晶态更为普遍存在的聚集态形式

不仅有大量完全非晶态的聚合物存在

而且即使是在晶态聚合物中

也是存在一些非晶区的

聚合物非晶态结构主要包括

完全不能结晶的高聚物本体的这样的结构

还有部分结晶高聚物的非晶区

和结晶高聚物熔经

骤冷而冻结的非静态固体

高分子链是如何堆砌在一起形成非晶态的

目前主要有两种学说

一种是Flory等提出的无规线团的模型

另一种

就是Yeh等提出的折叠链缨状胶束粒子模型

液晶态是晶态向液态转化的中间态

既具有晶态的有序性

也就是各向异性

又具有液态的连续性和流动性

那么

聚合物要形成液晶的话

它必须满足三个条件

第一 分子链具有刚性或者要有一定的刚性

并且分子的长度与宽度之比要远远大于一

也就是分子是棒状

或者接近与棒状的一种构象

第二个是分子链上含有苯环或者是氢键等结构

第三

如果是要形成胆甾型液晶

还必须含有不对称的碳原子

液晶具有独特的流动性

也就是高浓低粘的特性

在低剪切应力下加工

就可以得到超高强度的聚合物

高分子的取向

它是指在外力 这种外力

比如说拉伸

牵引

挤出

这些外力的作用下

其大分子链

链段或者是结晶高分子中的晶体结构

沿外力作用的方向排列的这种现象

就叫取向

为取向的聚合物材料是各向同性的

也就是说

各个方向上的性能是相同的

而取向后的聚合物材料

是各向异性的

它的方向不同

性能就不同

取向的高分子材料按取向方式一般分为两类

一类是单轴取向的

取向单元在一维方向上会择优排列

另一类的是双轴取向

取向单元是在二维方向上择优排列

对于取向的高分子材料来说

其力学性能

光学性质

以及热性能等方面都会发生较大的变化

比如在力学性能中

抗张强度和疲劳强度

在取向方向上就会显著增加

而与取向方向垂直的方向则下降

因此人们可以通过取向这种现象

来改善产品的某些性能

织态是不同高分子链

与添加剂之间的结合和堆砌的方式

也就是聚合物内掺杂添加剂

或者将不同性质的两种聚合物混合起来

成为多组分复合材料的时候

它会有一种堆砌和排列的结构

这种多组分复合材料大多数

非均相体系

其典型的织态结构模型

如图所示

一般含量少的组分形成分散相

而含量多的组分会形成连续相

随着分散相含量的逐渐增加

分散相会从球状分散变成棒状分散

到两组分含量相近时

则形成层状结构

此时两个组分都是呈连续相的

高分子的织态结构对其光学

力学和热性能都有影响

好

关于高分子合成材料的结构与性能

我们就讲到这里

同学们再见