高分子物理—何曼君版

1高分子物理一、课程要求1、掌握内容：（1）高聚物各层次结构的特征（2）高分子链的近程结构和远程结构（3）高聚物的结晶、结晶度及对材料性能的影响（4）高聚物的分子运动特点、力学状态和转变并能从分子运动的观点分析聚合物的各种力学状态及其转变，各种状态、转变的特征及影响因素（5）高聚物的力学性质（6）高聚物分子量及分布的概念（7）橡胶弹性的热力学和统计理论（8）高聚物的蠕变性能MENU1MENU2MENU32高分子物理2、熟悉内容：（1）高聚物分子量、分子量分布的测定方法及对高聚物性能的影响（2）高聚物溶解过程的特点（3）高分子溶液的流变性（4）高分子溶液的热力学性质3、了解内容：（1）高聚物的取向态和液晶态结构（2）高分子的相容性（3）聚电解质溶液的特性（4）凝胶色谱的原理及应用（5）高聚物的电学性质二、所用教材1、主讲教材：《高分子物理》金日光华幼卿主编MENU1MENU2MENU33高分子物理2、主要参考：（1）《高分子物理》何曼君陈维孝等编（修订版）复旦大学出版社（第二版）化工版（2）《高聚物结构与性能》马德柱何平笙等编（第二版）科学出版社MENU1MENU2MENU3三、学时分配绪论（2）第一章高分子链的结构（10）第二章高分子聚集态结构（10）第三章高分子溶液性质（8）第四章分子量及分子量分布（8）第五章高聚物的分子运动（8）第六章高聚物的力学性质（10）第七章高聚物电学性质（4）合计学时数：（60）4第一章高分子链的结构第一节概论1．1．1基本含义、研究内容和发展方向一、高分子科学基本含义与分支高分子科学是一门发展迅速的现代科学，具有两重性：既是基础科学又是应用科学。高分子科学是研究高分于化合物的合成、结构、加工成型、性能和应用的新型学科。可分成“高分子化学与工艺”、“高分于物理与物化”、“聚合物加工成型”等几个分支．具体而言，其研究内容包括以下几个方面：二、高分子科学研究内容1．高分子的合成和化学反应—聚合反应理论，新的聚合方法及改性方法，高分子的基团反应，高分子的降解、老化与交联；2．高分子的结构与性能—高分子链的构型与构象，高分子的聚集态及分子运动、固态及液态聚合物的物性(热学、力学、电学、光学、磁学、流变学等性能，高分子溶液及分子量；3．高分子的加工、成型与应用—成型的理论基础及方法，塑性、弹性等力学性能，流变学理论，高分子材料应用范围的研究；4．高分子的分子设计研究—综合高分子合成、结构、性能相应用的相互关系和规律，设计和制造具有预期性的高分子材料。以上四方面关系如下所示：高分子物理POLYMERPHYSICSMENU1MENU2MENU3高分子合成高高分分子子设物计理高分子成型四角关系示意合成性能应用结构高分子科学基本含义：高分子科学是一门发展迅速的现代科学，具有两重性：既是基础科学又是应用科学。高分子科学是研究高分于化合物的合成、结构、加工成型、性能和应用的新型学科。再进一步具体到高分子物理，其基本内容，应包括以下几个方面：1．聚合物的结构：大分子链的近程与远程结构，高分子的聚集态结构，以及织态结构等更高层次的结构．2．聚合物的分子运动和热转变：聚合物的分子运动特征，玻璃化转变，相转变，聚合物的粘性流动等．3．聚合物本体的物理性能：如热性能，力学性能，电学性能，光学声学、磁学、表面性能等4．聚合物溶液的性能：分子间的相互作用与高分子溶液特征，稀溶液的依数性、渗透压、粘度、光散射，浓溶液的性质，聚电解质溶液特征。5．聚合物的分子量和分子量分布：分子量与分于量分布的表征方法，测定方法，分子量和分子量分布对聚合物性能的影响．6．研究聚合物结构和性能的近代技术：基本原理，和在聚合物研究中的应用．概括上述几条：高分子物理根本内容是：用分子运动的观点研究聚合物的结构、性能及其相互关系，其目的在于了解聚合物的结构与物理性能的关系，指导正确地选用高分于材料，合理地控制加工成型条件，并通过各种途径改造聚合物的结构，从而有效地改进其性能，并最终指导设计、开发、研制和合成具有预定性能的高分子材料．高分子科学基本分支：分成“高分子化学与工艺”、“高分于物理与物化”、“聚合物加工成型”等几个分支高分子科学研究内容：1．高分子的合成和化学反应—聚合反应理论，新的聚合方法及改性方法，高分子的基团反应，高分子的降解、老化与交联；2．高分子的结构与性能—高分子链的构型与构象，高分子的聚集态及分子运动、固态及液态聚合物的物性(热学、力学、电学、光学、磁学、流变学等性能，高分子溶液及分子量；3．高分子的加工、成型与应用—成型的理论基础及方法，塑性、弹性等力学性能，流变学理论，高分子材料应用范围的研究；4．高分子的分子设计研究—综合高分子合成、结构、性能相应用的相互关系和规律，设计和制造具有预期性的高分子材料。三、高分子科学发展方向1．聚合物品种方面：对老产品进行改性、复合，使材料获得新性能，其中聚合物的共混就是一个有重要价值的活跃的研究领域．2．高分子工业方面：发展新设备、新工艺，提高催化效率，强化生产工艺，降低生产成本．3．材料方面：发展能耐严酷环境和具有高功能的高分子材料，如宇航所需用的耐高温、耐超低温、高模量的材科，以及高分子半导体、导体、超导体材料，提高普通高分子材料的使用寿命．4．生命科学方面：向医用、生物高分子发展，如生物膜和各种医用构件和材料等。5．在合成—结构—性能三者关系研究的基础上，进行高分子的分子设计。6．环境保护方面：研究、开发和利用“废弃高分子”材料的途径，防止或治理高分子废料的公害．5第一章高分子链的结构第一节概论1．2高分子结构的特点1．大分子链由很大数目(103-105数量级)的结构单元组成的。每一结构单元相当于一个小分子，靠共价键连接。可以是一种(均聚物)，也可以是几种(共聚物);2．大分子链的几何形状可为线形、支链形、梯形、网状或体形等；3．大分子链的单键没有位阻时，可以内旋转，呈现出无数构象，使高分子具有柔顺性，4．大分子链之间靠vanderWaals力、氢键等聚集在一起，可以成为晶态、非晶态、取向态、液晶态或织态结构等．5．高分子结构的不均一性。即使是相同条件下的反应产物，各个分子的分子量、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等都存在着或多或少的差异。6．由于一个高分子链包含很多结构单元因此结构单元间的相互作用对其聚集态结构和物理性能有着十分重要的影响。7．高分子的聚集态有晶态和非晶态之分，高聚物的晶态比小分子晶态的有序程度差很多，存在很多缺陷。但高聚物的非晶态却比小分子液态的有序程度高，这是因为高分子的长链是由结构单元通过化学键联结而成的，所以沿着主链方向的有序程度必然高于垂直于主链方向的有序程度，尤其是经过受力变形后的高分子材料更是如此。8．要使高聚物加工成有用的材料往往需要在其中加入填料、各种助剂、色料等。有时用两种或两种以上的高聚物共混改性，这些添加物与高聚物之间以及不同的高聚物之间是如何堆砌成整块高分子材料的，又存在着所谓织态结构问题。织态结构也是决定高分子材料性能的重要因素。1．1．3高分子结构的内容一、结构内容与分类：高分子物理POLYMERPHYSICSMENU1MENU2MENU3构造：指键中原子的种类和排列，取代基和端基的种类，单体单元的排列，以及顺序，支链的类型和长度构型：指某一原子的取代基在空间的排列。链结构：单个分子的结构和形态化学结构or一级结构构造近程结构链结构构型远程结构包括分子的大小与形态，链的柔顺性及分结构二级结构子在各种环境中所采取的构象。晶态结构非晶态结构三级结构聚集态结构取向态结构液晶态结构织态结构属于更高级的结构(包含生物体结构)聚集态结构：指高分子材料整体的内部结构二、高聚物链结构与聚集态结构图：1．大分子链由很大数目(103-105数量级)的结构单元组成的。每一结构单元相当于一个小分子，靠共价键连接。可以是一种(均聚物)，也可以是几种(共聚物);2．大分子链的几何形状可为线形、支链形、梯形、网状或体形等；3．大分子链的单键没有位阻时，可以内旋转，呈现出无数构象，使高分子具有柔顺性，4．大分子链之间靠vanderWaals力、氢键等聚集在一起，可以成为晶态、非晶态、取向态、液晶态或织态结构等．5．高分子结构的不均一性。即使是相同条件下的反应产物，各个分子的分子量、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等都存在着或多或少的差异。6．由于一个高分子链包含很多结构单元因此结构单元间的相互作用对其聚集态结构和物理性能有着十分重要的影响。7．高分子的聚集态有晶态和非晶态之分，高聚物的晶态比小分子晶态的有序程度差很多，存在很多缺陷。但高聚物的非晶态却比小分子液态的有序程度高，这是因为高分子的长链是由结构单元通过化学键联结而成的，所以沿着主链方向的有序程度必然高于垂直于主链方向的有序程度，尤其是经过受力变形后的高分子材料更是如此。8．要使高聚物加工成有用的材料往往需要在其中加入填料、各种助剂、色料等。有时用两种或两种以上的高聚物共混改性，这些添加物与高聚物之间以及不同的高聚物之间是如何堆砌成整块高分子材料的，又存在着所谓织态结构问题。织态结构也是决定高分子材料性能的重要因素。指某一原子的取代基在空间的排列。指键中原子的种类和排列，取代基和端基的种类，单体单元的排列，以及顺序，支链的类型和长度指单个分子的结构和形态附图：苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物的织态结构电镜照片苯乙烯与丁二烯的含量比为：(a)80:20(b)60:40(c)50:50(a)80:20(b)60:40(c)50:50acb热塑性弹性体(TPE)•SBS是一种热塑性弹性体，连续相PB具有柔性链段的软区，分散相PS具有刚性链段的硬区，起物理交联作用。•BSB是不是一种热塑性弹性体？？•热塑性弹性体(TPEthermoplasticelastomer)是一种在常温为橡胶高弹性、高温下又能塑化成型的高分子材料。它是不需要硫化的橡胶，被认为橡胶界有史以来最大的革命。ApplicationofSBSSBSPoly(styrene-butadiene-styrene),orSBS,isahardrubber,whichisusedforthingslikethesolesofshoes,tiretreads,andotherplaceswheredurabilityisimportant.8高分子物理POLYMERPHYSICS第一章高分子链的结构第二节高分子链的近程结构第一章高分子链的结构第二节高分子链的近程结构1．2．1结构单元的化学组成一、有关基本概念1、高分子链的定义由单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链。2、聚合度高分子链中的重复结构单元的数目称为聚合度。二、主链类型由化学组成决定，可分成：1、碳链高分子特征是分子主链全部由碳原子以共价键相联结，大多由加聚反应制得，如常见的聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，这类高聚物不易水解。2、杂链高分子分子主链由两种或两种以上的原子如氧、氮、硫、碳等以共价键相联结。由缩聚反应或开环聚合而制,例如聚酯、聚酰胺、酚醛树脂、聚甲醛、聚砜等。因主链带有极性，较易水解、醇解或酸解。3、元素高分子主链中含有硅、磷、锗、铝、钛、砷、锑等元素的高分子。这类聚合物一般具有无机物的热稳定性及有机物的弹性和塑性。分子的主链不是一条单链而是像“梯子”和“双股螺线”那样的高分子链。例如聚丙烯睹纤维受热时，在升温过程中会发生环化芳构化而形成梯形结构．继续高温处理则成为碳纤维可作为耐高温高聚物的增强填料。MENU1MENU2MENU3又如以二苯甲酮四羧酸二酚和四氨基二苯醚聚合可得分段梯型聚合物，以均苯四甲酸二酐和四氨基苯聚合可得全梯型聚合物，这类高聚物往往具有极好的耐热性能。注意其结构特征。此外还有片型、带型、遥爪型等特殊结构的高分子链。三、端基其存在取决于链引发和终止，供体可能来自单体、引发剂、溶剂或分子量调节剂，其化学性质与主链不同，对聚合物性能特别是热稳定性