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仅供个人参考不得用于商业用途Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse蚆A高分子化学和高分子物理节UNIT1WhatarePolymer?袁第一单元什么是高聚物？蝿Whatarepolymers?Foronething,theyarecomplexandgiantmoleculesandaredifferentfromlowmolecularweightcompoundslike,say,commonsalt.Tocontrastthedifference,themolecularweightofcommonsaltisonly58.5,whilethatofapolymercanbeashighasseveralhundredthousand,evenmorethanthousandthousands.Thesebigmoleculesor‘macro-molecules’aremadeupofmuchsmallermolecules,canbeofoneormorechemicalcompounds.Toillustrate,imaginethatasetofringshasthesamesizeandismadeofthesamematerial.Whenthesethingsareinterlinked,thechainformedcanbeconsideredasrepresentingapolymerfrommoleculesofthesamecompound.Alternatively,individualringscouldbeofdifferentsizesandmaterials,andinterlinkedtorepresentapolymerfrommoleculesofdifferentcompounds.蒇什么是高聚物？首先，他们是合成物和大分子，而且不同于低分子化合物，譬如说普通的盐。与低分子化合物不同的是，普通盐的分子量仅仅是58.5，而高聚物的分子量高于105，甚至大于106。这些大分子或“高分子”由许多小分子组成。小分子相互结合形成大分子，大分子能够是一种或多种化合物。举例说明，想象一组大小相同并由相同的材料制成的环。当这些环相互连接起来，可以把形成的链看成是具有同种分子量化合物组成的高聚物。另一方面，独特的环可以大小不同、材料不同，相连接后形成具有不同分子量化合物组成的聚合物。芃Thisinterlinkingofmanyunitshasgiventhepolymeritsname,polymeaning‘many’andmermeaning‘part’(inGreek).Asanexample,agaseouscompoundcalledbutadiene,withamolecularweightof54,combinesnearly4000timesandgivesapolymerknownaspolybutadiene(asyntheticrubber)withabout200000molecularweight.Thelowmolecularweightcompoundsfromwhichthepolymersformareknownasmonomers.Thepictureissimplyasfollows:罿许多单元相连接给予了聚合物一个名称，poly意味着“多、聚、重复”，mer意味着“链节、基体”（希腊语中）。例如：称为丁二烯的气态化合物，分子量为54，化合将近4000次，得到分子量大约为200000被称作聚丁二烯（合成橡胶）的高聚物。形成高聚物的低仅供个人参考不得用于商业用途分子化合物称为单体。下面简单地描述一下形成过程：膈butadiene+butadiene+∙∙∙+butadiene--→polybutadiene膇(4000time)莄丁二烯＋丁二烯＋…＋丁二烯——→聚丁二烯莂（4000次）薈Onecanthusseehowasubstance(monomer)withassmallamoleculeweightas54growtobecomeagiantmolecule(polymer)of(54×4000≈)200000molecularweight.Itisessentiallythe‘giantness’ofthesizeofthepolymermoleculethatmakesitsbehaviordifferentfromthatofacommonlyknownchemicalcompoundsuchasbenzene.Solidbenzene,forinstance,meltstobecomeliquidbenzeneat5.5℃and,onfurtherheating,boilsintogaseousbenzene.Asagainstthiswell-definedbehaviorofasimplechemicalcompound,apolymerlikepolyethylenedoesnotmeltsharplyatoneparticulartemperatureintocleanliquid.Instead,itbecomesincreasinglysofterand,ultimately,turnsintoaveryviscous,tackymoltenmass.Furtherheatingofthishot,viscous,moltenpolymerdoesconvertitintovariousgasesbutitisnolongerpolyethylene.(Fig.1.1).袈因而能够看到分子量仅为54的小分子物质（单体）如何逐渐形成分子量为200000的大分子（高聚物）。实质上，正是由于聚合物的巨大的分子尺寸才使其性能不同于象苯这样的一般化合物。例如，固态苯，在5.5℃熔融成液态苯，进一步加热，煮沸成气态苯。与这类简单化合物明确的行为相比，像聚乙烯这样的聚合物不能在某一特定的温度快速地熔融成纯净的液体。而聚合物变得越来越软，最终，变成十分粘稠的聚合物熔融体。将这种热而粘稠的聚合物熔融体进一步加热，不会转变成各种气体，但它不再是聚乙烯（如图1.1）。膂固态苯——→液态苯——→气态苯蒀加热，5.5℃加热，80℃肇固体聚乙烯——→熔化的聚乙烯——→各种分解产物-但不是聚乙烯莄加热加热膃图1.1低分子量化合物（苯）和聚合物（聚乙烯）受热后的不同行为仅供个人参考不得用于商业用途蕿Anotherstrikingdifferencewithrespecttothebehaviorofapolymerandthatofalowmolecularweightcompoundconcernsthedissolutionprocess.Letustake,forexample,sodiumchlorideandadditslowlytosfixedquantityofwater.Thesalt,whichrepresentsalowmolecularweightcompound,dissolvesinwateruptospoint(calledsaturationpoint)but,thereafter,anyfurtherquantityaddeddoesnotgointosolutionbutsettlesatthebottomandjustremainsthereassolid.Theviscosityofthesaturatedsaltsolutionisnotverymuchdifferentfromthatofwater.Butifwetakeapolymerinstead,say,polyvinylalcohol,andaddittoafixedquantityofwater,thepolymerdoesnotgointosolutionimmediately.Theglobulesofpolyvinylalcoholfirstabsorbwater,swellandgetdistortedinshapeandafteralongtimegointosolution.Also,wecanaddaverylargequantityofthepolymertothesamequantityofwaterwithoutthesaturationpointeverbeingreached.Asmoreandmorequantityofpolymerisaddedtowater,thetimetakenforthedissolutionofthepolymerobviouslyincreasesandthemixultimatelyassumesasoft,dough-likeconsistency.Anotherpeculiarityisthat,inwater,polyvinylalcoholneverretainsitsoriginalpowderynatureastheexcesssodiumchloridedoesinasaturatedsaltsolution.Inconclusion,wecansaythat(1)thelongtimetakenbypolyvinylalcoholfordissolution,(2)theabsenceofasaturationpoint,and(3)theincreaseintheviscosityareallcharacteristicsofatypicalpolymerbeingdissolvedinasolventandthesecharacteristicsareattributedmainlytothelargemolecularsizeofthepolymer.Thebehaviorofalowmolecularweightcompoundandthatofapolymerondissolutionareillustratedin蒆发现另一种不同的聚合物行为和低分子量化合物行为是关于溶解过程。例如，让我们研究一下，将氯化钠慢慢地添加到固定量的水中。盐，代表一种低分子量化合物，在水中达到点（叫饱和点）溶解，但，此后，进一步添加盐不进入溶液中却沉到底部而保持原有的固体状态。饱和盐溶液的粘度与水的粘度不是十分不同，但是，如果我们用聚合物替代，譬如说，将聚乙烯醇添加到固定量的水中，聚合物不是马上进入到溶液中。聚乙烯醇颗粒首先吸水溶胀，发生形变，经过很长的时间以后进入到溶液中。同样地，我们可以将大量的聚合物加入到同样量的水中，不存在饱和点。将越来越多的聚合物加入水中，认为聚合物溶解的时间明显地增加，最终呈现柔软像面团一样粘稠的混合物。另一个特点是，在水中聚乙烯醇不会像过量的氯化钠在饱和盐溶液中那样能保持其初始的粉末状态。总之，我们可以讲（1）聚乙烯醇的溶解需要很长时间，（2）不存在饱和点，（3）粘度的增加是典型聚合物溶于溶液中的特性，这些特性主要归因于聚合物大分子的尺寸。如图1.2说明了低分子量化合物和聚合物的溶解行为。膄氯化钠晶体加入到水中——→晶体进入到溶液中.溶液的粘度不是十分不同于仅供个人参考不得用于商业用途芄充分搅拌羁水的粘度——→形成饱和溶液.剩余的晶体维持不溶解状态.膀加入更多的晶体并搅拌袅氯化钠的溶解肂聚乙烯醇碎片加入到水中——→碎片开始溶胀——→碎片慢慢地进入到溶液中聿允许维持现状充分搅拌蕿——→形成粘稠的聚合物溶液.溶液粘度十分高于水的粘度薅继续搅拌膃聚合物的溶解蒂图1.2低分子量化合物（氯化钠）和聚合物（聚乙烯醇）不同的溶解行为羈——GowarikerVR,ViswanathanNV,SreedharJ.PolymerScience.NewYork:莅JohnWiley&Sons,1986.