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文档之家› 第二章高分子物理高分子链的结构
第二章高分子物理高分子链的结构
3、支化高分子有星型、梳型、无规之分。
4、高分子链之间通过支链连接成三维网状结构即 为交联结构,它不溶不融,与支链高分子有本质
区别。热固性的塑料和硫化的橡胶都是交联高分
子。
统计(无规)共聚物 Statistical (Random) copolymer,Poly(A-ran-B)
— A—B—A—A—B—A—A —A—B—B—A— B—
2.3.3 高分子链的柔顺性
1、高分子链能够改变其构象的性质称为柔 顺性。分为静态柔顺性和动态柔顺性。
2、影响分子柔顺性的因素: 1)主链结构 就内旋转能力来看,Si-O > C-O
> C-C单键,内旋转越容易,分子越柔顺。聚 己二酸己二酯的柔性高于PE,聚二甲基硅氧 烷的柔性特别好,是一种优良的合成橡胶(硅 橡胶),或者是液体状的硅油,作为耐高温的 导热油使用
影响高分子链柔顺性的因素
2)侧基 侧基的极性越强,其相互间的 作用力越大,链的柔顺性越差,如PVC 的柔性较PE差;对于非极性的侧基, 体积越大,分子刚性越大,例如柔性 PE>PP >PS;但并非侧基体积越大, 链的柔性越差,例如聚甲基丙烯酸酯的 酯基体积越大,链越柔顺。
对于对称取代基,则会增加柔顺性,例如 PIB的每个链节上有两个对称的侧甲基,这 使主链间的距离增大,键间作用力减弱, 其柔性比PE高。
能也不同,例如全同立构的PS能够结晶, 熔点240oC,而无规立构PS不能结晶,透 明,软化温度80oC;全同PP易于结晶, 可以做塑料和纤维,而无规PP,为橡胶 状,无实用价值。 合成立体规整高分子的方法。
Isotactic 全同立构
三种类型
Syndiotactic 间同立构
Atactic 无规立构
高分子全部由 一种旋光异构 单元键接而成。 分子链结构规 整,可结晶。
两种旋光异构 单元交替键接 而成。分子链 结构规整,可 结晶。
两种旋光异构 单元无规键接 而成。分子链 结构不规整, 不能结晶。
2)几何异构:1,4-加成的双烯类聚合物的顺反 异构。顺式PB是很好的橡胶,而反式PB是弹性 很差的塑料。天然橡胶为98%的顺式聚异戊二烯,
2、支化高分子的化学性质与线形分子相 似,但支化对于物理机械性能有时影响 很大,如LDPE(高压聚乙烯),由于支 化破坏了结晶,机械强度低,常被用于 薄膜;而HDPE(低压聚乙烯),线型 分子,结晶度高,硬度高,可做瓶、管、 棒等。
LDPE、HDPE的制备方法。
附:Ziegler、Natta及配位聚合反应
nHCH H (O O C 2 O H )C n3 C HO H C C 3 C H l O (C 2 O O H ) 3 O n
聚碳酸酯的端羟基和酰氯基,可以用苯酚封
端,既可以控制分子量,又可以提高耐热性。
+ CO2Cl HO
CH 3
C
OH +
CH 3
O O CO
CH 3 C CH 3
OH
O O CO
主链中C-O含量越多,其柔顺性越好,脂肪族 的聚酯、聚醚随着重复单元碳数的增长,其柔顺 性逐渐降低,并逐渐接近于聚乙烯,就是很好的 例子,正因为如此,脂肪族的聚酯、聚醚常温下 要么是液体,要么是蜡状固体,不能单独做材料 应用,例如聚环氧乙烷(PEO)常用于合成各种 表面活性剂,还可以作为生产聚氨酯的原料或者 增塑剂使用。
2.3.2 高分子链的内旋转构象
1、高分子的主链虽然很长, 但通常并不是伸直的,它 可以蜷曲起来,使分子采 取各种形态,对于柔性分 子,一般呈无规线团状。
2、高分子的蜷曲是由于高 分子链上单键的内旋转造 成的。由于单键的内旋转 而产生的分子在空间的不 同形态称为构象。
3、单键的内旋转不是完全 自由的,因为原子之间存 在相互作用
n
2.2.2 键接结构
1、键接结构指结构单 元在高分子链中的连接方 式。对于缩聚和开环聚合, 结构单元的连接方式是固 定的,而对于加聚反应, 可以分为头-尾、头-头和 尾-尾连接的不同方式,对 于共轭双烯存在1,2和1, 4-加成及顺反异构。
2、在加聚反应过程中,绝大多数是头-尾键接, 但因产物不同,也存在数量不等的头-头(尾尾)键接方式,而且离子聚合反应中,产生这 种现象较自由基聚合少。
但是有一个例外就是聚甲醛(POM)由于链 的对称性,虽然很柔顺,但是可以结晶,成为工 程塑料。也正因为如此,尼龙的发明者Carothers 一开始致力于研究脂肪族的聚酯来合成纤维没有 成功,后来转向研究脂肪族的聚酰胺,由于氢键 使分子间力大大增加而获得了成功
芳环不能内旋转,故主链中含芳环的高分子
分子中含内双键的高聚物柔性都很好,如 PB、PIP橡胶
分子中含共轭双键则是刚性分子。如导 电高分子聚苯、聚乙炔等,我们知道2000年 Heeger、Macdiarmid和Shirakawa三个科学 家由于在导电聚合物方面的研究工作获得 了诺贝尔化学奖,但是制约这类高分子广 泛应用的一个重要原因就是它们非常刚性, 难于加工成型。
PVC是硬塑料,而对称取代的聚偏氯乙烯 PVDC柔性好,是发展潜力巨大的软包装材 料。
小知识:PVDC软包装材料
在列举极性影响的例子时一般只考虑到单
烯烃类聚合物,实际上对于其他聚合物, 极性影响的例子也很常见,例如以下例子
C 2 C HH2 =CH C 2 C C H= H 2 CHCC H 2 C H=2 CHC
O
O
H 2 N
C 2H
NN
N H 2 N H 2
N
O N
N
C 2H
NN
N N
On
2、端基对聚合物性能的影响很大,尤其是 分子量比较小时。高分子链的端基取决于聚合 过程中链的引发和终止机理。端基可以来自于 单体、引发剂、溶剂或分子量调节剂。
端基对聚合物热稳定性影响很大,链的断
聚裂甲可醛以的从端端羟基基开始以,酯所化以封有端些,高显分子著需提要高封端, 耐以热提性高。耐热性。
交替共聚物 Alternating copolymer, Poly(A-alt-B)
— A—B—A—B—A—B—A —B—A—B—A— B—
嵌段共聚物 Block copolymer Poly(A-block-B)
— A—A — A—A—B — B—B—A—A — A— 接枝共聚物Grafted copolymer Poly(A-g-B)
2.1.1高分子结பைடு நூலகம்的内容
近程结构
构造(化学结构)
(一级结构) 构型
链结构 远程结构
分子大小(分子量)
高 分
(二级结构)
构象 柔顺性
子 结 构 凝聚态结构
晶态结构 非晶态结构 取向态结构
三级结构
液晶态结构
织态结构
更高级结构
2.2高分子链的近程结构
2.2.1 结构单元的化学组成
1、按高分子主链组成分为:
C 3H
Cl
从左到右,依次为顺丁橡胶、异戊橡胶和 氯丁橡胶,随着取代基极性的增加,刚性 增加,氯丁橡胶刚性较大,硬度大,已经 不能作为轮胎材料使用了。
硝酸纤维素是最早出现的半合成塑料,脆 性大,在历史上曾被用作纤维材料,但是 失败了,只能作为脆性塑料使用。后来醋 酸纤维素出现了,由于醋酸酯基的极性较 硝酸酯基小得多,其刚性减小,刚柔适中 ,可以作为纤维材料使用,如作为香烟过 滤嘴等
正是这一理论的指导,英国帝国化学公司的科学 家改进了Carothers的方法,采用对苯二甲酸代替 脂肪族二元酸,成功合成出了聚对苯二甲酸乙二 酯,成为广泛应用的聚酯纤维,也就是涤纶纤维 。
杜邦公司的科学家Kevlar在脂肪族尼龙的基础上 ,合成出了主链含苯环的聚对苯二甲酰对苯二胺 这种芳香族尼龙,并通过液晶纺丝技术,开发成 功了高强有机纤维,用于防弹衣等的制造
而反式聚异戊二烯(古塔波胶)在室温为硬韧状 物
第三节 高分子链的远程结构
2.3.1 高分子的大小 1)分子量:高聚物的分子
量只具有统计平均意义。
2)分子量分布能够更清 晰细致地表明分子的大 小。
分子量及其分布对高分子材料性能的影响
1、聚合物的分子量或聚合度达到一定数值后,
才能显示适用的机械强度,这一数值称为临界 聚合度。一般介于40-80之间,因聚合物极性而
的柔顺性很差,在高温下也不能发生链段运动, 耐高温的工程塑料都希望在主链中引进芳环结 构。但芳环太多,链的刚性太大,难于加工成 型,因此要注意使高分子链刚柔适中。例如聚 苯醚(PPO),主链含芳环,具有刚性,又有 C-O单键,具有柔性,产品可注塑成型,但 PPO仍然偏于刚性。加工时,分子受力变形后 得不到充分回缩,使制件内部有残余应力,造 成应力开裂。
3)链的长短 分子的链很短,可以内旋转 的单键数目少,分子的构象数少,呈现刚 性,小分子都不具有柔性。如果链比较长, 单键数目多,内旋转即使受到限制,整个 分子仍旧可以出现多种构象,分子具有柔 性。不过,当分子量大到一定数值(如 104),分子量对柔顺性的影响就不大了。
CH CH2 CH2 CH
OH
OH
非正常的尾尾键接
HCHO CH
O
缩醛化反应
CH2 CH2 CH O
CH2
七元环结构不稳定,不 可能形成
2.2.3支化与交联
1、一般高分子都是线型的,在受热或受 力情况下分子间可以互相移动,可以溶 解和熔融,易于加工成型。
高分子在什么情况下易于发生支化, 怎样会发生交联?
高分子物理的研究内容
高分子的结构,包括链结构和凝聚态结构
高分子材料的性能,主要是粘弹性 分子运动的统计学
2.1 高分子结构的特点
1、结构单元组成 2、一般高分子的主链都有一定的柔性。如果
化学键不能内旋转或结构单元间有强烈的相 互作用,则形成刚性链。 3、结构的不均一性。 4、结构单元之间的相互作用对结构和性能影 响很大。 5、高分子的凝聚态有晶态和非晶态之分,且 与小分子有本质差别。 6、结构的多重性