《高分子物理第八章》課件

《高分子物理》第八章概述本章將深入探討高分子的基本結(jié)構(gòu)、分子量以及溶液性質(zhì)。從分子量分布到相變行為,全方位介紹高分子在結(jié)構(gòu)和性能方面的重要特征。這些知識(shí)對(duì)于理解和設(shè)計(jì)高分子材料的性能至關(guān)重要。ppbypptppt高分子的結(jié)構(gòu)1主鏈結(jié)構(gòu)高分子主要由碳-碳或碳-硅等鍵構(gòu)成的主鏈骨架組成,可直鏈、支鏈或環(huán)狀。主鏈結(jié)構(gòu)決定了高分子的基本性質(zhì)。2側(cè)基結(jié)構(gòu)高分子還含有各種不同的側(cè)基,如甲基、苯基等,這些側(cè)基大大豐富了高分子的結(jié)構(gòu)和性能。3官能團(tuán)結(jié)構(gòu)高分子還可以攜帶各種官能團(tuán),如羥基、羧基等,從而賦予高分子特殊的化學(xué)特性。高分子的分子量分子量的重要性高分子的分子量是決定其物理化學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù),直接影響高分子的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、溶解性等關(guān)鍵特性。因此準(zhǔn)確測定和控制高分子的分子量至關(guān)重要。分子量的定義高分子的分子量是指高分子單個(gè)分子的總原子量。它可以表示為重復(fù)單元的分子量乘以聚合度。常用的分子量單位為道爾頓(Da)。高分子的分子量分布分布曲線高分子的分子量不是單一值,而是呈現(xiàn)一定的分布。通過分子量分布曲線可以清楚地觀察到高分子分子量的差異和分布范圍。平均分子量為描述高分子的分子量,通常使用數(shù)均分子量、質(zhì)量均分子量和粘度平均分子量等不同形式的平均值。它們反映了分子量分布的不同特征。均勻性指標(biāo)分子量分布的均勻性通常用分散度指標(biāo)來表征,如分子量分布指數(shù)。它反映了分子量分布的廣度和均勻程度。高分子的平均分子量數(shù)均分子量數(shù)均分子量（Mn）反映了分子鏈的平均長度,更多地體現(xiàn)了低分子量成分的特性。是通過測量溶液中分子數(shù)目來確定的平均分子量。質(zhì)量均分子量質(zhì)量均分子量（Mw）更多地體現(xiàn)了高分子量成分的特性,也是更常用的平均分子量。它是通過測量溶液中各分子量成分的質(zhì)量占比來確定的。粘度平均分子量粘度平均分子量（Mv）則是利用高分子溶液的粘度性質(zhì)來確定的平均分子量,它更接近實(shí)際應(yīng)用中的分子量。高分子的分子量測定1光散射法利用高分子溶液散射光的強(qiáng)度與分子量的關(guān)系,可以準(zhǔn)確測定高分子的絕對(duì)分子量。這種方法適用于各種溶劑和分子量范圍的高分子。2粘度法通過測量高分子溶液的固有粘度,并利用馬克-豪溫克公式,可以推算出高分子的粘度平均分子量。這種方法簡單實(shí)用。3滲透壓法利用高分子溶液的滲透壓與分子量的關(guān)系,可以確定高分子的數(shù)均分子量。這種方法需要精密的滲透壓測量設(shè)備。粘度平均分子量粘度平均分子量（Mv）是利用高分子溶液的粘度性質(zhì)來確定的平均分子量。與數(shù)均分子量和質(zhì)量均分子量不同，粘度平均分子量更能反映高分子在實(shí)際應(yīng)用中的分子量特性。通過測量高分子溶液的固有粘度，并利用馬克-豪溫克公式，可以推算出Mv。這種方法簡單實(shí)用,適用于各種高分子體系,是測定高分子分子量的重要手段之一。數(shù)均分子量55數(shù)均分子量（Mn）反映了高分子鏈的平均長度10K10K通常數(shù)均分子量小于質(zhì)量均分子量30M30M數(shù)均分子量更多地體現(xiàn)了低分子量成分的特性數(shù)均分子量（Mn）是通過測量高分子溶液中分子數(shù)目來確定的平均分子量。它反映了高分子鏈的平均長度,更多地體現(xiàn)了低分子量成分的特性。與質(zhì)量均分子量（Mw）相比,數(shù)均分子量通常較小。測定數(shù)均分子量是了解高分子分子量分布的重要手段。質(zhì)量均分子量定義質(zhì)量均分子量（Mw）是通過測量溶液中各分子量成分的質(zhì)量占比來確定的平均分子量。它更多地體現(xiàn)了高分子量成分的特性。特點(diǎn)相比數(shù)均分子量（Mn），質(zhì)量均分子量通常較大。Mw能更準(zhǔn)確反映高分子在實(shí)際應(yīng)用中的分子量分布特征。測定方法質(zhì)量均分子量可通過光散射法或凝膠滲透色譜法等測定。這些方法能更精確地獲得高分子的分子量分布信息。高分子的分子量分布曲線高分子的分子量并不是單一固定值,而是呈現(xiàn)一定的分布。通過分子量分布曲線可以清楚地觀察到各種分子量成分的分布情況。分布曲線的形狀和寬度反映了高分子分子量的均勻性和多分散性。分子量分布曲線的形狀可以是高斯型、指數(shù)型或其他形狀,根據(jù)不同的高分子結(jié)構(gòu)和制備工藝而有所不同。分散度較小的高分子其分布曲線相對(duì)較窄,而分散度較大的高分子則呈現(xiàn)更廣泛的分布。高分子的分子量分布指標(biāo)分散度指數(shù)PDI分散度指數(shù)(PDI)是描述高分子分子量分布均勻性的指標(biāo)。PDI越小,表示分子量分布越窄,分子量分布越均勻。平均分子量常用的平均分子量包括數(shù)均分子量(Mn)、質(zhì)量均分子量(Mw)和粘度平均分子量(Mv)。它們反映了分子量分布的不同特征。測定方法可利用光散射法、凝膠滲透色譜法等手段測定高分子的分子量分布及平均分子量參數(shù)。這些方法能提供高分子分子量的詳細(xì)信息。高分子的分子量分布對(duì)性能的影響力學(xué)性能高分子的分子量分布直接影響其力學(xué)強(qiáng)度、延伸性等力學(xué)性能。分子量分布越窄,性能越均一穩(wěn)定。熱學(xué)性能分子量分布影響高分子的熔點(diǎn)、玻璃化溫度等熱學(xué)性質(zhì)。分子量分布越寬,熱學(xué)性能越復(fù)雜?；瘜W(xué)性能高分子分子量分布也決定了其耐溶劑、耐化學(xué)品等化學(xué)性能。分子量分布越窄,化學(xué)穩(wěn)定性越強(qiáng)。高分子的溶液性質(zhì)溶質(zhì)-溶劑相互作用高分子分子與溶劑分子之間存在著復(fù)雜的相互作用,包括范德華力、氫鍵、靜電力等。這些相互作用決定了高分子在溶劑中的溶解性和溶脹性。溶液構(gòu)型與粘度高分子鏈在溶劑中呈現(xiàn)不同的構(gòu)象狀態(tài),從伸展到卷曲不等。這些構(gòu)象變化直接影響溶液的粘度特性。溶液熱力學(xué)性質(zhì)高分子溶液的滲透壓、溶脹壓等熱力學(xué)性質(zhì),反映了溶質(zhì)-溶劑間的相互作用和溶液的濃度變化。溶液動(dòng)力學(xué)行為高分子溶液呈現(xiàn)獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性,如擴(kuò)散、沉淀、離子化等,這些性質(zhì)對(duì)高分子材料的應(yīng)用性能有重要影響。高分子溶液的稀釋1溶劑添加向高分子溶液中添加更多溶劑,使其濃度降低。2體積擴(kuò)大通過增加溶液體積,使高分子濃度降低。3性質(zhì)變化稀釋后,高分子溶液的粘度、滲透壓等性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。高分子溶液的稀釋是通過向溶液中添加更多的溶劑,或者增加溶液總體積來實(shí)現(xiàn)的。這樣可以降低高分子在溶液中的濃度。稀釋后的高分子溶液會(huì)表現(xiàn)出不同的粘度、滲透壓等性質(zhì)特點(diǎn)。合理的稀釋有助于高分子材料的加工和應(yīng)用。高分子溶液的粘度高分子溶液的粘度是其重要的物理性質(zhì),反映了高分子鏈在溶劑中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。溶液粘度受到分子量、濃度、溫度等多種因素的影響。分子量分子量越高,分子鏈越長,溶液粘度越大。濃度溶液濃度增加,高分子鏈之間的纏結(jié)增多,粘度也相應(yīng)提高。溫度溫度升高,溶劑流動(dòng)性增強(qiáng),高分子鏈活動(dòng)受阻減少,溶液粘度下降。高分子溶液的滲透壓高分子溶液的滲透壓反映了溶液中高分子與溶劑之間的相互作用。溶液中高分子濃度越高,滲透壓越大。溫度升高也會(huì)增加滲透壓。通過測量高分子溶液的滲透壓,可以計(jì)算出高分子的平均分子量。滲透壓法是測定高分子平均分子量的一種常用方法。高分子溶液的沉淀溶劑質(zhì)量減小向高分子溶液中加入不溶于高分子的不同溶劑,可以降低溶劑的質(zhì)量。高分子沉淀溶劑質(zhì)量降低后,高分子鏈之間的相互作用增強(qiáng),從而發(fā)生沉淀。影響因素沉淀過程受分子量、溶劑性質(zhì)、溫度等多方面因素的影響。控制這些因素可以調(diào)節(jié)沉淀行為。高分子溶液的離子化1電荷效應(yīng)某些高分子含有帶電基團(tuán),在溶劑中會(huì)發(fā)生部分離子化,賦予高分子分子整體電荷。2離子化程度離子化程度取決于pH、溫度、離子強(qiáng)度等因素?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)這些條件來控制高分子離子化狀態(tài)。3理電性質(zhì)帶電高分子表現(xiàn)出獨(dú)特的理電性質(zhì),如電泳、聚電解質(zhì)效應(yīng)等,對(duì)高分子溶液性質(zhì)和應(yīng)用有重要影響。高分子的溶脹溶劑滲入高分子鏈在溶劑中會(huì)發(fā)生溶脹,即溶劑分子滲入高分子鏈內(nèi)部,使其體積膨脹。體積增加溶脹過程中,高分子鏈不斷伸展,從而導(dǎo)致整個(gè)高分子體積顯著增大。影響因素高分子的溶脹程度受分子量、交聯(lián)度、溫度等多種因素影響,可通過調(diào)節(jié)這些因素來控制溶脹行為。高分子的溶解度溶質(zhì)-溶劑相互作用高分子分子與溶劑分子之間存在復(fù)雜的相互作用,包括范德華力、氫鍵等。這些相互作用決定了高分子在特定溶劑中的溶解性。溶解過程在溶劑中,高分子鏈會(huì)從縮卷狀態(tài)逐步展開并分散開來,這個(gè)過程就是高分子的溶解。溶解度受分子量、溫度等多方面因素影響。分子量與溶解度一般來說,高分子分子量越高,溶解度越低。但存在最佳分子量范圍,可以在保證溶解性的同時(shí)獲得所需的機(jī)械性能。高分子的相互作用分子間作用力高分子鏈之間存在范德華力、氫鍵等多種分子間相互作用,決定了高分子在溶液中的溶解性和構(gòu)象狀態(tài)。分子內(nèi)作用力高分子鏈內(nèi)部也存在著穩(wěn)定構(gòu)象的各種鍵合作用力,如共價(jià)鍵、離子鍵等,影響高分子的物理性能。鏈段間纏結(jié)高分子鏈段之間會(huì)發(fā)生物理纏結(jié),增加了整體的分子量和粘度,從而改變高分子的加工和應(yīng)用特性。高分子的相圖高分子材料在不同溫度和壓力條件下會(huì)呈現(xiàn)不同的相態(tài)。相圖可以清楚地描述這些相轉(zhuǎn)變過程,包括玻璃化轉(zhuǎn)變、熔融、結(jié)晶等。相圖能為高分子材料的加工和應(yīng)用提供重要指導(dǎo)。相圖反映了高分子分子間的相互作用和鏈構(gòu)象的變化,是分析和預(yù)測高分子性能的重要工具。通過研究相圖,我們可以了解高分子材料在不同環(huán)境條件下的相行為和相變動(dòng)力學(xué)。高分子的相變玻璃化轉(zhuǎn)變高分子在低溫下從柔韌狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈杂操|(zhì)狀態(tài)的溫度轉(zhuǎn)變稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。這種相變決定了高分子在使用溫度范圍內(nèi)的力學(xué)性能。熔融行為加熱高分子可以使其從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎吵砹鲃?dòng)的熔融態(tài)。熔融溫度的高低影響著高分子的加工和成型工藝。結(jié)晶化過程在適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r(shí)間條件下,高分子鏈segments可以有序排列形成結(jié)晶區(qū)域。結(jié)晶度的高低決定了高分子的機(jī)械、熱等性能。高分子的相變動(dòng)力學(xué)1結(jié)構(gòu)調(diào)整高分子在相變過程中,分子鏈段會(huì)發(fā)生重新排列和構(gòu)象調(diào)整。2熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)相變是由溫度、壓力等熱力學(xué)條件變化所引起的,可以改變自由能。3動(dòng)力學(xué)過程相變涉及分子鏈的擴(kuò)散遷移和長程有序化,其速率決定相變速度。高分子相變的動(dòng)力學(xué)機(jī)制非常復(fù)雜,包括分子鏈構(gòu)象的調(diào)整、自由能的變化以及擴(kuò)散遷移的動(dòng)力學(xué)過程。研究這些動(dòng)力學(xué)過程對(duì)于理解和控制高分子相變行為至關(guān)重要。相變動(dòng)力學(xué)研究可為高分子材料的設(shè)計(jì)和加工提供理論指導(dǎo)。高分子的結(jié)晶結(jié)晶結(jié)構(gòu)在合適的溫度和時(shí)間條件下,高分子鏈段能形成有序排列的結(jié)晶區(qū)域,呈現(xiàn)出獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)。結(jié)晶溫度高分子的結(jié)晶溫度取決于鏈長、側(cè)基、缺陷等因素,合理控制這些因素可以調(diào)節(jié)結(jié)晶度。結(jié)晶形貌高分子的結(jié)晶可以形成不同尺度和形狀的晶體結(jié)構(gòu),如球晶、纖維晶等,展現(xiàn)出豐富的微觀形態(tài)。高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低隨著溫度的降低,高分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)受到限制,整體呈現(xiàn)出硬質(zhì)脆性的玻璃態(tài)。這個(gè)溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。體積與比熱變化在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近,高分子的體積和比熱容發(fā)生顯著變化,這是判斷玻璃化轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志。鏈段活動(dòng)性當(dāng)溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),高分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)受到極大限制,整體呈現(xiàn)出剛性、脆性的玻璃態(tài)。高分子的熔融行為熔點(diǎn)轉(zhuǎn)變高分子在加熱到一定溫度時(shí)會(huì)從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎吵砹鲃?dòng)的熔融態(tài)。這個(gè)溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)稱為熔點(diǎn),是高分子獨(dú)特的相變特征。熔融過程在熔融過程中,高分子鏈段逐漸失去有序排列,從而打破結(jié)晶結(jié)構(gòu),使整體呈現(xiàn)出無定形的流動(dòng)狀態(tài)。影響因素高分子的熔點(diǎn)受分子量、分子量分布、側(cè)基結(jié)構(gòu)等因素的影響。