高分子部分-1

1、FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 目錄目錄 高分子材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備高分子材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 緒論緒論 金屬材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備金屬材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備 無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備 College of Materials Science & Engineering

2、 NORTH UNIVERSITY OF CHINA w 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 高分子材料的性能特征高分子材料的性能特征 w 3 3 高分子材料的制備高分子材料的制備 高分子材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備高分子材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分

3、子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 1.11.1高分子材料組成和結(jié)構(gòu)的基本特征高分子材料組成和結(jié)構(gòu)的基本特征 （1 1）分子量大和分子量分布）分子量大和分子量分布 （2 2）高分子鏈多種形態(tài)）高分子鏈多種形態(tài) （3 3） 分子間力：范德華力，部分化學(xué)鍵，分子間力：范德華力，部分化學(xué)鍵， 分子內(nèi)共價(jià)鍵分子內(nèi)共價(jià)鍵 （4 4） 組成與結(jié)構(gòu)的多層次性組成與結(jié)構(gòu)的多層次性 College of Materi

4、als Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 1.2 1.2 高分子鏈結(jié)構(gòu)高分子鏈結(jié)構(gòu) 1.2.1 1.2.1 大分子鏈的組成大分子鏈的組成 組成元素組成元素 有機(jī)有機(jī) C N O 無機(jī)無機(jī) Si P S 元素有機(jī)元素有機(jī) As Se College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSI

5、TY OF CHINA 大分子鏈的類型大分子鏈的類型 碳鏈高分子：碳鏈高分子：碳原子以共價(jià)鍵相連接。碳原子以共價(jià)鍵相連接。PEPE、PPPP等。等。 雜鏈高分子：雜鏈高分子：C、O、N、S等，主鏈由兩種或多種原子等，主鏈由兩種或多種原子 構(gòu)成。構(gòu)成。POM、PC等等 元素有機(jī)高分子：元素有機(jī)高分子：主鏈不含碳原子，由主鏈不含碳原子，由Si、B、P等元素等元素 和和O元素組成，側(cè)鏈上含有有機(jī)取代基團(tuán)。元素組成，側(cè)鏈上含有有機(jī)取代基團(tuán)。 無機(jī)高分子：無機(jī)高分子：主鏈既不含碳原子，也不含有機(jī)取代基，主鏈既不含碳原子，也不含有機(jī)取代基， 純粹由其他元素構(gòu)成。純粹由其他元素構(gòu)成。 梯形和螺旋高分子：梯形

6、和螺旋高分子：高分子的主鏈不是一條單鏈，而是高分子的主鏈不是一條單鏈，而是 像像“梯子梯子”和和“雙股螺旋雙股螺旋”結(jié)構(gòu)的高分子。結(jié)構(gòu)的高分子。 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1.2.2 1.2.2 結(jié)構(gòu)單元及鍵接方式和鍵接序列結(jié)構(gòu)單元及鍵接方式和鍵接序列 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 單體分子結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，鍵接方式只有一種。單體分子結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，鍵接方式只有一種。PEPE等。等。 單體分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，鍵接方式

7、有三種：?jiǎn)误w分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，鍵接方式有三種： 頭頭- -頭，頭頭，頭- -尾，尾尾，尾- -尾。尾。 均聚物均聚物 共聚物共聚物 無規(guī)共聚無規(guī)共聚 交替共聚交替共聚 嵌段共聚嵌段共聚 接枝共聚接枝共聚 兩種結(jié)構(gòu)單元按一定比例無規(guī)則地交替鍵兩種結(jié)構(gòu)單元按一定比例無規(guī)則地交替鍵 接形成高分子鏈。接形成高分子鏈。 兩種結(jié)構(gòu)單元有規(guī)則地交替鍵接形成高分子鏈。兩種結(jié)構(gòu)單元有規(guī)則地交替鍵接形成高分子鏈。 具有一定長(zhǎng)度的兩種均聚鏈段彼此無規(guī)則的鍵具有一定長(zhǎng)度的兩種均聚鏈段彼此無規(guī)則的鍵 接成高分子鏈。接成高分子鏈。 兩種結(jié)構(gòu)單元分別構(gòu)成主鏈和支鏈，形成支鏈兩種結(jié)構(gòu)單元分別構(gòu)成主鏈和支鏈，形成支鏈 高分子。高

8、分子。 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA ABS Acrylonitrile-Butadiene-Styrene -CH2-CH=CH-CH2- Chemical resistance, high tensile strength and hardness Rubberlike elasticity. High impact resistance Good formability College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERS

9、ITY OF CHINA Styrene-Butadiene-Styrene -CH2-CH=CH-CH2- HardHardSoft SBS College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA Application of SBS SBS Poly(styrene-butadiene-styrene), or SBS, is a hard rubber, which is used for things like the soles of shoes, tire treads, and other plac

10、es where durability is important. College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 1.2.3 1.2.3 空間立體構(gòu)型空間立體構(gòu)型 全同立構(gòu)全同立構(gòu) 高分子鏈上每一個(gè)不對(duì)稱碳原子都具有相同構(gòu)型，高分子鏈上每一個(gè)不對(duì)稱碳原子都具有相同構(gòu)型， 或或d d構(gòu)型，或構(gòu)型，或l l構(gòu)型。如果把高分子構(gòu)型。如果把高分子 主鏈拉成平面鋸齒形，則取代基排主鏈拉成平面鋸齒形，則取代基排 布于主鏈平面的同側(cè)。布于主鏈平面的同側(cè)。 間同立構(gòu)

11、間同立構(gòu) 高分子鏈上相鄰的不對(duì)稱碳原子交替出現(xiàn)高分子鏈上相鄰的不對(duì)稱碳原子交替出現(xiàn)d d和和 l l構(gòu)型，取代基配交替排布于高構(gòu)型，取代基配交替排布于高 分子主鏈平面的兩側(cè)。分子主鏈平面的兩側(cè)。 無規(guī)立構(gòu)無規(guī)立構(gòu) 高分子鏈上每一個(gè)不對(duì)稱碳原子的構(gòu)型是無規(guī)高分子鏈上每一個(gè)不對(duì)稱碳原子的構(gòu)型是無規(guī) 分布的，取代基分布的，取代基R R無規(guī)排布于高無規(guī)排布于高 分子主鏈平面的兩側(cè)。分子主鏈平面的兩側(cè)。 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 1.2.3

12、 1.2.3 支化和交聯(lián)支化和交聯(lián) 線型聚合物線型聚合物 支化聚合物支化聚合物 交聯(lián)聚合物交聯(lián)聚合物 網(wǎng)狀聚合物網(wǎng)狀聚合物 整個(gè)分子猶如一根線型長(zhǎng)鏈，可能比較舒展，也可能卷曲成團(tuán)。整個(gè)分子猶如一根線型長(zhǎng)鏈，可能比較舒展，也可能卷曲成團(tuán)。 高分子鏈上帶有一些長(zhǎng)短不一的支鏈的高分子。高分子鏈上帶有一些長(zhǎng)短不一的支鏈的高分子。 通過支鏈或化學(xué)鍵相接所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子。通過支鏈或化學(xué)鍵相接所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子。 相鄰的高分子鏈通過化學(xué)鍵鏈接起來。相鄰的高分子鏈通過化學(xué)鍵鏈接起來。 College of Materials Science & Engineering NORTH UNI

13、VERSITY OF CHINA Properties Low density Polyethylene High density Polyethylene Crosslinked Polyethylene Density (g/cm 3) 0.910.94 0.950.97 0.951.04 Crystallinity 60%70% 95% Melt point 105 135 Tensile strength 715 2037 1221 Maximum temperature 80100 120 135 College of Materials Science & Engineering

14、NORTH UNIVERSITY OF CHINA Ultra-high molecular weight polyethylene UHMWPE 超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯 Hip and knee total joint replacements are shown as illustrations on this skeleton. College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 高分子量高分子量 103-107 多分散性多分散性 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 1.3

15、1.3 高分子鏈的分子量與分子量分布高分子鏈的分子量與分子量分布 1.3.11.3.1高分子分子量的特征高分子分子量的特征 Mi 多分散多分散 polydisperse 單分散單分散 monodisperse College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 1.3.2 1.3.2 高分子材料的平均分子量高分子材料的平均分子量 測(cè)試手段：測(cè)試手段：GPC College of Materials Science & Engineering NORTH U

16、NIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 數(shù)均分子量數(shù)均分子量 iin MxM 重均分子量重均分子量 iiw MwM 粘均分子量粘均分子量 nW n i ii MMMM MWM ,1,1 1 1 / Z Z均分子量均分子量 W i M i2 = Ni Mi 3 = Ni Mi2 M Z _ W i M i ZWnMMMM 數(shù)均聚合度數(shù)均聚合度 重均聚合度重均聚合度 m M n n n m M n w w College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 下圖

17、是聚氯乙烯的分子量分布圖。計(jì)算：1）數(shù)均分子量； 2）數(shù)均聚合度；3）重均分子量 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 例題例題 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA Solution: a) iin MxM ? i x ? i M College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA b) (1) PVC(1) PVC單體單元的分子量單體單元的分子量 College of Materials S

18、cience & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA molg molgmolgmolg mmmm ClHC /05.62 /45.353/01.12/04.12 32 338 /50.62 /21150 molg molg m M n n n (2) 數(shù)均聚合度數(shù)均聚合度 c)重均分子量重均分子量 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1.3.3 1.3.3 高分子鏈的分子量分布高分子鏈的分子量分布 n w M M d 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分

19、子材料的組成和結(jié)構(gòu) College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1.4 1.4 高分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 1.4.1 1.4.1 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)非晶態(tài)結(jié)構(gòu) （1）無規(guī)線團(tuán)模型（）無規(guī)線團(tuán)模型（Flory，1949） 非晶固體中每一根高分子鏈都采取無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象非晶固體中每一根高分子鏈都采取無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象 各大分子鏈間可以相互貫通，可以相互纏結(jié)，各大分子鏈間可以相互貫通，可以相互纏結(jié)， 但不存在局部有序，整個(gè)非晶固體是均相的但不存在局部有序，

20、整個(gè)非晶固體是均相的 （2）非晶結(jié)構(gòu)局部有序）非晶結(jié)構(gòu)局部有序折疊鏈纓狀膠粒模型折疊鏈纓狀膠粒模型 非晶態(tài)聚合物中存在一定程度的局部有序；非晶態(tài)聚合物中存在一定程度的局部有序； 兩相：粒子相、粒間相兩相：粒子相、粒間相 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1.4.2 1.4.2 晶態(tài)結(jié)構(gòu)晶態(tài)結(jié)構(gòu) 晶胞晶胞 聚合物晶胞由一個(gè)或若干個(gè)高分子鏈的鏈段構(gòu)成，聚合物晶胞由一個(gè)或若干個(gè)高分子鏈的鏈段構(gòu)成， 不能形成立方晶系。不能形成立方晶系。 結(jié)晶鏈的構(gòu)象結(jié)晶鏈的構(gòu)象 長(zhǎng)程有序排列。構(gòu)象主要有平面鋸齒、螺

21、旋形構(gòu)象、長(zhǎng)程有序排列。構(gòu)象主要有平面鋸齒、螺旋形構(gòu)象、 伸直鏈構(gòu)象、滑移面構(gòu)象等。伸直鏈構(gòu)象、滑移面構(gòu)象等。 高分子鏈的堆砌高分子鏈的堆砌 纓狀膠束模型和折疊鏈模型纓狀膠束模型和折疊鏈模型 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 纓狀膠束模型纓狀膠束模型 存在許多膠束和膠束間區(qū)域，前者為結(jié)晶區(qū)，存在許多膠束和膠束間區(qū)域，前者為結(jié)晶區(qū)， 后者為非結(jié)晶區(qū)。后者為非結(jié)晶區(qū)。 折疊鏈模型折疊鏈模型 大分子鏈以折疊的形式堆砌起來。大分子鏈以折疊的形式堆砌起來。 插線板模型插線板模型 上述兩種模型的融合。上

22、述兩種模型的融合。 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 1.4.2 1.4.2 晶態(tài)結(jié)構(gòu)晶態(tài)結(jié)構(gòu) 結(jié)晶模型結(jié)晶模型 櫻狀膠束模型櫻狀膠束模型折疊鏈模型折疊鏈模型 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 結(jié)晶形態(tài)結(jié)晶形態(tài) 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) 單晶單晶 物質(zhì)內(nèi)部的短程有序性和長(zhǎng)程有序性貫穿物質(zhì)內(nèi)部的短程有序性和長(zhǎng)程

23、有序性貫穿 整個(gè)晶體，最完整的一種晶體結(jié)構(gòu)。多從線型高分整個(gè)晶體，最完整的一種晶體結(jié)構(gòu)。多從線型高分 子的子的稀溶液稀溶液中培養(yǎng)得到。中培養(yǎng)得到。 多晶多晶 由許多個(gè)取向不同的晶粒組成，不具有多面由許多個(gè)取向不同的晶粒組成，不具有多面 體的規(guī)則外形。多從線型高分子的濃體的規(guī)則外形。多從線型高分子的濃溶液和熔體溶液和熔體中中 培養(yǎng)得到。培養(yǎng)得到。 球晶球晶 具有球形界面、內(nèi)部組織復(fù)雜的多晶體，由具有球形界面、內(nèi)部組織復(fù)雜的多晶體，由 扭曲的晶片構(gòu)成。以核為起點(diǎn)，球形對(duì)稱地長(zhǎng)起來。扭曲的晶片構(gòu)成。以核為起點(diǎn)，球形對(duì)稱地長(zhǎng)起來。 College of Materials Science & Engi

24、neering NORTH UNIVERSITY OF CHINA College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 串晶串晶：具有伸直鏈結(jié)構(gòu)的中心軸：具有伸直鏈結(jié)構(gòu)的中心軸 周圍間隔地生長(zhǎng)著由折疊鏈構(gòu)成的片晶周圍間隔地生長(zhǎng)著由折疊鏈構(gòu)成的片晶 1 1 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)高分子材料