《高聚物的分子運動》課件

高聚物的分子運動高分子材料是由長鏈的分子組成的，而這些長鏈的分子擁有復雜的運動方式，稱為分子運動。分子運動的影響巨大，決定了材料的很多物理性質，比如強度，韌性，熔點和玻璃化轉變溫度等。課程目標理解高聚物的基本概念包括高聚物的定義、結構特點、分子量分布等。掌握高聚物的分子運動理論重點學習隨機走動模型、高斯鏈模型、自由體積理論等。了解高聚物材料的性質和應用例如高分子材料的粘度、擴散、玻璃化轉變、結晶等特性。高聚物的定義和結構特點鏈狀結構高分子是由許多重復的結構單元（單體）通過化學鍵連接而成的長鏈狀分子。這些鏈可以是直鏈的，也可以是支鏈的或交聯的。網狀結構網狀高分子是由許多長鏈高分子通過交聯反應連接形成的三維網絡結構，通常具有較高的強度和剛性。高分子結構的復雜性高分子的結構可以非常復雜，其特性受許多因素影響，包括鏈的長度、分支、交聯度和取向。高聚物的分子量分布高聚物通常不是單一分子量的物質，而是不同分子量聚合物的混合物。每個聚合物分子都有特定的分子量，而不同的聚合物分子具有不同的分子量。分子量分布是指各種分子量聚合物的相對數量，它可以描述高聚物樣品中不同分子量聚合物的比例分布。Mn數均分子量所有分子量的平均值，反映了分子數量上的分布。Mw重均分子量以分子質量加權的平均值，反映了質量上的分布。Mz粘均分子量反映了不同分子量聚合物的粘度貢獻。Mv體積均分子量反映了不同分子量聚合物的體積貢獻。高聚物的統計力學描述統計力學基礎高分子鏈的運動可以用統計力學方法描述，通過考慮鏈的構象和能量變化，我們可以得到鏈的統計性質，例如鏈的尺寸和形狀等。構象統計高分子鏈的構象是指鏈中每個鍵的取向和角度，不同的構象對應不同的能量，而統計力學可以計算出各種構象出現的概率。能量變化鏈的能量變化包括鍵能、非鍵相互作用、溶劑相互作用等，這些能量變化會影響鏈的構象和運動。熱力學性質高分子鏈的熱力學性質，例如熵和吉布斯自由能，可以通過統計力學方法計算出來，這些熱力學性質可以解釋高分子材料的物理性質，例如熔點、玻璃化轉變溫度等。隨機走動模型1定義模型假設聚合物鏈段隨機運動，類似于醉漢行走2步驟鏈段在空間中以等概率向各個方向運動3應用簡單但有效，能解釋高分子鏈的均方根末端距4局限忽略鏈段之間的相互作用隨機走動模型為理解高分子鏈的運動提供了基礎。高斯鏈模型1高斯鏈模型高斯鏈模型是一種描述高分子鏈構象的數學模型，它假設高分子鏈中的鍵長和鍵角是固定的，并且鏈中的各個鏈段之間沒有相互作用。2隨機游走高斯鏈模型將高分子鏈的運動視為一個隨機游走過程，每個鏈段可以向任何方向移動，移動的距離和方向是隨機的。3概率分布高斯鏈模型假設每個鏈段的運動都是獨立的，因此鏈段的概率分布服從高斯分布。高斯鏈的靜態(tài)性質11.均方根末端距高斯鏈模型描述了高聚物鏈的靜態(tài)性質，其中均方根末端距是一個重要的參數，用來描述鏈的平均尺寸。22.鏈的柔性高斯鏈模型可以用來估計高聚物鏈的柔性，即鏈的彎曲程度，這與鏈段之間的相互作用力有關。33.鏈的體積高斯鏈模型可以計算鏈的體積，即鏈占據的空間大小，這與鏈的長度和柔性有關。44.鏈的構象高斯鏈模型可以用來研究鏈的構象，即鏈在空間中的排列方式，這與鏈段之間的相互作用力以及外場的影響有關。高斯鏈的動態(tài)性質弛豫時間高斯鏈的弛豫時間取決于鏈段的運動，主要包括鏈段旋轉和鏈段間相對位移。擴散系數擴散系數與鏈段運動的速率成正比，反映了高分子鏈在溶液或熔體中的運動速度。粘度高斯鏈的粘度與鏈段的纏結程度和運動速率相關，反映了高分子材料的流動性。非高斯鏈的靜態(tài)性質鏈段的自由旋轉高分子鏈中，鏈段之間的旋轉自由度受到限制，鏈段的運動方向有一定程度的限制。這些限制因素包括鏈段之間的空間位阻、極性基團之間的相互作用以及鏈段的剛性等。鏈段的排斥作用高分子鏈段之間存在著排斥作用，這會導致鏈段之間的相互作用，并影響鏈段的運動和構象。鏈段的排斥作用可以是范德華力、偶極力或靜電力等。非高斯鏈的動態(tài)性質鏈段運動非高斯鏈的鏈段運動受限于鏈的柔性和相互作用。擴散非高斯鏈的擴散受限于鏈段運動，呈現非高斯型擴散。弛豫非高斯鏈的弛豫時間更長，反映鏈段運動的復雜性。自由體積理論自由體積理論是解釋高聚物分子運動的重要理論之一。它認為高聚物鏈段并非完全填滿空間，而是存在一些空隙，稱為自由體積。1自由體積的定義高聚物鏈段之間存在的空隙2自由體積的影響影響高聚物的流動性、擴散、玻璃化轉變溫度3自由體積的測量利用密度、粘度、擴散系數等方法4自由體積的應用解釋高聚物材料的性能，如粘度、擴散、溶解性等自由體積理論的應用1解釋粘度自由體積理論解釋了聚合物的粘度，它隨著溫度的升高而下降。2預測擴散系數自由體積理論預測了聚合物在溶劑中的擴散系數，它與分子量和溫度有關。3理解玻璃化轉變自由體積理論解釋了玻璃化轉變，它與聚合物鏈段運動和自由體積的降低有關。4指導材料設計自由體積理論可以指導材料設計，例如開發(fā)具有特定溫度性能的聚合物材料。粘度-分子量關系高聚物的粘度與其分子量密切相關。通常情況下，隨著分子量的增加，高聚物的粘度也會隨之增大。這種關系可以用一個簡單的線性方程來描述。粘度-分子量關系是高分子物理學中的一個重要概念。它可以用來預測高聚物的粘度，并幫助我們理解高聚物的流動行為。例如，在聚合物加工過程中，粘度是決定加工溫度和速度的重要因素。擴散-分子量關系分子量擴散系數較小較大較大較小高分子鏈的擴散系數與其分子量密切相關。分子量越大，擴散系數越小，擴散速度越慢。熔融體的分子運動鏈段運動高分子熔體中，鏈段可以發(fā)生旋轉、平移和振動，這些運動是熔體流動和粘彈性的基礎。鏈段運動受到周圍鏈段的限制，表現出復雜的非牛頓流體行為。擴散運動高分子鏈在熔體中可以進行擴散運動，其速度受分子量、溫度和環(huán)境的影響。擴散運動是高分子熔體中質量傳遞和混合的關鍵因素。高分子熔體的粘度熔體粘度高分子熔體的粘度是衡量其流動阻力的指標，反映了分子鏈的纏結程度。鏈纏結高分子熔體中，長鏈分子會互相纏繞，形成網絡結構，阻礙流動。測試方法可以使用旋轉流變儀等設備來測量高分子熔體的粘度。高分子溶液的性質溶液的組成高分子溶液是由高分子溶質和溶劑組成的。高分子溶質可以是線性、支化或交聯的。溶液的濃度高分子溶液的濃度可以表示為溶液中高分子的質量分數或體積分數。溶液的粘度高分子溶液的粘度通常比純溶劑的粘度高得多。溶液的擴散高分子溶液中的擴散系數通常比小分子溶液中的擴散系數低得多。稀溶液的粘度稀溶液高分子鏈之間相互作用較弱，運動相對獨立。粘度衡量液體流動阻力的物理量，反映了液體分子間相互作用力。影響因素溶液濃度、溫度、高分子鏈的形狀和尺寸等因素都會影響稀溶液的粘度。濃溶液的粘度濃溶液的粘度受多種因素影響，包括聚合物濃度、分子量、溶劑性質、溫度和壓力等。在濃溶液中，聚合物鏈之間的相互作用更加顯著，鏈段間的纏結更加復雜，導致粘度顯著增加。10濃度濃度越高，粘度越高。100K分子量分子量越高，粘度越高。100溫度溫度越高，粘度越低。高分子溶液的擴散11.擴散系數高分子溶液的擴散系數反映了溶質分子在溶劑中的運動速率。22.影響因素擴散系數受分子量、溶液濃度、溫度等因素影響。33.測量方法可通過光散射、核磁共振等方法測量高分子溶液的擴散系數。44.應用擴散系數可用于研究高分子的分子量、溶液粘度等性質。高分子溶液的滲透滲透壓溶液中高分子溶質的存在會降低溶劑的化學勢，導致溶劑從純溶劑側向溶液側滲透。范特霍夫方程滲透壓與溶液中高分子溶質的濃度成正比，且與溫度成正比。分子量測定滲透壓測量可用于測定高分子的分子量，特別適用于高分子量物質。應用滲透現象在生物學、化學工程等領域有廣泛應用，例如，在生物膜中物質的運輸。高分子的玻璃化轉變定義玻璃化轉變是指無定形高分子材料從橡膠態(tài)轉變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度，也稱為玻璃化溫度(Tg)。在Tg以上，高分子鏈具有較高的運動自由度，表現出橡膠態(tài)的彈性。而在Tg以下，高分子鏈的運動受到限制，表現出玻璃態(tài)的剛性。玻璃化轉變理論自由體積理論當溫度降低時，高分子鏈的自由體積逐漸減小，導致分子運動受限。動力學理論玻璃化轉變是一個動力學過程，與高分子鏈的松弛時間有關。熱力學理論玻璃化轉變溫度是高分子體系從高彈態(tài)到玻璃態(tài)的轉變溫度，對應于熵變化。結構理論玻璃化轉變與高分子鏈的結構有關，鏈的柔性、側基和交聯度等因素都會影響轉變溫度。高分子的結晶鏈段排列鏈段在空間上規(guī)則排列，形成有序結構。晶格結構晶體中鏈段排列的周期性重復結構。結晶過程高分子從熔融態(tài)或溶液中轉變?yōu)榫B(tài)的過程。高分子的熔融和結晶熔融高分子熔融是指固態(tài)高分子在加熱到一定溫度時轉變?yōu)橐簯B(tài)的過程。結晶高分子結晶是指熔融或溶液狀態(tài)的高分子鏈在冷卻過程中有序排列形成晶體的過程。熔融結晶熔融結晶是指高分子在熔融狀態(tài)下冷卻結晶的過程。結晶結構高分子結晶形成的晶體結構取決于高分子鏈的化學結構和排列方式。高分子的力學性能彈性高分子材料在受到外力作用后發(fā)生形變，在外力去除后能夠恢復原狀的性質。強度高分子材料在外力作用下發(fā)生斷裂或破壞所需的力的大小，反映了材料抵抗外力破壞的能力。韌性高分子材料在外力作用下發(fā)生斷裂前所能吸收的能量的大小，反映了材料抵抗外力沖擊的能力。硬度高分子材料抵抗外力刻劃或壓入的能力，反映了材料表面抵抗外力破壞的能力。高分子材料的應用11.日常用品廣泛用于制造塑料袋、瓶子、家具、玩具等。22.高科技領域用于制造航空航天、電子、醫(yī)藥等領域的關鍵材料。33.建筑材料例如，聚合物水泥、聚合物砂漿等。44.紡織品合成纖維、合成織物等，廣泛用于服裝、地毯等