《高分子的鏈結(jié)構(gòu)》課件

高分子的鏈結(jié)構(gòu)高分子的鏈結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成高分子材料的單體單元如何連接在一起形成長(zhǎng)鏈。了解高分子的鏈結(jié)構(gòu)對(duì)于理解其物理和化學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。作者：高分子定義及特點(diǎn)長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)由大量重復(fù)單元組成的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，形成高分子化合物。高分子量單個(gè)分子量遠(yuǎn)大于普通小分子化合物，通常以萬(wàn)甚至百萬(wàn)計(jì)。聚合反應(yīng)由單體通過(guò)聚合反應(yīng)形成高分子鏈，具有可控性。高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)主要由構(gòu)成高分子的單體、單體之間的連接方式以及高分子鏈的結(jié)構(gòu)決定。單體是指構(gòu)成高分子的基本單元，它們通過(guò)化學(xué)鍵連接形成高分子鏈。高分子鏈的結(jié)構(gòu)包括主鏈、側(cè)鏈和端基。主鏈?zhǔn)侵笜?gòu)成高分子鏈的主要骨架，側(cè)鏈?zhǔn)侵高B接在主鏈上的支鏈，端基是指高分子鏈的末端基團(tuán)。高分子鏈的形態(tài)高分子鏈的形態(tài)是指高分子鏈在空間中的排列方式，它決定了高分子的物理性質(zhì)。高分子鏈的形態(tài)可以分為線(xiàn)性、支化、環(huán)狀、網(wǎng)狀等。線(xiàn)性高分子鏈?zhǔn)菃捂湹?，沒(méi)有分支，例如聚乙烯、聚丙烯等。支化高分子鏈在主鏈上有一些側(cè)鏈，例如聚乙烯醇等。環(huán)狀高分子鏈?zhǔn)情]合的環(huán)，例如聚環(huán)氧乙烷等。網(wǎng)狀高分子鏈?zhǔn)嵌噫溝嗷ミB接的，例如聚氨酯、聚硅氧烷等。高分子的構(gòu)象11.空間排布高分子鏈在空間中的具體排列方式稱(chēng)為構(gòu)象。22.旋轉(zhuǎn)自由度高分子鏈中的單鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，形成各種不同的構(gòu)象。33.能量差異不同的構(gòu)象具有不同的能量，能量最低的構(gòu)象最穩(wěn)定。44.熱力學(xué)因素溫度和溶劑等因素會(huì)影響高分子鏈的構(gòu)象。構(gòu)象穩(wěn)定性構(gòu)象穩(wěn)定性是指高分子鏈在特定條件下保持其構(gòu)象的能力，是決定高分子材料物理性質(zhì)的重要因素之一。構(gòu)象穩(wěn)定性與高分子鏈的柔性、鏈間相互作用、溫度等因素有關(guān)。鏈越柔性，構(gòu)象越容易改變，穩(wěn)定性越低。鏈間相互作用越強(qiáng)，構(gòu)象越穩(wěn)定。溫度升高，鏈的運(yùn)動(dòng)性增強(qiáng)，構(gòu)象穩(wěn)定性降低。高分子的熔點(diǎn)和玻璃化溫度熔點(diǎn)玻璃化溫度晶體物質(zhì)固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度非晶態(tài)物質(zhì)從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度與鏈間作用力有關(guān)與鏈段運(yùn)動(dòng)有關(guān)結(jié)晶度越高，熔點(diǎn)越高鏈段柔性越小，玻璃化溫度越高鏈長(zhǎng)對(duì)性能的影響1機(jī)械強(qiáng)度鏈長(zhǎng)增加，強(qiáng)度增加2熔點(diǎn)鏈長(zhǎng)增加，熔點(diǎn)升高3粘度鏈長(zhǎng)增加，粘度增加4溶解性鏈長(zhǎng)增加，溶解性降低高分子鏈長(zhǎng)對(duì)材料的性能有著顯著的影響。鏈長(zhǎng)增加，材料的機(jī)械強(qiáng)度、熔點(diǎn)和粘度都會(huì)相應(yīng)提高，但其溶解性會(huì)降低。鏈長(zhǎng)分布對(duì)性能的影響1分子量分布聚合物通常具有各種長(zhǎng)度的分子鏈。鏈長(zhǎng)分布是指不同長(zhǎng)度的分子鏈在聚合物中的比例。2機(jī)械性能鏈長(zhǎng)分布影響聚合物的機(jī)械性能，如強(qiáng)度、韌性和剛度。3加工性能鏈長(zhǎng)分布也會(huì)影響聚合物的加工性能，如熔融溫度、粘度和流動(dòng)性。分子量的測(cè)定高分子的分子量是其重要的物理性質(zhì)之一。分子量的大小直接影響著高分子的性能，如熔點(diǎn)、玻璃化溫度、機(jī)械強(qiáng)度等。1凝膠滲透色譜法(GPC)根據(jù)分子大小進(jìn)行分離。2粘度法根據(jù)溶液粘度測(cè)定。3端基分析法根據(jù)高分子鏈末端的官能團(tuán)數(shù)量測(cè)定。4光散射法根據(jù)光散射強(qiáng)度測(cè)定。高分子的溶解溶解過(guò)程高分子溶解是高分子鏈與溶劑分子之間發(fā)生相互作用的過(guò)程。高分子鏈與溶劑分子之間的相互作用力必須克服高分子鏈之間的相互作用力才能溶解。溶解條件溶解條件包括溶劑的性質(zhì)、溫度和高分子鏈的結(jié)構(gòu)等。極性溶劑溶解極性高分子，非極性溶劑溶解非極性高分子。溫度升高通常有利于溶解，但對(duì)于一些高分子，溫度升高反而會(huì)降低溶解性。高分子溶液的濃度高分子溶液的濃度是指單位體積溶液中所含溶質(zhì)的質(zhì)量。高分子溶液的濃度通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)或摩爾濃度來(lái)表示。1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)指溶質(zhì)質(zhì)量占溶液質(zhì)量的百分比。10%體積分?jǐn)?shù)指溶質(zhì)體積占溶液體積的百分比。1M摩爾濃度指單位體積溶液中所含溶質(zhì)的摩爾數(shù)。高分子溶液的濃度對(duì)溶液的粘度、滲透壓、熱力學(xué)性質(zhì)等都有顯著影響。高分子溶液的粘度高分子溶液的粘度是衡量其流動(dòng)性的重要指標(biāo)，通常以泊(Pa·s)為單位。因素影響高分子鏈的長(zhǎng)度鏈越長(zhǎng)，粘度越高溶液濃度濃度越高，粘度越高溫度溫度越高，粘度越低溶劑性質(zhì)溶劑粘度高，溶液粘度也高高分子溶液的粘度與高分子鏈的長(zhǎng)度、溶液濃度、溫度、溶劑性質(zhì)等因素密切相關(guān)。高分子溶液的滲透壓滲透壓是指溶液通過(guò)半透膜進(jìn)入純?nèi)軇┑膲毫?。高分子溶液的滲透壓受溶液濃度、溫度和溶質(zhì)分子量的影響。滲透壓測(cè)量是測(cè)定高分子溶液分子量的常用方法之一。高分子溶液的熱力學(xué)性質(zhì)性質(zhì)描述混合熱高分子溶液的混合熱通常為負(fù)值，表示混合過(guò)程放熱。熵變高分子溶解后熵值增加，這表明溶液的無(wú)序度增加。吉布斯自由能變高分子溶液的吉布斯自由能變通常為負(fù)值，表示溶解過(guò)程自發(fā)進(jìn)行。高分子的相互作用范德華力范德華力是分子間最弱的吸引力，由瞬時(shí)偶極-瞬時(shí)偶極相互作用引起。氫鍵氫鍵是分子間的一種較強(qiáng)的吸引力，發(fā)生在極性分子中。離子鍵離子鍵是通過(guò)靜電吸引力形成的化學(xué)鍵，在聚合物中較少見(jiàn)。疏水作用力疏水作用力是疏水基團(tuán)之間相互排斥而產(chǎn)生的吸引力，在高分子溶液中很重要。高分子鏈的纏結(jié)鏈段的運(yùn)動(dòng)高分子鏈段在熱運(yùn)動(dòng)下不斷運(yùn)動(dòng)，不同鏈段之間會(huì)相互纏繞，形成纏結(jié)。纏結(jié)的影響纏結(jié)會(huì)阻礙鏈段的運(yùn)動(dòng)，影響高分子的流動(dòng)性，降低其熔點(diǎn)和玻璃化溫度。纏結(jié)的密度纏結(jié)密度取決于高分子的分子量、鏈段的柔性和溶劑的性質(zhì)等因素。纏結(jié)的應(yīng)用纏結(jié)可以提高高分子的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性，在一些應(yīng)用中，例如橡膠和塑料的加工，纏結(jié)是不可避免的。高分子鏈的截?cái)喔叻肿渔湹慕財(cái)嗍侵父叻肿渔溤谝欢l件下斷裂成更短的鏈段的過(guò)程。截?cái)嘀饕l(fā)生在高分子材料的降解過(guò)程中。1機(jī)械降解通過(guò)機(jī)械力將高分子鏈打斷2化學(xué)降解化學(xué)試劑與高分子鏈反應(yīng)導(dǎo)致斷裂3熱降解高溫下高分子鏈斷裂4光降解光照射使高分子鏈斷裂截?cái)鄷?huì)導(dǎo)致高分子材料的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和耐光性下降。在一些應(yīng)用中，截?cái)嗫梢杂脕?lái)控制高分子材料的性能，例如，在橡膠工業(yè)中，通過(guò)截?cái)嗫梢越档拖鹉z的分子量，提高其可塑性和流動(dòng)性。高分子鏈的分支線(xiàn)性結(jié)構(gòu)沒(méi)有側(cè)鏈或支鏈，主鏈上的所有原子都以線(xiàn)性方式排列。例如，聚乙烯。支鏈結(jié)構(gòu)主鏈上存在側(cè)鏈，例如低密度聚乙烯(LDPE)，其中短側(cè)鏈從主鏈延伸出來(lái)。樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)具有多個(gè)分支，類(lèi)似于樹(shù)枝，例如超支化聚合物。它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)和納米技術(shù)中具有應(yīng)用。星形結(jié)構(gòu)從中心點(diǎn)輻射出多個(gè)支鏈，例如星形聚合物。它們?cè)陔娮雍凸鈱W(xué)材料中具有應(yīng)用。高分子鏈的結(jié)晶結(jié)晶過(guò)程高分子鏈在特定條件下，可以形成有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為規(guī)則的晶格。結(jié)晶結(jié)構(gòu)結(jié)晶結(jié)構(gòu)影響高分子的性能，例如強(qiáng)度、剛性、熱穩(wěn)定性等。結(jié)晶模型科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多高分子結(jié)晶的模型來(lái)解釋這一現(xiàn)象。結(jié)晶材料許多高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚酯等，都具有結(jié)晶性。高分子鏈的取向高分子鏈的取向是指高分子鏈沿著特定方向排列的現(xiàn)象。這種排列可以使材料具有特殊的性能，例如提高強(qiáng)度、剛度、韌性、光學(xué)性能等。高分子鏈的取向可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，例如拉伸、擠壓、熱處理等。取向程度越高，材料的性能越好。取向?qū)Ω叻肿硬牧系臋C(jī)械性能、熱性能、光學(xué)性能、電性能等方面都有很大的影響。高分子鏈的熔融1加熱高分子材料加熱到一定溫度2鏈段運(yùn)動(dòng)分子鏈段開(kāi)始劇烈運(yùn)動(dòng)3熔融晶體結(jié)構(gòu)被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)4流動(dòng)性材料表現(xiàn)出流動(dòng)性熔融溫度取決于高分子鏈的結(jié)構(gòu)和相互作用高分子鏈的玻璃化轉(zhuǎn)變玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是指非晶態(tài)聚合物從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度。1玻璃態(tài)剛性，脆性，硬度高2橡膠態(tài)柔韌性，彈性，流動(dòng)性3玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)固態(tài)到液態(tài)Tg是表征聚合物性質(zhì)的重要參數(shù)，它決定了聚合物的使用溫度范圍和力學(xué)性能。Tg受多種因素影響，如聚合物的鏈結(jié)構(gòu)，分子量，側(cè)基大小，以及鏈間相互作用力等。高分子鏈的各向異性各向異性定義是指物質(zhì)在不同方向上表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，例如力學(xué)性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能等。鏈結(jié)構(gòu)影響高分子鏈的結(jié)構(gòu)，包括鏈的長(zhǎng)度、形狀、柔性等，都會(huì)影響其各向異性。性能優(yōu)勢(shì)各向異性賦予了高分子材料獨(dú)特的性能，例如高強(qiáng)度、高模量、高韌性等。高分子鏈的延伸結(jié)晶1過(guò)程簡(jiǎn)介延伸結(jié)晶是指在受到拉伸或壓縮等外力作用下，高分子鏈排列更加有序，形成更完善的晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程。2影響因素拉伸速度溫度聚合物類(lèi)型3性能提升延伸結(jié)晶可增強(qiáng)材料強(qiáng)度、韌性、模量等性能，并改善材料的耐熱性和抗溶劑性。聚合物的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系鏈結(jié)構(gòu)線(xiàn)性、支化、交聯(lián)等結(jié)構(gòu)影響聚合物力學(xué)性能?；瘜W(xué)組成單體種類(lèi)和官能團(tuán)決定聚合物性質(zhì)。形態(tài)結(jié)晶度、取向等影響聚合物性能。分子量分子量影響聚合物的強(qiáng)度、韌性、粘度等。聚合物分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11.調(diào)整單體結(jié)構(gòu)通過(guò)改變單體的種類(lèi)和數(shù)量，可以改變聚合物的化學(xué)組成和性能。22.控制鏈長(zhǎng)鏈長(zhǎng)影響聚合物的分子量和機(jī)械性能，如強(qiáng)度和韌性。33.改變鏈結(jié)構(gòu)通過(guò)改變鏈的支化程度和交聯(lián)度，可以改變聚合物的物理性質(zhì)和性能。44.引入官能團(tuán)引入特定官能團(tuán)可以賦予聚合物新的功能，例如，提高其耐熱性或抗氧化性。高分子材料工程應(yīng)用展望性能增強(qiáng)通過(guò)調(diào)節(jié)高分子材料的結(jié)構(gòu)，提升其力學(xué)性能，如強(qiáng)度、韌性、耐高溫等。功能拓展開(kāi)發(fā)具有特殊功能的高分子材料，如導(dǎo)電、導(dǎo)光、生物活性等。應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展將高分子材料應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)藥、新能源等領(lǐng)域，解決關(guān)鍵技術(shù)難題?？沙掷m(xù)發(fā)展發(fā)展可降解、可回收、環(huán)保型的高分