高分子化学与物理复习.docx

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高分子化学与物理复习

1.高分子的结构

1高分子链的近程结构（一级结构）

一、高分子的化学组成

二、结构单元的键接顺序

三．支化与交联

四、共聚物的结构

五．高分子链的构型

2高分子链的远程结构（二级结构）

一、聚合物的分子量

二、高分子的分子量分布

三、高分子链的构象

四．高分子链的柔顺性五、高分子链的构象统计

3高分子的化学组成

1.碳链高分子

2.杂链高分子

3.元素高分子

4.无机高分子

1-3出题方式：

如：

4支化与交联

1.支化

支化高分子的性质与线形分子相似，可溶解，加热可融化；但结晶度大大降低。

2.交联

交联的高分子不能溶解。

交联高分子加热不能融化但在溶剂中可以溶涨，交联的程度越高，溶胀度越小。

5共聚物的结构

交替、无规、嵌段、接枝

6高分子链的构型

是指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。

构型不能用物理方法改变，改变构型必须通过化学键的断裂和重组。

1．旋光异构体

由手性碳原子（不对称碳原子）形成的。

（1）全同立构

全部由一种旋光异构体单元键接而成，取代基R处在平面的同一侧

（2）间同立构

由两种旋光异构体单元交替键接而成，取代基R交替处在平面两侧。

（3）无规立构

两种旋光异构单元完全无规键接，取代基R无规分布在平面两侧。

7分子的立体构型不同，材料的性能也不同：

全同立构的聚苯乙烯可结晶，熔点为240C，而无规立构的聚苯乙烯不能结晶，软化温度为80C；

全同或间同的PP易结晶，可纺丝成纤；而无规聚丙烯却是一种橡胶状的弹性体。

自由基聚合的高聚物大都是无规的，定向聚合可制得有规立构的高聚物。

8．几何异构体

顺式：

取代基在双键的同一侧

反式：

取代基在双键的两侧

顺式1,4-聚丁二烯：

分子与分子之间的距离较大，在室温下是一种弹性很好的橡胶。

反式1,4-聚丁二烯：

分子链结构比较规整，容易结晶，在室温下是弹性很差的塑料。

9.单分散性：

如果聚合物的分子量完全均一、大小相同，就称为单分散性。

阴离子聚合得到的产物接近单分散性。

（1）数均分子量

（2）重均分子量

（3）粘均分子量

对单分散性样品，则：

对单分散性试样，d=1

对多分散性试样，d>1

10.高分子链的构象

1．内旋转

单键是由电子组成，电子云分布是轴对称的，因此高分子在运动时C-C单键可以绕轴旋转，称为内旋转。

2．构象

是由单键内旋转而形成的分子在空间的不同形态（排列）。

*****11.响高分子链柔性的因素

***12.链段

由若干链节组成的一段链，是主链中能够独立运动的最小单位。

13.高分子间的相互作用力

1.范德华力

（1）静电力

永久偶极－永久偶极之间的相互作用

是极性分子之间的永久偶极之间的相互吸引力。

作用能一般在13-20kJ/mol（3-kcal/mol）之间。

（2）诱导力

永久偶极诱导偶极之间的相互作用

是极性分子的永久偶极与它在其它分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力。

它不仅存在极性分子与非极性分子之间，也存在于极性分子与极性分子之间。

诱导力的作用能一般在6-13kJ/mol（1.5~3kcal/mol）。

（3）色散力

瞬时偶极瞬时偶极之间的相互作用

是分子瞬时偶极之间的相互作用力。

色散力的作用能一般在0.8-8kJ/mol（0.2-2kcal/mol）。

色散力存在于一切极性和非极性分子之间。

范德华力具有加和性。

随分子量的加大，作用力也加大。

高分子的分子间作用力，超过了化学键的键能。

高分子不存在气态形式。

14.高聚物的内聚能密度与其物理性能之间的关系

（A）CED<300兆焦/米3

一般都是非极性高聚物，分子间力主要是色散力，分子间相互作用弱，加上分子链的柔顺性较好，使这些高聚物易于变形，富有弹性，可用做橡胶。

（B）CED>400兆焦/米3

分子链上有强极性基团，或者能形成氢键，分子间作用力大，因而有较好的机械强度和耐热性，再加上分子链结构比较规整，易于结晶、取向，成为优良的纤维材料。

（C）300

这类分子间力居中，适合于做塑料使用。

15.聚合物的结晶形态

单晶属于折叠链晶片

分子链的取向

对于片状单晶，分子链的取向垂直于单晶平面

单晶的判别

衍射图上出现衍射点，而不是衍射环

球晶

属于折叠链晶片

球晶的判别

球晶在偏光显微镜下观察，呈特有的黑十字消光图案（MalteseCross）。

分子链的取向

分子链通常总是沿垂直于球晶半径方向取向的

***16.聚合物晶胞

c轴方向：

与主链中心轴平行的晶胞主轴方向。

高分子链链轴（c轴）方向原子间的化学键相互作用；

不同链间的范德华力或氢键相互作用不同；

形成的晶胞是各向异性的，因此聚合物可以形成立方晶系之外的其它六种晶系的晶胞。

17．高分子链在晶体中的形态

完全伸展的平面锯齿链是能量上最有利的构象。

大小不同的取代基常引起链的扭曲。

平面锯齿链

三维空间螺旋构象

***18．聚合物的晶态结构模型

结晶高聚物的密度小于晶胞计算的密度

ρ<ρc；说明结晶与非晶共存；

反应的不均匀性（非晶区渗入性大）；

拉伸时的结晶（微晶取向）；

熔融时间长（微晶大小不同）

19.折叠链模型

解释了：

单晶、球晶---是以折叠链晶片为单元形成的

*****20.高分子链结构对结晶能力的影响

21.聚合物结晶的速度

晶核的形成

均相成核-链本身局部有序排列而形成的晶核；

（不断成核，晶体大小不等）：

异相成核-成核发生在外来物表面，如容器壁、杂质，熔体中的晶种、

（同时成核，形成的晶体较均一）

晶粒的生长：

高分子链向晶核进一步扩散，规整排列，使晶粒发展的过程。

22.膨胀计法测定结晶总速率（会语言描述）

*****23、结晶速度的温度依赖性

结晶温度范围在玻璃化温度（Tg）与熔点（Tm）之间

4生长控制区、3快速结晶区、2成核控制区、1过冷区

关系曲线的解释

成核速度和结晶生长速度对温度具有不同的依赖性。

在高温时：

晶核形成慢，生长速度快。

在低温时：

晶核形成快，生长速度慢。

Tmax与Tm之间的关

Tmax0.80Tm0.85Tm（K）

应用

提高结晶度—在Tg以上，Tm以下退火。

降低结晶度—迅速淬火到Tg以下。

得到大球晶—较高的温度下结晶

得到小尺寸球晶—低温下结晶（在Tg附近）

24、影响结晶速度的其它因素

1.分子结构

与结晶能力的影响几乎完全一样。

分子链结构越简单、对称性越高、规整性越好、取代基空间位阻越小、链越柔顺，则聚合物的结晶速度越快。

2.分子量

相同的结晶条件下，分子量越大，结晶速度越慢。

体系粘度相关

3.杂质

有些杂质能促进聚合物的结晶，这类杂质称为成核剂。

聚合物中加入成核剂能明显加快聚合物的结晶速度，并且减小结晶尺寸，可改进聚合物的性能。

不起成核作用的杂质称为惰性杂质，会阻碍聚合物的结晶。

4.外力

拉伸能加快聚合物的结晶过程

如天然橡胶在室温下结晶过程极其缓慢，需要几十年，在0℃下结晶也需要几百小时，如果将天然橡胶拉伸，几秒钟就能结晶。

*****25结晶度及其对聚合物性能的影响

1.结晶度的定义

2.结晶度的测试方法

密度法

3.结晶度对聚合物性能的影响

26.聚合物的熔融

即熔融过程发生在一个较宽的温度范围内，从聚合物结晶开始融化到融化完全的温度范围称为熔限。

熔融过程的解释结晶聚合物中含有完善程度不同的晶体。

27.影响聚合物熔点的因素

28.高聚物的取向现象

1.取向

聚合物在某种外力作用下，分子链、链段和结晶聚合物中的晶粒等结构单元沿着外力方向择优排列。

取向态在一定条件下可保持相对稳定！

2.取向态与晶态的区别

取向态是一定程度上的一维或二维有序，而晶态结构是三维有序。

结晶态是热力学平衡态，取向态是热力学非平衡态。

3.取向对性能的影响

（1）沿取向方向的力学性能提高，与取向方向垂直的方向上则降低。

（2）产生光学双折射现象。

（3）使用温度也会提高，密度、玻璃化温度、结晶度提高。

取向的应用

1.合成纤维的生产

合成纤维生产中，广泛采用牵伸工艺（即单轴拉伸）来提高纤维的强度。

未取向尼龙，：

700-800kg/cm2；取向后：

4700-5700kg/cm2。

2.薄膜的生产

双轴拉伸和吹塑。

3.塑料的吹塑

飞机的机舱罩，安全帽。

2.聚合物的分子运动

*****1．力学状态和热转变

1．非晶态聚合物的温度—形变曲线

（1）物理意义

在恒定外力下，聚合物的形变随温度的变化曲线称为温度形变曲线，又称为热机械曲线，典型的非晶态聚合物的温度形变曲线如图所示。

（2）曲线的特点

T较低时，呈刚性固体状，只发生非常小的形变；

T升高到某一范围后，形变明显增加，随后达到一相对稳定的形变，试样变成柔软的弹性体，温度继续升高，形变不变；

T进一步升高，形变量又逐渐增大，试样最后完全变成粘性的流体。

（3）三种力学状态

根据温度形变曲线的特征，可按温度区域划分为三种力学状态。

（A）玻璃态

（B）高弹态

（C）粘流态

（4）两个转变温度

（A）玻璃化转变和玻璃化转变温度

玻璃态与高弹态之间的转变，称为玻璃化转变，对应的温度称为玻璃化转变温度（Tg），简称玻璃化温度。

（B）流动转变和粘流温度

高弹态与粘流态之间的转变温度称为粘流温度（Tf）。

（流动转变这个提法很少）

（5）用分子的运动观点解释温度形变曲线

Tg以下，链段运动被冻结，只有支链、侧基和小链节能运动，高分子不能实现构象转变。

Tg~Tf之间，链段能够运动，但分子链仍不能运动。

Tf以上，所有的运动单元，包括整个分子。

玻璃化转变的定义有许多不同的表述方式

（6）分子量对温度形变曲线的影响

粘流温度随分子量的增大而急剧增大，而玻璃化温度变化不大，所以分子量增大时，高弹态区域向右延长变宽

温度形变曲线

2．晶态聚合物的温度-形变曲线

（1）轻度结晶的聚合物（结晶区为分散相）

晶区为分散相，温度形变曲线上仍然存在明显的玻璃化转变区；也会存在高弹态。

（2）高度结晶的聚合物（结晶区为连续相）

如果结晶度大于40%，晶区是连续相，材料变得坚硬，宏观上将觉察不到有明显的玻璃化转变，其温度形变曲线在熔点以前不出现明显的转折。

熔融后，是否进入粘流态，视分子量而定：

如果，分子量较小，Tf

如果分子量较大，Tf>Tm，晶区熔化后，进入高弹态，Tf以上，进入粘流态。

3.玻璃化转变现象和玻璃化转变温度

玻璃化转变现象

聚合物的一种普遍现象（结晶和非晶）。

发生玻璃化转变时，很多性能会发生剧变。

如在转变区几度的范围内，模量会改变3-4个数量级。

玻璃化转变温度用Tg表示

4.玻璃化转变的自由体积理论

1.自由体积

物质中未被分子占据的以空穴形式存在的体积。

2.自由体积理论（Fox和Flory提出）

认为液体或固体物质，其体积由两部分组成：

已占体积和自由体积

聚合物的体积由高分子占有体积和未被高分子占有的自由体积组成。

自由体积为链段提供了必要的活动空间。

当处于高弹态聚合物冷却时，起先聚合物已占体积和自由体积逐渐减小，到Tg时，自由体积将到达一最低值，没有足够的空间容纳链段运动，导致链段运动被冻结，发生玻璃化转变。

根据自由体积理论，聚合物的玻璃化温度是自由体积达到某一临界值时的温度，聚合物玻璃态是等自由体积状态。

5．WLF方程定义的自由体积

2.5％

*****6．影响玻璃化温度的因素

7.聚合物熔体的黏性流动定义

1泊＝0.1Pas

1厘泊＝0.001Pas

流动曲线

剪切应力（）与剪切速率（）的关系曲线

牛顿流体

粘度不随剪切应力和剪切速率的大小而改变，始终保持常数的流体，称为牛顿流体

非牛顿流体的剪切应力和剪切速率之间不呈直线关系，通常采用“幂次定律”的经验方程来描述其流动行为:

•=Kn

8.非牛顿流体的类型

假塑性流体

粘度随剪切速率的增加而减小，即剪切变稀

9.高聚物粘性流动的特点

高分子的流动是通过链段的位移运动来完成的

小分子流动的模型描述：

低分子液体中存在许多与分子尺寸相当的空穴。

外力使分子沿外力方向跃迁的几率大于其他方向。

10．影响粘流温度的因素

11.聚合物流动性的表征

1．熔体粘度

（1）表观粘度

聚合物熔体和浓溶液都属非牛顿牛体，其剪切应力对剪切速率作图得不到直线，即其粘度有剪切速率依赖性。

用/定义的粘度不是常数，引入表观粘度的概念a，定义：

非牛顿流体的幂次定律=Kn

（2）零切粘度

低剪切速率下，非牛顿流体表现出牛顿流体的特性，由对曲线的起始斜率可得到牛顿粘度。

定义剪切速率趋于零时的粘度为零切速率粘度，简称零切粘度：

*****12.熔融指数

在一定温度下，熔融状态的高聚物在一定负荷下，十分钟内从规定直径和长度的标准毛细管中流出的重量（克数）。

熔融指数越大，则流动性越好，熔融指数的单位为克。

（没有明确的物理意义，但可作为流动性好坏的指标）

*****13.高聚物熔体的流动曲线

胀塑性流体（剪切变稀）流体。

（1）剪切速率很低时，呈现恒定的粘度0（第一牛顿区）。

（2）中间范围，粘度随剪切速率的增加而减小。

（假塑性区）

（3）很高剪切速率下，又呈现恒定的粘度（第二牛顿区）。

高聚物熔体粘度随剪切速率变化的规律可以用链缠结观点来解释。

（剪切速率由小到大：

链缠结的破坏速率=重建速率；破坏速率大于重建速率；完全破坏）

也可以从分子链的取向来解释。

（剪切速率由小到大：

不足以使链段取向；越来越多；完全取向）

*****14.影响聚合物熔体粘度的因素

15.聚合物熔体的弹性现象

1.韦森堡效应

当高聚物熔体在搅拌时，熔体会沿旋转轴向上爬升，这种现象称为韦森堡效应（Weissenberg），或称为爬杆现象。

2.挤出物胀大现象

聚合物熔体从小孔、毛细管或狭缝中挤出时，挤出物的直径或厚度会明显地大于模口的尺寸，这种现象叫做挤出物胀大，或称离模膨胀，或出口膨胀，也称巴拉斯效应（Barus）。

通常定义挤出物的最大直径（D）与模口直径（D0）的比值来表征胀大比B=D/D0

一般来说，分子量越大，流速越快，挤出机机头越短，温度越低，则膨胀程度越大。

3.流动的不稳定性和熔体破裂现象

剪切速率不大时，高聚物熔体挤出物表面光滑。

但剪切速率超过某一临界值后，挤出物的外观表面粗糙，直至破裂成碎块，这些现象称为不稳定流动或弹性湍流。

熔体破裂指其中最严重的情况。

3.聚合物的溶液

1.聚合物溶解的特点

1．聚合物溶解的过程

溶解分两个阶段进行：

先溶胀，后溶解。

溶剂小分子尺寸小，扩散速度快，首先深入聚合物内，使得聚合物的体积膨胀，称为溶胀。

2.溶解度与分子量有关

分子量大的溶解度小，分子量小的溶解度大。

3．溶解性与聚合物的结构有关

线形和支化聚合物可以溶解；

交联聚合物只能溶胀，不能溶解，交联度大的溶胀度小，交联度小的溶胀度大。

4．溶解速度与聚集态结构有关

非晶态聚合物：

溶剂分子容易渗入高聚物内部使之溶胀和溶解。

晶态高聚物：

溶解困难。

加热到熔点附近才能溶解；（聚合物和溶剂）如果发生强烈的相互作用，例如形成氢键（放热），则在室温下也可溶解。

*****2.溶度参数

内聚能密度的平方根，用来表示：

3.溶解过程的热力学解释

溶解过程的自由能变化为：

Gm<0时，溶解自发进行；

Gm>0时，则不能溶解。

在溶解过程中，分子的排列趋于紊乱，Sm>0，因此，溶解与否取决于二者的相对大小。

***4.溶解过程

（1）极性聚合物溶于极性溶剂

高分子与溶剂分子间的相互作用很强烈，溶解时放热，Hm<0，Gm<0，溶解能够进行。

（2）非极性聚合物的溶解

一般是吸热的，Hm>0，只有Hm

升高温度或减小Hm，有利于溶解。

假定混合过程没有体积变化，可沿用小分子的Hildebrand溶度公式计算混合热Hm：

只有溶度参数相差足够小时，才能溶解

5．溶剂的选择

1．非晶聚合物

（1）若是非极性：

选择溶度参数相近的溶剂，“相似相溶”

（2）若是极性：

溶度参数与极性都要与聚合物相近。

2．晶态聚合物

（1）非极性结晶聚合物

溶解包括结晶部分的熔融和高分子与溶剂的混合，两者都是吸热过程。

溶度参数相近，加热PE:

120C-四氢奈，

（2）极性结晶聚合物

如能生成氢键，室温下就能溶解。

3．混合溶剂

混合溶剂的溶度参数大致可以按下式计算：

两种纯溶剂的体积分数

两种纯溶剂的溶度参数

6.端基分析测数均分子量

条件

化学结构明确，分子中有可供分析的端基。

聚酰胺、聚酯等

W：

试样重量；n：

试样摩尔数

ng：

测得的聚合物试样中端基的摩尔数

xg：

每个高分子中所含被分析的末端基的数目

7.沸点升高和冰点下降

基本原理

利用溶液的依数性

依数性是指溶液的热力学性质只与溶液中溶质的分子数有关，而与溶质分子的化学组成无关。

在溶剂中加入不挥发性的溶质后，溶液的蒸汽压下降，导致溶液的沸点升高，溶液的冰点降低。

沸点升高值Tb和冰点降低值Tf正比于溶质的摩尔数，即溶液的浓度C，与溶质的分子量M成反比。

C:

一千克溶剂中所含溶质的克数

Kb和Kf分别是溶剂的沸点升高常数和冰点降低常数（度/重量摩尔浓度）

*****8．膜渗透压法

C：

溶液浓度（g/cm3），M：

溶质分子量。

若以g/cm2为单位，则：

高分子溶液不是理想溶液，渗透压和浓度的比值

（量纲是厘米）与浓度有关：

式中A2、A3分别称为第二、第三维利系数，它们表示与理想溶液的偏差。

根据Flory-Huggins的晶格模型，可推导出：

-是纯溶剂的摩尔体积

χ1-Huggins参数

χ1称为高分子与溶剂的相互作用参数，或称为Huggins参数，它反映了高分子与溶剂混合中相互作用能的变化。

RTχ1的物理意义是指当一个溶剂分子放入高分子中所产生的能量变化。

当χ1=1/2时，高分子溶液符合理想溶液的条件；

当χ1<1/2时，溶解过程的自发趋势更强，此时的溶剂称为该高分子的良溶剂；

当χ1>1/2时，高分子溶解过程趋于困难，相应的溶剂称为该高分子的劣溶剂。

A2的数值也可以看做是高分子链段间和高分子与溶剂分子之间相互作用的一种量度，它和高分子在溶液里的形态有密切关系。

在良溶剂中，高分子线团受溶剂化作用力的影响，呈现舒张松散状况，A2是正值，即χ1<1／2。

劣溶剂中，线团会紧缩，高分子在这种溶剂中不能溶解，χ1>1／2。

当A2=0时，链段间的吸引力和链段与溶剂分子间的引力相抵消，这时的溶液近似理想溶液，这时的温度称为θ温度，χ1=1/2。

*****9.粘度法测粘均分子量

*****10.凝胶渗透色谱法（GPC）

4.聚合物的力学性能

1.描述力学性能的基本物理量

5.高分子化学-绪论

1、基本概念

一个大分子往往是由许多相同的、简单的重复结构单元连接而成。

重复结构单元（RepeatingStructureUnit）：

大分子链上化学组成和结构均可重复出现的最小基本单元，可简称重复单元，又可称链节（ChainElement）

结构单元（StructureUnit）：

单体分子通过聚合反应进入大分子链的基本单元。

结构单元的元素组成可以与单体的元素组成相同，也可以不同。

单体单元（MonomerUnit）：

单体分子通过聚合反应形成的元素组成与单体完全相同的结构单元。

聚合度（DegreeofPolymerization）：

聚合物分子量大小的一个指标，在聚合物的分子结构式中以n表示，也称为链节数。

有两种表示方法：

以大分子链中的结构单元数目表示，记作Xn

以大分子链中的重复单元数目表示，记作DP

2.三大合成材料

塑料（Plastics）橡胶（Rubber）纤维（Fiber）

***3.常用聚合物的俗名及英文

名称

俗名

英文

名称

俗名

英文

聚乙烯

PE

Polyethylene

聚碳酸酯

PC

Polycarbonate

聚丙烯

PP

Polypropylene

聚丙烯酰胺

PAM

Polyacrylamide

聚异丁烯

PIB

Polyisobutylene

聚丙烯酸甲酯

PMA

Polymethylacrylate

聚苯乙烯

PS

Polystyrene

聚甲基丙烯酯甲酯

PMMA

Polymethylmethacrylate

聚氯乙烯

PVC

PolyvinylChloride

聚醋酸乙烯

PVAc

PolyvinylAcetate

聚四氟乙烯

PTFE

Polytetra-fluoroethylene

聚乙烯醇

PVA

PolyvinylAlcohol

聚丙烯酸

PAA

PolyacrylicAcid

聚丁二烯

PB

Polybutadiene

聚酯

PET

Polyester

聚丙烯腈

PAN

Polyacrylnitrile

4.按单体和聚合物的组成和结构变化分类

加聚反应（AdditionPolymerization）：

烯类单体因加成而聚合起来的反应加聚反应的生成物称加聚物（AdditionPolymer）

特点：

·聚合物的结构单元与单体组成相同，分子量是单体分子量的整数倍

缩聚反应（Polycondensation）：

单体经多次缩合而聚合起来的反应

缩聚反应的主产物为缩聚物（CondensationPolymer）。

特点：

·官能团之间反应，缩聚物有特征结构官能团；

·有低分子副产物；

缩聚物和单体分子量不成整数倍。

5.按聚合机理（Mechanism）或动力学（Kinetics）分类

连锁聚合（ChainPolymerization）

逐步聚合（StepwisePolymerization）

6.常用的聚合物的分子量（万）

塑料

分子量

纤维

分子量

橡胶

分子量

聚乙烯

6～30

涤纶

1.8～2.3

天然橡胶

20～40

聚氯乙烯

5～15

尼龙-66

1.2～1.8

丁苯橡胶

15～20

聚苯乙烯

10～30

维尼纶

6～7.5

顺丁烯胶

25～30

*****7.分子量的计算

6.缩聚及其他逐步聚合反应

1.官能度：

单体实际参加反应的官能团数目。

*****2.“官能团等活性”假定：

在一定的聚合度范围内，单体、低聚体、多聚体或高聚物，其两端基团的反应能力（基团活性）不随分子链的变化而变化，每一步反应的平衡常数K相同。

*****3.聚合度与反应程度p的关系

以等摩尔的二元酸和二元醇缩聚为例。

N0：

体系中的羧基数或羟基数，等于二元酸与二元醇的分子总数，也等于反应时间t时的结构单元数。

N：

反应到t时体系中残留的