高分子材料的结构及其性能

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第三节、高,分,分子材料的,结,结构与性能,高分子材料(Polymer,)又叫做,高分子化合,物,物,或者,高分子聚合,物,物,，简称,高聚物材料,，是以高分,子,子化合物为,主,主要组分的,有,有机材料，,可,可,分为天然高,分,分子材料和,人,人工合成高,分,分子材料两,大,大类,。,天然高分子,材,材料包括如,蚕,蚕丝、羊毛,、,、纤维素、,油,油脂、天然,橡,橡胶、淀粉,和,和蛋白质等,。,。,人工合成高,分,分子材料包,括,括如塑料、,合,合成橡胶、,胶,胶粘剂和涂,料,料等。工程,上,上使用的主,要,要是人工合,成,成的高分子,材,材料。,一、高聚物,的,的基本概念,1、高聚物,和,和低聚物,高分子化合,物,物是指相对,分,分子质量很,大,大的化合物,，,，其相对分,子,子质量在5000以上,，,，有的甚至,高,高达几百万,。工程上认,为,为，高聚物,作,作为材料，,须,须具有较高,的,的强度、塑,性,性和弹性等,力,力学性能。,低分子化合,物,物（低聚物,）,）是指相对,分,分子量在500以下,。,相对分子量,介,介于5005000,之,之间的化合,物,物，究竟是,属,属于低分子,还,还是高分子,，,，这主要由,他,他们的物理,、,、机械性能,来,来决定,。,一般来说，,高,高分子化合,物,物具有较好,的,的弹性、塑,性,性和强度，,而,而低分子化,合,合物这些性,能,能则较低。,2、单体,高分子化合,物,物是由低分,子,子化合物通,过,过聚合反应,获,获得。,组成高分子,化,化合物的低,分,分子,化合物称作,单,单体,。所以我们,经,经,常说，高分,子,子化合物是,由,由单体,合成的，单,体,体是高分子,化,化合物,的合成原料,。,。如图16-2，聚乙,烯是由乙烯,（,（CH,2,CH,2,）单,体聚合而成,的,的。,高分子化合,物,物的相对分,子,子质,量很大，主,要,要呈长链形,，,，因此,常称作大分,子,子链或者分,子,子链,。,大分子链极,长,长，可达几,百,百纳米以上,，,，而截面一,般,般小于1nm。,3、链节和,聚,聚合度,大分子链由,许,许许多多结,构,构相同的基,本,本单元重复,连,连接构成，,组,组成大分子,链,链的这种基,本,本结构单元,称,称作链节,。例如，聚,乙,乙烯大分子,链,链的结构式,为,为，,可以简写为,，,，,。,。,它,它是由许多-CH2-CH2-结,构,构单元重复,连,连接构成的,，,，这个结构,单,单元就叫做,聚,聚乙烯的链,节,节。,链节的结构,和,和成分代表,高,高分子化合,物,物的结构和,成,成分，是合,成,成高分子化,合,合物的各单,体,体结构的特,定,定连接体,。,书上表1-12给出了,几,几种高分子,化,化合物的单,体,体和链节。,链节的结构,和,和成分代表,高,高聚物的结,构,构和成分。,高聚物的每,个,个大分子由,大,大量链节组,成,成，链节的,重,重复次数就,叫,叫做聚合度,，,，以,n,表示,4、多分散,性,性和平均相,对,对质量,高聚物由大,量,量大分子链,组,组成，各个,大,大分子链的,链,链节数不同,，,，分子的长,短,短、,不一，即相,对,对分子质量,不,不等。可以,说,说，,高聚物是相,对,对分子量不,等,等的同系物,的混合物,，,这种相对质,量,量的不均一,性,性，称为相,对,对分子质量,的,的分散性,。,这是,高聚物和低,分,分子化合物,不,不同的一大,特,特点,。,由于高聚物,相,相对分子质,量,量的多分散,性,性，其相对,分,分子质量只,是,是一平均值,，,，,直观的表示,方,方法是,相对分子质,量,量分布函数,。,但大多数情,况,况下，还是,直,直接测定其,平均相对分,子,子质量,。平均相对,分,分子质,量有不同的,统,统计方法，,因,因而具有各,种,种不同的表,述,述方式：,重量平均摩,尔,尔质量：,式,式中，,M,i,是高聚物每,个,个链,节尺寸范围,内,内的平均摩,尔,尔重量，,f,i,是相应链节,范,范围高聚物,的,的重量分数,。,。,数量平均摩,尔,尔质量：,式,式中，,x,i,是每个链节,尺,尺寸,范围占整个,链,链节的数量,分,分数。,二、高聚物,材,材料分类,可以从不同,的,的角度对高,聚,聚物,材料进行分,类,类，主要有,以,以下几种：,1、按照分,子,子链结构形,态,态分类,可分为线形,高,高聚物和支,链,链高,聚物,，如图16-1所示。,线形高聚物,是,是由像缠绕,的,的粉,丝一样的分,子,子链组成。,而,而在支链,高聚物中，,既,既有主分子,链,链，还有,由主分子链,衍,衍生的较小,的,的次分,子链。,2、按高聚,物,物的性能和,用,用途进行分,类,类,根据高聚物,所,所形成材料,的,的性能和用,途,途，常将,高聚物分为,塑,塑料、橡胶,、,、纤维三大,类，如果加,上,上涂料、粘,合,合剂，则可,分,分为五大类,。,（1）塑料,：,：,以树脂为主,要,要成分，加,入,入或者不加,入,入添加剂，,在,在加工过程,中,中能流动成,型的材料,。,按应用情况,，,，塑料分为,通用塑料、,工,工程塑料、,耐,耐高温塑料,和,和特种塑料,等。,塑料按其热,行,行为，可分,为,为,热塑性塑料,和,和热固性塑,料,料,。,热塑性塑料,是,是在特定温,度,度范围内能,够,够反复加热,软,软化和冷却,硬,硬化的塑料,，,，一般具,有线型和低,支,支链结构,，如聚乙烯,、,、聚丙烯等,。,。,热固性塑料,加,加热成型后,，,，转变为不,熔,熔不溶的网,状,状结构，不,能,能进行二次,成,成型加,工,，如环氧塑,料,料、酚醛塑,料,料等。,（2）橡胶,：,：,橡胶是具有,可,可逆形变的,高,高弹性聚合,物,物材料,，如天然橡,胶,胶、丁苯,橡胶等。,橡胶与塑料,的,的区别是室,温,温下弹性模,量,量数值相差,几,几个数量级,。,。如常温下,，,，,弹性模量在,（,（0.24）10*E9Pa,的,的为塑料，,在,在（0.28）10*E5Pa的为,橡胶。,（3）纤维,：,：,柔韧而纤细,的,的丝状物，,由,由一类能被,高,高度拉伸的,高,高聚物制成,。,如锦,纶,纶（,尼,尼龙-6,）,）、,涤,涤纶,（,（聚,对,对苯,二,二甲,酸,酸乙,二,二醇,酯,酯）,。,。,3、,按,按高,链,链结,构,构的,组,组成,元,元素,分,分类,根据,高,高链,结,结构,组,组成,元,元素,，,，将,聚合,物,物分,为,为碳,链,链、,杂,杂链,和,和元,素,素有,机,机三,类,类,。,大分,子,子链,根,根据,组,组成,元,元素,不,不同,可,可分,为,为三,类,类：,碳,碳链,大,大分,子,子、,杂,杂链,大,大分,子,子和,元素,链,链大,分,分子,。,碳链,大,大分,子,子的,主,主链,全,全部,由,由碳,原,原子,以,以共,价,价键,相,相连,接,接，,即,即-C-C-C-,，,，如,聚,聚乙,烯,烯、,聚,聚苯,乙,乙烯,等,等。,杂链,大,大分,子,子除,有,有碳,原,原子,外,外，,还,还有,氧,氧、,氮,氮、,硫,硫、,磷,磷等,，,，他,们,们以,共,共价,键,键相,连,连,接，,即,即-C-C-O-C-C,，,，-C-C-S-C-Si-C,等,等。,如,如聚,甲,甲苯,、,、聚,酰,酰胺,等,等。,元素,链,链大,分,分子,不,不含,碳,碳原,子,子，,而,而是,由,由硅,、,、氧,、,、硼,、,、硫,、,、磷,等,等元,素,素组,成,成，,如,如-,Si-O-,Si-Si-Si-,等,等。,如,如氟,硅,硅橡,胶,胶。,三、,高,高聚,物,物的,合,合成,由低,分,分子,单,单体,合,合成,高,高聚,物,物的,反,反应,，,，称,作,作聚,合,合反,应,应,。常,用,用的,聚,聚合,反,反应,有,有加,聚合,反,反应,，,，简,称,称加,聚,聚反,应,应，,以,以及,缩,缩合,聚,聚合,反,反应,，,，简,称,称缩,聚,聚反,应,应两,种,种。,加聚,反,反应,是,是指,一,一种,或,或者,几,几种,单,单体,相,相互,加,加成,而,而连,接,接成,聚,聚合,物,物的,反,反应,。反,应,应,过程,中,中没,有,有副,产,产品,生,生成,，,，所,以,以生,成,成物,和,和单,体,体具,有,有相,同,同的,成,成分,。,。如,图,图16-4,加聚,反,反应,是,是当,前,前高,分,分子,合,合成,工,工业,的,的基,础,础，,约,约有80%的,高,高分,子,子材,料,料是,利,利用,加聚,反,反应,生,生产,的,的。,缩聚,反,反应,是,是指,一,一种,或,或者,几,几种,单,单体,相,相互,混,混合,而,而连,接,接成,聚,聚合,物,物，,同,同时,析,析出,（缩,去,去）,某,某种,低,低分,子,子物,质,质（,如,如水,、,、氨,、,、醇,、,、卤,化,化氢,等,等）,的,的反,应,应。,缩聚,反,反应,生,生成,物,物与,单,单体,不,不同,，,，反,应,应也,较,较复,杂,杂。,如,如图16-5,，,，二,甲,甲基,对,对苯,二,二甲,酸,酸和,乙二,醇,醇的,缩,缩聚,反,反应,中,中，,乙二,醇,醇单,体,体末,端,端的,氢,氢原,子和,二,二甲,基,基对,苯,苯二,甲,甲酸,中的,甲,甲氧,基,基（OCH3)原,子团,结,结合,成,成甲,醇,醇,（CH3OH)被,“,“缩,”,”掉,，,，,而两,个,个单,体,体聚,合,合成,为,为一,个更,大,大原,子,子的,对,对苯,二甲,酸,酸乙,二,二醇,聚,聚酯,。,。,四、,高,高分,子,子材,料,料的,结,结构,1、,大,大分,子,子链,的,的结,构,构,（1,）,）大,分,分子,链,链的,形,形态,大分,子,子链,可,可呈,现,现不,同,同的,几,几何,形,形状,，,，主,要,要,有线,型,型、,支,支化,型,型和,体,体型,（,（网,型,型）,等,等三,类,类,。,A、,线,线,型,型分,子,子链,：,：各,链,链节,以,以共,价,价键,连,连接,成线,型,型长,链,链分,子,子，,其,其直,径,径小,于,于1nm,，,，而,长,长度,可,可大,于,于几,百,百乃,至,至上,千,千nm。,如,如图1-37(a)。,B、,支,支化,型,型分,子,子链,：,：在,主,主链,的,的两,侧,侧以,共,共价,键,键连,接,接相,当,当数,量,量的,长,长短,不,不一,的,的支,链,链，,其,其形,状,状有,树,树,枝型,、,、梳,型,型、,线,线团,型,型。,如,如图1-37(b)。,C、,体,体型/网,状,状/,交,交联,型,型分,子,子链,：,：在,线,线型,或,或者,支,支化,型,型分,子,子链,之,之间,，,，沿,横,横向,通,通过,链,链节,以,以共,价,价键,连,连,接起来,，,，形成,的,的三维,（,（空间,）,）网状,大,大分子,。,。如图1-37（c,）,）。,分子链,的,的形态,对,对聚合,物,物性能,有,有显著,影,影响。,线型和,支,支化型,分,分子链,构,构成的,聚,聚合物,统,统称为,线,线型聚,合物,。线型,聚,聚合物,具,具有高,弹,弹性和,热,热塑性,，,，也就,是,是说，,可,可以通,过,过加热,和,和冷却,的,的方法,使,使其重,复,复地,软化/,熔,熔化和,硬,硬化/,固,固化，,线,线型聚,合,合物又,叫,叫做热,塑,塑性聚,合,合物。,例,例如，,涤,涤纶、,尼,尼龙、,生,生橡胶,等,等。,体型分,子,子链构,成,成的聚,合,合物叫,做,做体型,聚,聚合物,。体型,聚,聚合物,