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 高分子材料的結構、性能和制備高分子材料的結構、性能和制備 物質(zhì)結構基礎物質(zhì)結構基礎 緒論緒論 金屬材料的結構、性能和制備金屬材料的結構、性能和制備 無機非金屬材料的結構、性能和制備無機非金屬材料的結構、性能和制備 復合材料的結構、性能和制備復合材料的結構、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構高分子材料的組成和結構 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 高分子材料的結構、性能和制備高分子材料的結構、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構高分子材料的組成和結構 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分

3、子材料的組成和結構高分子材料的組成和結構 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結構高分子材料的組成和結構 1.11.1高分子材料組成和結構的基本特征高分子材料組成和結構的基本特征 （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，部分化學鍵，分子間力：范德華力，部分化學鍵， 分子內(nèi)共價鍵分子內(nèi)共價鍵 （4 4） 組成與結構的多層次性組成與結構的多層次性 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構高分子材料的組成和結構 1.2 1.2 高分子鏈結構高分子鏈結構 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 有機有機 C N O 無機無機 Si P S 元素有機元素有機 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：碳原子以共價鍵相連接。碳原子以共價鍵相連接。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 構成。構成。POM、PC等等 元素有機高分子：元素有機高分子：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，側鏈上含有有機取代基團。元素組成，側鏈上含有有機取代基團。 無機高分子：無機高分子：主鏈既不含碳原子，也不含有機取代基，主鏈既不含碳原子，也不含有機取代基， 純粹由其他元素構成。純粹由其他元素構成。 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”結構的高分子。結構的高分子。 1 1 高分子材料的組成和結構高分子材料的組成和結構 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1.2.2 1.2.2 結構單元及鍵接方式和鍵接序列結構單元及鍵接方式和鍵接序列 1 1 高分子材料的組成和結構高分子材料的組成和結構 單體分子結構完全對稱，鍵接方式只有一種。單體分子結構完全對稱，鍵接方式只有一種。PEPE等。等。 單體分子結構不對稱，鍵接方式

7、有三種：單體分子結構不對稱，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 兩種結構單元按一定比例無規(guī)則地交替鍵兩種結構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。 兩種結構單元有規(guī)則地交替鍵接形成高分子鏈。兩種結構單元有規(guī)則地交替鍵接形成高分子鏈。 具有一定長度的兩種均聚鏈段彼此無規(guī)則的鍵具有一定長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。 兩種結構單元分別構成主鏈和支鏈，形成支鏈兩種結構單元分別構成主鏈和支鏈，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構高分子材料的組成和結構 1.2.3 1.2.3 空間立體構型空間立體構型 全同立構全同立構 高分子鏈上每一個不對稱碳原子都具有相同構型，高分子鏈上每一個不對稱碳原子都具有相同構型， 或或d d構型，或構型，或l l構型。如果把高分子構型。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。布于主鏈平面的同側。 間同立構

11、間同立構 高分子鏈上相鄰的不對稱碳原子交替出現(xiàn)高分子鏈上相鄰的不對稱碳原子交替出現(xiàn)d d和和 l l構型，取代基配交替排布于高構型，取代基配交替排布于高 分子主鏈平面的兩側。分子主鏈平面的兩側。 無規(guī)立構無規(guī)立構 高分子鏈上每一個不對稱碳原子的構型是無規(guī)高分子鏈上每一個不對稱碳原子的構型是無規(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。分子主鏈平面的兩側。 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結構高分子材料的組成和結構 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 整個分子猶如一根線型長鏈，可能比較舒展，也可能卷曲成團。整個分子猶如一根線型長鏈，可能比較舒展，也可能卷曲成團。 高分子鏈上帶有一些長短不一的支鏈的高分子。高分子鏈上帶有一些長短不一的支鏈的高分子。 通過支鏈或化學鍵相接所形成的三維網(wǎng)狀結構的大分子。通過支鏈或化學鍵相接所形成的三維網(wǎng)狀結構的大分子。 相鄰的高分子鏈通過化學鍵鏈接起來。相鄰的高分子鏈通過化學鍵鏈接起來。 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構高分子材料的組成和結構 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構高分子材料的組成和結構 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 測試手段：測試手段：GPC College of Materials Science & Engineering NORTH U

16、NIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的組成和結構高分子材料的組成和結構 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構高分子材料的組成和結構 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構高分

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

20、整個非晶固體是均相的 （2）非晶結構局部有序）非晶結構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)結構晶態(tài)結構 晶胞晶胞 聚合物晶胞由一個或若干個高分子鏈的鏈段構成，聚合物晶胞由一個或若干個高分子鏈的鏈段構成， 不能形成立方晶系。不能形成立方晶系。 結晶鏈的構象結晶鏈的構象 長程有序排列。構象主要有平面鋸齒、螺

21、旋形構象、長程有序排列。構象主要有平面鋸齒、螺旋形構象、 伸直鏈構象、滑移面構象等。伸直鏈構象、滑移面構象等。 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，前者為結晶區(qū)，存在許多膠束和膠束間區(qū)域，前者為結晶區(qū)， 后者為非結晶區(qū)。后者為非結晶區(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構高分子材料的組成和結構 1.4.2 1.4.2 晶態(tài)結構晶態(tài)結構 結晶模型結晶模型 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 結晶形態(tài)結晶形態(tài) 1 1 高分子材料的組成和結構高分子材料的組成和結構 單晶單晶 物質(zhì)內(nèi)部的短程有序性和長程有序性貫穿物質(zhì)內(nèi)部的短程有序性和長程

23、有序性貫穿 整個晶體，最完整的一種晶體結構。多從線型高分整個晶體，最完整的一種晶體結構。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 由許多個取向不同的晶粒組成，不具有多面由許多個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)部組織復雜的多晶體，由具有球形界面、內(nèi)部組織復雜的多晶體，由 扭曲的晶片構成。以核為起點，球形對稱地長起來。扭曲的晶片構成。以核為起點，球形對稱地長起來。 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：具有伸直鏈結構的中心軸：具有伸直鏈結構的中心軸 周圍間隔地生長著由折疊鏈構成的片晶周圍間隔地生長著由折疊鏈構成的片晶 1 1 高分子材料的組成和結構高分子材料