《高分子物理第一章》課件

高分子物理第一章本章節(jié)將介紹高分子的基本概念和性質(zhì),為后續(xù)的高分子物理學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。我們將首先定義什么是高分子,并探討其分類、分子量及測(cè)定方法,最后深入討論高分子的結(jié)構(gòu)和相變行為。ppbypptppt什么是高分子高分子是由許多相同或不同的基本單元(稱為單體)通過(guò)共價(jià)鍵連接形成的大分子化合物。這些大分子可以由天然或人工合成制得,廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,如塑料、橡膠、紡織品等。了解高分子的基本特性對(duì)于開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新型高分子材料非常重要。高分子的定義高分子的組成高分子是由許多相同或不同的基本單元(單體)通過(guò)共價(jià)鍵連接而成的大分子。高分子的分子量高分子的分子量通常很大,通常在萬(wàn)道爾頓量級(jí),比一般小分子化合物大得多。高分子的性質(zhì)由于其龐大的分子量,高分子材料展現(xiàn)出獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。高分子的分類天然高分子由生物體內(nèi)天然存在的單體如糖、氨基酸等聚合而成,如蛋白質(zhì)、核酸、多糖等。合成高分子人工合成的高分子,如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等,廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。分子量高分子的分子量通常大于萬(wàn)道爾頓,是小分子化合物分子量的幾百到幾千倍。天然高分子纖維素纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分,是由葡萄糖單元構(gòu)成的線性高分子。是天然界最豐富的有機(jī)化合物之一。淀粉淀粉是植物體內(nèi)儲(chǔ)存的主要碳水化合物,由葡萄糖單元以α-1,4糖苷鍵連接而成的高分子。幾丁質(zhì)幾丁質(zhì)是節(jié)肢動(dòng)物外骨骼和真菌細(xì)胞壁的主要成分,由N-乙酰氨基葡萄糖單元構(gòu)成的線性高分子。合成高分子合成高分子是人工合成的大分子化合物,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)從小分子單體聚合而成。這些高分子材料具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能,廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、纖維、涂料等工業(yè)領(lǐng)域。合成高分子的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可以根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控,為材料科學(xué)的發(fā)展提供了廣闊的空間。高分子的分子量高分子的分子量是衡量其大小的重要指標(biāo)。相比傳統(tǒng)小分子化合物,高分子的分子量通常非常大,通常在萬(wàn)道爾頓量級(jí)。這是高分子材料獨(dú)特性能的重要原因之一。高分子的分子量分布分子量不均一性高分子通常不是單一分子量,而是存在分子量分布。這是因?yàn)楦叻肿拥暮铣蛇^(guò)程中存在統(tǒng)計(jì)波動(dòng)。數(shù)平均分子量數(shù)平均分子量是根據(jù)各種分子量的出現(xiàn)概率加權(quán)平均得出的。它反映了整個(gè)高分子樣品的整體分子量情況。質(zhì)量平均分子量質(zhì)量平均分子量則是根據(jù)各分子量對(duì)總質(zhì)量的貢獻(xiàn)加權(quán)平均得出。它更多地體現(xiàn)了高分子樣品中大分子的影響。高分子的平均分子量數(shù)平均分子量數(shù)平均分子量是根據(jù)每種分子量的出現(xiàn)概率計(jì)算得出的平均值。它反映了整個(gè)高分子樣品的整體分子量狀況。質(zhì)量平均分子量質(zhì)量平均分子量則是根據(jù)各分子量對(duì)總質(zhì)量的貢獻(xiàn)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算。它更多地體現(xiàn)了高分子樣品中大分子的影響。粘度平均分子量粘度平均分子量是通過(guò)測(cè)量高分子溶液的粘度得出的。這個(gè)指標(biāo)可以反映高分子鏈段的長(zhǎng)度和分子量分布。相互關(guān)系這三種平均分子量之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系,反映了高分子分子量分布的特點(diǎn)。高分子的粘度平均分子量分子量定義粘度平均分子量是通過(guò)測(cè)量高分子溶液的粘度來(lái)估算的一種平均分子量。反映大分子相比其他平均分子量,粘度平均分子量更反映了高分子樣品中大分子的影響。測(cè)定方法通過(guò)高分子溶液的固有粘度與分子量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,可以計(jì)算出粘度平均分子量。高分子的數(shù)平均分子量定義數(shù)平均分子量是根據(jù)每種分子量的出現(xiàn)概率進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得到的。它反映了整個(gè)高分子樣品的整體分子量情況。計(jì)算方法用各分子量Mi出現(xiàn)的次數(shù)Ni來(lái)計(jì)算，公式為Mn=Σ(Ni×Mi)/ΣNi。這種方法更多地考慮了低分子量成分的影響。特點(diǎn)數(shù)平均分子量相對(duì)較小,它更多地反映了高分子樣品中小分子的影響。這對(duì)于了解高分子的物理化學(xué)性質(zhì)很重要。應(yīng)用數(shù)平均分子量是高分子結(jié)構(gòu)表征的常用指標(biāo),可以為高分子材料的性能預(yù)測(cè)和配方設(shè)計(jì)提供參考。高分子的質(zhì)量平均分子量定義與計(jì)算質(zhì)量平均分子量是根據(jù)各分子量對(duì)總質(zhì)量的貢獻(xiàn)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得出的。其公式為Mw=Σ(wi×Mi)/Σwi，其中wi為各分子量段的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。反映大分子與數(shù)平均分子量相比,質(zhì)量平均分子量更多地體現(xiàn)了高分子樣品中大分子的影響。它更能代表高分子的整體分子量特征。與性能的關(guān)系高分子的質(zhì)量平均分子量直接影響其物理化學(xué)性質(zhì),如機(jī)械強(qiáng)度、流變行為等。因此在高分子材料設(shè)計(jì)時(shí),質(zhì)量平均分子量是一個(gè)重要參數(shù)。高分子的分子量測(cè)定方法測(cè)定高分子分子量大小及分布的方法主要有四種:滲透壓法、光散射法、粘度法和沉淀法。這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以從不同角度反映高分子的平均分子量和分子量分布特點(diǎn)。滲透壓法1基本原理利用高分子溶液與溶劑之間的滲透壓差,通過(guò)測(cè)量溶液的滲透壓來(lái)計(jì)算高分子的平均分子量。2操作步驟在滲透壓計(jì)中,將高分子溶液和純?nèi)軇└糸_(kāi),記錄溶液與溶劑之間的溫度差和壓力差。3數(shù)據(jù)分析根據(jù)滲透壓與濃度、分子量之間的關(guān)系式,可以推算出高分子的數(shù)平均分子量。4適用范圍滲透壓法適用于分子量較小的高分子,如合成高分子和一些天然高分子。光散射法原理高分子溶液受光照射時(shí)會(huì)發(fā)生光散射現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量散射光的強(qiáng)度和角度,可以推算出高分子的分子量。優(yōu)勢(shì)光散射法可以測(cè)定高分子廣泛的分子量范圍,從幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)道爾頓都適用。是一種直接的分子量測(cè)定方法。操作在光散射儀中,高分子溶液受激光照射,產(chǎn)生的散射光強(qiáng)與分子量呈某種關(guān)系,通過(guò)計(jì)算可得分子量。粘度法測(cè)量原理通過(guò)測(cè)量高分子溶液的固有粘度,可以根據(jù)它與分子量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)計(jì)算高分子的平均分子量。適用范圍粘度法適用于測(cè)定廣泛分子量范圍內(nèi)的高分子,尤其適合于分子量較高的聚合物。數(shù)據(jù)分析通過(guò)建立固有粘度-分子量的經(jīng)驗(yàn)公式,就可以由溶液粘度反推出高分子的粘度平均分子量。沉淀法基本原理利用高分子在特定條件下與溶劑或試劑反應(yīng),形成沉淀的方法測(cè)定其平均分子量。操作步驟將高分子溶液加入沉淀劑中,使高分子沉淀下來(lái),然后測(cè)定沉淀的質(zhì)量和濃度。適用范圍沉淀法適用于分子量較大的天然高分子,如蛋白質(zhì)、核酸等,比較簡(jiǎn)單實(shí)用。高分子的結(jié)構(gòu)高分子材料的結(jié)構(gòu)特征決定了其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。了解高分子鏈的構(gòu)象、取向及纏結(jié)狀態(tài)等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)非常重要。高分子鏈的構(gòu)象隨機(jī)盤繞高分子鏈在溶液中通常呈現(xiàn)出隨機(jī)盤繞的構(gòu)象,這是由于分子內(nèi)和分子間的熱運(yùn)動(dòng)所致。這種構(gòu)象有利于提高高分子鏈的熵。鏈段伸展在外力或特定環(huán)境作用下,高分子鏈可以從隨機(jī)盤繞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)伸展的構(gòu)象。這種構(gòu)象有利于提高高分子的力學(xué)強(qiáng)度等性能。鏈段收縮由于熱力學(xué)因素或化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化,高分子鏈也可以從伸展?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦o湊的球狀構(gòu)象。這種收縮有利于提高高分子的密度。高分子鏈的伸展拉伸力作用當(dāng)高分子鏈?zhǔn)艿酵獠坷炝ψ饔脮r(shí),會(huì)從原有的隨機(jī)盤繞狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為伸展的構(gòu)象。這種構(gòu)象變化會(huì)影響高分子的力學(xué)性能。取向有序化鏈段伸展過(guò)程中,高分子分子鏈會(huì)趨向于較為有序的取向排列,從而提高材料的各向異性特性。這對(duì)于制造高性能聚合物材料很重要。親核官能團(tuán)效應(yīng)伸展過(guò)程中,高分子鏈上的親核性官能團(tuán)會(huì)更容易暴露,從而提高化學(xué)反應(yīng)活性。這種效應(yīng)在高分子改性和功能化中有廣泛應(yīng)用。高分子鏈的卷曲隨機(jī)盤繞由于熱運(yùn)動(dòng)的作用,高分子鏈往往呈現(xiàn)出隨機(jī)盤繞的構(gòu)象。這種構(gòu)象使分子鏈取向無(wú)序,增加了整體的熵。收縮折疊當(dāng)高分子鏈?zhǔn)艿饺軇┵|(zhì)量、溫度等因素的影響時(shí),會(huì)從伸展?fàn)顟B(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦泳o湊的球狀構(gòu)象。這種收縮有利于提高高分子的密度。hairpin折疊高分子鏈上的特定結(jié)構(gòu)基團(tuán)(如芳環(huán)、氫鍵等)會(huì)促進(jìn)局部鏈段發(fā)生折疊,形成類似"發(fā)夾"的構(gòu)象。這種局部取向有利于提高高分子的剛性。溶劑化效應(yīng)溶劑分子與高分子鏈之間的相互作用會(huì)影響鏈段的構(gòu)象。良溶劑可以使高分子鏈伸展,而差溶劑則會(huì)促進(jìn)鏈段的收縮。高分子鏈的纏結(jié)鏈段纏結(jié)高分子鏈在溶液或熔體中會(huì)相互纏結(jié),形成復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種纏結(jié)狀態(tài)會(huì)影響高分子的流變性、阻尼特性等性能。鏈段重疊纏結(jié)狀態(tài)下,高分子鏈之間會(huì)發(fā)生大量的重疊和交叉,使整個(gè)系統(tǒng)的自由度受限,從而表現(xiàn)出玻璃化或固化的特性。鏈段纏繞高分子鏈的纏結(jié)主要通過(guò)鏈段之間的機(jī)械纏繞和物理交織實(shí)現(xiàn)。這種固有的鏈段纏結(jié)會(huì)賦予高分子獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。高分子的無(wú)定形態(tài)無(wú)規(guī)則分布高分子在無(wú)定形態(tài)下,其分子鏈段無(wú)規(guī)則地分布,并沒(méi)有形成長(zhǎng)程有序的結(jié)構(gòu)。這種無(wú)序狀態(tài)賦予了高分子一些獨(dú)特的性能。玻璃化轉(zhuǎn)變無(wú)定形態(tài)的高分子在特定溫度下會(huì)發(fā)生從柔軟流動(dòng)到硬脆玻璃的轉(zhuǎn)變,這個(gè)溫度被稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。動(dòng)力學(xué)特性無(wú)定形態(tài)高分子的分子鏈在熱運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)出較高的自由度和靈活性,這決定了其獨(dú)特的黏彈性、阻尼特性等動(dòng)力學(xué)性能。高分子的結(jié)晶態(tài)晶體結(jié)構(gòu)高分子在結(jié)晶態(tài)下,其分子鏈排列有序,呈現(xiàn)出長(zhǎng)程的結(jié)構(gòu)規(guī)則性。這種有序的晶體結(jié)構(gòu)賦予高分子獨(dú)特的剛性和力學(xué)強(qiáng)度。結(jié)晶度高分子材料中通常既有結(jié)晶態(tài)區(qū)域,也有無(wú)定形態(tài)區(qū)域。結(jié)晶度的高低會(huì)顯著影響材料的密度、透明度、熔點(diǎn)等性質(zhì)。影響因素化學(xué)結(jié)構(gòu):對(duì)稱性高、極性弱的高分子更易結(jié)晶分子量:分子量適中時(shí),結(jié)晶性更好取向:外力作用下高分子鏈取向有序,有利于結(jié)晶應(yīng)用高結(jié)晶度的高分子材料通常用于制造剛性強(qiáng)、耐熱的工程塑料。降低結(jié)晶度可以提高透明性,用于制造光學(xué)元件。高分子的玻璃態(tài)無(wú)長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)高分子在玻璃態(tài)下,其分子鏈無(wú)規(guī)則地分布,沒(méi)有形成長(zhǎng)程有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高分子材料在特定溫度下會(huì)從柔軟、流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊嗟牟ＡB(tài),這一溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。動(dòng)力學(xué)特性玻璃態(tài)高分子表現(xiàn)出較高的分子鏈活動(dòng)受限性,從而呈現(xiàn)出高剛性、高強(qiáng)度、低延展性等力學(xué)性能。高分子的熔融態(tài)分子鏈解纏在熔融狀態(tài)下,高分子分子鏈從之前的纏結(jié)狀態(tài)逐步解開(kāi),呈現(xiàn)出較高的自由度和流動(dòng)性。這種結(jié)構(gòu)變化賦予了熔融高分子良好的加工成型特性。無(wú)定形結(jié)構(gòu)熔融態(tài)下,高分子鏈段無(wú)規(guī)則地分布,沒(méi)有形成長(zhǎng)程有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。這種無(wú)定形結(jié)構(gòu)使材料具有優(yōu)良的流變性和成型性能?？赡嫦嘧兏叻肿訌墓虘B(tài)進(jìn)入熔融態(tài)是一種可逆的相變過(guò)程。當(dāng)溫度降低時(shí),熔融態(tài)高分子又會(huì)轉(zhuǎn)變回固態(tài)。這種可逆性使高分子材料具有良好的加工性和再生性。高分子的相變玻璃化轉(zhuǎn)變高分子在特定溫度下從柔軟流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊嗖ＡB(tài),這個(gè)溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。這種轉(zhuǎn)變是無(wú)定形高分子獨(dú)特的相變行為。熔融-結(jié)晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶性高分子