《高聚物的分子運(yùn)動(dòng)》課件

高聚物的分子運(yùn)動(dòng)高分子材料是由長(zhǎng)鏈的分子組成的，而這些長(zhǎng)鏈的分子擁有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為分子運(yùn)動(dòng)。分子運(yùn)動(dòng)的影響巨大，決定了材料的很多物理性質(zhì)，比如強(qiáng)度，韌性，熔點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等。課程目標(biāo)理解高聚物的基本概念包括高聚物的定義、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分子量分布等。掌握高聚物的分子運(yùn)動(dòng)理論重點(diǎn)學(xué)習(xí)隨機(jī)走動(dòng)模型、高斯鏈模型、自由體積理論等。了解高聚物材料的性質(zhì)和應(yīng)用例如高分子材料的粘度、擴(kuò)散、玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶等特性。高聚物的定義和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鏈狀結(jié)構(gòu)高分子是由許多重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元（單體）通過(guò)化學(xué)鍵連接而成的長(zhǎng)鏈狀分子。這些鏈可以是直鏈的，也可以是支鏈的或交聯(lián)的。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀高分子是由許多長(zhǎng)鏈高分子通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)連接形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常具有較高的強(qiáng)度和剛性。高分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性高分子的結(jié)構(gòu)可以非常復(fù)雜，其特性受許多因素影響，包括鏈的長(zhǎng)度、分支、交聯(lián)度和取向。高聚物的分子量分布高聚物通常不是單一分子量的物質(zhì)，而是不同分子量聚合物的混合物。每個(gè)聚合物分子都有特定的分子量，而不同的聚合物分子具有不同的分子量。分子量分布是指各種分子量聚合物的相對(duì)數(shù)量，它可以描述高聚物樣品中不同分子量聚合物的比例分布。Mn數(shù)均分子量所有分子量的平均值，反映了分子數(shù)量上的分布。Mw重均分子量以分子質(zhì)量加權(quán)的平均值，反映了質(zhì)量上的分布。Mz粘均分子量反映了不同分子量聚合物的粘度貢獻(xiàn)。Mv體積均分子量反映了不同分子量聚合物的體積貢獻(xiàn)。高聚物的統(tǒng)計(jì)力學(xué)描述統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)高分子鏈的運(yùn)動(dòng)可以用統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法描述，通過(guò)考慮鏈的構(gòu)象和能量變化，我們可以得到鏈的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，例如鏈的尺寸和形狀等。構(gòu)象統(tǒng)計(jì)高分子鏈的構(gòu)象是指鏈中每個(gè)鍵的取向和角度，不同的構(gòu)象對(duì)應(yīng)不同的能量，而統(tǒng)計(jì)力學(xué)可以計(jì)算出各種構(gòu)象出現(xiàn)的概率。能量變化鏈的能量變化包括鍵能、非鍵相互作用、溶劑相互作用等，這些能量變化會(huì)影響鏈的構(gòu)象和運(yùn)動(dòng)。熱力學(xué)性質(zhì)高分子鏈的熱力學(xué)性質(zhì)，例如熵和吉布斯自由能，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法計(jì)算出來(lái)，這些熱力學(xué)性質(zhì)可以解釋高分子材料的物理性質(zhì)，例如熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等。隨機(jī)走動(dòng)模型1定義模型假設(shè)聚合物鏈段隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，類(lèi)似于醉漢行走2步驟鏈段在空間中以等概率向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)3應(yīng)用簡(jiǎn)單但有效，能解釋高分子鏈的均方根末端距4局限忽略鏈段之間的相互作用隨機(jī)走動(dòng)模型為理解高分子鏈的運(yùn)動(dòng)提供了基礎(chǔ)。高斯鏈模型1高斯鏈模型高斯鏈模型是一種描述高分子鏈構(gòu)象的數(shù)學(xué)模型，它假設(shè)高分子鏈中的鍵長(zhǎng)和鍵角是固定的，并且鏈中的各個(gè)鏈段之間沒(méi)有相互作用。2隨機(jī)游走高斯鏈模型將高分子鏈的運(yùn)動(dòng)視為一個(gè)隨機(jī)游走過(guò)程，每個(gè)鏈段可以向任何方向移動(dòng)，移動(dòng)的距離和方向是隨機(jī)的。3概率分布高斯鏈模型假設(shè)每個(gè)鏈段的運(yùn)動(dòng)都是獨(dú)立的，因此鏈段的概率分布服從高斯分布。高斯鏈的靜態(tài)性質(zhì)11.均方根末端距高斯鏈模型描述了高聚物鏈的靜態(tài)性質(zhì)，其中均方根末端距是一個(gè)重要的參數(shù)，用來(lái)描述鏈的平均尺寸。22.鏈的柔性高斯鏈模型可以用來(lái)估計(jì)高聚物鏈的柔性，即鏈的彎曲程度，這與鏈段之間的相互作用力有關(guān)。33.鏈的體積高斯鏈模型可以計(jì)算鏈的體積，即鏈占據(jù)的空間大小，這與鏈的長(zhǎng)度和柔性有關(guān)。44.鏈的構(gòu)象高斯鏈模型可以用來(lái)研究鏈的構(gòu)象，即鏈在空間中的排列方式，這與鏈段之間的相互作用力以及外場(chǎng)的影響有關(guān)。高斯鏈的動(dòng)態(tài)性質(zhì)弛豫時(shí)間高斯鏈的弛豫時(shí)間取決于鏈段的運(yùn)動(dòng)，主要包括鏈段旋轉(zhuǎn)和鏈段間相對(duì)位移。擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)與鏈段運(yùn)動(dòng)的速率成正比，反映了高分子鏈在溶液或熔體中的運(yùn)動(dòng)速度。粘度高斯鏈的粘度與鏈段的纏結(jié)程度和運(yùn)動(dòng)速率相關(guān)，反映了高分子材料的流動(dòng)性。非高斯鏈的靜態(tài)性質(zhì)鏈段的自由旋轉(zhuǎn)高分子鏈中，鏈段之間的旋轉(zhuǎn)自由度受到限制，鏈段的運(yùn)動(dòng)方向有一定程度的限制。這些限制因素包括鏈段之間的空間位阻、極性基團(tuán)之間的相互作用以及鏈段的剛性等。鏈段的排斥作用高分子鏈段之間存在著排斥作用，這會(huì)導(dǎo)致鏈段之間的相互作用，并影響鏈段的運(yùn)動(dòng)和構(gòu)象。鏈段的排斥作用可以是范德華力、偶極力或靜電力等。非高斯鏈的動(dòng)態(tài)性質(zhì)鏈段運(yùn)動(dòng)非高斯鏈的鏈段運(yùn)動(dòng)受限于鏈的柔性和相互作用。擴(kuò)散非高斯鏈的擴(kuò)散受限于鏈段運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)非高斯型擴(kuò)散。弛豫非高斯鏈的弛豫時(shí)間更長(zhǎng)，反映鏈段運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。自由體積理論自由體積理論是解釋高聚物分子運(yùn)動(dòng)的重要理論之一。它認(rèn)為高聚物鏈段并非完全填滿(mǎn)空間，而是存在一些空隙，稱(chēng)為自由體積。1自由體積的定義高聚物鏈段之間存在的空隙2自由體積的影響影響高聚物的流動(dòng)性、擴(kuò)散、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度3自由體積的測(cè)量利用密度、粘度、擴(kuò)散系數(shù)等方法4自由體積的應(yīng)用解釋高聚物材料的性能，如粘度、擴(kuò)散、溶解性等自由體積理論的應(yīng)用1解釋粘度自由體積理論解釋了聚合物的粘度，它隨著溫度的升高而下降。2預(yù)測(cè)擴(kuò)散系數(shù)自由體積理論預(yù)測(cè)了聚合物在溶劑中的擴(kuò)散系數(shù)，它與分子量和溫度有關(guān)。3理解玻璃化轉(zhuǎn)變自由體積理論解釋了玻璃化轉(zhuǎn)變，它與聚合物鏈段運(yùn)動(dòng)和自由體積的降低有關(guān)。4指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)自由體積理論可以指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)，例如開(kāi)發(fā)具有特定溫度性能的聚合物材料。粘度-分子量關(guān)系高聚物的粘度與其分子量密切相關(guān)。通常情況下，隨著分子量的增加，高聚物的粘度也會(huì)隨之增大。這種關(guān)系可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性方程來(lái)描述。粘度-分子量關(guān)系是高分子物理學(xué)中的一個(gè)重要概念。它可以用來(lái)預(yù)測(cè)高聚物的粘度，并幫助我們理解高聚物的流動(dòng)行為。例如，在聚合物加工過(guò)程中，粘度是決定加工溫度和速度的重要因素。擴(kuò)散-分子量關(guān)系分子量擴(kuò)散系數(shù)較小較大較大較小高分子鏈的擴(kuò)散系數(shù)與其分子量密切相關(guān)。分子量越大，擴(kuò)散系數(shù)越小，擴(kuò)散速度越慢。熔融體的分子運(yùn)動(dòng)鏈段運(yùn)動(dòng)高分子熔體中，鏈段可以發(fā)生旋轉(zhuǎn)、平移和振動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)是熔體流動(dòng)和粘彈性的基礎(chǔ)。鏈段運(yùn)動(dòng)受到周?chē)湺蔚南拗疲憩F(xiàn)出復(fù)雜的非牛頓流體行為。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)高分子鏈在熔體中可以進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其速度受分子量、溫度和環(huán)境的影響。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是高分子熔體中質(zhì)量傳遞和混合的關(guān)鍵因素。高分子熔體的粘度熔體粘度高分子熔體的粘度是衡量其流動(dòng)阻力的指標(biāo)，反映了分子鏈的纏結(jié)程度。鏈纏結(jié)高分子熔體中，長(zhǎng)鏈分子會(huì)互相纏繞，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻礙流動(dòng)。測(cè)試方法可以使用旋轉(zhuǎn)流變儀等設(shè)備來(lái)測(cè)量高分子熔體的粘度。高分子溶液的性質(zhì)溶液的組成高分子溶液是由高分子溶質(zhì)和溶劑組成的。高分子溶質(zhì)可以是線(xiàn)性、支化或交聯(lián)的。溶液的濃度高分子溶液的濃度可以表示為溶液中高分子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)。溶液的粘度高分子溶液的粘度通常比純?nèi)軇┑恼扯雀叩枚?。溶液的擴(kuò)散高分子溶液中的擴(kuò)散系數(shù)通常比小分子溶液中的擴(kuò)散系數(shù)低得多。稀溶液的粘度稀溶液高分子鏈之間相互作用較弱，運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立。粘度衡量液體流動(dòng)阻力的物理量，反映了液體分子間相互作用力。影響因素溶液濃度、溫度、高分子鏈的形狀和尺寸等因素都會(huì)影響稀溶液的粘度。濃溶液的粘度濃溶液的粘度受多種因素影響，包括聚合物濃度、分子量、溶劑性質(zhì)、溫度和壓力等。在濃溶液中，聚合物鏈之間的相互作用更加顯著，鏈段間的纏結(jié)更加復(fù)雜，導(dǎo)致粘度顯著增加。10濃度濃度越高，粘度越高。100K分子量分子量越高，粘度越高。100溫度溫度越高，粘度越低。高分子溶液的擴(kuò)散11.擴(kuò)散系數(shù)高分子溶液的擴(kuò)散系數(shù)反映了溶質(zhì)分子在溶劑中的運(yùn)動(dòng)速率。22.影響因素?cái)U(kuò)散系數(shù)受分子量、溶液濃度、溫度等因素影響。33.測(cè)量方法可通過(guò)光散射、核磁共振等方法測(cè)量高分子溶液的擴(kuò)散系數(shù)。44.應(yīng)用擴(kuò)散系數(shù)可用于研究高分子的分子量、溶液粘度等性質(zhì)。高分子溶液的滲透滲透壓溶液中高分子溶質(zhì)的存在會(huì)降低溶劑的化學(xué)勢(shì)，導(dǎo)致溶劑從純?nèi)軇﹤?cè)向溶液側(cè)滲透。范特霍夫方程滲透壓與溶液中高分子溶質(zhì)的濃度成正比，且與溫度成正比。分子量測(cè)定滲透壓測(cè)量可用于測(cè)定高分子的分子量，特別適用于高分子量物質(zhì)。應(yīng)用滲透現(xiàn)象在生物學(xué)、化學(xué)工程等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，例如，在生物膜中物質(zhì)的運(yùn)輸。高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變定義玻璃化轉(zhuǎn)變是指無(wú)定形高分子材料從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度，也稱(chēng)為玻璃化溫度(Tg)。在Tg以上，高分子鏈具有較高的運(yùn)動(dòng)自由度，表現(xiàn)出橡膠態(tài)的彈性。而在Tg以下，高分子鏈的運(yùn)動(dòng)受到限制，表現(xiàn)出玻璃態(tài)的剛性。玻璃化轉(zhuǎn)變理論自由體積理論當(dāng)溫度降低時(shí)，高分子鏈的自由體積逐漸減小，導(dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)受限。動(dòng)力學(xué)理論玻璃化轉(zhuǎn)變是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，與高分子鏈的松弛時(shí)間有關(guān)。熱力學(xué)理論玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是高分子體系從高彈態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度，對(duì)應(yīng)于熵變化。結(jié)構(gòu)理論玻璃化轉(zhuǎn)變與高分子鏈的結(jié)構(gòu)有關(guān)，鏈的柔性、側(cè)基和交聯(lián)度等因素都會(huì)影響轉(zhuǎn)變溫度。高分子的結(jié)晶鏈段排列鏈段在空間上規(guī)則排列，形成有序結(jié)構(gòu)。晶格結(jié)構(gòu)晶體中鏈段排列的周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)。結(jié)晶過(guò)程高分子從熔融態(tài)或溶液中轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過(guò)程。高分子的熔融和結(jié)晶熔融高分子熔融是指固態(tài)高分子在加熱到一定溫度時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)程。結(jié)晶高分子結(jié)晶是指熔融或溶液狀態(tài)的高分子鏈在冷卻過(guò)程中有序排列形成晶體的過(guò)程。熔融結(jié)晶熔融結(jié)晶是指高分子在熔融狀態(tài)下冷卻結(jié)晶的過(guò)程。結(jié)晶結(jié)構(gòu)高分子結(jié)晶形成的晶體結(jié)構(gòu)取決于高分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)和排列方式。高分子的力學(xué)性能彈性高分子材料在受到外力作用后發(fā)生形變，在外力去除后能夠恢復(fù)原狀的性質(zhì)。強(qiáng)度高分子材料在外力作用下發(fā)生斷裂或破壞所需的力的大小，反映了材料抵抗外力破壞的能力。韌性高分子材料在外力作用下發(fā)生斷裂前所能吸收的能量的大小，反映了材料抵抗外力沖擊的能力。硬度高分子材料抵抗外力刻劃或壓入的能力，反映了材料表面抵抗外力破壞的能力。高分子材料的應(yīng)用11.日常用品廣泛用于制造塑料袋、瓶子、家具、玩具等。22.高科技領(lǐng)域用于制造航空航天、電子、醫(yī)藥等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。33.建筑材料例如，聚合物水泥、聚合物砂漿等。44.紡織品合成纖維、合成織物等，廣泛用于服裝、地毯等