高分子溶液性质及其应用(16页).doc

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1、-第八章 高分子溶液性质及其应用-第 15 页第九章 高分子溶液性质及其应用第一部分 内容简介8.1 高分子的溶解 一.溶解的过程： 非交联高聚物：溶胀溶解； 结晶高聚物：晶区破坏再溶解 交联高聚物：只溶胀 特点： (1) 溶胀溶解，对结晶高聚物则是先 (2) 溶解时间长二 .溶剂的选择原则 1. 极性相近原则: 非极性体系 PS ：苯 甲苯 丁酮 2. 溶度参数相近原则: =(E/V)1/2 Fm=Hm-TSm0,Sm0,则 HmTSm Hm=V12(E/V1)1/2-(E/V2)1/22 V 总体积 1 2 体积分数令(E/V)1/2=则Hm=V12(1-2)2若1-20 则Hm越小 Hm

2、-TSmC6H6NH2CON(CH3)2CONH PO4 CH2COCH2CH2OCOCH2CH2OCH2亲电(酸) 基团有： SO2OHCOOHC6H4OHCH(CN)C(NO2)C(Cl)Cl C(Cl)8.2 高分子稀溶液热力学理想溶液性质Smi=-R(N1lnx1+N2lnx2)Hmi=oFmi=RT(n1lnx1+n2lnx2)高分子稀溶液(Flory-Huggin理论) 假设(1) 每个溶剂分子和链段占有格子的几率相同 (2)高分子链是柔性的,所有构象能相同思路: FSm=? Hm=?一、Sm的求法设溶剂分子数为N1链,大分子数为N2 每个链段数为x 则格子总数为N=N1+xN2若

3、已放入i个链,则i +1个链的放法数为wi+1 第1个链段放法为 N-iN2 第2个链段放法为 第3个链段放法为 第x个链段放法为 则i+1个链段放法为 NI个大分子总的放法为 n=S溶液=kln n=-kN1lnN1=0时 S溶质=-k(N2lnx+(x+1)N2ln)Sm=S溶液-(S溶质+S溶剂) =-k(N1ln)Sm=-R(n1ln1+ n2ln2)二、Hm的求法 Hm=P1212 12=12-11+12)P12=(z-2)x+2N2 =(z-2)N12X1=12Hm=RTx1n12 (1)Sm=-R(n1ln1+ n2ln2) 其中1= 2= (2)Hm=RTX1n12 其中X1=

4、三、Fm=Hm-TSm =RTn1ln1+ n2ln2 +n1X12 四、1的求法 1= = RTln1+ ln2 +X12 2 ln1= ln(1-2)=- 2-(1/2)22 1= RT(-1/X)ln2 +X1-2 2而理想溶液 1I=-RTX2=-RTN2=-2超额化学位 1E=1-1I 1E=RT(X1-)22 溶解过程判据五、温度的定义 X1-=1-1 1:热参数 1:熵参数 定义 = T/= 温度即为热参数等于熵参数的温度8.3 相分离原理 化学位 1/(RT)2 的关系: 1=-RT2-(X-)22产生相分离可能性 (1) 22c (2) X1X1c (3) TT1c=0 2c

5、= X1c=由X1-=1( 当X1= X1c时Tc=相分离时 2c= X1c= Tc=8.4 膜渗透压法测分子量纯溶剂的化学位 是溶剂在标准状态下的化学位， 为纯溶剂的蒸汽压 溶液中溶剂的化学位 p1为纯溶剂的蒸汽压溶液中溶剂化学位与纯溶剂中化学位之差为对于恒温过程有如果总压力的变化值为 根据Vant Hoff方程，对于小分子而言而高分子不服从Raoult定律，则有将Flory-Huggins稀溶液理论中溶剂中化学位表达式代入把 展开，在稀溶液中 远小于1因为 定义第二维利系数为第二维利系数可量度高分子链段与链段之间以及高分子与溶剂之间相互作用的大小。8.5 粘度法测分子量一、粘度的表示法（1

6、） 相对粘度 为溶液粘度 为纯溶剂粘度 （2） 增比粘度（3） 比浓粘度（4） 对数比浓粘度（5） 特性粘数二、特性粘数与分子量的关系（1） Mark-Houwink 方程 K 与分子结构有关的常数a 与溶解能力有溶解特性有关柔性链在良溶剂中a0.51；在不良溶剂中a0.5 刚性链a12（2） Huggins-Kraemer 方程Huggins 方程Kraemer 方程三、 的测量外推法示意图8.6 凝胶渗透色谱 GPC原理：GPC原理有多种解释，以体积排除分离机理比较为人们接受。体积排除分离机理认为，首先由于大小不同的分子在多孔性填料中可以渗透的空间体积不同造成的。当被分析的试样随着淋洗溶剂

7、加入柱子后，溶质分子向柱子内部的孔油渗透，渗透的程度与分子尺寸有关。比填料最大的孔还大的分子只能在填料的颗粒之间，而其它的分子停留在不同大小孔洞中。在溶剂淋洗过程中，首先被淋洗出来其淋洗体积Ve 为粒间体积V0，对这些过大分子没有分离作用，可以进入有孔洞的超小分子“走过”的路最长，最后被淋洗出来，其淋洗体积为粒间体积与所有孔洞体积的总和Ve V0Vi ，也同样没有分离作用。一般分子介于其间，淋洗体积Ve V0KVI,其中称为分配系数，0K1，这样不同大小的分子在通过色谱柱时，得到了分离。附表：1、温度、A2的比较 定义式 判断内容 测定1温度A2第二部分 教学要求主要内容 （1）高聚物溶解的特

8、点 （2）溶剂的选择原则 （3）高分子稀溶液热力学性质 （4）渗透压法、粘度法、GPC法测分子量及分子 量分布的方法难点内容： 高分子稀溶液的热力学理论掌握内容：（）高聚物溶解的特点 （）溶剂的选择原则 （）温度、Huggins参数、第二维利系数A2的概 念及物理意义 （）各种粘度、溶胀比、平均网链分子量的概念 （）渗透压法、粘度法、GPC测定分子量及分子 量分布的方法 理解内容 ：（）理解高分子溶解过程的热力学解释 （）Flory-Huggins稀溶液理论 （）交联高聚物的溶胀平衡公式的物理意义 了解内容 ：（）Flory-Huggins稀溶液理论的公式的推导 （）交联高聚物的溶胀平衡公式的

9、推导 本章主要英文词汇：Avogadros number-阿佛加德罗常数boiling-point elevation (ebulliometry）-沸点的升高Boltzmann constant-玻兹曼常数Chemical potential-化学位Chromatography column-色谱柱Cohesive energy density-内聚能密度,CED Column elution-柱淋洗Cross-linked polymers-交联聚合物Crystalline polymers-结晶聚合物Dilution method稀释法Dynamic method-动力学方法 Elect

10、ron microscope-电子显微镜End group analysis, or end group measurement-端基分析法Enthalpy-焓Entropy-熵freezing-point depression (cryoscopy)-冰点的降低gas constant or gas factor-理想气体常数Gel permeation chromatography-凝胶渗透色谱法，GPCGibbs free energy of polymer solution-混合自由能Gibbs free energy-自由能Huggins parameter-哈根斯参数ideal s

11、olution-理想溶液Interaction energy-相互作用能Light scattering method-光散射法Limiting viscosity 极限粘度或特性粘数Linear polymers-线形聚合物Logrithmic viscosity number-比浓对数粘度Mark-Houwink Equation-马克-霍温方程Measurement of Molecular Weight-分子量的测试Chemical method-化学方法Mixing Enthalpy and Huggins parameter-混合热和相互作用因子mole number-摩尔数mol

12、ecular weight distribution-分子量分布Fractionation-分馏法Monodispersity-单分散Optical method-光学方法Osmotic method-渗透压法osmotic pressure (osmometry）-渗透压法Polydispersity coefficient-多分散指数Polymer chains-高分子链polymer solution-高分子溶液porous materials-多孔材料Relative viscosity-相对粘度Solubility-溶解性Solvent-gradient elution-溶剂梯度淋洗

13、Specific viscosity-增比粘度statistical thermodynamics-统计热力学the mixing entropy of the ideal solution-理想溶液的混合熵the molecular number of polymer-高分子的分子链数目the molecular number of solvent-溶剂的分子数目the number of segment in the whole solution-整个体系中的高分子链段数目the number of segment in the whole solution整个体系中的高分子链段数目 th

14、e number of segment-每条链上的平均链段数目the process of solution， polymer dissolving-溶解过程the solution of polymers-高分子的溶解thermal-gradient elution-温度梯度淋洗thermodynamical properties of polymer solutions-高分子热力学性质Thermodynamics method-热力学方法 Viscosimetry-粘度法Viscosity number or reduced viscosity-比浓粘度第三部分 习题1名词解释： 溶胀

15、溶解度参数 溶剂化作用 化学位变化 Huggins参数 溶胀平衡 第二维利系数 特性粘数 溶胀平衡 临界共溶混度 淋洗体积 聚电解质 淋出体积 2. 与低分子化合物相比较，高聚物的溶解过程有何特点？非晶态、晶态和交联高聚物的溶解何不同？ 试从分子运动观点加以说明。3. 比较聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺和轻度交联天然橡胶的溶解特点。 4. 试述条件下高分子溶液的特征？及两种测定温度的实验方法及原理？ 5. 何谓溶解度参数？高聚物的溶解度参数如何测定？根据热力学原理说明非极性高聚物能溶解于与其浓度参数相近的溶剂之中的道理 ？ 6. 溶解高聚物的溶剂可根据溶解度参数相近的经规律来进行选择。已知聚丙烯腈的

16、15.4, 甲醇的14.5,试问聚丙烯腈能否溶解于甲醇中？为什么试从理论上加以解释。 7. 已知某些物质的溶解度参数如下：二氯甲烷的19.8, 环己酮20.2, 聚氯乙烯则二氯甲烷的比环己酮的更接近于聚氯乙烯的，但实际上前者对聚氯乙烯的溶解性能并不好，而后者则是聚乙烯的良溶剂，为什么？ 8. 聚苯乙烯的，选用丁酮（）和环己烷（）组成混合溶剂。试求混合溶剂中两种溶剂的体积分数。9. 设双酚聚碳酸酯在28时的密度。试查表用基团加和法（摩尔引力常数计算法）求其溶解度参数。10. 高分子溶液与低分子理想溶液在热力学行为上主要有何不同？为什么？11. 用热力学观点说明，为什么非极性高聚物能很好的溶于溶度

17、参数（）与它相近的溶剂中？ 12. 设一溶液由1个小分子和个小分子组成，分子和分子总的排列方式数为：13. 试导出它们的混合熵为：式中：n1，n2分别为A分子与B分子的摩尔数； x1，x2分别为A分子与B分子的摩尔分数； R气体常数。14. 计算下列溶液的混合熵，并讨论计算结果的意义：99104个小分子A和1个小分子B混合；99104个小分子A和1个小分子C（聚合度X=104）混合；99104个小分子A和1104个小分子B混合。15. 根据Flory-Huggins格子模型推导高分子溶液的混合熵，与相比，哪个大？为什么？16. 由格子理论推导的过程中有何不够合理的地方？简述之。17. uggi

18、ns参数的物理意义是什么？当高聚物和温度选定后，的值与溶剂性质有什么关系？当高聚物和溶剂选定后，的值与温度有什么关系？18. 由理想溶液的混合自由能导出理想溶液中溶剂的化学位变化。19. 由高分子溶液的混合自由能导出其溶剂的化学位变化，并说明在什么条件下高分子溶液和理想溶液二者溶剂的化学位变化相等。20. 聚合物分子量分布对性能有什么影响？测定分子量分布有哪些方法？简述其原理。21. 用平衡溶胀法测定橡胶的交联度，试由下列数据计算该试样22. 的有效网链的平均分子量。试验温度为25g，溶胀体重2.116gg/cm3g/ml，体系的=0.398。23. 已知晶格模型理论给出高分子溶液的1与2的关

19、系如下： 试推导高分子溶液产生相分离时，及高分子溶液中的体积分数2 与 大分子链段数r 之间的两个关系。24. 由上题推导出的关系式说明降温分级和加入沉淀分级的原理。25. 高聚物有哪几种常用的统计平均分子量？是如何定义?发别可用什么 方法测得？26. c和C的物理意义是什么？讨论C与溶质分子量之间的关系。27. 请根据Flory-Huggins格子理论推导出第二维利系数的表达式。28. 10-4m3的CO2（在101kg和298K条件下），试由以上数据估算此聚氧化乙烯的数均分子量。29. 什么叫温度？假定溶液的温度高于、等于、低于温度时，试分别讨论溶液中高分子的尺寸变化。30. Vant H

20、off方程 适用于无限稀的溶液中求取分子量，但对于实际有一定浓度的溶液上式则有一定的偏差，部如何考虑校下这一偏差？31. 试证明渗透压法测得的分子量是数均分子量。32. 在25的溶剂中，测得浓度7.3610-3 g/ml的PVC溶液的渗透压为0.248 g/cm2,求此试样的分子量和体系的第二维利系数。33. 分子量分别为39000和292000的两个“单分散”的聚苯乙烯样品以相同质量混合，试问该混合物在2510-5dl/g。34. 同一天然橡胶试样，在25时在四氯化碳、苯、乙酸戊酯、乙醚中测得An的值分别是：1.8910-3，8.1510-4，0，-5. 8104。问在相同的浓度和温度下，以

21、上各溶液渗透压的顺序如何？比较各溶剂的优良程度，说明各溶剂中分子链的形态如何，并简要阐述原因。35. 在25条件下，测定不同浓度的聚苯乙烯甲苯溶液的渗透压结果如下：103,g/cm3,g/cm236. 试求此聚苯乙烯的、溶液体系的和uggins参数1 .已知甲苯，PS37. 以粘度法测高聚物的分子量时，如何测得其、a值？a值的大小有何实际意义？38. 某苯乙烯试样，经过精细分级后，得到七个级分，用渗透压法测定了各组分的分子量，并在30的苯溶液中测定了各组分的特性粘数，结果如下表：104g/mol cm3/g14711710192705929根据上述数据求出=K中的两个常数K和。39. 已知聚异

22、丁烯溶解在苯中，该溶液的温度为24，在温度时，聚异丁烯苯溶液中第二维利系数A2及参数（=K）的数值各为多少？40. 已知聚苯乙烯环己烷体系的温度为34，聚苯乙烯甲苯体系的温度低于34。假定于40时在此两种溶剂中分别测定同一聚苯乙烯试样的渗透压与粘度，问两种体系的（/c）c0、A2、1、 、h2、的大小顺序如何？为什么？41. 聚异丁烯A的分子量约为3000，聚异丁烯B的分子量约为700000。试问用什么方法适于直接测定这两个聚合物的和。42. 试述凝胶渗透色谱的主要分离机理，并说明它与一般液相色谱分离机理有何区别？何谓凝胶渗透色谱的普适曲线？43. 试述GPC法与经典法测分子量分布的优缺点。4

23、4. 今有一组聚砜标样，以二氯乙烷为溶剂在25测定其GPC谱图，其分子量与淋洗体积Ve列于下表：M104Vem10Ve45. 由表中数据作logVe 校准曲线，求现该色谱柱的死体积；46. 求出标准方程logABVe中的常数A和B；47. 求在同样条件下测得的淋洗体积为的单分散聚砜试样的分子量。48. 简要说明测量分子量分布的分级法、超速离心沉降法及凝胶渗透色谱法的原理及适用性。49. 高分子溶液渗透压实验可能提供哪些高分子链的形态参数和热力学函数？50. 欲测定某聚合物样品的数均分子量，但发现用气相渗透法时，因分子量过高而误差较大，而用膜渗透法时，又明显存在小分子渗漏现象而造成结果偏低。请设

24、计一适当的方法来表示所得数据，说明实验步骤及数据处理方法。51. 取分子量分别为5104、105的三种单分散聚合物试样各0.1mol、0.3mol、0.5mol混合，试求出混合物的、和；指出、和各用什么方法测定最合理？52. 设计实验：（1）测定由乙二醇、邻苯二甲酸酐和乙酸反应生成的聚合物的。该样品的分子量约为1200；（2）测定分子量约为500000的聚苯乙烯的；（3）测定苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物的，其中苯乙烯的含量未知。53. 高分子链的构象是高聚物的基本结构层次之一，请讨论下面问题：高分子链在稀溶液中及在固体状态下有哪几种主要构象？构象变换与高分子链的柔顺性有关，请写出表征分子链柔顺性

25、的参数。大分子链在稀溶液中的均方末端距受哪些因素影响?54. 请画出不同的同种高聚物（分子量AB）的结晶速率样品(1) 分别在良溶剂（A）和劣溶剂（B）中的渗透压与浓度比值（c）和 浓度（c）的关系；(2) 分别处于玻璃态（A）和高弹态（B）时的拉伸力（）应变（）曲 线（每小题画在同一图上）55. 填空题：（1） 通常=K中的值在1之间，故同一样品的Mn，Mw，M值的大小顺序是。（2） 将高分子试样依分子两大小分离若干级分，GPC法是根据进行分离，逐步沉淀法是根据进行分离。（3） 使高分子溶液的热力学性质复合理想溶液的条件是。 a. b. c. -T（4） 要使熔融纺丝不易断，应选用的原料。a

26、. 分子量较高 b. 分子量分布较窄 c.分子量分布较窄（5） 凝胶色谱法(GPC或SES)测定分子量分布,从色谱柱最先分离出来的是。a. 分子量大的 b. 分子量小的 c. 依据所用的溶剂的不同，其分子量是大小先后有别的(6) 用下列方法测得某一高聚物平均分子量大小顺序是。 a.膜渗透压法 b.粘度法 c.光散射法(7) 高聚物样品的粘均分子量不是唯一确定值，是因为。a. 样品分子量有多分散性b. 粘均分子量值与MHS方程系数K有关c. 粘均分子量值与MHS方程指数有关(8) 高分子溶液的温度是。 a.高分子溶液的临界共溶温度 b.高分子溶液第二维利系数A2=0时的温度 c.高分子溶液相互作用参数1=0时的温度(9) 用凝胶色谱可直接得到。 a.组分淋洗体积和重量分数的结果 b.组分分子量和重量分数的结果 c.组分淋洗体积和摩尔分数的结果