第3章 高分子溶液精选文档.ppt

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1、第3章 高分子溶液本讲稿第一页，共八十页n高分子溶液能高分子溶液能反映反映高分子链的高分子链的形态结构形态结构,稀溶液（浓度稀溶液（浓度 15%2）油漆、胶浆）油漆、胶浆溶液浓度溶液浓度60%本讲稿第二页，共八十页3.1.1 3.1.1 高聚物溶解过程的特点高聚物溶解过程的特点n 溶解溶解慢慢（溶胀（溶胀溶解）溶解）溶剂小分子渗入高分子链之间溶剂小分子渗入高分子链之间 使高分子链相互分开使高分子链相互分开分布于溶剂中分布于溶剂中n 高分子溶液的高分子溶液的粘度大粘度大n 溶解过程与溶解过程与分子量分子量有关有关n 结晶结晶高聚物溶解困难高聚物溶解困难n 温度温度对高聚物的溶解过程有影响对高聚物

2、的溶解过程有影响第一节第一节 高聚物的溶解过程和溶剂的选择高聚物的溶解过程和溶剂的选择本讲稿第三页，共八十页n溶解（混合）过程的自由能变化溶解（混合）过程的自由能变化 混合过程自由能变化混合过程自由能变化 混合过程热效应混合过程热效应 混合过程的熵变混合过程的熵变 混合过程能进行（溶解）混合过程能进行（溶解）3.1.2 聚合物溶剂的选择聚合物溶剂的选择本讲稿第四页，共八十页极性体系的混合极性体系的混合n为放热过程为放热过程HM0n混和自由能：混和自由能：FM=HM-TSMCH-86.0n五个=CH-117*5n一个=CSMi本讲稿第十六页，共八十页Flory-Huggins 理论（似晶格理论）

3、理论（似晶格理论）*晶格中每个溶剂分子占一格晶格中每个溶剂分子占一格 每个高分子占相连的每个高分子占相连的 x 格格 假设条件假设条件 （x 为高分子与溶剂分子体积比）为高分子与溶剂分子体积比）*高分子链段分布均匀高分子链段分布均匀 *高分子链各种构象能量相同高分子链各种构象能量相同本讲稿第十七页，共八十页3.2.1 3.2.1 高分子溶液的混合熵变高分子溶液的混合熵变n混合后（溶液）的熵混合后（溶液）的熵：n混合前的混合前的 S前前：溶剂分子的溶剂分子的 S+高分子聚集态的高分子聚集态的 S本讲稿第十八页，共八十页3.2.1 3.2.1 高分子溶液的混合熵高分子溶液的混合熵n微观状态数微观状

4、态数q一根高分子链的状态数一根高分子链的状态数q全部高分子链的状态数全部高分子链的状态数n混合后体系的构象熵混合后体系的构象熵n混合前体系的构象熵混合前体系的构象熵n两构象熵之差两构象熵之差混合过程的熵变混合过程的熵变本讲稿第十九页，共八十页1.1.高分子溶液的混合熵变高分子溶液的混合熵变1 1先讨论微观状态数先讨论微观状态数 N1个溶 N2个 剂分子 高分子 放入N（=N1+xN2）个格子中本讲稿第二十页，共八十页1 1微观状态数微观状态数 N2个高分子放好后 N1个溶剂分子只有一种放法 所以：为N2个高分子放入N个格子 中的方法数本讲稿第二十一页，共八十页1 1微观状态数微观状态数n考察第

5、考察第 j+1 j+1 个高分子放入的情况个高分子放入的情况q第1个结构单元：可放（N x j）个空格q第2个结构单元：可放 Z为配位数 为配位数Z中“空的”可能性q第3个结构单元：可放q第x个结构单元：可放本讲稿第二十二页，共八十页1 1微观状态数微观状态数n第第j+1j+1个高分子总的可放置的方法数个高分子总的可放置的方法数Wj+1本讲稿第二十三页，共八十页1 1微观状态数微观状态数nN N2 2个高分子可放置的方法总数为个高分子可放置的方法总数为 除除N2！是因为！是因为 N2个高分子完全相同个高分子完全相同 互相调换位置不影响排布方式的变化互相调换位置不影响排布方式的变化所以有：本讲稿

6、第二十四页，共八十页2 2高分子溶液的熵高分子溶液的熵 S S溶溶 利用 stirling 近似公式本讲稿第二十五页，共八十页3 3混合熵变混合熵变n混合熵变混合熵变 S溶剂=0 因 S前 S高分子：解取向熵（有序 完全无序）其混乱状况可考虑为：N2个高分子在xN2个空格中的放置方法数 即：相当于上述讨论情况中N1=0 本讲稿第二十六页，共八十页3 3混合熵变混合熵变 ：体积分数：体积分数 N：分子数：分子数 n：摩尔数：摩尔数 理想溶液混合过程的熵变理想溶液混合过程的熵变本讲稿第二十七页，共八十页3.2.2 3.2.2 高分子溶液的混合热高分子溶液的混合热n混合过程可表示为混合过程可表示为：

7、n其能量的变化为其能量的变化为：n若混合过程若混合过程 则有：P12 为形成 1-2的对数本讲稿第二十八页，共八十页3.2.2 3.2.2 高分子溶液的混合热高分子溶液的混合热n研究研究 N N2 2个高分子和个高分子和 N N1 1个溶剂分子混合时的个溶剂分子混合时的 P P1212q一个结构单元邻近的空格数：Z2q一根高分子链邻近的空格数：其中可能被溶剂分子占有的几率为q一个高分子链可形成1-2对数：qN2个高分子共形成 1-2的对数：x本讲稿第二十九页，共八十页3.2.2 3.2.2 高分子溶液的混合热高分子溶液的混合热n混合热混合热为：n定义定义：称 Huggins 参数参数高分子/溶

8、剂相互作用参数 反映混合过程中高分子/溶剂相互作用能的变化 本讲稿第三十页，共八十页3.2.3 3.2.3 高分子溶液的化学位高分子溶液的化学位n混合自由能变化混合自由能变化：本讲稿第三十一页，共八十页3.3.混合自由能和化学位混合自由能和化学位n化学位变化化学位变化 偏摩尔自由能偏摩尔自由能q溶剂化学位变化：溶剂化学位变化：q高分子溶质化学位变化：高分子溶质化学位变化：本讲稿第三十二页，共八十页本讲稿第三十三页，共八十页A2第二维利系数，高分子链段和链段间第二维利系数，高分子链段和链段间的内排斥与高分子链段和溶剂分子间能量相互的内排斥与高分子链段和溶剂分子间能量相互作用、两者相互竞争的一个量

9、度。作用、两者相互竞争的一个量度。本讲稿第三十四页，共八十页本讲稿第三十五页，共八十页n化学位变化化学位变化 偏摩尔自由能偏摩尔自由能q溶剂化学位变化：溶剂化学位变化：本讲稿第三十六页，共八十页第三节第三节 高分子的高分子的“理想溶液理想溶液”状态状态 对很稀的溶液：对很稀的溶液：1 则有则有 理想稀溶液理想稀溶液 高分子溶液高分子溶液 化学位变化化学位变化 超额化学位超额化学位xx本讲稿第三十七页，共八十页FloryFlory温度（温度（温度）温度）n超额化学位超额化学位 有二部分组成有二部分组成 K1 为热参数 为熵参数 对比可得：本讲稿第三十八页，共八十页FloryFlory温度（温度（

10、温度）温度）nFloryFlory温度定义温度定义：可看出：当可看出：当 T=时时即高分子溶液热力学性质与理想溶液相同即高分子溶液热力学性质与理想溶液相同本讲稿第三十九页，共八十页FloryFlory温度温度(温度）温度）n因因n选择适当的溶剂、温度可使：选择适当的溶剂、温度可使：n此时，高分子溶液处于一种特殊的状态此时，高分子溶液处于一种特殊的状态 无扰状态或无扰状态或 状态状态“无扰无扰”高分子链构象在溶液中不受溶剂高分子链构象在溶液中不受溶剂 分子的影响分子的影响此时的条件（温度、溶液体系此时的条件（温度、溶液体系)为：为：条件条件本讲稿第四十页，共八十页高聚物的高聚物的溶剂和溶剂和温度

11、温度高 聚 物溶 剂温度聚苯乙烯(无规)甲苯/甲醇 20/80 25环己烷 35聚异丁烯甲苯 -13苯 24聚甲基丙烯酸甲酯丙酮 -55聚乙烯二苯醚 161.4参见参见P84表表3-5.本讲稿第四十一页，共八十页高分子溶液状态与体系参数的关系高分子溶液状态与体系参数的关系n 良溶液良溶液 高分子链呈伸展状高分子链呈伸展状n 不良溶液不良溶液 高分子链为无扰状态高分子链为无扰状态n 非溶液非溶液 高分子链呈卷曲状高分子链呈卷曲状本讲稿第四十二页，共八十页高斯链的末端距分布函数：高斯链的末端距分布函数：第四节第四节 Flory稀溶液理论稀溶液理论能量效应：能量效应：1）能量高的构象实现的可能性低）

12、能量高的构象实现的可能性低2）能量低的构象实现的可能性高）能量低的构象实现的可能性高本讲稿第四十三页，共八十页 根据每种构象的能量高低，计算每种链构象的根据每种构象的能量高低，计算每种链构象的统计权重：统计权重：链段间相链段间相互作用互作用溶剂与链段溶剂与链段相互作用相互作用内排斥体内排斥体积效应积效应外排斥体外排斥体积效应积效应本讲稿第四十四页，共八十页排斥体积包括两部分：排斥体积包括两部分：1）外排斥体积：溶剂与高分子链段的相互作用大于）外排斥体积：溶剂与高分子链段的相互作用大于高分子链段间的相互作用，高分子链被溶剂化而高分子链段间的相互作用，高分子链被溶剂化而扩张，或者溶剂化很差而收缩。

13、扩张，或者溶剂化很差而收缩。2）内排斥体积：高分子链本身占有一定体积。）内排斥体积：高分子链本身占有一定体积。本讲稿第四十五页，共八十页 特殊情况：特殊情况：正的外排斥体积和负的内排斥体积相互抵消，正的外排斥体积和负的内排斥体积相互抵消，分子链处于无扰状态，这种状态下的尺寸称为分子链处于无扰状态，这种状态下的尺寸称为无扰尺寸，此时的溶液可以看作高分子的无扰尺寸，此时的溶液可以看作高分子的“理理想溶液想溶液”，这种状态就是，这种状态就是状状态。本讲稿第四十六页，共八十页第五节第五节 高分子溶液的相平衡与相分离高分子溶液的相平衡与相分离n高分子溶解过程的可逆性：高分子溶解过程的可逆性：温度降低温度

14、降低溶液分相溶液分相温度升高温度升高溶解成一相溶解成一相临界共溶温度临界共溶温度Tc：高分子溶液出现分相的最：高分子溶液出现分相的最高温度。分子量越大，临界共溶温度越高。高温度。分子量越大，临界共溶温度越高。本讲稿第四十七页，共八十页nTTc时：出现相分离时：出现相分离稀相和浓相。稀相和浓相。平衡时，各组分在两相中的化学位相等，即：平衡时，各组分在两相中的化学位相等，即：溶剂的化学位变化与溶液浓度的关系：溶剂的化学位变化与溶液浓度的关系：本讲稿第四十八页，共八十页n临界点临界点求解求解临界浓度临界浓度本讲稿第四十九页，共八十页第六节第六节 高分子的标度概念与标度定律高分子的标度概念与标度定律

15、第七节第七节 高分子亚浓溶液高分子亚浓溶液 第八节第八节 温度和浓度对溶液中高分子链尺温度和浓度对溶液中高分子链尺 寸的影响寸的影响（自学）（自学）本讲稿第五十页，共八十页n高分子溶液失去流动性时高分子溶液失去流动性时 形成：凝胶或冻胶形成：凝胶或冻胶n凝胶凝胶高分子链之间存在化学键联系高分子链之间存在化学键联系 （轻度交联），加热不能使其（轻度交联），加热不能使其 溶解，也不能熔融。溶解，也不能熔融。n冻胶冻胶高分子链之间具有较大的次价高分子链之间具有较大的次价 力作用，加热能使其恢复溶解力作用，加热能使其恢复溶解第九节第九节 高分子冻胶和凝胶高分子冻胶和凝胶本讲稿第五十一页，共八十页交联高

16、聚物的溶胀平衡及交联度的测定交联高聚物的溶胀平衡及交联度的测定1 1溶胀平衡热力学溶胀平衡热力学n交联高聚物的溶胀过程是一个交联高聚物的溶胀过程是一个热力学平衡过程热力学平衡过程q溶剂溶剂力图渗入力图渗入高聚物内高聚物内 使高聚物体积膨胀使高聚物体积膨胀 分子链伸展，构象熵分子链伸展，构象熵 Sq由于构象熵由于构象熵 S 引起高分子链的弹性收缩引起高分子链的弹性收缩 阻止阻止溶剂的继续溶剂的继续渗入渗入 本讲稿第五十二页，共八十页溶胀过程中自由能的变化：溶胀过程中自由能的变化：高聚物与溶剂的混和自由能高聚物与溶剂的混和自由能FM 分子网的分子网的弹性自由能性自由能Fel F=FM+FM本讲稿第

17、五十三页，共八十页1 1溶胀平衡热力学溶胀平衡热力学n溶胀平衡的热力学条件溶胀平衡的热力学条件：溶剂在二相（溶胀体内、外）的化学位相等溶剂在二相（溶胀体内、外）的化学位相等 即有即有 溶剂分子与交联高分子混合所产生的化学位变化溶剂分子与交联高分子混合所产生的化学位变化 交联高分子弹性收缩能引起的化学位变化交联高分子弹性收缩能引起的化学位变化本讲稿第五十四页，共八十页1 1溶胀平衡热力学溶胀平衡热力学n混合过程溶剂化学位的变化混合过程溶剂化学位的变化 对于交联高聚物：对于交联高聚物：x本讲稿第五十五页，共八十页n弹性收缩引起溶剂化学位的变化弹性收缩引起溶剂化学位的变化 利用利用：可得可得：为溶剂

18、摩尔体积为溶剂摩尔体积 为高聚物为高聚物密度密度本讲稿第五十六页，共八十页1 1溶胀平衡热力学溶胀平衡热力学n弹性收缩使溶剂化学位变化弹性收缩使溶剂化学位变化 n 所以溶胀平衡时溶胀平衡时有有 上式即为溶胀平衡方程上式即为溶胀平衡方程本讲稿第五十七页，共八十页2 2溶胀平衡的应用溶胀平衡的应用交联度的测定交联度的测定n令溶胀比令溶胀比 1 所以所以溶胀平衡方程溶胀平衡方程可表示为：可表示为：此式可求：网链平均分子量此式可求：网链平均分子量 体系的体系的本讲稿第五十八页，共八十页丁苯橡胶的交联度测定丁苯橡胶的交联度测定已知溶剂为苯已知溶剂为苯温度温度25干胶重干胶重0.1273克克溶胀体重溶胀体

19、重2.116克克干胶密度干胶密度0.941克厘米克厘米3苯的密度苯的密度0.8585克厘米克厘米3 0.396V1=2.32 cm3 V2=0.14 cm3 Q 18溶剂摩尔体积溶剂摩尔体积 91 cm3mol-1 M MC C100 000100 000本讲稿第五十九页，共八十页第十节第十节 聚电解质溶液聚电解质溶液 在侧链中有许多可电离的离子性基团的高分子在侧链中有许多可电离的离子性基团的高分子称为聚电解质。称为聚电解质。聚丙烯酸聚丙烯酸 聚丙烯酸阴离子聚丙烯酸阴离子 抗衡离子抗衡离子本讲稿第六十页，共八十页聚电解质的分类：聚电解质的分类：1 聚阳离子聚阳离子2 聚阴离子聚阴离子3 两性高

20、分子电解质两性高分子电解质本讲稿第六十一页，共八十页1 聚阳离子聚阳离子本讲稿第六十二页，共八十页2 聚阴离子聚阴离子本讲稿第六十三页，共八十页3 两性高分子电解质两性高分子电解质本讲稿第六十四页，共八十页高分子离子链在水溶液中的形态高分子离子链在水溶液中的形态本讲稿第六十五页，共八十页第第11节节 高分子在溶液中的扩散高分子在溶液中的扩散高分子在溶液中迁移时，溶剂与高分子一起运动：高分子在溶液中迁移时，溶剂与高分子一起运动：（1）溶剂分子与高分子有溶剂化作用）溶剂分子与高分子有溶剂化作用（2）单存携带）单存携带本讲稿第六十六页，共八十页 平移扩散：由于局部浓度或温度不同，引起高分子向平移扩散

21、：由于局部浓度或温度不同，引起高分子向某一方向迁移。某一方向迁移。旋转扩散：高分子绕自身的轴而旋转。旋转扩散：高分子绕自身的轴而旋转。Fick第一扩散定律：第一扩散定律：Fick第二扩散定律：第二扩散定律：J：单位时间内穿过单位面积的质量：单位时间内穿过单位面积的质量流量流量D：平移扩散系数：平移扩散系数本讲稿第六十七页，共八十页扩散系数扩散系数D具有浓度依赖性和分子量依赖性具有浓度依赖性和分子量依赖性D=D0(1+KDc+)扩散系数扩散系数D0与摩擦系数与摩擦系数f0的关系：的关系：D0=kT/f0摩擦系数摩擦系数f0也具有浓度依赖性：也具有浓度依赖性：f=f0(1+kfc+)kf=2A2M

22、-v-kD A2=NAU/2M2热力学因素流体力学因素本讲稿第六十八页，共八十页按照按照Stockes定律，流体力学半径与扩散系数有如下关系：定律，流体力学半径与扩散系数有如下关系：超速离心法和准弹性光散射法超速离心法和准弹性光散射法扩散系数与分子量的关系：扩散系数与分子量的关系：D0=KDM-b旋转扩散系数旋转扩散系数Dr与旋转摩擦系数与旋转摩擦系数fr的关系：的关系：Dr=kT/fr流动双折射法和准弹性光散射法流动双折射法和准弹性光散射法本讲稿第六十九页，共八十页n高分子在溶液中迁移时，溶剂与高分子一起运高分子在溶液中迁移时，溶剂与高分子一起运动：动：n（1）溶剂分子与高分子有溶剂化作用）

23、溶剂分子与高分子有溶剂化作用n（2）单存携带）单存携带第第12节节 柔性高分子在稀溶液中的粘性流动柔性高分子在稀溶液中的粘性流动本讲稿第七十页，共八十页0溶溶剂的粘度的粘度 溶液的粘度溶液的粘度 极限粘数或特征粘数极限粘数或特征粘数本讲稿第七十一页，共八十页项链模型（项链模型（Kirkwood和和Riseman）柔性高分子链看作是由珠子和弹簧连成的项链。柔性高分子链看作是由珠子和弹簧连成的项链。珠子珠子-高分子链段或单体单元高分子链段或单体单元弹簧弹簧-共价键共价键本讲稿第七十二页，共八十页珠子与溶剂作用弱，摩擦系数小，溶剂流动与高分子无关珠子与溶剂作用弱，摩擦系数小，溶剂流动与高分子无关溶溶

24、剂自由穿流剂自由穿流。珠子与溶剂作用强，摩擦系数大，高分子迁移时带走高分子内所珠子与溶剂作用强，摩擦系数大，高分子迁移时带走高分子内所有溶剂有溶剂非穿流非穿流。一般情况下，高分子迁移时总会带着一部分溶剂分子迁移一般情况下，高分子迁移时总会带着一部分溶剂分子迁移部分穿部分穿流流。本讲稿第七十三页，共八十页部分穿流高分子溶液的极限粘数：部分穿流高分子溶液的极限粘数：Flory将上式简化：将上式简化：条件下：条件下：本讲稿第七十四页，共八十页利用溶液的性质制备纳米颗粒利用溶液的性质制备纳米颗粒J.AM.CHEM.SOC.2005,127,10350-10355本讲稿第七十五页，共八十页本章小结本章小

25、结1 高聚物溶解过程的特点高聚物溶解过程的特点2 溶剂的选择溶剂的选择 a 极性相近原则极性相近原则 b 溶度参数相近溶度参数相近 溶度参数的确定：溶度参数的确定：稀溶液粘度法或溶涨法稀溶液粘度法或溶涨法 c 溶剂化作用溶剂化作用3 高分子溶液的热力学性质高分子溶液的热力学性质 a 高分子溶液的混合熵变高分子溶液的混合熵变 本讲稿第七十六页，共八十页nb 高分子溶液的混合焓变高分子溶液的混合焓变Huggins 参数参数高分子高分子/溶剂相互作用参数溶剂相互作用参数反映混合过程中高分子反映混合过程中高分子/溶剂相互作用能的变化溶剂相互作用能的变化本讲稿第七十七页，共八十页A2第二维利系数，高分子链段和链段间的第二维利系数，高分子链段和链段间的内排斥与高分子链段和溶剂分子间能量相互作内排斥与高分子链段和溶剂分子间能量相互作用、两者相互竞争的一个量度。用、两者相互竞争的一个量度。本讲稿第七十八页，共八十页c 高分子溶液混合自由能：高分子溶液混合自由能：d 溶剂化学的变化：溶剂化学的变化：超额化学位：超额化学位：本讲稿第七十九页，共八十页状态：状态：(高分子的高分子的“理想溶液理想溶液”)4高分子凝胶和冻胶高分子凝胶和冻胶交联高聚物溶胀平衡方程：交联高聚物溶胀平衡方程：5 聚电解质聚电解质6高分子的扩散高分子的扩散7高分子溶液的粘性流动高分子溶液的粘性流动本讲稿第八十页，共八十页