高分子材料的结构与性能精选文档.ppt

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1、高分子材料的结构与性能本讲稿第一页，共三十二页高聚物结构本讲稿第二页，共三十二页高分子的一级结构示意图高分子的一级结构示意图远程结构远程结构一级结构一级结构（二次结构）（二次结构）=本讲稿第三页，共三十二页高分子的二级结构示意图高分子的二级结构示意图聚集态结构聚集态结构二级结构二级结构（三次结构）（三次结构）=本讲稿第四页，共三十二页高分子的近程结构一、高分子链的化学结构一、高分子链的化学结构（1 1）碳链高分子）碳链高分子概念：分子主链由概念：分子主链由C C原子由共价键相连而成，大多由加聚反应制原子由共价键相连而成，大多由加聚反应制得。得。例子：常见的有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、

2、聚甲基丙例子：常见的有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。烯酸甲酯等。特点：分子量高，不易水解，易燃烧，易老化，耐热性较差。特点：分子量高，不易水解，易燃烧，易老化，耐热性较差。一级结构一级结构本讲稿第五页，共三十二页（2 2）杂链高分子）杂链高分子概概念念：除除C C以以外外，主主链链上上还还含含有有O O、N N、S S、SiSi等等原原子子，多多由由缩缩聚聚反反应应或开环聚合反应制得。或开环聚合反应制得。例子：聚酯、聚酰胺、酚醛树脂、聚甲醛、聚砜等。例子：聚酯、聚酰胺、酚醛树脂、聚甲醛、聚砜等。特点：分子量较低，一般主链带有极性，较易水解，耐热性和力学强度特点：分子量

3、较低，一般主链带有极性，较易水解，耐热性和力学强度较较C C链高分子高，多用作工程塑料。链高分子高，多用作工程塑料。本讲稿第六页，共三十二页（3 3）元素高分子元素高分子概概念念：主主链链中中含含有有SiSi、P P、GeGe、AlAl、TiTi、AsAs、SbSb等等元元素素，或或主主链链全由这些元素构成。全由这些元素构成。例子：例子：本讲稿第七页，共三十二页l l二、高分子的链接结构二、高分子的链接结构概念：键接结构是指结构单元在高分子链中的联结方式，它也是影响概念：键接结构是指结构单元在高分子链中的联结方式，它也是影响性能的重要因素之一。性能的重要因素之一。（1 1）单烯类单体）单烯类单

4、体(CH(CH2 2CHR)CHR)（2）共聚物的序列结构本讲稿第八页，共三十二页三、结构单元的空间排列（构型）三、结构单元的空间排列（构型）天然橡胶：天然橡胶：顺式顺式 高弹体高弹体古塔波胶：古塔波胶：反式反式 硬晶体硬晶体 无无弹性弹性聚异戊二烯聚异戊二烯聚异戊二烯聚异戊二烯本讲稿第九页，共三十二页立体构型本讲稿第十页，共三十二页四、链的键合本讲稿第十一页，共三十二页品种品种性能性能高密度聚乙烯高密度聚乙烯低密度聚乙烯低密度聚乙烯交联聚乙烯交联聚乙烯生产方法生产方法低压，齐格勒低压，齐格勒-纳纳塔型催化剂配位塔型催化剂配位聚合聚合高压，自由基聚高压，自由基聚合合分子链形态分子链形态线型分子

5、线型分子支化分子支化分子网状分子网状分子密度密度(g(g cmcm-3-3)0.95-0.970.95-0.970.91-0.940.91-0.940.95-1.400.95-1.40结晶度结晶度Xc(XXc(X射线射线衍射法衍射法)95%95%60-70%60-70%熔点（熔点（）135135105105不熔、不溶不熔、不溶抗拉强度抗拉强度 b b(MPa)(MPa)20-7020-7010-2010-2050-10050-100最高使用温度最高使用温度()12012080-10080-100135135用途用途硬塑料制品：管硬塑料制品：管材、棒材、单丝材、棒材、单丝绳缆、工程塑料绳缆、工程

6、塑料部件等部件等软塑料制品、薄软塑料制品、薄膜材料等膜材料等电工器材、海底电工器材、海底电缆等电缆等本讲稿第十二页，共三十二页l l一、概念一、概念远程结构：远程结构：是关于整个高分子链的结构，主要指高分子的大小是关于整个高分子链的结构，主要指高分子的大小（相对分子质量及其分布）和大分子部分或整链在空间呈现的各（相对分子质量及其分布）和大分子部分或整链在空间呈现的各种几何构象，包括分子链的种几何构象，包括分子链的质量质量和和构象构象两个方面。两个方面。远程：指沿分子链方向上，考察的距离较远。远程：指沿分子链方向上，考察的距离较远。高分子的远程结构（1 1）分子量：）分子量：分子量大分子量大 多

7、分散性，分子量不均一多分散性，分子量不均一（2）链的柔顺性：本讲稿第十三页，共三十二页 聚合物凝聚态结构概念概念 凝聚态：凝聚态：指由大量原子或分子以某种方式（结合力）聚集在一起，指由大量原子或分子以某种方式（结合力）聚集在一起，能够在自然界相对稳定存在的物质形态。能够在自然界相对稳定存在的物质形态。二级结构二级结构聚集态结构：决定高聚物本体性能的主要因素聚集态结构：决定高聚物本体性能的主要因素高分子材料是由许许多多高分子链（相同或不同的）以高分子材料是由许许多多高分子链（相同或不同的）以不同方式排列或堆砌而成的聚集体不同方式排列或堆砌而成的聚集体本讲稿第十四页，共三十二页固态高分子材料按分子

8、链排列的有序性，分：固态高分子材料按分子链排列的有序性，分：结晶态结构结晶态结构：分子链按照三维有序的方式聚集在一起形成：分子链按照三维有序的方式聚集在一起形成的；的；非晶态（无定型态）结构非晶态（无定型态）结构：分子链取无规线团构象，杂乱无序地：分子链取无规线团构象，杂乱无序地交叠在一起形成的；交叠在一起形成的；取向态结构取向态结构：在外场作用下，分子链沿一维或二维方面局部：在外场作用下，分子链沿一维或二维方面局部有序排列形成的。有序排列形成的。本讲稿第十五页，共三十二页相应的高分子材料，则有：相应的高分子材料，则有：结晶高分子材料：以晶态为主的高分子材料；结晶高分子材料：以晶态为主的高分子

9、材料；非晶（无定形）高分子材料：非晶态或以非晶态占绝对优势的高非晶（无定形）高分子材料：非晶态或以非晶态占绝对优势的高分子材料；分子材料；结晶高分子材料在高温下（超过熔点）也会熔融，变为无规线结晶高分子材料在高温下（超过熔点）也会熔融，变为无规线团的非晶态结构。团的非晶态结构。一、非晶态结构一、非晶态结构本讲稿第十六页，共三十二页概念：是指玻璃态、橡胶态、粘流态（或熔融态）及结晶高聚物中非概念：是指玻璃态、橡胶态、粘流态（或熔融态）及结晶高聚物中非晶区的结构。晶区的结构。特点：分子排列无长程有序，对特点：分子排列无长程有序，对X-X-射线衍射无清晰点阵图案。射线衍射无清晰点阵图案。本讲稿第十七

10、页，共三十二页l l二、晶态结构二、晶态结构晶态结构的研究对象单个晶粒的大小、形状以及它们的晶态结构的研究对象单个晶粒的大小、形状以及它们的聚集方式。聚集方式。聚合物晶态结构模型聚合物晶态结构模型 聚合物晶态结构模型的中心问题是晶体中大分子链的堆砌方式，聚合物晶态结构模型的中心问题是晶体中大分子链的堆砌方式，基本模式有两种：基本模式有两种：缨状胶束模型：由非晶态结构的无规线团模型衍生出来的缨状胶束模型：由非晶态结构的无规线团模型衍生出来的结晶中存结晶中存在许多胶束和胶束间区域，胶束是结晶区，胶束间是非晶区在许多胶束和胶束间区域，胶束是结晶区，胶束间是非晶区解释晶解释晶区与非晶区之间的强力结合而

11、形成具有优良力学性能的结构等区与非晶区之间的强力结合而形成具有优良力学性能的结构等更适更适合于低结晶度及中等结晶度的情况合于低结晶度及中等结晶度的情况 ；本讲稿第十八页，共三十二页折叠链模型：从局部有序的非晶态结构模型衍生出来的折叠链模型：从局部有序的非晶态结构模型衍生出来的晶晶体中，大分子链是以折叠的形式堆砌起来的体中，大分子链是以折叠的形式堆砌起来的适合于结晶度适合于结晶度较高的情况。但高结晶度存在以下缺陷：较高的情况。但高结晶度存在以下缺陷：a.a.点缺陷：如空出的晶格位置和在缝隙间的原子、链端、侧基等；点缺陷：如空出的晶格位置和在缝隙间的原子、链端、侧基等；b.b.位错：主要是螺型位错

12、和刃型位错；位错：主要是螺型位错和刃型位错；c.c.二维缺陷：如折叠链表面；二维缺陷：如折叠链表面；d.d.链无序缺陷：如折叠点、排列改变等；链无序缺陷：如折叠点、排列改变等；e.e.非晶态缺陷：即无序范围较大的区域。非晶态缺陷：即无序范围较大的区域。本讲稿第十九页，共三十二页规则的近邻折叠疏松的近邻折叠无规的近邻折叠本讲稿第二十页，共三十二页宏观或亚微观结构宏观或亚微观结构（结晶形态）（结晶形态）单晶单晶球晶球晶串晶串晶树枝状晶树枝状晶纤维状晶纤维状晶聚合物的结晶形态聚合物的结晶形态本讲稿第二十一页，共三十二页（1）单晶（折叠链晶片型单晶）（稀溶液）：各向异性，有一定外形，长程有序空心棱锥型

13、聚乙烯单晶立体形状示意图本讲稿第二十二页，共三十二页（2 2）球晶）球晶（较浓的溶液）（较浓的溶液）球晶（树枝晶）：从熔体冷却或从浓溶液中结晶时，在不存在应力球晶（树枝晶）：从熔体冷却或从浓溶液中结晶时，在不存在应力或流动的情况下形成。由无数径向发射的折叠链晶片按结晶规律长在或流动的情况下形成。由无数径向发射的折叠链晶片按结晶规律长在一起的球形多晶聚集体。一起的球形多晶聚集体。大小：直径几十至几百微米。大小：直径几十至几百微米。影响：对高分子材料的性能，尤其是力学性能有很大影响。影响：对高分子材料的性能，尤其是力学性能有很大影响。球晶生长的共同条件是含有杂质的粘稠体系本讲稿第二十三页，共三十二

14、页从熔体生长的等规聚苯乙烯球晶的偏光显微镜照片本讲稿第二十四页，共三十二页（3 3）纤维状晶（伸直链晶体）和串晶）纤维状晶（伸直链晶体）和串晶（搅拌下）（搅拌下）在特定的环境中在特定的环境中,如在高温高压条件下结晶，或在高速拉伸（如在高温高压条件下结晶，或在高速拉伸（10105 5m/minm/min）和快速淬火下纺丝和快速淬火下纺丝可能得到纤维状的伸直链晶体。可能得到纤维状的伸直链晶体。伸直链晶体含量为伸直链晶体含量为10%10%的聚乙烯纤维，抗拉强度达的聚乙烯纤维，抗拉强度达480MPa480MPa；串晶力学性能较高。串晶力学性能较高。本讲稿第二十五页，共三十二页三三三三、取向态结构取向态

15、结构取向态结构取向态结构聚合物的取向：链段、整个大分子链以及晶粒在外力场作用下沿一定聚合物的取向：链段、整个大分子链以及晶粒在外力场作用下沿一定方向排列的现象。方向排列的现象。取向单元：相应的链段、大分子链及晶粒。取向单元：相应的链段、大分子链及晶粒。取向结构（取向结构（orientationorientation）：由大分子链取向所形成的聚集态结构。）：由大分子链取向所形成的聚集态结构。本讲稿第二十六页，共三十二页非晶态聚合物的取向非晶态聚合物的取向大尺寸取向（分子链取向）：指大分子链作为整体是取向的，大尺寸取向（分子链取向）：指大分子链作为整体是取向的，整个分子链沿外场方向平行排列，但链段

16、未必都取向整个分子链沿外场方向平行排列，但链段未必都取向取向慢，取向慢，解取向也慢；解取向也慢；小尺寸取向（链段取向）：指链段沿外场方向平行排列，但整个大小尺寸取向（链段取向）：指链段沿外场方向平行排列，但整个大分子链并未取向，其可能是杂乱的分子链并未取向，其可能是杂乱的取向快，解取向也快。取向快，解取向也快。本讲稿第二十七页，共三十二页解取向：取向过程是分子在外场作用下的有序化过程，外解取向：取向过程是分子在外场作用下的有序化过程，外场除去后，分子热运动又会重新回复无序化，即解取向。场除去后，分子热运动又会重新回复无序化，即解取向。非晶高分子材料的取向状态在热力学上是一种非平衡态本讲稿第二十

17、八页，共三十二页结晶聚合物的取向结晶聚合物的取向结晶聚合物在外场作用下，除了发生非晶区的分子链或链段取向外，结晶聚合物在外场作用下，除了发生非晶区的分子链或链段取向外，还有晶粒的变形、取向排列问题。还有晶粒的变形、取向排列问题。取向结果：取向结果：微丝结构微丝结构 伸直链晶体伸直链晶体本讲稿第二十九页，共三十二页l l四、共混态结构（织态结构）四、共混态结构（织态结构）高分子共混材料（高分子共混材料（polymer blendpolymer blend）：又称高分子合金（）：又称高分子合金（polymer polymer alloyalloy），指两种或两种以上高分子材料的物理混合物（混合），指两种或两种以上高分子材料的物理混合物（混合的两种大分子链间不存在化学键合）。的两种大分子链间不存在化学键合）。化学共混：接枝聚合法、嵌段聚合法得到的共聚物和核化学共混：接枝聚合法、嵌段聚合法得到的共聚物和核-壳型微壳型微粒材料。粒材料。本讲稿第三十页，共三十二页l高 分 子 材 料 的 性 能本讲稿第三十一页，共三十二页力学性能力学性能电学性能电学性能光学性能光学性能热学性能热学性能本讲稿第三十二页，共三十二页