高分子概论聚合物的溶解特性结构与性能.ppt
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1、第四节第四节 聚合物的溶解特性聚合物的溶解特性 由于聚合物分子量大,具有多分散性,可有线形、支化和交由于聚合物分子量大,具有多分散性,可有线形、支化和交联等多种分子形态,聚集态又可表现为晶态、非晶态等,因此联等多种分子形态,聚集态又可表现为晶态、非晶态等,因此聚合物的溶解现象比小分子化合物复杂的多,具有许多与小分聚合物的溶解现象比小分子化合物复杂的多,具有许多与小分子化合物溶解不同的特性:子化合物溶解不同的特性:(1)聚合物的溶解是一个缓慢过程,包括两个阶段:聚合物的溶解是一个缓慢过程,包括两个阶段:(i)溶胀)溶胀:由于聚合物链与溶剂分子大小相差悬殊,溶剂分:由于聚合物链与溶剂分子大小相差悬
2、殊,溶剂分子向聚合物渗透快,而聚合物分子向溶剂扩散慢,结果溶剂分子向聚合物渗透快,而聚合物分子向溶剂扩散慢,结果溶剂分子向聚合物分子链间的空隙渗入,使之体积胀大,但整个分子子向聚合物分子链间的空隙渗入,使之体积胀大,但整个分子链还不能做扩散运动;链还不能做扩散运动;(ii)溶解)溶解:随着溶剂分子的不断渗入,聚合物分子链间的空:随着溶剂分子的不断渗入,聚合物分子链间的空隙增大,加之渗入的溶剂分子还能是高分子链溶剂化,从而削隙增大,加之渗入的溶剂分子还能是高分子链溶剂化,从而削弱了高分子链间的相互作用,使链段得以运动,直至脱离其他弱了高分子链间的相互作用,使链段得以运动,直至脱离其他链段的作用,
3、转入溶解。当所有的高分子都进入溶液后,溶解链段的作用,转入溶解。当所有的高分子都进入溶液后,溶解过程方告完成。过程方告完成。溶胀可分为溶胀可分为无限溶胀无限溶胀和和有限溶胀有限溶胀。无限溶胀无限溶胀是指聚合物能无限制地吸收溶剂分子直至形成均是指聚合物能无限制地吸收溶剂分子直至形成均相的溶液;相的溶液;有限溶胀有限溶胀是指聚合物吸收溶剂到一定程度后,如果其它条是指聚合物吸收溶剂到一定程度后,如果其它条件不变,不管与溶剂接触时间多长,溶剂吸入量不再增加,聚件不变,不管与溶剂接触时间多长,溶剂吸入量不再增加,聚合物的体积也不再增大,高分子链段不能挣脱其他链段的束缚,合物的体积也不再增大,高分子链段不
4、能挣脱其他链段的束缚,不能很好地向溶剂扩散,体系始终保持两相状态。不能很好地向溶剂扩散,体系始终保持两相状态。有些有限溶胀的聚合物在升温条件下,可以促进分子链的有些有限溶胀的聚合物在升温条件下,可以促进分子链的运动使之易分离而发生溶解。升温可促进溶解,增加溶解度。运动使之易分离而发生溶解。升温可促进溶解,增加溶解度。对于一些交联聚合物,由于交联的束缚(链与链之间形成对于一些交联聚合物,由于交联的束缚(链与链之间形成化学键),即使升高温度也不能使分子链挣脱化学键的束缚,化学键),即使升高温度也不能使分子链挣脱化学键的束缚,因此不能溶解。但交联点之间的链段可发生弯曲和伸展,因因此不能溶解。但交联点
5、之间的链段可发生弯曲和伸展,因此可发生溶胀。此可发生溶胀。(2)聚合物的溶解度与分子量有关。一般分子量越大,溶解)聚合物的溶解度与分子量有关。一般分子量越大,溶解度越小;反之,溶解度越大。度越小;反之,溶解度越大。(3)非极性晶态聚合物比非晶态聚合物难溶解。)非极性晶态聚合物比非晶态聚合物难溶解。由于非极性晶态聚合物中分子链之间排列紧密,相互由于非极性晶态聚合物中分子链之间排列紧密,相互作用强,溶剂分子难以渗入,因此在室温条件下只能微弱作用强,溶剂分子难以渗入,因此在室温条件下只能微弱溶胀;只有升温到其熔点附近,使其晶态结构熔化为非晶溶胀;只有升温到其熔点附近,使其晶态结构熔化为非晶态,才能溶
6、解。如线形聚乙烯。态,才能溶解。如线形聚乙烯。但极性较强的晶态聚合物由于可与极性溶剂之间形成氢但极性较强的晶态聚合物由于可与极性溶剂之间形成氢键,而氢键的生成热可破坏晶格,使溶解得以进行。键,而氢键的生成热可破坏晶格,使溶解得以进行。对同种聚合物而言,结晶可降低聚合物的溶解度,结晶对同种聚合物而言,结晶可降低聚合物的溶解度,结晶度越高,溶解越困难,溶解度越小。度越高,溶解越困难,溶解度越小。聚合物溶剂的选择聚合物溶剂的选择(1)极性相近原则:)极性相近原则:相近者相溶相近者相溶(2)溶度参数相近原则:)溶度参数相近原则:溶度参数是反映分子间相互作用力大小的一个参数。溶度参数是反映分子间相互作用
7、力大小的一个参数。定义为单位体积汽化能的平方根。用定义为单位体积汽化能的平方根。用d d来表示。常见溶剂的来表示。常见溶剂的溶度参数可查手册。溶度参数可查手册。若难以找到合适的单一溶剂,可选择混合溶剂。混合溶若难以找到合适的单一溶剂,可选择混合溶剂。混合溶剂的溶度参数计算如下式:剂的溶度参数计算如下式:m=11 22 (为体积分数)为体积分数)(3)溶剂化原则:)溶剂化原则:即溶剂分子通过与高分子链的相互作用可把即溶剂分子通过与高分子链的相互作用可把链分离而发生溶胀,直到溶解。链分离而发生溶胀,直到溶解。溶剂化作用要求聚合物和溶剂中,一方是电子受体(亲电性),溶剂化作用要求聚合物和溶剂中,一方
8、是电子受体(亲电性),另一方是电子给体(亲核性),两者相互作用产生溶剂化。另一方是电子给体(亲核性),两者相互作用产生溶剂化。常见的亲电性基团:常见的亲电性基团:-SO3H,-COOH,-C6H4OH,=CHCN,=CHNO2,-CHCl2,=CHCl 常见的亲核性基团:常见的亲核性基团:-CH2NH2,-C6H4NH2,-CON(CH3)2,-CONH-,-CH2COCH2-,-CH2OCOCH2-,-CH2-O-CH2-第五节第五节 聚合物的力学状态及其转变聚合物的力学状态及其转变 聚合物的物理状态从热力学和动力学不同角度可分为相态聚合物的物理状态从热力学和动力学不同角度可分为相态和聚集态
9、。和聚集态。相态是热力学概念,由自由焓、温度、压力和体积等热力学相态是热力学概念,由自由焓、温度、压力和体积等热力学参数决定。相态转变伴随着热力学参数的突变。相态的转变仅参数决定。相态转变伴随着热力学参数的突变。相态的转变仅与热力学参数有关,而与过程无关,也称与热力学参数有关,而与过程无关,也称热力学状态热力学状态。聚集态是动力学概念,是根据物体对外场(外部作用)特别聚集态是动力学概念,是根据物体对外场(外部作用)特别是外力场的响应特性进行划分,所以也常称为是外力场的响应特性进行划分,所以也常称为力学状态力学状态。力学。力学状态涉及松弛过程,与时间因素密切相关。状态涉及松弛过程,与时间因素密切
10、相关。聚合物在不同外力条件下所处的力学状态不同,表现出的力学聚合物在不同外力条件下所处的力学状态不同,表现出的力学性能也不同。性能也不同。一一、非晶态聚合物的力学三态及其转变、非晶态聚合物的力学三态及其转变 若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力,观察试若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力,观察试样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系,便得到该样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系,便得到该聚合物试样的聚合物试样的温度温度-形变曲线形变曲线(或称(或称热热-机械曲线机械曲线)。)。非晶态聚合物典型的热非晶态聚合物典型的热-机械曲线如下图,存在两个斜机械曲线如下图,存在两个斜率突变区,这两
11、个突变区把热率突变区,这两个突变区把热-机械曲线分为三个区域,分机械曲线分为三个区域,分别对应于三种不同的力学状态,三种状态的性能与分子运别对应于三种不同的力学状态,三种状态的性能与分子运动特征各有不同。动特征各有不同。形形变变温度温度IIIIII温度温度形形变变IIIIII 在区域在区域I,温度低,链段运动被冻结,温度低,链段运动被冻结,只有侧基、链节、只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动链长、键角等的局部运动,因此聚合物在外力作用下的形,因此聚合物在外力作用下的形变小,具有变小,具有虎克弹性行为:虎克弹性行为:形变在瞬间完成,当外力除去形变在瞬间完成,当外力除去后,形变又立即恢复,表现为
12、质硬而脆,这种力学状态与后,形变又立即恢复,表现为质硬而脆,这种力学状态与无机玻璃相似,称为无机玻璃相似,称为玻璃态玻璃态。温度温度形形变变IIIIII玻玻璃璃态态 随着温度的升高,链段运动逐渐随着温度的升高,链段运动逐渐“解冻解冻”,形变逐渐增大,形变逐渐增大,当温度升高到某一程度时,当温度升高到某一程度时,链段运动得以充分发展链段运动得以充分发展,形变发,形变发生突变,进入区域生突变,进入区域II,这时即使在较小的外力作用下,也能,这时即使在较小的外力作用下,也能迅速产生很大的形变,并且当外力除去后,形变又可逐渐恢迅速产生很大的形变,并且当外力除去后,形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的
13、形变,除去外力后能恢复原状的复。这种受力能产生很大的形变,除去外力后能恢复原状的性能称性能称高弹性高弹性,相应的力学状态称,相应的力学状态称高弹态高弹态。形形变变温度温度IIIIII玻玻璃璃态态高弹态高弹态玻玻璃璃化化转转变变区区Tg粘流态粘流态粘粘弹弹态态转转变变区区Tf交联聚合物交联聚合物MaMbMb Ma 由玻璃态向高弹态发生由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫突变的区域叫玻璃化转变区玻璃化转变区,玻璃态开始向高弹态转变的玻璃态开始向高弹态转变的温度称为温度称为玻璃化转变温度玻璃化转变温度(glass temperature),以,以Tg表示。表示。当温度升到足够高时,在外力作用下,由于链段
14、运动剧烈,导致当温度升到足够高时,在外力作用下,由于链段运动剧烈,导致整个分整个分子链质量中心发生相对位移子链质量中心发生相对位移,聚合物完全变为粘性流体,其形变不可逆,这,聚合物完全变为粘性流体,其形变不可逆,这种力学状称为种力学状称为粘流态粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度粘流温度,以,以Tf表示,其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大,表示,其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大,Tf越高。交联越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接,不能发生相对位移,不出现粘流态。聚合物由于分子链间有化学键连接,不能发生相对位移,不出现粘
15、流态。玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。二、二、晶态聚合物的力学状态及其转变晶态聚合物的力学状态及其转变 在轻度结晶的聚合物中,少量的晶区起类似交联点的作用,在轻度结晶的聚合物中,少量的晶区起类似交联点的作用,当温度升高时,其中非晶区由玻璃态转变为高弹态,可以观察当温度升高时,其中非晶区由玻璃态转变为高弹态,可以观察到到Tg的存在,但晶区的链段由于受晶格能的限制难以运动,使的存在,但晶区的链段由于受晶格能的限制难以运动,使其形变受到限制,整个材料表现为由于非晶区的高弹态而具有其形变受到限制,整个材料表现为由于非晶区的高弹态而具有一定的韧性,由
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