材料科学基础第三章高分子材料的结构.ppt

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1、第三章第三章 高分子材料的结构高分子材料的结构高分子材料概述高分子材料概述高分子链的结构及构象高分子链的结构及构象高分子的聚集态结构高分子的聚集态结构高分子材料的性能和结构高分子材料的性能和结构第一节第一节 高分子材料概述高分子材料概述 高分子化合物高分子化合物（聚合物或高聚物）：有（聚合物或高聚物）：有一种或多种简单低分子化合物聚合而成一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物。高分子的相对分子质量很大的化合物。高分子化合物具有较好的强度、塑性和弹性等化合物具有较好的强度、塑性和弹性等力学性能。力学性能。一、高分子材料的基本概念一、高分子材料的基本概念 高分子材料是以有机高

2、分子化合物高分子材料是以有机高分子化合物为主要组分的材料。包括人工合成的和为主要组分的材料。包括人工合成的和天然的两大类。天然的两大类。聚合度：聚合度：高分子化合物的大分子链高分子化合物的大分子链是由大量链节连成的。大分子链中链是由大量链节连成的。大分子链中链节的重复次数。聚合度反映了大分子节的重复次数。聚合度反映了大分子链的长短和相对分子质量的大小。链的长短和相对分子质量的大小。官能度：官能度：在一个单体上能和别的单在一个单体上能和别的单体发生键合的位置的数目。但分子的体发生键合的位置的数目。但分子的官能度决定了高分子的结构。官能度决定了高分子的结构。上页上页下页下页单体：单体：凡是可以聚合

3、生成大分子链的低凡是可以聚合生成大分子链的低分子化合物。单体也就是合成聚合物的分子化合物。单体也就是合成聚合物的起始原料，是化合物独立存在的基本单起始原料，是化合物独立存在的基本单元，是单个分子存在的稳定状态。如聚元，是单个分子存在的稳定状态。如聚乙烯的单体是乙烯。乙烯的单体是乙烯。链节：链节：大分子链中的重复结构单元。即大分子链中的重复结构单元。即为聚乙为聚乙 烯分子链的链节。链节的结构和烯分子链的链节。链节的结构和成分代表了分子化合物的结构和成分成分代表了分子化合物的结构和成分多分散性：多分散性：高分子化合物中各个分子高分子化合物中各个分子的相对分子质量不相等的现象。多分散的相对分子质量不

4、相等的现象。多分散性在低分子化合物中是不存在的，它是性在低分子化合物中是不存在的，它是高分子化合物的一大特点。高分子化合高分子化合物的一大特点。高分子化合物的多分散性决定了它的物理和力学性物的多分散性决定了它的物理和力学性能的大分散度。能的大分散度。数均相对分子质量数均相对分子质量重均相对分子质量重均相对分子质量平均相对分子质量：平均相对分子质量：上页上页下页下页小结小结 高分子材料的主要组分是有机高分高分子材料的主要组分是有机高分子化合物。而高分子化合物则是由一种子化合物。而高分子化合物则是由一种或多种单体，通过聚合反应形成的相对或多种单体，通过聚合反应形成的相对分子质量很大的化合物。由于高

5、分子化分子质量很大的化合物。由于高分子化合物的相对分子质量存在多分散性，故合物的相对分子质量存在多分散性，故通常用以数量或质量为基础的平均相对通常用以数量或质量为基础的平均相对分子质量表示。分子质量表示。下页下页上页上页二、高分子材料的合成二、高分子材料的合成高分子化合物的合成是指把低分子化高分子化合物的合成是指把低分子化合物聚合起来形成高分子化合物的过合物聚合起来形成高分子化合物的过程。其所进行的反应称为程。其所进行的反应称为聚合反应聚合反应。聚合反应聚合反应加聚反应加聚反应：指由一种或多种指由一种或多种单体相互加成而连接成聚合单体相互加成而连接成聚合物的反应。物的反应。缩聚反应缩聚反应：单

6、体指由一种或单体指由一种或多种相互混合而连接成聚合多种相互混合而连接成聚合物，同时析出某种低分子物物，同时析出某种低分子物质的反应。质的反应。下页下页上页上页三、高分子材料的分类三、高分子材料的分类分类的原则分类的原则类型类型特征或举例特征或举例按高聚物来源按高聚物来源 天然高聚物天然高聚物如天然橡胶、纤维等如天然橡胶、纤维等人造及合成高聚物人造及合成高聚物如聚乙烯等如聚乙烯等按聚合反应的按聚合反应的类型不同类型不同加聚高聚物加聚高聚物如聚烯烃等如聚烯烃等缩聚高聚物缩聚高聚物如酚醛、环氧高聚物如酚醛、环氧高聚物按高分子的几按高分子的几何结构何结构线型高聚物线型高聚物高分子为线型或支链高分子为线

7、型或支链型结构型结构体型高聚物体型高聚物高分子为网状或体型高分子为网状或体型结构结构按高聚物的热按高聚物的热行为行为热塑性高聚物热塑性高聚物线型线型(或支链或支链)分子结分子结构，可熔可溶构，可熔可溶热固性高聚物热固性高聚物体型体型(或网状或网状)分子结分子结构构,不熔不溶不熔不溶下页下页按高聚物按高聚物的工艺性的工艺性质质塑料塑料有固定形状、热稳定性与机有固定形状、热稳定性与机械性能械性能橡胶橡胶具有高弹性，可作弹性及密具有高弹性，可作弹性及密封材料封材料纤维纤维单丝强度高，可用作纺织材单丝强度高，可用作纺织材料料涂料涂料涂布于物体表面，可以形成涂布于物体表面，可以形成坚固的防护膜坚固的防护

8、膜胶粘剂胶粘剂能将两种物质粘接在一起，能将两种物质粘接在一起，形成牢固的物质形成牢固的物质按高聚物按高聚物的主链结的主链结构构碳链高聚物碳链高聚物CCC杂链高聚物杂链高聚物CCC；CCN元素有机高聚物元素有机高聚物OSiOSiO下页下页返回返回第二节第二节 高分子链的结构及构象高分子链的结构及构象 高分子结构的层次高分子结构的层次高高聚聚物物结结构构高分子链结构高分子链结构高分子聚集态结构高分子聚集态结构远程结构远程结构结构单元化学组成结构单元化学组成结构单元键接方式结构单元键接方式结构单元空间立构结构单元空间立构支化与交联支化与交联结构单元键接序列结构单元键接序列近程结构近程结构高分子链尺寸

9、高分子链尺寸高分子链的形态高分子链的形态聚合物非晶态结构聚合物非晶态结构聚合物晶态结构聚合物晶态结构高分子液晶结构高分子液晶结构聚合物取向结构聚合物取向结构聚合物多向结构聚合物多向结构高分子链结构单元化学组成高分子链结构单元化学组成高分子链结构链接方式高分子链结构链接方式碳链高分子：碳链高分子：C C C C C杂链高分子：杂链高分子：C C O C C元素有机高分子：元素有机高分子：O SiOSi O头头尾连接尾连接头头头连接头连接尾尾尾连接尾连接高分子链结构单元空间构型高分子链结构单元空间构型合同立构合同立构间同立构间同立构无规立构无规立构下页下页上页上页高分子链的几何形状高分子链的几何形

10、状支化支化指链状高分子上出现分支。指链状高分子上出现分支。交联交联指链状高分子之间联接成网络。指链状高分子之间联接成网络。下页下页上页上页高分子链的构象及柔顺性高分子链的构象及柔顺性构象构象由于绕由于绕CC单键内旋转而成的单键内旋转而成的空间排列。空间排列。柔顺性柔顺性有构象变化获得不同卷曲程度有构象变化获得不同卷曲程度的特性。的特性。第三节第三节 高分子聚集态结构高分子聚集态结构 聚合物晶态结构聚合物晶态结构缨壮胶束结构缨壮胶束结构折迭链结构折迭链结构下页下页返回返回上页上页下页下页上页上页玻璃化温度玻璃化温度Tg:当一块玻璃冷却到熔点温当一块玻璃冷却到熔点温度以下时度以下时,在某一温度范围

11、内它仍是塑性在某一温度范围内它仍是塑性的的,但冷却到某个温度时，发生玻璃硬化，但冷却到某个温度时，发生玻璃硬化，此温度即此温度即Tg.聚合物非晶态结构聚合物非晶态结构无序结构无序结构局部有序结构局部有序结构聚合物的结晶度与玻璃化温度聚合物的结晶度与玻璃化温度Tg:1、结晶度、结晶度 线型、支化型和交联少的网状高线型、支化型和交联少的网状高分子聚合物固化时可以结晶，但由分子聚合物固化时可以结晶，但由于分子链运动较困难，不可能完全于分子链运动较困难，不可能完全的结晶。所谓结晶度就是结晶的程的结晶。所谓结晶度就是结晶的程度。度。2、分子结构对结晶能力的影响、分子结构对结晶能力的影响 线型聚合物的结晶

12、能力受分子线型聚合物的结晶能力受分子结构等因素的影响：结构等因素的影响：（1）结构简单、规整性高、对称性）结构简单、规整性高、对称性 好的高分子容易结晶。好的高分子容易结晶。（2）等规聚合物结晶能力强。）等规聚合物结晶能力强。（3）缩聚物都能结晶。）缩聚物都能结晶。（4）高分子链的支化不利于结晶。）高分子链的支化不利于结晶。下页下页上页上页返回返回第四节第四节 高分子材料的性能与结构高分子材料的性能与结构一、高分子材料的主要性能特点一、高分子材料的主要性能特点（1）弹性模量和强度都较低，它的力学）弹性模量和强度都较低，它的力学性能对温度和时间的变化十分敏感，在性能对温度和时间的变化十分敏感，在

13、室温下就有明显的蠕变和应力松弛现象。室温下就有明显的蠕变和应力松弛现象。（2）从液态凝固后多数呈非晶态，加热）从液态凝固后多数呈非晶态，加热到到Tg以上温度时，先后发生皮革状、橡以上温度时，先后发生皮革状、橡胶状的粘弹性变形，温度再高则发生粘胶状的粘弹性变形，温度再高则发生粘性流动，材料可在此温度内加工成型。性流动，材料可在此温度内加工成型。下页下页上页上页下页下页（3）高分子材料的主要弱点是容易）高分子材料的主要弱点是容易老化。老化的原因主要是分子链的结老化。老化的原因主要是分子链的结构发生了降解和交联。内在因素主要构发生了降解和交联。内在因素主要是化学结构、分子链结构和聚集态结是化学结构、

14、分子链结构和聚集态结构中的各种弱点。对于橡胶是变脆、构中的各种弱点。对于橡胶是变脆、龟裂、变软和发粘；对于塑料是褪色、龟裂、变软和发粘；对于塑料是褪色、失去光泽和开裂。失去光泽和开裂。下页下页上页上页高分子材料高分子材料热塑性材料热塑性材料热固性材料热固性材料橡胶橡胶热塑性材料：热塑性材料：具有线型结构，故具具有线型结构，故具有较好的弹性、塑性，易于加工成有较好的弹性、塑性，易于加工成型和反复使用。型和反复使用。热固性材料：热固性材料：由于成型时线型分由于成型时线型分下页下页上页上页橡胶：橡胶：由于在成型分子链间形成了由于在成型分子链间形成了少量交联，因而具有较高的弹性。少量交联，因而具有较高

15、的弹性。子链间产生严重交联而形成了三维子链间产生严重交联而形成了三维网状结构，因而具有较高的硬度和网状结构，因而具有较高的硬度和弹性模量，但弹性低，脆性大，材弹性模量，但弹性低，脆性大，材料不能进行塑性加工和反复使用。料不能进行塑性加工和反复使用。下页下页上页上页三、改变高分子材料性能的途径三、改变高分子材料性能的途径1、改变结晶度。、改变结晶度。2、改变侧基的性质。、改变侧基的性质。3、改变主链的结构。、改变主链的结构。4、共聚：是由两种或两种以上的单、共聚：是由两种或两种以上的单体参加聚合而形成聚合物的反应。体参加聚合而形成聚合物的反应。5、拉拔强化。、拉拔强化。下页下页上页上页返回本章首页返回本章首页返回目录返回目录退出系统退出系统返 回返 回返 回返 回返 回