高分子材料的结构课件.ppt

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1、高分子材料的结构第1页，此课件共49页哦第一节 高分子材料概述高分子材料的基本概念高分子材料的合成高分子材料的分类2第2页，此课件共49页哦一、高分子材料的基本概念1、高分子化合物 由一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子量大于5000的化合物，又称聚合物或高聚物。如，聚乙烯：CH2CH2CH23第3页，此课件共49页哦2、单体 构成高分子链的低分子化合物。如：聚乙烯的单体：CH2=CH2 聚氯乙烯的单体：CH2=CHCl3、链节 高分子链中的重复结构单元。如：聚乙烯结构式：-CH2-CH2-n -CH2-CH2-为链节。4第4页，此课件共49页哦4、聚合度 高分子链中链节的重复次数。5

2、、官能度 一个单体上能与别的单体发生键合的位置数目。如：聚乙烯单体(CH2CH2)的官能度为2,是双官能的单体5第5页，此课件共49页哦单体分子的官能度决定着高分子的结构单官能的单体:可作为链聚合的终止剂双官能的单体:只能聚合为链状结构,形成 热塑性塑料，有较低的强度三官能的单体:可聚合为三维网状结构,有更高的强度6第6页，此课件共49页哦6、多分散性 高分子化合物中各个分子的相对分子质量不相等的 现象。多分散性决定了高分子材料的物理和力学性能的分散性。7、平均分子量 数均分子量：重均分子量：i=1-;Ni-相对分子质量为Mi的分子在聚合物中所占的分子分数。一般情况下，用重均分子量表征聚合物比

3、用数均分子量更恰当。7第7页，此课件共49页哦二、高分子材料的合成1、加聚反应：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。其生成物叫加聚物。如：乙烯聚乙烯8第8页，此课件共49页哦2、缩聚反应：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出某种低分子物质的反应，生成缩聚物和副产品。如：对苯二甲酸脂+乙二醇聚酯纤维+甲醇涤纶（的确良）涤纶（的确良）涤纶（的确良）涤纶（的确良）9第9页，此课件共49页哦三、高分子材料的分类按聚合反应的类型按高分子的几何结构按聚合物的热行为加聚聚合物，加聚聚合物，如：聚乙烯缩聚聚合物，缩聚聚合物，如：聚酯纤维线型聚合物：线型或支链型结构体型聚合物：网状或体型结

4、构热塑性聚合物热固性聚合物10第10页，此课件共49页哦热塑性聚合物 线型或支链型分子结构，加热软化，可制成一定形状，冷却变硬；再加热仍软化和成型。热固性聚合物 网状或体型分子结构，初热变软，可制成一定形状，加入固化剂后硬化定型，重复加热不软化。11第11页，此课件共49页哦四、高分子化合物的命名和常见类型黑板例题112第12页，此课件共49页哦第二节 高分子链的结构及构象高分子链的化学组成结构单元的键接方式和构型高分子链的几何形状高分子链的构象及柔顺性13第13页，此课件共49页哦高分子材料的结构高分子链的结构高分子的聚集态结构:高分子结构单元的化学组成键接方式键接方式空间构型空间构型高分子

5、链的几何形状高分子链的构象高分子链的构象分子链的排列和堆积结构14第14页，此课件共49页哦一、高分子链的化学组成1、碳链高分子：主链全部由C原子以共价键联结而成的高分子链如：-C-C-C-C-或-C-C=C-C-（侧基可以各种各样）2、杂链高分子：主链中除C原子外，还有其它原子的高分子链如：-C-C-O-C-C、-C-C-N-C-C-杂原子能大大改变聚合物的性能。如：O原子增强链的柔性，提高聚合物的弹性。15第15页，此课件共49页哦3、元素有机高分子：主链一般由无机元素和有机元素原子组成，侧基一般为有机基团如：-O-Si-O-Si-O-有机基团使聚合物具有较高的强度和弹性；无机原子能提高耐

6、热性16第16页，此课件共49页哦二、结构单元的键接方式和构型1、键接方式 以乙烯型为例17第17页，此课件共49页哦多种单体共聚无规共聚，a)交替共聚，b)嵌段共聚，c)接枝共聚，d)（黑球代表一种重复单元，（黑球代表一种重复单元，白球代表另一种重复单元）白球代表另一种重复单元）18第18页，此课件共49页哦各种连接方式主要受能量和空间阻碍两个因素所控制，即聚合时力求使能量体系最稳定和所受的空间阻碍最小。2、空间构型由化学键所固定的空间排列称为分子链的构型。即使分子链组成相同，但由于取代基所处的位置不同，也有不同的立体异构。19第19页，此课件共49页哦(1)全同立构取代基X同侧容易结晶(2

7、)间同立构取代基X相间容易结晶(3)无规立构取代基X无规不易结晶20第20页，此课件共49页哦三、高分子链的几何形状线型线团形 支化形 梳形 星形 a)b)c)d)交联形 网形 e)f)体型21第21页，此课件共49页哦1、高分子链的构象：由于单键内旋转引起的原子在空间据不同位置所构成的分子链的各种形象。单键的内旋转：每一个单键围绕其相邻单键按一定角度进行的旋转运动。四、高分子链的构象及柔顺性22第22页，此课件共49页哦2、高分子链的柔顺性：由构象变化而获得的 不同卷曲程度的特性。柔顺性的度量末端距 h均方末端距 h2容易内旋转的链柔性链不易内旋转的链刚性链23第23页，此课件共49页哦3、

8、影响高分子链柔顺性的主要因素（1）主链结构主链全由单键组成，柔顺性最好碳链高分子，杂链高分子，元素有机高分子主链含孤立双键时，柔顺性较好主链含芳杂环时，因芳杂环不能旋转，柔顺性很差，但刚性好，能耐高温柔顺性柔顺性24第24页，此课件共49页哦（2）侧基性质侧基的极性：极性越大，柔顺性越差侧基的体积：体积越大，柔顺性越差侧基分布的对称性：对称分布，柔顺性较好聚异丁烯聚丙烯好于好于25第25页，此课件共49页哦第三节 高分子的聚集态结构晶态聚合物的结构非晶态聚合物的结构聚合物的结晶度与玻璃化温度26第26页，此课件共49页哦高分子的聚集态结构：又称超分子结构，指聚合物本体中分子链的排列和堆积结构。

9、即使具有相同结构的同一聚合物，在不同加工成型和后处理条件下，也会产生不同的聚集状态，从而使制品具有不同的性能，因此，聚集态结构对性能的影响更为直接和重要固态聚合物的聚集态结构分为晶态和非晶态（无定型）两种27第27页，此课件共49页哦一、晶态聚合物的结构1、缨状胶束结构模型 早期的模型，现已被替代缨状胶束结构模型缨状胶束结构模型a)a)未受外力拉伸未受外力拉伸b)b)受外力拉伸受外力拉伸28第28页，此课件共49页哦2、折叠链结构模型（目前最成功的模型）晶体形态片状晶体（片晶）片状晶体（片晶）球状晶体（球晶）球状晶体（球晶）线状晶体（串晶）线状晶体（串晶）树枝状晶体（枝晶）树枝状晶体（枝晶）2

10、9第29页，此课件共49页哦1、无序结构模型二、非晶态聚合物的结构无规线团模型无规线团模型30第30页，此课件共49页哦2、局部有序结构模型折叠链缨状胶粒模型粒子相粒间相粒子相31第31页，此课件共49页哦半晶态聚合物的霍斯曼（Hosemann）模型32第32页，此课件共49页哦三、聚合物的结晶度与玻璃化温度1、结晶度：晶态聚合物中结晶的程度 式中式中，Wc Wc 结晶区的总重量结晶区的总重量 Wa Wa 非晶区的总重量非晶区的总重量 Vc 结晶区的总体积结晶区的总体积 Va 非晶区的总体积重量结晶度：体积结晶度：体积结晶度：33第33页，此课件共49页哦测定结晶度的方法：常用密度法 聚合物的

11、密度 a 聚合物完全不结晶时的密度c 聚合物完全结晶时的密度聚合物完全结晶时的密度例题：P8234第34页，此课件共49页哦2、分子结构对结晶能力的影响体型聚合物：不易结晶，为非晶态线型聚合物结构简单、规整度高、对称性好，有利于结晶结构简单、规整度高、对称性好，有利于结晶等规（侧基排布规整）聚合物易结晶等规（侧基排布规整）聚合物易结晶缩聚物都能结晶缩聚物都能结晶高分子链的支化不利于结晶影响结晶的其他因素(与金属相似)冷却速度冷却速度过冷度杂质应力状态35第35页，此课件共49页哦3、玻璃化温度 Tg（1）无定型聚合物的三种物理状态粘流态：分子链可动高弹态：链段可动玻璃态：链段也不可动线型非晶态

12、高聚物的线型非晶态高聚物的变形变形-温度曲线示意图温度曲线示意图36第36页，此课件共49页哦（2）玻璃化温度 Tg高聚物由高弹态转变为玻璃态的温度，指无定型聚合物（包括结晶型聚合物中的非结晶部分）由玻璃态向高弹态或者由后者向前者的转变温度一般聚合物的Tg/Tm=0.5-0.75结构对称聚合物 Tg/Tm=0.5结构不对 称聚合物Tg/Tm=0.7537第37页，此课件共49页哦第四节 高分子材料的性能与结构高分子材料的主要性能特点高分子材料性能与结构的关系改变高分子材料性能的途径38第38页，此课件共49页哦一、高分子材料的主要性能特点1、优点原料丰富、成本低密度小，1g/cm3化学稳定性好

13、、耐腐蚀，如聚四氟乙烯耐磨性好，很大的、或很小的摩擦系数电绝缘性好绝热性好良好的光学性能，如有机玻璃39第39页，此课件共49页哦（2）缺点弹性模量低强度低热性能差易蠕变、应力松弛易老化降解强度，弹性交联变硬，变脆40第40页，此课件共49页哦二、高分子材料的性能与结构的关系通常将高分子材料分为：热塑性塑料热固性塑料橡胶41第41页，此课件共49页哦1、热塑性塑料线型链状结构。线型分子链之间以二次键结合。加热至 Tg以上温度时，二次键破坏，分子链很容易运动，表现出一定弹性和粘性流动，可改变其形状。温度 0.75Tg-1.0Tg，钢硬，只能发生弹性变形；1.0Tg，先后发生皮革状、橡胶状的粘弹性

14、变形；温度再升高，发生粘性流动，可加工成型。42第42页，此课件共49页哦2、热固性塑料体型结构。加热加压成型后，分子链之间强烈交联，成网状结构。从而具有较高硬度、刚度和脆性，不能再改变其形状。塑性加工只能在网状结构形成前进行。43第43页，此课件共49页哦3、橡胶线型分子链之间有少量交联(在C的主链上大约几百个C原子中有一个C原子与 S原子共价结合)，因而具有高弹性。Tg室温；相对分子质量大，链段长，柔性好；不结晶或结晶度很小；硫化处理，产生少量交联（加硫过多，交联太强，变硬脆失去弹性）44第44页，此课件共49页哦三、改变高分子材料性能的途径热塑性塑料能最大程度地改变材料的结构与性能。改变

15、热塑性塑料性能（主要限于力学性能）的主要途径：1、改变结晶度结晶度增加强度、弹性模量、密度、尺寸稳定性提高，塑性、吸湿性降低。尼龙尼龙尼龙尼龙-66-66屈服强度与结晶度的关系屈服强度与结晶度的关系屈服强度与结晶度的关系屈服强度与结晶度的关系45第45页，此课件共49页哦2、改变侧基的性质侧基原子团尺寸增大（尤其产生苯环结构上），单键旋转困难，不易改变构象，刚性链程度增强强度、模量提高，塑性减低。柔性链刚性链强度弹性模量塑性46第46页，此课件共49页哦 例如：聚乙烯聚苯乙烯，侧链：HC6H5,弹性模量：9384-23460MPa62560-78200MPa伸长率：100-600%1.5-2.

16、0%3、改变主链的结构聚烯烃类高分子主链：C-C键；甲醛：引入C-O键，刚性增大。如：聚乙烯CH2 2CH2 2 n抗拉强度 17.2534.5MPa聚甲醛CH2 2O n62.169MPa47第47页，此课件共49页哦4、共聚（“合金化”）共聚：由两种或两种以上的单体参加聚合而形成聚合物的反应。是高分子材料的主要“合金化”方式。48第48页，此课件共49页哦如：ABS塑料（共聚丙烯腈（A）-丁二烯（B）-苯乙烯（S）丙烯腈（A）+苯乙烯（S）线性共聚物（SAN塑料）材料的基体；丁二烯（B）+苯乙烯（S）线性共聚物（BS橡胶）呈颗粒状分布于SAN基体中；聚苯乙烯的缺点：脆性大、耐热性差；ABS共聚物：将聚苯乙烯的优点得到保持，同时丙烯腈提高了耐热、耐蚀性；丁二 烯提高弹性和韧性。ABS特点：“硬、韧、刚”用途：齿轮，轴承，管道，壳体49第49页，此课件共49页哦