高分子物理复习

2026/1/19 18:28:03

WLF方程(第七章)、Avrami方程(第五章P146)、橡胶状态方程、Boltzmann叠加原理(第七章)

第1章 高分子链的结构

高分子结构分为高分子链结构和与高分子聚集态结构

构象:由于单键的内旋转而产生的分子中原子在空间位置上的变化叫构象。 构型:分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。

均方末端距:高分子链的两个末端的直线距离的平方的平均值。

链段:由若干个键组成的一段链作为一个独立动动的单元,是高分子链中能够独立运动的最小单位。

高分子共聚物的序列结构指两种或两种以上共聚单体在分子中的排列,二元共聚物可以分为无规型、交替型、 嵌段 型和 接枝 型共聚物。

结晶聚乙烯(PE)的链构象为 平面锯齿型 构象,聚丙烯PP的链构象为H31螺旋构象,而柔性链高分子在溶液中均呈 无规线团 构象。

构造是指聚合物分子的形状,例如线形高分子,支化高分子, 星型 高分子, 梯形 高分子和交联高分子等。

构型是指分子中原子在空间的排列,高分子链的构型包括 旋光异构 、 几何异构 和链接异构。

第2章 聚合物的凝聚态结构

内聚能密度(CED):单位体积凝聚体汽化时所需要的能量。 CED<300焦/厘米3 的高聚物都是非极性高聚物,可用作橡胶;

CED> 400焦/厘米3的高聚物由于分子链上有强极性基团,或者分子链间能形成氢键,分子间作用力大,可做纤维材料或工程塑料;

CED在300-400焦/厘米3之间的高聚物分子间力适中,适合作塑料使用。 黑十字消光图像是聚合物球晶的双折射性质是对称性反映。 消光同心环是由于片晶的协同扭曲造成的。

球晶的生长过程,晶核开始,片晶辐射生长,球状多晶聚集体。实际意义:球晶的大小影响聚合物的力学性能,影响透明性。

结晶度对聚合物性能的影响:结晶度提高,拉伸强度增加,相对密度、熔点、硬度等物理性能提高,而伸长率及冲击强度降低。

非晶态聚合物包括:玻璃态、高弹态和熔体。

取向结构:在某些外场作用下,大分子链、链段或微晶可以沿着外场方向择优有序排列,所形成的聚集态结构。 取向度f?13cos2??1,??0,f?1完全取向;??54.73?,f?0无规取向2

??高分子合金又称多组分聚合物,该体系是二种或多种聚合物组分形成的混合物。制造方法:

化学共混(接枝共聚,嵌段共聚)和物理共混(机械共混和溶液共混)。

高分子合金体系:①塑料连续相,橡胶分散相,目的是增韧,如EPDM改性PP;②塑料分散相,橡胶连续相,目的提高橡胶强度,如少量PS和丁苯橡胶;③两种塑料共混,如PPO+PS改善PC的应力开裂;④两种橡胶共混,目的降低成本改善流动性。

1、测定结晶聚合物的结晶度较为常用的测定方法有密度法、 广角X射线衍射法 和 量热法(DSC) 等。

2、高分子液晶的晶型有向列相(N相)、近晶相 和胆甾相等。按液晶的形成条件可分为 热致 液晶高分子和溶致液晶高分子。

3、研究聚合物的凝聚态结构的常用方法有 X-射线衍射 、 DSC 、电子衍射(ED)、

原子力显微镜(AFM)和偏光显微镜(PLM)等。

4、聚合物随取向条件的不同,取向单元也不同,取向结构单元包括 链段 和分子链取向,对于结晶聚合物还可能有 微晶 的取向。

第3章 高分子溶液

高分子溶液的行为与理想溶液的行为有很大偏离,高分子溶液的粘度大于小分子溶液。 高分子浓溶液:溶液纺丝、胶粘剂、油漆、涂料。

通常把内聚能密度的平方根定义为溶度参数δ=ε1/2 ,单位为(J/cm3)1/2

称Huggins参数,它反映了高分子与溶剂混合过程中相互作用能的变化或溶剂化程度。 θ 溶液:选择溶剂和温度来满足超额化学位等于零的条件,称为θ条件和θ状态。该状态下的聚合物溶液为θ溶液,所用的溶剂称为θ溶剂,θ状态下所处的温度称为θ温度。此时高分子“链段”间与高分子链段与溶剂分子间的相互作用相等,高分子处于无扰状态,排斥体积为零。

1、 Huggins参数 和 第二维利系数 都表征了高分子“链段”与溶剂分子间之间的相互作用。

2、判定溶剂对聚合物溶解力的原则有(1)极性相近原则、(2) 溶度参数相近原则 和(3) ? 1 <1/2 。

3、在高分子的θ溶液中,Huggins参数?1= 1/2 ,第二维列系数A2= 0 ,此时高分子链段间的相互作用力等于高分子链段与溶剂分子间的作用力。

第4章 聚合物的分子量就分子量分布

渗透压法:测的是数均分子量

光散射法:测重均分子量,同时得到均方末端距和第二维利系数A2。

常用的统计平均分子量:数均分子量,重均分子量,Z均分子量,黏均分子量。 聚合物分子量的测定方法:绝对法,等价法,相对法。 质谱法是唯一可精确测定聚合物分子量的方法。

第5章 聚合物的转变与松驰

Tg是塑料的最高使用温度,又是橡胶的最低使用温度。塑料的Tg在室温以上,橡胶的Tg在室温以下。

玻璃化转变(温度): 玻璃态与橡胶态之间的转变称为玻璃化转变,对应的转变温度称为玻璃化转变温度。从分子运动机理看,玻璃化转变温度是高分子链段运动被激发的温度。 非晶聚合物模量与温度曲线呈现玻璃态、高弹态、粘流态三个力学状态。 玻璃化温度测定:(1)膨胀计法(2)量热法(DSC曲线)(3)温度一形变法(热机械法)(4)动态力学松弛法。

结晶速度测定:膨胀计法,光学解偏振法,量热法等。 玻璃化转变理论应用最多的是自由体积理论。

玻璃化温度的影响因素:Tg是链段开始运动的温度,因此凡是使链的柔性增加,使分子间作用力降低的结构因素均导致Tg下降;导致链段的活动能力下降的因素均使Tg升高。减弱高分子链柔性或增加分子间作用力的因素,如引入刚性基团或极性基团、交联和结晶都使Tg升高,而增加高分子链柔性因素,如加入增塑剂或溶剂、引进柔性基团等使Tg降低。 结晶度影响因素:分子链对称性,规整性越好,结晶度越高,分子量越大,结晶速度变慢,分子间的作用力越大,结晶度越高,分子间形成氢键时,则有利于结晶,交联、支化均会降低结晶能力。

热变形温度:塑料试样浸在一种等速升温的液体传热介质中,在简支梁弯曲负载作用下,试样弯曲变形达到规定值时的测定温度。

维卡软化温度:塑料与液体传热介质中,在一定的负荷和一定的等速升下,试样被1mm2

针头压入1mm时的温度。

第6章 橡胶弹性

熵弹性:交联橡胶拉伸时,内能几乎不变,而主要引起熵的变化。在外力的作用下,橡皮分子链由原来的蜷曲状态变为伸展状态,熵值由大变小,终态是一种不稳定的体系,当外力除去后,就会自发的回复到初态。

热塑性弹性体:如SBS是一种兼有塑料和橡胶特性,在常温有橡胶高弹性,一定温下又能塑化成型的高分子材料。

第7章 聚合物的粘弹性

蠕变:在一定温度、一定应力的作用下,聚合物的形变随时间的变化

应力松弛:在固定的温度和形变下,聚合物的内部应力随时间的增加而衰减的现象 滞后现象:聚合物在交变应力作用下,应变落后于应力的现象。 力学内耗:由于发生滞后现象,在每一循环变化中作为热损耗掉的能量与最大储存能量之比成为力学内耗。

1、Maxwell模型可模拟线性聚合物的 应力松弛 现象,而Kelvin模型基本上可用来模拟交联聚合物的 蠕变 行为。

2、WLF方程若以Tg为参考温度,则lg aT= -C1(T-Tg)/[C2+(T-Tg)] ,WLF方程可定量描述时-温等效原理。根据时-温等效原理,提高试验拉伸速率,力学损耗将向 高温 方向移动。 3、聚合物的静态粘弹性主要表现为 应力松弛 和 蠕变 。 4、一硫化橡胶试样在周期性交变拉伸作用下,应变落后于应力变化的现象称为 滞后 现象,对应于同一应力值,回缩时的应变 大于拉伸时的应变,其原因是高分子链段运动受限于内摩擦力、 应变跟不上应力变化。拉伸曲线下的面积表示 外力对橡胶所做的拉伸功,回缩曲线下的面积表示 橡胶对外所做的回缩功,两个面积之差表示 一个拉伸-回缩循环中所损耗的能量 。

5、聚合物在交变应力下应变落后于应力的现象称为 滞后现象 。在每一循环变化中,热损耗掉的能量与最大储能量之比称为 力学损耗 。

第8章 聚合物的屈服和断裂

杨氏模量

材料的杨氏模量是指应力应变曲线起始部分的斜率 强迫高弹形变

Tg以下拉伸时,过屈服点后,材料中少数链段在应力作用下运动,本质同高弹形变,但由于分子运动被冻结,故高弹形变被固定成永久形变,但若温度提高到Tg附近,此形变可恢复。

脆化温度:一个特征温度Tb,只要温度低于Tb,玻璃态高聚物就不能发生强迫高弹形变,而必定发生脆性断裂

1、橡胶增韧塑料可用 银纹剪切带机理 机理解释,如ABS塑料;而纳米GaCO3增韧塑料为 刚性粒子 增韧机理解释。

2、聚合物在拉伸试验中,初始阶段的应力与应变的比值叫 弹性模量 ;应力-应变曲线下的面积称作 断裂能 ,反映材料的拉伸断裂韧性大小。

第9章 聚合物的流变性

聚合物熔体黏度的测定方法有:落球黏度计,毛细管流变仪,旋转黏度计。 牛顿流体:

牛顿流动定律:

凡流动时符合牛顿流动定律的流体称为牛顿流体。牛顿流体的粘度仅与流体分子的结构和温度有关,与切应力和切变速率无关。

1、假塑性流体的粘度随应变速率的增大而 降低 ,用幂律方程 η=Kγn 表示时,n < 1。

2、聚合物熔体的弹性响应包括有 法向应力效应(韦森堡效应),挤出物胀大(巴拉斯效应) 与不稳定流动。

3、对于相同分子量,不同分子量分布的聚合物流体,在低剪切速率下,分子量分布 宽 的粘度高,在高剪切速率下,分子量分布 窄 的粘度高。

4、韦森堡效应和 巴拉斯效应 现象都是聚合物熔体的弹性表现。 第十章

极化:在外电场的作用用下,电介质分子或者其中某些集团中电荷分布发生的相应变化。包括电子极化,原子极化,取向极化,界面极化。 增加高分子晶体的电导性:将小分子合成为一维或二维大共轭体系聚合物;使共轭平面分子内π电子云在分子间交叠。

具有共轭双键的聚合物常有半导性甚至导电性。

共轭双链的聚合物,掺杂:聚乙炔化学掺杂后,ζ提高106~107倍,掺杂实质是电荷转移。


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