高分子部分-1

1、FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 目录目录 高分子材料的结构、性能和制备高分子材料的结构、性能和制备 物质结构基础物质结构基础 绪论绪论 金属材料的结构、性能和制备金属材料的结构、性能和制备 无机非金属材料的结构、性能和制备无机非金属材料的结构、性能和制备 复合材料的结构、性能和制备复合材料的结构、性能和制备 College of Materials Science & Engineering

2、 NORTH UNIVERSITY OF CHINA w 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 高分子材料的性能特征高分子材料的性能特征 w 3 3 高分子材料的制备高分子材料的制备 高分子材料的结构、性能和制备高分子材料的结构、性能和制备 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分

3、子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 1.11.1高分子材料组成和结构的基本特征高分子材料组成和结构的基本特征 （1 1）分子量大和分子量分布）分子量大和分子量分布 （2 2）高分子链多种形态）高分子链多种形态 （3 3） 分子间力：范德华力，部分化学键，分子间力：范德华力，部分化学键， 分子内共价键分子内共价键 （4 4） 组成与结构的多层次性组成与结构的多层次性 College of Materi

4、als Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 1.2 1.2 高分子链结构高分子链结构 1.2.1 1.2.1 大分子链的组成大分子链的组成 组成元素组成元素 有机有机 C N O 无机无机 Si P S 元素有机元素有机 As Se College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSI

5、TY OF CHINA 大分子链的类型大分子链的类型 碳链高分子：碳链高分子：碳原子以共价键相连接。碳原子以共价键相连接。PEPE、PPPP等。等。 杂链高分子：杂链高分子：C、O、N、S等，主链由两种或多种原子等，主链由两种或多种原子 构成。构成。POM、PC等等 元素有机高分子：元素有机高分子：主链不含碳原子，由主链不含碳原子，由Si、B、P等元素等元素 和和O元素组成，侧链上含有有机取代基团。元素组成，侧链上含有有机取代基团。 无机高分子：无机高分子：主链既不含碳原子，也不含有机取代基，主链既不含碳原子，也不含有机取代基， 纯粹由其他元素构成。纯粹由其他元素构成。 梯形和螺旋高分子：梯形

6、和螺旋高分子：高分子的主链不是一条单链，而是高分子的主链不是一条单链，而是 像像“梯子梯子”和和“双股螺旋双股螺旋”结构的高分子。结构的高分子。 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1.2.2 1.2.2 结构单元及键接方式和键接序列结构单元及键接方式和键接序列 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 单体分子结构完全对称，键接方式只有一种。单体分子结构完全对称，键接方式只有一种。PEPE等。等。 单体分子结构不对称，键接方式

7、有三种：单体分子结构不对称，键接方式有三种： 头头- -头，头头，头- -尾，尾尾，尾- -尾。尾。 均聚物均聚物 共聚物共聚物 无规共聚无规共聚 交替共聚交替共聚 嵌段共聚嵌段共聚 接枝共聚接枝共聚 两种结构单元按一定比例无规则地交替键两种结构单元按一定比例无规则地交替键 接形成高分子链。接形成高分子链。 两种结构单元有规则地交替键接形成高分子链。两种结构单元有规则地交替键接形成高分子链。 具有一定长度的两种均聚链段彼此无规则的键具有一定长度的两种均聚链段彼此无规则的键 接成高分子链。接成高分子链。 两种结构单元分别构成主链和支链，形成支链两种结构单元分别构成主链和支链，形成支链 高分子。高

8、分子。 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA ABS Acrylonitrile-Butadiene-Styrene -CH2-CH=CH-CH2- Chemical resistance, high tensile strength and hardness Rubberlike elasticity. High impact resistance Good formability College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERS

9、ITY OF CHINA Styrene-Butadiene-Styrene -CH2-CH=CH-CH2- HardHardSoft SBS College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA Application of SBS SBS Poly(styrene-butadiene-styrene), or SBS, is a hard rubber, which is used for things like the soles of shoes, tire treads, and other plac

10、es where durability is important. College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 1.2.3 1.2.3 空间立体构型空间立体构型 全同立构全同立构 高分子链上每一个不对称碳原子都具有相同构型，高分子链上每一个不对称碳原子都具有相同构型， 或或d d构型，或构型，或l l构型。如果把高分子构型。如果把高分子 主链拉成平面锯齿形，则取代基排主链拉成平面锯齿形，则取代基排 布于主链平面的同侧。布于主链平面的同侧。 间同立构

11、间同立构 高分子链上相邻的不对称碳原子交替出现高分子链上相邻的不对称碳原子交替出现d d和和 l l构型，取代基配交替排布于高构型，取代基配交替排布于高 分子主链平面的两侧。分子主链平面的两侧。 无规立构无规立构 高分子链上每一个不对称碳原子的构型是无规高分子链上每一个不对称碳原子的构型是无规 分布的，取代基分布的，取代基R R无规排布于高无规排布于高 分子主链平面的两侧。分子主链平面的两侧。 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 1.2.3

12、 1.2.3 支化和交联支化和交联 线型聚合物线型聚合物 支化聚合物支化聚合物 交联聚合物交联聚合物 网状聚合物网状聚合物 整个分子犹如一根线型长链，可能比较舒展，也可能卷曲成团。整个分子犹如一根线型长链，可能比较舒展，也可能卷曲成团。 高分子链上带有一些长短不一的支链的高分子。高分子链上带有一些长短不一的支链的高分子。 通过支链或化学键相接所形成的三维网状结构的大分子。通过支链或化学键相接所形成的三维网状结构的大分子。 相邻的高分子链通过化学键链接起来。相邻的高分子链通过化学键链接起来。 College of Materials Science & Engineering NORTH UNI

13、VERSITY OF CHINA Properties Low density Polyethylene High density Polyethylene Crosslinked Polyethylene Density (g/cm 3) 0.910.94 0.950.97 0.951.04 Crystallinity 60%70% 95% Melt point 105 135 Tensile strength 715 2037 1221 Maximum temperature 80100 120 135 College of Materials Science & Engineering

14、NORTH UNIVERSITY OF CHINA Ultra-high molecular weight polyethylene UHMWPE 超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯 Hip and knee total joint replacements are shown as illustrations on this skeleton. College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 高分子量高分子量 103-107 多分散性多分散性 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 1.3

15、1.3 高分子链的分子量与分子量分布高分子链的分子量与分子量分布 1.3.11.3.1高分子分子量的特征高分子分子量的特征 Mi 多分散多分散 polydisperse 单分散单分散 monodisperse College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 1.3.2 1.3.2 高分子材料的平均分子量高分子材料的平均分子量 测试手段：测试手段：GPC College of Materials Science & Engineering NORTH U

16、NIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 数均分子量数均分子量 iin MxM 重均分子量重均分子量 iiw MwM 粘均分子量粘均分子量 nW n i ii MMMM MWM ,1,1 1 1 / Z Z均分子量均分子量 W i M i2 = Ni Mi 3 = Ni Mi2 M Z _ W i M i ZWnMMMM 数均聚合度数均聚合度 重均聚合度重均聚合度 m M n n n m M n w w College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 下图

17、是聚氯乙烯的分子量分布图。计算：1）数均分子量； 2）数均聚合度；3）重均分子量 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 例题例题 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA Solution: a) iin MxM ? i x ? i M College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA b) (1) PVC(1) PVC单体单元的分子量单体单元的分子量 College of Materials S

18、cience & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA molg molgmolgmolg mmmm ClHC /05.62 /45.353/01.12/04.12 32 338 /50.62 /21150 molg molg m M n n n (2) 数均聚合度数均聚合度 c)重均分子量重均分子量 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1.3.3 1.3.3 高分子链的分子量分布高分子链的分子量分布 n w M M d 1 1 高分子材料的组成和结构高分

19、子材料的组成和结构 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1.4 1.4 高分子链的聚集态结构高分子链的聚集态结构 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 1.4.1 1.4.1 非晶态结构非晶态结构 （1）无规线团模型（）无规线团模型（Flory，1949） 非晶固体中每一根高分子链都采取无规线团构象非晶固体中每一根高分子链都采取无规线团构象 各大分子链间可以相互贯通，可以相互缠结，各大分子链间可以相互贯通，可以相互缠结， 但不存在局部有序，整个非晶固体是均相的但不存在局部有序，

20、整个非晶固体是均相的 （2）非晶结构局部有序）非晶结构局部有序折叠链缨状胶粒模型折叠链缨状胶粒模型 非晶态聚合物中存在一定程度的局部有序；非晶态聚合物中存在一定程度的局部有序； 两相：粒子相、粒间相两相：粒子相、粒间相 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1.4.2 1.4.2 晶态结构晶态结构 晶胞晶胞 聚合物晶胞由一个或若干个高分子链的链段构成，聚合物晶胞由一个或若干个高分子链的链段构成， 不能形成立方晶系。不能形成立方晶系。 结晶链的构象结晶链的构象 长程有序排列。构象主要有平面锯齿、螺

21、旋形构象、长程有序排列。构象主要有平面锯齿、螺旋形构象、 伸直链构象、滑移面构象等。伸直链构象、滑移面构象等。 高分子链的堆砌高分子链的堆砌 缨状胶束模型和折叠链模型缨状胶束模型和折叠链模型 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 缨状胶束模型缨状胶束模型 存在许多胶束和胶束间区域，前者为结晶区，存在许多胶束和胶束间区域，前者为结晶区， 后者为非结晶区。后者为非结晶区。 折叠链模型折叠链模型 大分子链以折叠的形式堆砌起来。大分子链以折叠的形式堆砌起来。 插线板模型插线板模型 上述两种模型的融合。上

22、述两种模型的融合。 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 1.4.2 1.4.2 晶态结构晶态结构 结晶模型结晶模型 樱状胶束模型樱状胶束模型折叠链模型折叠链模型 College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 结晶形态结晶形态 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料的组成和结构 单晶单晶 物质内部的短程有序性和长程有序性贯穿物质内部的短程有序性和长程

23、有序性贯穿 整个晶体，最完整的一种晶体结构。多从线型高分整个晶体，最完整的一种晶体结构。多从线型高分 子的子的稀溶液稀溶液中培养得到。中培养得到。 多晶多晶 由许多个取向不同的晶粒组成，不具有多面由许多个取向不同的晶粒组成，不具有多面 体的规则外形。多从线型高分子的浓体的规则外形。多从线型高分子的浓溶液和熔体溶液和熔体中中 培养得到。培养得到。 球晶球晶 具有球形界面、内部组织复杂的多晶体，由具有球形界面、内部组织复杂的多晶体，由 扭曲的晶片构成。以核为起点，球形对称地长起来。扭曲的晶片构成。以核为起点，球形对称地长起来。 College of Materials Science & Engi

24、neering NORTH UNIVERSITY OF CHINA College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA College of Materials Science & Engineering NORTH UNIVERSITY OF CHINA 串晶串晶：具有伸直链结构的中心轴：具有伸直链结构的中心轴 周围间隔地生长着由折叠链构成的片晶周围间隔地生长着由折叠链构成的片晶 1 1 高分子材料的组成和结构高分子材料