《高分子物理第一章》课件

高分子物理第一章本章节将介绍高分子的基本概念和性质,为后续的高分子物理学习奠定基础。我们将首先定义什么是高分子,并探讨其分类、分子量及测定方法,最后深入讨论高分子的结构和相变行为。ppbypptppt什么是高分子高分子是由许多相同或不同的基本单元(称为单体)通过共价键连接形成的大分子化合物。这些大分子可以由天然或人工合成制得,广泛应用于各种领域,如塑料、橡胶、纺织品等。了解高分子的基本特性对于开发和应用新型高分子材料非常重要。高分子的定义高分子的组成高分子是由许多相同或不同的基本单元(单体)通过共价键连接而成的大分子。高分子的分子量高分子的分子量通常很大,通常在万道尔顿量级,比一般小分子化合物大得多。高分子的性质由于其庞大的分子量,高分子材料展现出独特的物理和化学性质,广泛应用于各领域。高分子的分类天然高分子由生物体内天然存在的单体如糖、氨基酸等聚合而成,如蛋白质、核酸、多糖等。合成高分子人工合成的高分子,如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等,广泛应用于工业领域。分子量高分子的分子量通常大于万道尔顿,是小分子化合物分子量的几百到几千倍。天然高分子纤维素纤维素是植物细胞壁的主要成分,是由葡萄糖单元构成的线性高分子。是天然界最丰富的有机化合物之一。淀粉淀粉是植物体内储存的主要碳水化合物,由葡萄糖单元以α-1,4糖苷键连接而成的高分子。几丁质几丁质是节肢动物外骨骼和真菌细胞壁的主要成分,由N-乙酰氨基葡萄糖单元构成的线性高分子。合成高分子合成高分子是人工合成的大分子化合物,通过化学反应从小分子单体聚合而成。这些高分子材料具有优异的物理化学性能,广泛应用于塑料、橡胶、纤维、涂料等工业领域。合成高分子的分子结构和性质可以根据需求进行设计和调控,为材料科学的发展提供了广阔的空间。高分子的分子量高分子的分子量是衡量其大小的重要指标。相比传统小分子化合物,高分子的分子量通常非常大,通常在万道尔顿量级。这是高分子材料独特性能的重要原因之一。高分子的分子量分布分子量不均一性高分子通常不是单一分子量,而是存在分子量分布。这是因为高分子的合成过程中存在统计波动。数平均分子量数平均分子量是根据各种分子量的出现概率加权平均得出的。它反映了整个高分子样品的整体分子量情况。质量平均分子量质量平均分子量则是根据各分子量对总质量的贡献加权平均得出。它更多地体现了高分子样品中大分子的影响。高分子的平均分子量数平均分子量数平均分子量是根据每种分子量的出现概率计算得出的平均值。它反映了整个高分子样品的整体分子量状况。质量平均分子量质量平均分子量则是根据各分子量对总质量的贡献进行加权平均计算。它更多地体现了高分子样品中大分子的影响。粘度平均分子量粘度平均分子量是通过测量高分子溶液的粘度得出的。这个指标可以反映高分子链段的长度和分子量分布。相互关系这三种平均分子量之间存在一定的数学关系,反映了高分子分子量分布的特点。高分子的粘度平均分子量分子量定义粘度平均分子量是通过测量高分子溶液的粘度来估算的一种平均分子量。反映大分子相比其他平均分子量,粘度平均分子量更反映了高分子样品中大分子的影响。测定方法通过高分子溶液的固有粘度与分子量的经验关系式,可以计算出粘度平均分子量。高分子的数平均分子量定义数平均分子量是根据每种分子量的出现概率进行加权平均计算得到的。它反映了整个高分子样品的整体分子量情况。计算方法用各分子量Mi出现的次数Ni来计算，公式为Mn=Σ(Ni×Mi)/ΣNi。这种方法更多地考虑了低分子量成分的影响。特点数平均分子量相对较小,它更多地反映了高分子样品中小分子的影响。这对于了解高分子的物理化学性质很重要。应用数平均分子量是高分子结构表征的常用指标,可以为高分子材料的性能预测和配方设计提供参考。高分子的质量平均分子量定义与计算质量平均分子量是根据各分子量对总质量的贡献进行加权平均计算得出的。其公式为Mw=Σ(wi×Mi)/Σwi，其中wi为各分子量段的质量分数。反映大分子与数平均分子量相比,质量平均分子量更多地体现了高分子样品中大分子的影响。它更能代表高分子的整体分子量特征。与性能的关系高分子的质量平均分子量直接影响其物理化学性质,如机械强度、流变行为等。因此在高分子材料设计时,质量平均分子量是一个重要参数。高分子的分子量测定方法测定高分子分子量大小及分布的方法主要有四种:渗透压法、光散射法、粘度法和沉淀法。这些实验技术可以从不同角度反映高分子的平均分子量和分子量分布特点。渗透压法1基本原理利用高分子溶液与溶剂之间的渗透压差,通过测量溶液的渗透压来计算高分子的平均分子量。2操作步骤在渗透压计中,将高分子溶液和纯溶剂隔开,记录溶液与溶剂之间的温度差和压力差。3数据分析根据渗透压与浓度、分子量之间的关系式,可以推算出高分子的数平均分子量。4适用范围渗透压法适用于分子量较小的高分子,如合成高分子和一些天然高分子。光散射法原理高分子溶液受光照射时会发生光散射现象。通过测量散射光的强度和角度,可以推算出高分子的分子量。优势光散射法可以测定高分子广泛的分子量范围,从几万到几百万道尔顿都适用。是一种直接的分子量测定方法。操作在光散射仪中,高分子溶液受激光照射,产生的散射光强与分子量呈某种关系,通过计算可得分子量。粘度法测量原理通过测量高分子溶液的固有粘度,可以根据它与分子量之间的经验关系来计算高分子的平均分子量。适用范围粘度法适用于测定广泛分子量范围内的高分子,尤其适合于分子量较高的聚合物。数据分析通过建立固有粘度-分子量的经验公式,就可以由溶液粘度反推出高分子的粘度平均分子量。沉淀法基本原理利用高分子在特定条件下与溶剂或试剂反应,形成沉淀的方法测定其平均分子量。操作步骤将高分子溶液加入沉淀剂中,使高分子沉淀下来,然后测定沉淀的质量和浓度。适用范围沉淀法适用于分子量较大的天然高分子,如蛋白质、核酸等,比较简单实用。高分子的结构高分子材料的结构特征决定了其独特的物理化学性质。了解高分子链的构象、取向及缠结状态等结构细节非常重要。高分子链的构象随机盘绕高分子链在溶液中通常呈现出随机盘绕的构象,这是由于分子内和分子间的热运动所致。这种构象有利于提高高分子链的熵。链段伸展在外力或特定环境作用下,高分子链可以从随机盘绕状态转变为相对伸展的构象。这种构象有利于提高高分子的力学强度等性能。链段收缩由于热力学因素或化学结构的变化,高分子链也可以从伸展状态转变为更紧凑的球状构象。这种收缩有利于提高高分子的密度。高分子链的伸展拉伸力作用当高分子链受到外部拉伸力作用时,会从原有的随机盘绕状态逐渐转变为较为伸展的构象。这种构象变化会影响高分子的力学性能。取向有序化链段伸展过程中,高分子分子链会趋向于较为有序的取向排列,从而提高材料的各向异性特性。这对于制造高性能聚合物材料很重要。亲核官能团效应伸展过程中,高分子链上的亲核性官能团会更容易暴露,从而提高化学反应活性。这种效应在高分子改性和功能化中有广泛应用。高分子链的卷曲随机盘绕由于热运动的作用,高分子链往往呈现出随机盘绕的构象。这种构象使分子链取向无序,增加了整体的熵。收缩折叠当高分子链受到溶剂质量、温度等因素的影响时,会从伸展状态逐渐转变为更加紧凑的球状构象。这种收缩有利于提高高分子的密度。hairpin折叠高分子链上的特定结构基团(如芳环、氢键等)会促进局部链段发生折叠,形成类似"发夹"的构象。这种局部取向有利于提高高分子的刚性。溶剂化效应溶剂分子与高分子链之间的相互作用会影响链段的构象。良溶剂可以使高分子链伸展,而差溶剂则会促进链段的收缩。高分子链的缠结链段缠结高分子链在溶液或熔体中会相互缠结,形成复杂的三维网络结构。这种缠结状态会影响高分子的流变性、阻尼特性等性能。链段重叠缠结状态下,高分子链之间会发生大量的重叠和交叉,使整个系统的自由度受限,从而表现出玻璃化或固化的特性。链段缠绕高分子链的缠结主要通过链段之间的机械缠绕和物理交织实现。这种固有的链段缠结会赋予高分子独特的动力学和力学性质。高分子的无定形态无规则分布高分子在无定形态下,其分子链段无规则地分布,并没有形成长程有序的结构。这种无序状态赋予了高分子一些独特的性能。玻璃化转变无定形态的高分子在特定温度下会发生从柔软流动到硬脆玻璃的转变,这个温度被称为玻璃化转变温度。动力学特性无定形态高分子的分子链在热运动中表现出较高的自由度和灵活性,这决定了其独特的黏弹性、阻尼特性等动力学性能。高分子的结晶态晶体结构高分子在结晶态下,其分子链排列有序,呈现出长程的结构规则性。这种有序的晶体结构赋予高分子独特的刚性和力学强度。结晶度高分子材料中通常既有结晶态区域,也有无定形态区域。结晶度的高低会显著影响材料的密度、透明度、熔点等性质。影响因素化学结构:对称性高、极性弱的高分子更易结晶分子量:分子量适中时,结晶性更好取向:外力作用下高分子链取向有序,有利于结晶应用高结晶度的高分子材料通常用于制造刚性强、耐热的工程塑料。降低结晶度可以提高透明性,用于制造光学元件。高分子的玻璃态无长程有序结构高分子在玻璃态下,其分子链无规则地分布,没有形成长程有序的结晶结构。玻璃化转变温度高分子材料在特定温度下会从柔软、流动状态转变为硬脆的玻璃态,这一温度称为玻璃化转变温度。动力学特性玻璃态高分子表现出较高的分子链活动受限性,从而呈现出高刚性、高强度、低延展性等力学性能。高分子的熔融态分子链解缠在熔融状态下,高分子分子链从之前的缠结状态逐步解开,呈现出较高的自由度和流动性。这种结构变化赋予了熔融高分子良好的加工成型特性。无定形结构熔融态下,高分子链段无规则地分布,没有形成长程有序的结晶结构。这种无定形结构使材料具有优良的流变性和成型性能。可逆相变高分子从固态进入熔融态是一种可逆的相变过程。当温度降低时,熔融态高分子又会转变回固态。这种可逆性使高分子材料具有良好的加工性和再生性。高分子的相变玻璃化转变高分子在特定温度下从柔软流动状态转变为硬脆玻璃态,这个温度称为玻璃化转变温度。这种转变是无定形高分子独特的相变行为。熔融-结晶转变结晶性高分子