第一章高分子链的结构.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章高分子链的结构,(6,学时）,主要内容：,1.,介绍高分子链的近程结构和远程结构。,2.,其中近程结构介绍了高分子链结构单元的化学组成、键接方式、立体构型、支化与交联、端基。,3.,远程结构包括高分子的大小、构象及柔顺性，着重介绍柔顺性的成因、影响因素。,要求掌握：,.,高分子链近程结构和远程结构的主要内容，并能举例说明各,自对性能的影响；,.,构象、构型、柔顺性和链段等基本概念；,.,影响柔顺性的因素有哪些？并能判断不同分子链间柔顺性的,大小。,引言：一、,高分子结构的特点,材料的物理性能是分子运动的反映，结构是了解分子运动的基础。,研究高分子结构的意义在于了解分子内和分子间相互作用的本质，即通过对于分子运动的理解建立结构与性能间的内在联系。,掌握了结构与性能的关系，就有可能合成具有指定性能的聚合物，或改善现有聚合物的性能，使其更能满足实际需要，并为聚合物的分子设计和材料设计打下科学基础。,高聚物的结构有如下几个特点：,1.,高分子是由很大数目,(10,3,10,5,数量级,),的结构单元组成的。,每一结构单元相当于一个小分子，这些结构单元可以是一种（均聚物），也可以是几种（共聚物），它们以共价键相连接，形成线型分子、支化分子、网状分子等。,2.,一般高分子的主链都有一定的内旋转自由度，可以使主链弯曲而具有柔性。,如果化学键不能作内旋转，或结构单元有强烈的相互作用，则形成刚性链。,3.,高分子结构的不均一性是一个显著特点。,4.,由于一个高分子链包含很多结构单元，因此结构单元间的相互作用对其聚集态结构和物理机械性能有着十分重要的影响。,5.,高分子的聚集态有晶态、非晶态和取向态。,6.,要使高聚物加工成有用的材料，往往需要在其中加入填料、各种助剂、色料等，还有共混改性。这些添加物与高聚物之间以及不同的高聚物之间是如何堆砌成整块高分子材料的，又存在着所谓织态结构问题。织态结构也是决定高分子材料性能的重要因素。,二、高分子结构层次,高分子结构层次,高分子,链结构,（一根,高分子,）,高分子聚,集态结构,（一群高,分子）,一次（近程）结构：是构成高分子链的最基本微观结构，包括化学组成、构造、构型和共聚物的序列结构。,二次（远程）结构：大分子链的大小（分子量、均方旋转半径和均方末端距）和形态（高分子链的构象、柔性与刚性）,三次结构：高分子之间通过范德华力和氢键形成具,有一定规则排列的聚集态结构（包括晶态、非晶态、,液晶态、取向态结构等）。,高次结构：三次结构的再组合。织态结构。,近程结构,：,直接影响,T,m,、,、溶解性、粘度、粘附性。,凝聚,态结构,：,决定,Polymer,制品使用性能的主要因素,。,远程结构,:,（小分子没有，大分子独有）：赋予高,分子链柔性，致使聚合物有高弹性。,聚合物结构决定其性能：,2/1/2026,10,版权所有 化工学院,结构单元的化学组成,高分子结构单元键接方式,支化与交联,共聚物的序列结构,构型,(Configuration),1-2,高分子链近程结构,根据结构单元或链节化学组成不同，可将高分子分为以下几种类型：,1.,碳链高分子（,carbonchain,polymers,）,（,1,）饱和碳链高分子,C-C-C-C-C-C-C-C,主链化学键全部为饱和的,键,。,例如：,PE,、,PP,、,PVC,、,PS,、,PMMA,。,1,、,1,、结构单元的化学组成,（,2,）不饱和碳链高分子,主链上除饱和饱和的,键,，还有不饱和的,键。,例如：,PI,、,PB,、,CR,、,SB-,copolymer,。,（,3,）共轭碳链高分子,主链含大量共轭,键或芳环。,例如：聚乙炔、聚对苯等。,特点：不溶于水，可塑性（可加工性）好，但耐热性差、易,燃烧、老化。共轭碳链高分子材料性能与饱和及不饱和碳链,高分子材料差别较大。具有导电、发光等功能，多作为具有,特殊用途的工程材料或功能材料使用。,2.,杂链状高分子（,heterochain,polymers,）,-C-C-C-O,（,N,，,S,，,Si,）,-C-,由缩聚或开环反应得到：,e.g,:PA,、,PET,、,PPO,、,PSU,、,POM,、氯醚橡胶等。,特点：具有极性，易水解、醇解，耐热性比较好，强度高。,可用作工程塑料、纤维材料和特种橡胶材料。,3.,元素有机高分子,主链中不含碳，含有,Si,、,P,、,Ti,、,Al,等元素，,特点：具有无机物的热稳定性，有机物的弹性和塑性。但强度较低。,e.g:,硅橡胶：,-100,3,50,使用，耐高低温性好,硅橡胶用作火箭喷管内壁防热涂层时，能耐瞬时数千度的高温。硅橡胶分子主链为饱和链，化学稳定性高，无毒，因此具有优良的生物医学特性，广泛应用于整形、人工脏器等领域。,4.,无机高分子（,inorganic polymers,）,主链和侧基都不含碳原子的高分子称无机高分子。,特点是：耐热性好，处在研究阶段，成链,能力差，分子量低，力学强度低，化学稳定性较差。,5.,侧基和端基,侧基的体积、极性、柔性、对称性等对高分子的结晶性、,强度等都产生重要影响。实际上很多高分子材料的主链是相,同的，差别仅在侧基上。,一般把简单烃类有机基团形成的侧基如：,-CH,3,、,-CH=CH,2,、,-C,6,H,5,称为非极性基团。,把偶极距较大的侧基称为极性侧基如：,-,Cl,、,-F,、,-CN,、,-SO,2,Cl,等。,端基对,polymer,的力学性能没有影响，但对热稳定性影响最大，要提高耐热性，一般要对高分子链进行封端。,e.g,:,加入乙酸,封端，以提高,PET,耐热性和控制分子量，以排除小分子,来调节分子量。,在聚碳酸酯生产中加入的苯酚一方面调整了聚合物的分子量，另一方面使活泼端羟基和酰氯基变为相对稳定的酯基，使聚合物的热稳定性大大提高。,聚甲醛的羟端基可以用乙酸酐进行酯化反应封端提高聚甲醛的耐热性。,四氟乙烯和六氟丙烯共聚物（,F-46),传统合成方法：乳液聚合，,产品质量差，熔融挤出加工成制品时，,F46,制品出现黄色斑点，制品的电绝缘性能降低。其原因是端基分解导致：,NaSO,4,(CF,2,-CF,2,),n,(CF,2,-CF(CF,3,),m,SO,4,Na,新合成方法：用全氟过氧化酰引发剂引发聚合：,得,四氟乙烯和六氟丙烯共聚物的端基为：,Rf-(CF,2,-CF,2,),n,(CF,2,-CF(CF,3,),m,Rf,加工稳定性好，制品性能优异，属高品质的有机氟材料，附加值高。,重要结论：高分子链的化学组成不同，材料的物理、化学性能不相同。,1.2,高分子链的构型,构型（,configuration,）,是指分子中由化学键所固定的,原子、原子团在空间的排列。,高聚物构型不同的异构体,旋光异构,几何异构,键接异构,乙烯类结构单元的链,原子中有不对称碳原,子如：,PP,、,PVC,高分子链中含有,双键。如：,4,聚丁二烯,结构单元不对称,如：,PP,、,PVC,1.2.1,旋光异构,由于结构单元中含有不对称碳原子，互为镜影的两 种异构体表现出不同的旋光性（如下图），,材料的性能也有不同,全同立构：,高分子全部由一种旋光异构单元键接而成,取代基全在平面的一侧,全同立构的聚苯乙烯结构比较规整，能结晶，熔点为,240,。不易溶解,全同立构聚丙烯（,i-PP,），熔点为,175,，坚韧可纺丝，也可作高结晶性工程塑料,实例,间同立构,：,由两种旋光异构单元交替键接,取代基间接分布在平面两侧,间同立构,s-PP,正在工业化,间同立构,PS,（,s-PS,）为工程塑料,实例,无规立构：,两种旋光异构单元完全无规键接,取代基无规则分布在平面上下两侧,无规立构的聚苯乙烯结构不规整不能结晶，软化温度为,80,，溶于苯。,实例,注意：高分子链虽然含有许多不对称碳原子，但由于内消旋或外消旋作用，即使空间规整性很好的高聚物，通常没有旋光性。,思考题：,两样性能截然不同的聚合物，一是硬塑料，一是弹性体，但两者均为聚丙烯（即化学组成相同），为什么两者化学组成相同性能却有如此大的差异？,一是等规聚丙烯，一是无规聚丙烯。,1.2.2,几何异构,主链上有双键,Cis,-,顺式,Trans-,反式,Poly(1,4-butadiene）,Cis,-,顺式用钴、镍和钛催化系统顺式构型含量大于,94,Trans-,反式用钒和醇烯催化,分子链与分子链之间,的距离较大，不易结,晶，在室温下是一种,弹性很好的橡胶,顺,丁橡胶。,分子链的结构比较规,整，容易结晶，在室,温下是弹性很差的塑,料。,顺丁橡胶低温性能好,(,Tg,=-110,）弹性大，滞后生热低、压缩变形小、耐磨性能优良、老化性能好；但 拉伸应力、硬度、拉伸强度、撕裂强度较差。,性能,应用,（,1,）轮胎、胶板、胶管、胶鞋、输送带等,（,2,）塑料增韧，如用于制造高抗冲聚苯乙烯、改性聚,烯烃，以提高树脂的抗冲强度。,而反式聚丁二烯由于结构对称，极易结晶，常温下为结晶性塑料。,1.2.3,键接异构,1,2 addition,1,1 addition,(1),单烯类单体形成聚合物的键接方式,尾：无取代基的一端,头：有取代基的一端,聚乙烯醇,(,醇解度,95%,以上,)PVA+HCHO,维尼纶纤维,聚醋酸乙烯酯水解得到,聚乙烯醇分子链处于头,-,尾键接部分的羟基易于甲醛缩合。,缩醛反应,键接方式对聚合物性能的影响,聚乙烯醇分子链处于头,-,头键接部分的羟基不易于缩醛化。,不能缩醛化的羟基，将影响维尼纶纤维的强度，增加纤维的缩水率。性能变差。,受紫外线照射易断裂,(,PVC,老化的原因,),头,-,尾连接,再如,:,而,(2),双烯类单体形成聚合物的键接方式,生产顺丁橡胶时，当调整,1,2-,加聚结构含量为,3555%,时，生成中,乙烯基聚丁橡胶。由于结构中含有大量的乙烯基侧基，使主链饱,和度提高，与普通顺丁橡胶相比：抗湿滑性、耐老化性、生胶的,冷流性等得到明显改善。,结论：分子链中结构单元的键接方式以及各种键接异构体在链中的排布情况都会显著影响材料的基本性能，最主要影响分子链的结构规整性，从而影响结晶和取向能力。,图,1,高分子链的几种模型,1.3,大分子构造,构造是指聚合物分子的各种形状或骨架形态。,1.,线形高分子（,linear polymer,）,：,一般高分子是线型的。它是由含二官能团的反应物反应而成，如前所述的聚氯乙烯和聚丙烯，分子长链可以卷曲成团，也可以伸展成直线，这取决于分子本身的柔顺性及外部条件。,线形的分子间没有化学建键结合，在受热或者受力的情况下分子间可以相互移动，,因此线型高聚物可以在适当的溶剂中溶解，加热时可以熔融，易于加工成型。,2.,支化高分子（,branching polymer,）：,由于加聚过程中有自由基的链转移发生，常易产生支化高分子。,与线形高分子的化学性质相似，但物理机械性能不同，线形分子易于结晶，故密度，熔点，结晶度和硬度方面都高于支化高分子。,支化破坏了分子的规整性，故结晶度大大降低。,支化分子对高分子材料的使用性能有一定的影响 下面以,PE,为例：,LDPE(Low Density PE),（,自由基聚合）,这种聚合方式易发生链转移，则支链多，密度小，较柔软。用于制食品袋、奶瓶等。,HDPE,（,配位聚合，,Zigler,催化剂）。,这种聚合方法不同与前，获得的是几乎无支链的线型。,PE,，,所以密度大，硬，规整性好，结晶度高，强度、刚性、熔点均高。可用作工程塑料部件，管材，绳缆等。,支化度越高，支链结构越复杂则对性能的影响越大，例如无规支化往往降低高聚物薄膜的拉伸度，以无规支化高分子制成的橡胶其抗拉强度及伸长率均比线型分子制成的橡胶为差。,支化度的表征,支化度,两相邻支化点之间链的平均分子量来表示支化的程度，称为支化度。,支化高分子的形式：星形（,Star,）、,梳形（,Comb,）、,无规,(Random),。,支化与交联有本质区别,:,支化（可溶，可熔，有软化点）,交联（不溶，不熔，可溶胀）,热固性塑料和硫化橡胶都是交联高分子,3.,交联（,network polymer,）,:,交联结构的形成条件：若在缩聚反应过程中有三个以上的官能度的单体存在；或在加聚过程中有自由基的链转移反应；或双烯类单体中第二键的活化等都能生成交联结构。,交联的作用,:,1.,使分子在使用时克服分子间的流动,即提高强度,2.,提高耐热性,3.,提高抗溶剂性,即不容易溶解于有机溶剂,交联高分子的表征,交联度,：用相邻两个交联点之间的链的平均分子,Mc,来表示。交联度越大，,Mc,越小。,交联点密度,：交联的结构单元占总结构单元的分数，即每一结构单元的交联几率。,eg,:,橡胶硫化,未硫化,:,分子间容易滑动,受力后不能恢复原状,硫化后,:,不易滑动,有可逆的弹性形变,应用,1,应用,2,另外一种交联,PE,，,它是经过辐射交联，使得软化点和强度均大大提高，变形小，大都用于电气接头，电缆的绝缘套管等。,除无规交联外，还有规整的网络结构，如：耐高温的全梯型吡隆，耐高温的碳纤维。,线型、支化、交联分子的性能差别,线型分子：可溶，可熔，易于加工，可重复应用，一些合成纤维，“热塑性”塑料（,PVC,，,PS,等属此类）。,支化分子：一般也可溶，但结晶度、密度、强度均比线型差。,交联分子：不溶，不熔，耐热，耐溶剂等性能好，但加工只能在形成网状结构之前，一旦交联为网状，便无法再加工，“热固性”塑料（酚醛、脲醛属此类）。,4,、环状高分子,polycatenanes,可以进一步转化为聚合物管,(polymer tube),a,-,环糊精,5,、梯形聚合物,分子主链不是单链而是象“梯子”或“双股螺旋线”。,e.g,:PI,聚酰亚胺 可耐高温,320,模量都非常高耐热性非常好,这类聚合物的特点：热稳定性好，因为受热时链不易被打断，即使几个链断了，只要不在同一个梯格中不会降低分子量。,6,、片型聚合物,(sheet polymer),7,、树枝状聚合物,(,Dendrimer,),1.4,共聚物的序列结构,共聚物：由两种以上的单体键合而成的聚合物,以,A,、,B,两种单体单元所构成的共聚物为例，按连接方式可分为：,交替共聚物,(alternating copolymer),ABABABABABABABA,无规共聚物,(random copolymer)AABABBAA,嵌段共聚物,(block copolymer)AAAAAABBBBBAAAAAA,接枝共聚物,(graft copolymer)AAAAAAAAAAAAA,BBBB,共聚结构对聚合物性能的影响,1,、无规共聚物：,ABAABABBAAABABBAAA,由于两种高分子平行无规则地排列改变了结构单元的相,互作用，也改变了分子间的相互作用，因此在溶液性质、,结晶性质、力学性质方面和均聚物有明显不同。,例,1,：,PE,，,PP,是塑料，若,50%70%,乙烯与,20%50%,丙烯采用茂金属催化技术无规共聚，产物为三元乙丙橡胶。,例,2,：,PTFE,（,聚四氟乙烯）是塑料，不能熔融加工，但四氟乙烯与六氟丙烯共聚物是热塑性的塑料。,结论：无规共聚破坏了分子链的规整性，从而破坏了材料,的结晶性能。,2,、,交替共聚,（,alternating copolymer,）,ABABABAB,共聚物往往可改善高聚物某种使用性能。,例,1,：,苯乙烯和丙烯腈进行,交替,共聚，使共聚物的冲击，耐热，耐化学腐蚀都有提高，可作耐油的机械零件。,例,2,：丁二烯和丙烯进行,交替,共聚，可以得到丁丙胶。,丁丙胶的综合性能与异戊橡胶相近。,例,3,：苯乙烯与马来酸酐,交替,共聚，可作共混物的增容剂,3,、嵌段共聚（,block copolymer,）,AAAAAABBBBBAAABBBBAAAAA,例如用阴离子聚合法制得的,SBS,树脂（牛筋底）就是苯乙烯与丁二烯的嵌聚共聚物，其分子链的中段是聚丁二烯（顺式），两端是聚苯乙烯。,SBS,:,Styrene-Butadiene-Styrene,Hard,Hard,Soft,SBS,：在,120,可熔融，可用注塑成形，冷到室温时，由于,PS,的玻璃化转变温度高于室温，分子两端的,PS,变硬，而分子链中间部分,PB,的玻璃化转变温度低于室温，仍具有弹性，显示高交联橡胶的特性。,SBS,不是用化学键交联，而是通过玻璃态,PS“,交联”的，这是物理交联。,聚丁二烯（,PB,）,易形成连续的橡胶相，,PS,易形成微区分散区树脂中，它对,PB,起着交联的作用。,PS,是热塑性的（,thermoplastic,），,在高温下能流动，,SBS,是一种可用注塑方法进行加工而不需要硫化的橡胶，又称为热塑性弹性体（牛筋底），这是橡胶工业上一个重大进步。,顺式聚丁二烯在常温下是一种橡胶，而,PS,是硬性塑料，两者是不相容的，因此,SBS,具有两相结构：,4,、接枝共聚,（,graft copolymer,）,.,高抗冲聚苯乙烯,HIPS,树脂：少量聚丁二烯,接技,到,PS,基体上。基体是塑料，分散相是橡胶起到增韧作用。,.,ABS,树脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。,共聚方式是无规共聚与接枝共聚相结合。分子结构不同，,材料的性能也有差异。,ABS,兼有三种组分的特性：,丙烯腈,PAN,组分耐化学腐蚀性，提高制品拉伸强度和硬度；,丁二烯,PB,组分呈橡胶弹性，改善冲击强度；,苯乙烯,PS,组分利于高温流动性，便于加工。,ABS,为质硬、耐腐蚀、坚韧、抗冲击的性能优良的热塑性塑料。,结论：对高分子共聚，对结构进行修饰，就会对材料性能,产生很大的影响。,高分子近程结构小结：,1,、链的原子种类,碳链高分子,杂链高分子,元,素有机高分,子,2,、链结构单元键接方式,头头,头尾：主要以头尾键接,。,5,、,共聚物序列结构,以上结构不同导致材料的性能发生明显变化。举例说明,4,、支化和交联,3,、构型：立体异构和几何异构,课堂讨论：,通过我们以上学习请回答以下问题：,1.,高分子结构有何特点？,2.,高分子结构分几个层次？,3.,近程结构的研究包括那些内容？举例说明不同,结构对材料性能的影响？,.,旋光异构体有那几种类型，特点如何？,.,高分子链的线性、支化、交联是如何影响宏观性能的？,.,高密度聚乙烯和低密度聚乙烯性能产生差别的原因是什么？,.,共聚结构有哪几种形式，它们又是如何影响宏观性能的？,8,.,为什么,SBS,树脂是热塑性弹性体？,分子的大小：分子的尺寸、,分子量及分布（第四章）,大分子的构象或形态：单键的内旋转,链的,柔性,众多构象,第,3-4,节,高分子链的远程结构,远程结构,（,long-range structure,）,的内容包括,:,重点及要求：,掌握高分子链的构象、柔顺性和链段的的概念，以及柔顺性的影响因素。,教学目的：,建立起长链大分子的概念、无规线团概念和链段的概念。,高分子链的构象,构象：由于高分子链上的化学键的不同取向引起的结构单元在空间的不同排布。,高分子链的构象有微构象与宏构象之分：,微构象（键构象）：指高分子主链键构象,宏构象（分子链构象）：指整个高分子链的构象,构象的改变并不需要化学键的断裂，只要化学键的旋转就可实现。,什么样的化学键可以旋转？,低分子的内旋转,从有机化学中知，,CC,，,CO,，,CN,等单键是 键，其电子云的分布是轴形对称的。因此由键相连的两个原子可以相对旋转（内旋转）而不影响其电子云的分布。,单键内旋转,的结果是使分子内与这两个原子相连的原子或基团在空间的位置发生变化,.,从而产生不同构象。,1.3.1,理想情况下,高分子链的内旋转构象,C1,C2,C3,C4,Cn,高分子的构象：由于单键的内旋转而产生的分子在空间的不同形态。,假设一根高分子链含有,N,个单键，每个单键可取,M,个不同的旋转角，则该高分子可能的构象数为：,M,N,高分子链卷曲状态的原因：,.,聚合物的长链结构,.,分子链中,C-C,单键的内旋转,结论：,.,所以从统计的角度,，大分子链呈现无规线团,（,无规线团：,无规则蜷曲高分子链的构象）,构象的几率最大，或者说卷曲状态是最可几状态。,.,另外从热力学的角度看,，卷曲状态是的混乱度较大的状态（熵最大状态），高分子链呈现卷曲状态是一个自发的过程。,讨论：高分子链的状态？,单个化学键能否独立运动,(,旋转,),？,不能。因为高分子的链式结构，一个键运动必然要带动附近其它键一起运动。也就是说，一个键在空间的取向与相连的其它键有关。,高分子链中的单键旋转时互相牵制，一个键转动，要带动附近一段链一起运动，这样，每个键不成为一个独立运动单元。,1.3.2,实际,情况下,高分子链的内旋转,链段,可以把由若干个键组成的一段链作为一个独立运动的单元，称为,“,链段,”,。,链段是高分子链中能够独立运动的最小单元。,把高分子链想象为一根摆动着的绳子，它是有许多可动的段落连接而成的，当,i,足够大时，链中第,i+1,个键上的原子在空间可取的位置已与第一个键完全无关了。所以长链可以看作是由许多链段组成，每个链段包括,i,个键。链段之间可看成是自由连接的，它们有相对的运动独立性，不受键角和位垒限制。,提升：链段定义,-,高分子链上划分出的可以,任意取向,的最小单元或高分子链上能够,独立运动,的最小单元称为链段。,链段与结构单元是不同的概念，它是一个统计单元，随主链的结构不同、环境的变化，链段的具体内容也将不同（小到可以是结构单元，大至整个分子链）。,所以高分子链上单键数目越多，内旋转越自由，则高分子链的形态（构象）越多，链段数也越多，链段长度越小，链的柔顺性越好。,高分子的柔顺性的实质就是大量,C-C,单键的内旋转造成的。,当高分子链上每个键都能完全自由旋转（自由联接链），,“,链段,”,长度就是键长,理想的柔性链（不存在）。,当高分子链上所有键都不能内旋转,理想的刚性分子（不存在），,“,链段,”,长度为链长。,极端情况：,有了链段的概念后，我们从分子运动的角度可以看出：,是链段的运动（,大量,C-C,单键的内旋转,）使高分子链具,有无数构象从而产生柔性的主要原因，由于分子链上众,多的运动单元的运动，使分子链的几何形态千变万化，,从而使高分子链表现出相当好的柔性。,、小分子的内旋转构象能量变化,乙烷分子的构象及内旋转位能图,结论：,.,反式能量最低，分子倾向采取反式构象存在，而不是,采取顺式构象,.,位垒,决定单键内旋转的速度,1.3.3,内旋转的能量变化,丁烷分子的构象及内旋转位能图,结论：,.,有两种能量低谷：反式和旁式，分子分子倾向采取反式和旁式构,象存在,.,位能差决定着反式和旁式构象的比例，位能差越大，分子构象越,容易以反式构象存在,.,从反式转化为旁式构象必须越过更高的能垒，决定反式,与旁式的转化速度,2,、高分子的内旋转构象能量变化,以结构最简单的聚乙烯为例：,.,单键两端的两个链段处于全交叉位置时非键合原子的距离,最远，斥力最小，位能也就最低，呈全反式构象；,.,当两个链段处于全叠合位置时位能最高，处于顺式构象；,.,除此之外也还存在“左旁式”和“右旁式”构象，它们的能量,也比较低。,可以看出每一个结构单元也有反式、顺式和旁氏三种构象。每条分子链,构象也是相当多的。,由于高分子链的空间构象数相当多，所以高分子的主链通常不是伸直的，它可以卷曲起来，在空间采取各种形态。这种无规则地蜷曲的高分子链的构象称为,无规线团,1.3.3,晶体和溶液中高分子链的构象,1.,晶态下高分子链的构象,(1),等同规则,高分子链在排入晶格的时候,必须满足对称性的要求,即这种构象,必须满足排入晶格的要求,能使链上的结构单元处在几何晶轴的,等同位置上,.,高分子通常采取比较伸展的构象,;,(2),能量最低规则,在满足对称性要求的前提下,分子链中结构单元倾向于采取使大分子链能量降低的构象状态,.,2.PE,分子高分子链在晶体中的构象,平面锯齿链构象,PE,分子链采取完全伸展的全反式构象,-,平面锯齿构象。,聚乙烯在晶体中的构象,范德华半径重叠示意图,I,排斥力区,II,甲基范德华体积,I,II,.i,PP,分子高分子链在晶体中的构象,i,PP,：,由于分子链上两个甲基间的,范德华半径总为,0.4,0.43 nm,，为了,避免侧基的空间障碍，宜采取反式,和旁式交替的螺旋构象。,i,-PP,3,1,螺旋形,构象,全同聚丙烯在晶态中的链构象,4.,聚酰胺：聚酰胺分子的主链中含有酰胺键，其中碳氮键的 距离约为,1.32A,，呈,T,型排列。,在脂肪族聚酰胺中，分子链多呈平面锯齿型结构。尼龙,66,和尼龙,6,：平面锯齿结构。,熔体和溶液中,高分子链的构象,无规线团,(,蜷曲,),构象,讨论：构象与构型的区别,:,构型,的改变一定要通过化学键的破坏和重组（近程结构）,.,构象,的改变不设计化学键的破坏,在外力或温度作用下很容易,改变,不管在外力作用下高分子链呈现什么固定的形态或,形状都属于构象的范畴,.,（远程结构）,1.4.1,高分子链的柔顺性,所谓,柔顺性,：,高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能称为高分,子链的柔顺性。高分子链能形成的构象数越多，柔顺性越大。,高分子,的柔顺性是高分子材料的性能不同于小分子物质的主要原因。,单条高分子链类似一根绳子，为不规则地蜷曲的无规线团。,单键的内旋转是导致高分子链呈蜷曲构象的原因。单键的内旋转是高分子链能够改变构象的原因。,单键,的内旋转也是高分子链的柔顺性的原因。,分子结构影响单键的内旋转位垒，那么高分子结构也影响高分子链的柔,顺性。,实质：无外力作用下，达到平衡态，高分子链自发卷曲的形态。,静态（平衡态）柔顺性：,指不受外界条件的影响，,热力学平衡条件下的柔性,，取决于反式和旁式构像之间的能量差,tg,.(,潜在的、提供可能性,),当,tg,/,kT,1,时，呈刚性。,tg,增加，,柔性降低。,高分子链的柔顺性可以从静态和动态两个方面来理解,动态柔顺性：,是指在外界条件的影响下，平衡态构象间转变的难易程度,(,速度,),，转变速度取决于反式与旁式之间转变的位垒,u,b,与外场作用能,KT,之间的关系,；,假定位垒,u,b,C,O,C,C,原因：氧原子周围无原子，内旋转容易。,Si-O-,键长长，键角大，内旋转容易。如硅橡胶。,4.2.,分子结构对链的静态柔顺性的影响,由于,芳杂环,不能内旋转，所以主链中含有芳杂环结构的高分子链,柔顺性较差,；,主链含有,孤立双键,，柔顺性较好。原因双键邻近的单键的内旋转位垒减小，双键旁的单键内旋转容易，所以可作为橡胶；,但是带有,共轭双键,的高分子链不能内旋转，像聚苯、聚乙炔，都是刚性分子。,（,2,）取代基（,侧基,）,：,侧其非极性：体积大，空间位阻愈大，柔顺性差。,PS PP PE,侧其极性：,极性强，作用力大，内旋转困难，柔顺性差。,如：聚丙烯腈,PAN PVC PVC,聚,1,2-,二氯乙烯。,取代基分布：聚偏二氯乙烯,PVC,，,前者对,称，分子偶极矩小，内旋转容易。,（,3,）支化、交联,若支链很长，阻碍链的内旋转起主导作用时，链柔性下降。,注意：阻碍链的结晶起主导作用时，链柔性上升,LDPEHDPE,。,交联不太大时（,含硫,2%,3%,）,，对链柔性影响不大。,交联大时（,含硫,30%,）,，链柔性变差，甚至失去弹性。,（,4,）,链的长短：,分子链越长，链段数目多，分子构象数目多，链的柔顺性越好？,答案：相同的结构时上述结论才成立。,结论：当相同的结构时，分子链长，链段数多，构象数目多，链柔性好。,（,5,）分子间作用力：,分子间作用力上升，聚合物中分子链所表现出来的柔顺性小,当单个分子链柔顺性相近时：,分子间作用力：能形成氢键,极性主链,非极性主链,聚合物柔性：能形成氢键,极性主链,非极性主链,例如：聚酰胺类，分子与分子之间可生成氢键，结果排列规,整，甚至形成结晶，在晶区中，分子构象无法改变。,又如：纤维素中能生成内氢键，分子链刚硬。,蛋白质采取双螺旋构象，螺圈之间的氢键相连，刚性大。,（,6,）,分子链的规整性：,分子结构愈规整，则结晶能力愈强，而高分子一旦结晶，,则柔顺性大大，因为分子中原子和基团都被严格固定,在晶格上，内旋转变得不可能。,例如：,PE,，分子链本身是柔性的，但因规整性好，易结晶。所以材料不是橡胶而是塑料。,又如：无规立构,PP,：柔性好。,等规立构,PP,：结晶，所以刚性好，是塑料。,总结：内旋转的单键数目越多，内旋转阻力越小，构象数越多，链段越短，柔性越好。,温度是影响高分子链柔性最重要的外因。,温度：温度升高，内旋转容易，柔顺性增加。如,PS,室温为塑料，加热,100,以上呈柔性。进一步升温甚至可以流动,1.4.3.,外界因素对链的动态柔顺性的影响,T,下降，柔顺性差，橡胶常温下有弹性，降低温度后可变为和硬塑料一样强硬甚至变脆。,高分子材料的低温粉碎。,液氮冷冻制备轮胎胶粉（,tire powder),用于塑料增韧改性，做操场跑道，做防水卷材等，,外力作用速度：速度缓慢时柔性，速度作用快，高分子链来不及通过内旋转而改变构象，分子链显得僵硬。,溶剂：影响高分子的形态,除刚性很大的棒状大分子外，柔性链分子在溶液，均呈线团状无规卷曲。,高分子链的柔顺性由两类因素决定，一是结构因素，另一类是温度、溶剂、外力、时间、增塑、共混等外部因素决定。,注意：高分子链的柔顺性和实际材料的刚柔性不能混为一谈，两者有时一致，有时却不一致。判断材料的刚柔性，必须同时考虑分子间，分子内的相互作用和聚集状态。,链柔性,PANPVC,，材料柔性,PANPVC,。,链柔性与材料刚柔性一致。,PE,，,CPE,（无规氯化的聚乙烯，,Cl,35%Wt,）,链柔性：,CPEPE,（,CPE,极性取代基）,材料柔性：,PECPE,（,PE,的高度规整性和对称性，结晶能力强）,链柔性与材料刚柔性不一致。,思考题：,聚乙烯,PE,乙烯,-,醋酸乙烯酯,EVA:,试比较单根链柔性,(,single chain flexibility,),、材料的柔性,(,material flexibility,),，结晶度,(,crystallinity,),，强度,(strength),，透明性,(,transparence,),等将发生什么变化？,单根链柔性,:EVA PE(,取决于聚集态结构,),结晶度：,EVA PE,；强度：,EVA PE,本节教学目的与要求,建立起长链大分子的概念、无规线团概念和链段的概念。,掌握高分子链的构象、柔顺性和链段的概念，以及柔顺性的影响因素。,高分子由于单键的内旋转，分子具有许多不同的构象。,由于热运动，高分子以及它的链段在不停地运动着，即所谓,微布朗运动,。,对于瞬息万变的无规线团的高分子，可以用,均方末端距或根均方末端距,来表征其分子尺寸。,高分子的末端距,5-6,高分子链的构象统计,1.,假设,PE,为,自由连接链（,freely jointed chain),：,即键长,l,固定，键角,不固定，内旋转自由的理想化模型（即不考虑键角限制和内旋转位垒障碍）。则由,n,个键组成的自由连接链的末端距应是各个键长的矢量和：,1.5,均方末端距的计算,对于,PE,自由连接链：当,:,所以均方末端距,：,PE,为自由连接链的末端距要比其完全伸直时的尺寸,nl,小的多,2.,假设,PE,为,自由旋转链,(freely rotating chain),：即键长,l,固定，键角,固定，单键内旋转自由的长链分子模型：（,即规定键角和不考虑内旋转能垒）。,均方末端距：,所以：,对角线各项共,n,项：,邻近对角线各项：,共,2,（,n-1),项,对角线起第三项：共,2,（,n-2),项,依次类推：共,2,（,n-m),项,代入数据得到：,假定,PE,伸展为锯齿形链：是最不柔顺的链,这种锯齿形长链在主链方向的投影为,h,max,，,可以证明：,所以：,注意：实际上，高分子链中单键的内旋转是受阻碍的，内旋转位能函数,u(,),并不等于常数，其值与内旋转的角度,有关。,比较：,所以，伸展的高分子链的末端距比卷曲的末端距要大得多。,说明单键的内旋转,是高分子链具有柔,性的原因。,当单键的内旋转不仅要维持键角不变，还要受相邻链节非键合,原子之间的耦合作用影响，这种分子链模型称受阻旋转链，,受阻旋转高分子链的均方末端距 为,:,其中,:,3,.,受阻旋转链的均方末端距（实际高分子链）,为内旋转角，,为内旋转势能。由于,大于,1,，故,由此可见，由,C,C,单键组成的高分子，随着单键内旋转受阻,程度的增大，分子链的柔顺性变差，均方末端距依次增大，,即,:,实际高分子链,等效自由结合链高斯链,4.,等效自由连接链（实际高分子链）,这个大分子链的伸直长度为：,这个大分子的均方末端距为：,等效自由连接链,将一个原来含有,n,个键长为,l,、键角,固定、旋转不自由的键,组成的高分子链，视为一个含有,Z,个长度为,b,的链段组成的高,分子链。,利用“等效自由结合链”的概念可以计算真实大分子中链段的,数目和长度，其步骤为：,1.,由实验测定出,等效自由结合链,的,均方末端距,和,分子量,；,2.,由分子量和分子结构计算出主链上的,化学键数目,n,和,链伸展,长度,hmax,；,3.,按下式计算分子链中链段的数目,z,和长度,b,；,对锯齿形聚乙烯,:,实验测得：,计算得：,问题？,1,、一根真实大分子链（等效自由结合链）的均方末端距需在什么条件下测定？,一种大分子链的,本征尺寸,可以将其溶解于,“,理想,”,稀溶液中，,由实验测得。这种“理想”稀溶液称为,溶液,，在,溶液中高分子链处于“,无扰状态,”,。,由于分子的均方末端距是单个分子的尺寸，必须把高分子分散在溶液中才能进行测定，这又产生了问题。,因为高分子与溶剂之间的相互作用对高分子链的构象产生干扰，如果在良溶剂中，链会伸展，如果在不良溶剂中，链会收缩。,这种干扰使所得的结果不能真实地反映高分子本身的性质，不过，这种干扰的程度随溶剂和温度的不同而不同，因此，可以,选择合适的溶剂和温度，创造一种特定的条件，使溶剂分子对高分子构象所产生的干扰可以忽略不计，这样的条件叫,条件。,在,条件下测得的高分子的尺寸称无扰尺寸。只有无扰尺寸才是高分子本身结构的反映。,注：等效自由连接链的链段分布符合高斯分布函数，故称作这种,高分子链称为“,高斯链,”。,虽然高斯链的链段分布函数与自由结合链的分布函数相同，,但高斯链（等效自由结合链）与自由结合链有很大的,差别,。,差别,自由结合链的统计单元是一个化学键；高斯链的统计单元是一个链段。,高斯链中任何化学键都不可能自由旋转和任意取向；高斯链中的链段却可以自由旋转和任意取向。,自由结合链是不存在的，是假象的；高斯链却是体现了大量柔性高分子的共性，它是确实存在的。,高斯链可以包括自由结合链，后者是前者的一个特例。,高斯链更具有普通代表性。当我们以后讨论高分子尺寸时，一般以高斯链为出发点。,小结,高分子世界不存在自由结合链，也不存在自由旋转链，只有无规则线团状的链。,如果这种线团的长度足够长，而且有一定柔性，则仍就,可以把它当作自由结合链来统计处理,，称为,等效自由结合链也称为高斯链,。,这种,链的统计单元,（即主链中能够独立运动的最小单位）称为,链段,。链段的长度不能从计算中得到，而是通过实验测定出来。,全部链单元的 的质量平均值为：,旋转半径,5.,高分子链的均方旋转半径计算,对柔性分子，,S,2,值依赖于链的构象。将,S,2,对分子链所有,可能的构象取平均，即得均方旋转半径 。在,条件下可,测得,无扰均方旋转半径,。同样,无扰均方旋转半径也是高分,子链本身结构的反映。,对于高斯链，当分子量很大时，其,无扰均方末端距,与,无扰均方旋转半径,，有如下关系：,讨论：高分子柔顺性与均方末端距的关系,当两种高分子的链长相同时，则均方末端距越小者，其链越柔顺。,当两种高分子的链长不同时，可用下面几个物理量作为链柔顺性的量度：,（,1,）空间位阻参数（刚性因子）,