高分子结构和形态特点
高分子材料的结构和性能研究
高分子材料的结构和性能研究高分子是由大量分子单元化合而成的材料，是众多材料之中使用最为广泛的一类材料，其中塑料是高分子材料中最常见和应用最广泛的一种。
随着科技的不断发展，人们对高分子材料的研究和应用也越来越深入，对高分子材料的结构和性能进行探究已成为重要的研究方向之一。
一、高分子材料的基本结构和组成高分子材料的基本结构是由大量简单分子单元通过共价键或离子键连接而成的长链分子。
这些长链分子可能包含数千上万个单元，其分子量也可达数百万至数千万不等。
除了长链分子，高分子材料中还可能存在支链分子、交错分子、网状分子等不同的形态。
高分子材料的组成不仅有单一的高分子，还可能由多种高分子组成的共混物或复合材料。
共混物由两种或以上的高分子混合而成，其组分可以均为同质高分子，也可以为不同种类的高分子。
而复合材料则是将高分子与其它材料混合而成，这些材料可以是同种的或不同种的。
复合材料的成分可以按照功能需求进行配比，形成满足不同使用需求的高性能材料。
二、高分子材料的性能及其研究方法高分子材料因其结构特点，在力学、光学、电学、化学、热学等方面表现出一系列独特的性能。
高分子材料的性能取决于分子结构、分子量、结晶度、形态结构、分子力学运动状态等因素。
其中，热性能、机械性能和流变性能等是高分子材料中最为重要和常见的性能。
研究高分子材料的性能需要运用多种方法和技术。
其中，常用的方法包括热分析、质谱分析、核磁共振、傅里叶变换红外光谱、拉伸测试、动态力学分析、热重分析等。
这些方法可以实现对高分子材料的性能进行定量描述，并能够揭示高分子材料的制备过程中的关键因素和作用机理。
三、高分子材料的应用及其发展趋势高分子材料由于其独特的性能和广泛的应用领域，成为了现代工业中不可或缺的材料之一。
塑料制品、纤维、色素、润滑剂、胶粘剂、电线电缆、医疗器械等领域均有广泛应用。
而在新能源、新兴材料、高效催化剂、生物医学领域等新兴领域，高分子材料也取得了许多创新和突破性的进展。
高分子化合物的特点
• 以上几点，归根结底是高分子的运动形态和低分 子的运动形态不同的缘故，这就是高分子要从有 机会化学中独立出来研究，成为一门新学科—— 高分子化学的根本原因。
分子链之间还有许多共价键交联起来，形成三度空间的网络结构。
这两种由 于其相对分子质量很大， • 通常处于固体或凝胶状态，有 较好的机械强度（TP轴承）； 又由于其分子是由共价键结合 而成的，故有较好的绝缘性和 耐腐蚀性能；由于其分子链很 长，分子的长度与直径之比大 于一千，故有较好的可塑性和 高弹性。高弹性是高聚物独有 的性能。此外，溶解性、熔融 性、溶液的行为和结晶性等方 • 面和低分子也有很大的差别。
高分子化合物的特点
高分子同低分子比较，具有以下特点：
1.从相对分子质量和组成上看，具有 “多分散性”。大多数高分子都是由一种或 几种单体聚合而成。
2.从分子结构上看，高分子的分子结构基本有两种
• 一种是线性结构：线性
结构的特征是分子中的原子以 共价键互相连接成一条很长的 卷曲状态的“链”。
另一种是体型结构：体型结构的特征是分子链与
高分子物理——精选推荐
与小分子相比，高分子结构具有哪些特点？高分子结构分为哪几个层次？（5分）(1)高分子的结构特点主要有以下4个方面：①长链状大分子结构；②大分子链具有柔顺性；③大分子结构具有多分散性和不均一性；④具有聚集态结构的多样性和复杂性。
(2)高分子的结构可以分为链结构和聚集态结构，而链结构分为近程结构和远程结构，聚集态结构分为三次结构和高次结构；近程结构主要涉及分子链的化学组成、构造和构型；远程结构则包括分子链的大小和在空间的几何形态；三次结构是由同类聚合物分子链相互排列堆砌形成的聚集态结构，包括晶态结构、非晶态结构、液晶态结构、取向结构等；而高次结构则是由不同类型的聚合物分子链相互排列堆砌形成的聚集态结构，包括共混织态结构和生物体结构。
(3)聚合物结构层次之间不是独立的，较低的结构层次会影响到较高结构层次的形成。
例如，近程结构会对分子链的构象和链柔性(远程结构)产生影响；分子链的立体构型和构象又会影响到分子链之间的几何排列方式(聚集态结构)。
另一方面，各结构层次都会对聚合物的性能产生影响，其中近程结构决定了聚合物的基本性质，而聚集态结构则直接影响到聚合物的使用性能。
高分子链的近程结构有哪些？举出二个例子说明近程结构对聚合物性能的影响。
（6分）碳链高分子聚乙PE，聚丙烯PP，聚氯乙烯PVC聚苯乙烯PS聚丙烯腈PAN，聚丁二烯PB聚异戊二烯PIP性质：优良的可塑性。
不易水解（因为非极性结构）杂链高分子（除了碳，还有氧，硫等）聚对苯二甲酸乙二酯PET，聚己二酰己二胺PA66 Nylon66性质：易于水解，醇解，酸解（因为极性结构）。
结构规整，耐热性高机械强度高。
元素高分子（主链不含碳元素）性质：易于水解，稳定性不好，耐热性一般很好。
对于侧基含有有机基团的，兼具有机和无机高分的性质梯形和双螺旋形高分子性质：优良热稳定性加工性能差端基性质：端基对热稳定性影响很大，链的断裂会从端基开始。
所以有些高分子需要封头提高热稳定性，例如将聚甲醛的羟端基酯化。
高分子材料的微观结构分析
高分子材料的微观结构分析高分子材料（polymer）是由很多重复单元（monomer）经过聚合反应形成的巨大分子链。
其分子结构非常复杂，具有各种各样的物理、化学性质，如软硬度、透明度、耐化学腐蚀性等。
在行业中广泛应用于电子、医疗、建筑、汽车等领域。
高分子材料的研究对于优化其应用性能和开发新的高性能材料至关重要。
其中，高分子材料的微观结构分析是研究高分子材料的多种性质和性能的基础。
一、高分子材料的分子结构高分子材料的分子结构在微观层级上相当复杂。
高分子分子链通常在化学键的形成过程中形成的，这些化学键可以是共价键，如丙烯酸甲酯聚合物（poly(methyl methacrylate, PMMA)），缩合键，如聚对苯二甲酸酯（polyethylene terephthalate，PET），或共轭双键，如聚苯乙烯（polystyrene，PS）。
不同的单元在聚合过程中，不同的分子间键合方式，以及不同的化学结构都会影响高分子材料的性能。
高分子材料还可以形成横向的化学键。
例如，在聚苯亚砜（polyamide，PA）中，酰基（amide）通过一系列的氢键，形成网络结构。
在聚合物中，不同的键合方式会影响高分子材料的机械性能、热性能、耐化学腐蚀性等。
二、高分子材料的局部结构在高分子聚合体中，分子链的序列和排列方式通常是不规则和无序的。
因此，高分子材料的局部结构是非常复杂的，但是，其在局部和宏观上的链排列方式可以被视为相对有序的。
高分子链在聚合过程中通常会出现分支，较长的分支会在高分子聚合体中形成交联结构。
例如，在交联聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）中，氢键缩合成的分支机构可以导致跨链的结构，使材料具有高的耐热性和强度。
这些微观结构的差异会对高分子材料的物理、化学性质产生显著的影响。
三、高分子材料的晶体结构分析除了分子构型外，高分子的晶体结构也对高分子材料的性能产生显著的影响。
高分子的特征
高分子的特征高分子是由许多重复单元构成的大分子化合物，具有以下特征：1. 分子量大：高分子的分子量通常在几万到几百万之间，远远大于小分子化合物。
这是由于高分子由大量的重复单元组成，每个重复单元都通过共价键连接起来，形成长链或支链结构。
2. 高分子链的柔性：由于高分子链的长度较长，链之间的相互作用力较弱，因此高分子具有较高的柔性。
这使得高分子可以发生各种形态的变化，例如拉伸、弯曲等。
3. 高分子的可塑性：高分子材料可以通过加热和加压等加工方法进行塑性变形，制成各种形状的制品。
这是由于高分子链的柔性和链之间的相互滑动使得高分子材料具有良好的可塑性。
4. 高分子的耐热性：由于高分子链的结构较为稳定，其中存在着大量的共价键，因此高分子具有较高的熔点和热稳定性。
这使得高分子可以在高温条件下保持较好的性能。
5. 高分子的化学稳定性：高分子链中的共价键结构使得高分子具有较好的化学稳定性。
高分子通常不容易发生化学反应，不易被酸、碱、溶剂等物质侵蚀，因此具有较长的使用寿命。
6. 高分子的可溶性：高分子在适当的溶剂中可以溶解，形成溶液。
这是由于高分子链上存在着一些极性基团或吸水基团，可以与溶剂分子发生相互作用。
高分子的溶解性对于高分子材料的加工和应用具有重要意义。
7. 高分子的绝缘性：由于高分子链上存在着大量的共价键和非极性基团，高分子具有较好的绝缘性能。
这使得高分子材料广泛应用于电子、电气等领域，作为绝缘材料使用。
8. 高分子的透明性：一些高分子材料具有良好的透明性，可用于制备透明的制品。
这是由于高分子链的结构较为均匀，不易发生散射现象。
9. 高分子的多样性：高分子材料种类繁多，可以通过不同的单体组合、反应条件和加工方法得到不同的高分子材料。
这使得高分子具有广泛的应用领域，例如塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂等。
高分子具有分子量大、柔性、可塑性、耐热性、化学稳定性、可溶性、绝缘性、透明性和多样性等特征。
这些特征使得高分子材料在各个领域有着广泛的应用，为人们的生活和工作带来了便利和创新。
第2章 高分子链的结构与形态
★线型、支化、网状分子的性能差别
• 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
合成高分子的来源:小分子单体相互连接而成
n CH2 = CH Cl
氯乙烯
n CH2 = CH
(CH2 － CH)n Cl
聚氯乙烯
(CH2 CH)n
苯乙烯
聚苯乙烯
(1) 主链：(backbone)
• 2.高分子链的结构与形态
• 结构的研究内容是什么？（结构层次） • 高分子的结构特征是什么？
• 长支链的存在对高聚物的物理机械性能影 响不大，但对其溶液性质和熔体的流动性 影响大，通常支化高聚物比同类线形高聚 物熔体的流动性差。
• 短支链更大程度上影响其机械性能。
• 长支链的长度达聚合物分子水平；短支链 长度处于齐聚物（一般n小于20）水平。
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。
Cl
聚合度＝简单重复单元的个数
结构单元＝简单重复结构单元＝单体单元
这类高聚物不易水解，易加工，易燃烧， 易老化，耐热性较差。
2 杂链高分子
• 分子主链中除了C原子外，还包括O， N，S等杂原子，以共价键相连的高分 子，如：
CH2
O
聚甲醛
n
缩聚：单体缩合聚合
NH2-(CH2)6-NH2
+
HOOC-(CH2)4-COOH
高分子材料的可控结构构筑
高分子材料的可控结构构筑高分子材料是我们日常生活中常见的材料，包括塑料、橡胶、纤维等。
这些材料的特点是价格便宜、易于加工和成型，同时也具有良好的机械性能、化学稳定性和耐热性能。
然而，由于其结构无法精确控制，高分子材料的性能往往不够理想。
因此，寻求一种可控制高分子材料结构的构筑方法就显得尤为重要。
1. 高分子材料的结构特点高分子材料由长链分子构成，其分子量通常都很大，常常超过10000。
这种分子结构决定了高分子材料的物理和化学性质。
高分子材料的结构特点主要包括以下几个方面：(1) 高分子材料的链结构是高度不规则的。
在不同的反应条件下，形成的链结构不同，导致高分子材料的性质难以预测。
(2) 高分子材料的分子结构是立体的，因为它们通常都不是线性分子。
在构造高分子材料的分子结构时，通常需要考虑到化学键之间的夹角和空间位置。
(3) 高分子材料的分子量很大，这使得它们在空间中占据了很大的体积，导致它们之间相互作用很强，因此很难对其进行结构调控。
2. 可控结构构筑的方法为了解决高分子材料的结构无法控制的问题，科学家们一直致力于寻找一种可控制高分子材料结构的构筑方法。
目前，已经发展出了许多种高分子材料可控结构构筑方法。
(1) 原子转移自由基聚合原子转移自由基聚合是一种通过控制反应温度、催化剂的选择、反应时间和物质量等参数实现高分子材料精确控制的方法。
该方法能够精确控制分子链的长度、分子量和副反应的数量，从而控制高分子材料的结构和性能。
(2) 大分子模板法大分子模板法是一种通过在高分子材料中加入模板分子，利用其对高分子材料聚合物化学反应的影响来精确控制高分子材料结构的方法。
该方法能够通过选择不同的模板分子来控制高分子材料的结构和性能，可以制备出特定形状和尺寸的高分子微球和纳米粒子。
(3) 高分子自组装法高分子自组装法是一种通过高分子链的自组装过程实现高分子材料结构控制的方法。
通过改变方法中溶剂的成分或浓度，控制高分子链自组装时的聚集状态和结构形态，从而实现高分子材料的可控结构构筑。
高分子物理专论
一、高分子结晶结构的主要特点与形态特征怎样？影响因素主要有哪些？主要研究方法有哪些？其在高分子结晶研究中的应用怎样？答：1. 结构与形态高分子之所以能够形成结晶，需要两个条件：（1）高分子链的构象要处于能量最低的状态；（2）链与链之间要平行排列而且能紧密堆砌。
高分子结晶不同于低分子物质的结晶。
高分子材料中几乎没有完整的晶体结构（如晶体不整齐、结晶不完全等），这主要与构成材料的高分子链的聚集形态有关。
高分子链之间的相互作用力包括范德华力、氢键和化学键，起主要作用的是范德华力。
由于聚集态结构不同，通常高分子材料表现出三种结构特点：非晶态、晶态（如球晶和单晶等）和取向结构。
其形态特征如下：1）晶区与非晶区共存。
由于高分子为长链结构，链上的原子通过共价键相连接，因此结晶时链段是不能充分自由运动的，必定妨碍其作规整的堆积和排列。
通常高分子材料都是以分子链的一小段有序排列形成晶区的，高分子链中折叠部分不规则排列的链段及连接相邻片晶之间的过渡区域中的链段则组成高分子晶态中的非晶区。
2）晶区部分与非晶区部分没有明显的界线每个高分子可以同时贯穿几个晶区和非晶区，而在晶区和非晶区两相间的交替部分有着局部有序的过渡状态，即使晶区也存在许多缺陷。
例如，对于缨状微束模型，晶区和非晶区相互穿插，同时存在，在晶区中，分子链互相平行排列形成规整的结构，但晶区尺寸很小，一根分子链可以同时穿过几个晶区和非晶区，晶区在通常情况下是无规取向的；而在非晶区中，分子链的堆砌是完全无序的。
2. 影响因素1）链的对称性高分子链的结构对称性越高，越容易结晶。
如聚乙烯分子，主链上全部是碳原子，没有杂原子，也没有手性碳原子，碳原子上是清一色的氢原子，对称性好，最容易结晶，最高结晶度可达95%。
但是将聚乙烯氯化后，由于分子链对称性受到破坏，便失去了原有的结晶能力。
2）链的规整性对于主链含有手性中心的聚合物，如果手性中心的构型完全是无规的，使高分子链的对称性和规整性都被破坏，这样的高分子一般不能结晶。
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1. 结构
高聚物是由许多巨大的分子构成的。
这些大分子有许多重复的结构单元组成。
某些高聚物的结构单元是完全一致的（均聚），但另一些则是由两种以上的结构单元混合组成（共聚），同时大分子之间又有各种联系。
因此必须从微观、亚微观直到宏观不同的结构层次来描述高聚物分子结构、形态和聚集态等。
高聚物主要分为以下结构：一次结构（近程结构）、二次结构（远程结构）、三次结构（聚集态结构）和高次结构的层次。
一次结构式是指大分子的化学组成，均聚或共聚，大分子的相对分子量，链状分子的形状如直链、支化、交联。
此外还包括大分子的立体构型如全同立构、间同立构、无规立构、顺式、反式的等的区别。
二次结构指的是单个大分子的形态（微观），如无规线团、折叠链、螺旋链等。
三次结构指的是具有不同二次结构的单个大分子聚集在一起形成的不同的聚集态结构。
如：无规线团构成的线团胶团、缨束状结构、片晶和超螺旋结构。
高次结构指三次结构以及与其他物质构成尺寸更大的结构，如由折叠链形成的片晶构成球晶。
2.高聚物结构的测定方法
测定结构的方法有X射线衍射法（大角），电子衍射法、中心散射法、裂解色谱-质谱、紫外吸收光谱、红外吸收光谱、拉曼光谱、微波分析法、核磁共振法、顺磁共振法、荧光光谱、偶极矩法、旋光分光法、电子能谱等。
测定聚集态结构的方法有X射线小角散射、电子衍射法、电子显微镜、光学显微镜、原子力显微镜、固体小角激光光散射等。
测定结晶度的方法有X射线衍射法、电子衍射法、核磁共振吸收（宽线）、红外吸收光谱，密度法，热分析法。
3.高聚物分子运动（转变与松弛）的测定
了解高聚物多重转变与运动的各种方法，主要有四种类型：体积的变化、热力学性质及力学性质的变化和电磁效应。
测定体积的变化包括膨胀计法、折射系数测定法等；测定热学性质的方法包括差热分析方法（DTA）和差式扫描量热法（DSC）等；测定力学性质的变化的方法包括热机械法、应力松弛法等；还有动态测量法如动态模量和内耗等；电磁效应包括测定介电松弛、核磁共振等。
4.高聚物性能的测定
高聚物的力学性能主要是测定材料的强度和模量以及变形。
试验的方法有很多种，有拉伸、压缩、剪切、弯曲、冲击、蠕变、应力松弛等。
静态力学性能试验机有静态万能材料试验机，专用应力松弛仪、蠕变仪、摆锤冲击机、落球冲击机等，动态力学试验机有动态万能材料试验机、动态粘弹谱仪、高低频疲劳试验机。
材料本体的粘流行为主要是测定粘度和切变速率的关系、剪应力与切变速率的关系等，采用的仪器有旋转粘度计、熔融指数测定仪、高压电击穿试验机等。
材料的电学性能主要有电阻、介电常数、介电损耗角正切、击穿电压，采用仪器有电阻计，电容电桥介电性能测定仪、高压电击穿试验机等。
材料的热性能，主要有导热系数、比热、热膨胀系数、耐热性、耐燃性、分解温度等。
测定仪器有高低温导热系数测定仪、差示扫描量热仪、量热计、线膨胀和体膨胀测定仪、马丁耐热仪和维卡耐热仪、热失重仪、硅碳耐燃烧试验机等。