高分子材料的结构及其性能
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。
高分子材料的结构及其性能
高分子材料的结构及其性能1. 引言高分子材料是由大量重复单元构成的大分子化合物，具有重要的工程应用价值。
其结构和性能之间的关系对于材料科学和工程领域的研究至关重要。
本文将介绍高分子材料的结构特点，并探讨其与性能之间的关系。
2. 高分子材料的结构高分子材料的结构可以分为线性结构、支化结构、交联结构以及共聚物结构等。
不同结构的高分子材料具有不同的特点和应用领域。
线性结构是最简单的高分子材料结构，由一条长链构成，链上的重复单元按照一定的顺序排列。
线性结构的高分子材料具有较高的可拉伸性和延展性。
2.2 支化结构支化结构在线性结构的基础上引入了支链，可以增加高分子材料的分子间距离，提高其熔融性和热稳定性。
支化结构的高分子材料常用于塑料制品的生产。
2.3 交联结构交联结构是指高分子材料中分子之间通过共价键形成网络结构。
交联结构的高分子材料具有较高的强度和硬度，常用于橡胶制品的生产。
共聚物是指由两种或两种以上不同单体按照一定比例聚合而成的高分子化合物。
共聚物结构的高分子材料具有多种物化性质的综合优点，广泛应用于各个领域。
3. 高分子材料的性能高分子材料的性能与其分子结构密切相关，主要包括力学性能、热学性能、电学性能和光学性能等。
3.1 力学性能高分子材料的力学性能包括强度、韧性、硬度等指标。
线性结构的高分子材料通常具有较高的延展性和可拉伸性，而交联结构的高分子材料则具有较高的强度和硬度。
3.2 热学性能高分子材料的热学性能包括熔点、热膨胀系数、导热系数等指标。
分子结构的不同会对高分子材料的热学性能产生显著影响，如支化结构的高分子材料通常具有较低的熔点和较高的热膨胀系数。
3.3 电学性能高分子材料的电学性能主要包括导电性和介电性能。
共聚物结构的高分子材料常具有较高的导电性，而线性结构的高分子材料则通常具有较好的介电性能。
3.4 光学性能高分子材料的光学性能指材料对光的吸收、透过性和反射性等特性。
不同结构的高分子材料在光学性能上也会有所差异，如支化结构的高分子材料通常具有较高的透光性。
高分子材料的结构与力学性能研究
高分子材料的结构与力学性能研究高分子材料是一类重要的工程材料，具有广泛的应用领域。
它们的性能很大程度上取决于其结构与力学性能之间的关系。
因此，对高分子材料的结构与力学性能进行深入研究是十分必要的。
一、高分子材料的结构高分子材料的结构是指其中分子的组成和排列方式。
其主要由聚合物链的排列方式、分子量分布以及分子内外力结构等因素决定。
首先，聚合物链的排列方式对高分子材料的性能有显著影响。
一种常见的排列方式是线性结构，即聚合物链呈直线排列。
这种结构能够使高分子材料更加柔软、可拉伸，并具有较高的延展性。
相反，如果聚合物链呈无规则状或高度交织状排列，则高分子材料的强度和硬度会明显提升。
其次，分子量分布也是高分子结构的重要方面。
分子量分布越广，高分子材料的性能越稳定。
这是因为分子量越大，高分子材料的强度和硬度越高。
然而，如果分子量分布过窄，容易导致性能不均匀，从而影响材料的应用。
最后，分子内外力结构对高分子材料的结构和性能同样起着关键作用。
分子内的键长、键角和二面角等结构参数决定了高分子材料的刚性和柔软性。
而分子之间的力结构包括范德华力、静电力和氢键等，可以影响材料的粘合性和熔融性。
二、高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能包括强度、硬度、韧性以及流变性等方面。
这些性能与材料的结构密切相关。
首先，强度是衡量材料抵抗外力破坏能力的重要指标。
高分子材料的强度主要取决于其内部的结构以及分子内外的各种力作用。
一般来说，高分子材料强度较低，但具有较好的拉伸性能和延展性。
其次，硬度是衡量材料抵抗表面刮擦、磨损和压缩的能力。
高分子材料的硬度主要由分子链的排列方式和分子量分布来决定。
线性排列和较窄的分子量分布会导致高分子材料较好的硬度。
韧性是衡量材料断裂前出现塑性变形的能力。
高分子材料的韧性与其延展性有关，而延展性又与聚合物链的排列方式和分子结构有关。
流变性是指高分子材料在外力作用下的变形行为。
它与材料的粘弹性和塑性变形有关。
高分子材料的结构与性能
高分子材料的结构与性能高分子材料是指由聚合物制成的材料，聚合物是由单体分子在化学反应中结合形成的长链分子。
高分子材料具有良好的物理、化学、力学和电子性能，广泛用于制造塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂等材料。
在高科技领域中，高分子表现出了许多非凡的性能特征，比如强度高、稳定性强、抗氧化、耐腐蚀。
本文将探讨高分子材料的结构与性能。
一、高分子材料的结构1.1 分子结构高分子材料是由巨分子组成的，而巨分子则是由很多分子链状连接而成的。
它们具有极高的分子质量，分子量一般在10万到100亿之间。
分子结构的简单性质（如平面或立体）对其物理性质有很大影响。
例如，苯并芘（BP）是一种由苯（B）和芘（P）连接而成的分子，它们的分子结构决定了BP材料的密度、强度和稳定性。
由于BP的共轭结构和分子链的高度结晶性，它是一种非常优秀的聚合物材料。
然而，这种材料易于光氧化和生物降解，导致其应用范围受到限制。
1.2 分子排列高分子材料分子的排列方式也决定了其性能。
高分子材料有不同的排列方式，主要包括层状排列，链状排列，聚集态等。
层状排列的材料（例如石墨烯）具有优良的导电和导热性能，链状排列的材料（例如聚丙烯）具有良好的韧性和可塑性而且内部结构没有多余的杂质和空隙，因此有很好的电气性能和高温稳定性。
1.3 聚合度聚合度是指分子链中单体单位的数目，它对高分子物质的物理和化学性质有重要影响。
聚合度较小的分子链通常很容易断裂，但与此同时，它们也更容易流动。
聚合度较大的分子链则更难流动，更难断裂，但表现了较高的强度和稳定性。
若聚合度过高，会导致过浓的材料或粘稠的物质成为一种过筛子现象，因此在工业应用中需要合理控制聚合度。
二、高分子材料的性能2.1 强度和韧性高分子材料的强度和韧性是决定其性能的重要因素。
高分子材料的强度通常表示为杨氏模量和硬度，直接影响到其耐腐蚀性、热稳定性和维持形状的能力。
韧性则是一个材料在受到冲击负载时不易断裂的能力，母材料的应力值和形状极限是材料韧性的主要影响因素。
高分子材料的结构与性质
高分子材料的结构与性质高分子材料是一类由大量重复单元组成的大分子化合物。
这些重复单元通过共价键或其他化学键相连，形成长链或网络结构。
高分子材料的结构与性质密切相关，它们的结构决定了它们的物理、化学以及力学性能。
本文将探讨高分子材料的结构与性质之间的关系。
1. 高分子的化学结构高分子材料的化学结构可以分为线性结构、支化结构和交联结构三种。
1.1 线性结构线性结构的高分子材料由直链或分支较少的链状分子构成。
它们的链状结构使得分子之间的间距较大，容易流动。
因此，线性高分子材料具有良好的可塑性和可加工性。
然而，由于链状结构的易滑动性，线性高分子材料的强度和刚性相对较低。
1.2 支化结构支化结构的高分子材料具有较多的侧基或支链。
支化结构的引入可以增加分子之间的交联点，增强高分子材料的强度和刚性。
同时，支化结构还可以减缓分子链的运动，提高高分子材料的熔点和玻璃化转变温度。
支化结构的高分子材料在保持流动性的同时，还具有较高的强韧性和抗拉强度。
1.3 交联结构交联结构是高分子材料中的三次结构，通过交联点将多个线性或支化的高分子链连接在一起，形成一个三维网络结构。
交联结构的高分子材料具有优异的机械性能，高强度、高耐磨性和高温稳定性。
然而，交联结构的高分子材料通常较脆硬，不易加工。
2. 高分子的物理性质高分子材料的物理性质主要包括熔点、玻璃化转变温度和热胀缩性。
2.1 熔点高分子材料的熔点取决于其结晶性和分子量。
结晶性较高的高分子材料通常具有较高的熔点，因为结晶部分的分子排列更加有序，分子之间的相互作用更强。
另外，分子量较高的高分子材料由于分子间的范德华力较强，也会导致较高的熔点。
2.2 玻璃化转变温度玻璃化转变温度是高分子材料从玻璃态转变为橡胶态的临界温度。
玻璃化转变温度与高分子材料的结构和分子量密切相关。
结晶度较高的高分子材料通常具有较高的玻璃化转变温度，因为结晶区域的链状排列限制了链段的运动。
另外，分子量较大的高分子材料由于分子间的交联较多，也会导致较高的玻璃化转变温度。
高分子材料的结构特点和性能
高分子材料是由相对分子质量比一般有机化合物高得多的高分子化合物为主要成分制成的物质。
一般有机化合物的相对分子质量只有几十到几百，高分子化合物是通过小分子单体聚合而成的相对分子质量高达上万甚至上百万的聚合物。
巨大的分子质量赋予这类有机高分子以崭新的物理、化学性质：可以压延成膜；可以纺制成纤维；可以挤铸或模压成各种形状的构件；可以产生强大的粘结能力；可以产生巨大的弹性形变；并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、自润滑等许多独特的性能。
于是人们将它制成塑料、橡胶、纤维、复合材料、胶粘剂、涂料等一系列性能优异、丰富多彩的制品，使其成为当今工农业生产各部门、科学研究各领域、人类衣食住行各个环节不可缺少、无法替代的材料.高分子材料的性能是其内部结构和分子运动的具体反映。
掌握高分子材料的结构与性能的关系，为正确选择、合理使用高分子材料，改善现有高分子材料的性能，合成具有指定性能的高分子材料提供可靠的依据。
高分子材料的高分子链通常是由103~105个结构单元组成,高分子链结构和许许多多高分子链聚在一起的聚集态结构形成了高分子材料的特殊结构。
因而高分子材料除具有低分子化合物所具有的结构特征（如同分异构体、几何结构、旋转异构）外，还具有许多特殊的结构特点。
高分子结构通常分为链结构和聚集态结构两个部分。
链结构是指单个高分子化合物分子的结构和形态，所以链结构又可分为近程和远程结构。
近程结构属于化学结构，也称一级结构，包括链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、结构单元的排列顺序、支链类型和长度等。
远程结构是指分子的尺寸、形态,链的柔顺性以及分子在环境中的构象，也称二级结构.聚集态结构是指高聚物材料整体的内部结构,包括晶体结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构等有关高聚物材料中分子的堆积情况，统称为三级结构.1。
近程结构（1）高分子链的组成高分子是链状结构，高分子链是由单体通过加聚或缩聚反应连接而成的链状分子.高分子链的组成是指构成大分子链的化学成分、结构单元的排列顺序、分子链的几何形状、高聚物分子质量及其分布。
高分子材料的结构与性能关系分析
智能高分子材 料在医疗、环 保、能源等领 域的应用前景。
智能高分子材 料的结构设计、 合成与制备方
法。
智能高分子材 料面临的挑战 与未来发展方
向。
环保法规日益严格， 推动高分子材料低 污染化发展
生物降解性材料成 为研究热点，实现 废弃高分子材料的 环保处理
绿色合成技术不断 进步，降低高分子 材料生产过程中的 环境污染
有关
高分子材料的 导热性能影响
其电性能
透明性：高分子材料对光的透过能力。 折射率：高分子材料的折射率与分子结构有关，影响光在材料中的传播速度。 反射与散射：某些高分子材料对光的反射和散射特性，影响材料的光泽和外观。 荧光与磷光：某些高分子材料能够吸收光能并转化为荧光或磷光，具有特定的光学性质。
高分子材料的结构与 性能关系分析
汇报人：
目录
高分子材料的结构
高分子材料的应用
高分子材料的发展 趋势与展望
高分子材料的结构
分子链的组成：由 许多单体通过聚合 反应连接而成
分子链的形状： 可以是线型、支 化型或网状结构
分子链的排列： 有序排列或无序 排列
分子链的柔顺性： 影响高分子材料的 机械性能和加工性 能
循环再利用成为高 分子材料的重要发 展方向，提高资源 利用率
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汇报人：
高分子材料的性能
高分子材料的力学性能主要表现在其弹性、塑性、强度和韧性等方面。
高分子材料的力学性能与分子链的柔顺性和规整性有关，通常分子链刚性越大，强 度越高。 高分子材料的力学性能可以通过改变分子链的结构、交联度、结晶度等因素进行调控。
高分子材料的力学性能在很大程度上决定了其在各种工程领域中的应用范围和价值。
高分子材料的结构与性质
高分子材料的结构与性质高分子材料是一类由重复单元构成的大分子化合物，具有广泛的应用领域。
它们的结构和性质之间存在着密切的关系，对于理解和控制高分子材料的性能具有重要意义。
一、高分子材料的结构高分子材料的结构可以分为线性结构、支化结构和交联结构三种。
线性结构的高分子材料由一条连续的链状分子构成，例如聚乙烯和聚丙烯。
支化结构的高分子材料在主链上存在侧链，这些侧链可以分散主链上的应力，提高材料的柔韧性和耐热性，例如聚四氟乙烯。
交联结构的高分子材料中，分子之间通过共价键或物理交联形成三维网络结构，这种结构使材料具有较高的强度和刚性，例如硅橡胶。
除了结构的不同，高分子材料的分子量也会对其性质产生影响。
高分子材料的分子量一般用聚合度来表示，聚合度越高，分子量越大，相应的材料性能也会有所提高。
高分子材料的分子量可以通过聚合反应的条件和聚合物化学方法进行调控。
二、高分子材料的性质高分子材料的性质主要包括力学性能、热学性能、电学性能和光学性能等。
其中，力学性能是高分子材料最基本的性质之一。
高分子材料的力学性能包括强度、韧性和刚度等指标。
强度是指材料抵抗外部应力的能力，韧性是指材料在受到外力作用时发生塑性变形的能力，刚度是指材料抵抗变形的能力。
不同的高分子材料在力学性能上存在差异，这与其结构和分子量有关。
热学性能是指高分子材料在不同温度下的性能表现。
高分子材料的热学性能主要包括熔点、玻璃化转变温度和热膨胀系数等。
熔点是指高分子材料从固态转变为液态的温度，玻璃化转变温度是指高分子材料从玻璃态转变为橡胶态的温度。
热膨胀系数是指高分子材料在温度变化时的膨胀程度。
热学性能的差异也与高分子材料的结构和分子量有关。
电学性能是指高分子材料在电场作用下的性能表现。
高分子材料的电学性能主要包括导电性、介电常数和介电损耗等。
导电性是指高分子材料导电的能力，介电常数是指高分子材料在电场中储存电能的能力，介电损耗是指高分子材料在电场中损耗电能的能力。
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3、链节和聚合度 ❖ 大分子链由许许多多结构相同的基本单元重复连接构成，组成大分子链
的这种基本结构单元称作链节。例如，聚乙烯大分子链的结构式为，
❖ 可以简写为，
。它是由许多-CH2-CH2-结构单元重复连接
构成的，这个结构单元就叫做聚乙烯的链节。
❖ 链节的结构和成分代表高分子化合物的结构和成分，是合成高分子化合 物的各单体结构的特定连接体。
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❖ 缩聚反应是指一种或者几种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出 （缩去）某种低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应。
缩聚反应生成物与单体不同，反应也较复杂。如图16-5，二甲基对苯二甲酸和 乙二醇的缩聚反应中， 乙二醇单体末端的氢原 子和二甲基对苯二甲酸 中的甲氧基（OCH3)原 子团结合成甲醇 （CH3OH)被“缩”掉， 而两个单体聚合成为一 个更大原子的对苯 二甲酸乙二醇聚酯。
量有不同的统计方法，因而具有各种不同的表述方式：
重量平均摩尔质量：
式中，Mi是高聚物每个链
节尺寸范围内的平均摩尔重量，fi是相应链节范围高聚物的重量分数。
数量平均摩尔质量：
式中，xi是每个链节尺寸
范围占整个链节的数量分数。
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二、高聚物材料分类 可以从不同的角度对高聚物
材料进行分类，主要有以下几种： 1、按照分子链结构形态分类 可分为线形高聚物和支链高
聚物，如图16-1所示。 线形高聚物是由像缠绕的粉
丝一样的分子链组成。而在支链 高聚物中，既有主分子链，还有 由主分子链衍生的较小的次分 子链。
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2、按高聚物的性能和用途进行分类 根据高聚物所形成材料的性能和用途，常将高聚物分为塑料、橡胶、纤维三大
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2、单体 高分子化合物是由低分子化合物通过聚合反应获得。
❖ 组成高分子化合物的低分子 化合物称作单体。所以我们经 常说，高分子化合物是由单体 合成的，单体是高分子化合物 的合成原料。如图16-2，聚乙 烯是由乙烯（CH2＝CH2）单 体聚合而成的。 ❖ 高分子化合物的相对分子质 量很大，主要呈长链形，因此 常称作大分子链或者分子链。 大分子链极长，可达几百纳米以上，而截面一般小于1nm。
如锦纶（尼龙-6）、涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）。
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3、按高链结构的组成元素分类 根据高链结构组成元素，将聚合物分为碳链、杂链和元素有机三类。 大分子链根据组成元素不同可分为三类：碳链大分子、杂链大分子和
元素链大分子。 ❖ 碳链大分子的主链全部由碳原子以共价键相连接，即-C-C-C-，如聚乙
热固性塑料加热成型后，转变为不熔不溶的网状结构，不能进行二次成型加 工，如环氧塑料、酚醛塑料等。
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（2）橡胶：橡胶是具有可逆形变的高弹性聚合物材料，如天然橡胶、丁苯 橡胶等。
橡胶与塑料的区别是室温下弹性模量数值相差几个数量级。如常温下， 弹性模量在（0.2~4）×10*E9Pa的为塑料，在（0.2~8）×10*E5Pa的为 橡胶。 （3）纤维：柔韧而纤细的丝状物，由一类能被高度拉伸的高聚物制成。
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三、高聚物的合成 由低分子单体合成高聚物的反应，称作聚合反应。常用的聚合反应有加
聚合反应，简称加聚反应，以及缩合聚合反应，简称缩聚反应两种。 ❖ 加聚反应是指一种或者几种单体相互加成而连接成聚合物的反应。反应 过程中没有副产品生成，所以生成物和单体具有相同的成分。如图16-4
加聚反应是当前高分子合成工业的基础，约有80%的高分子材料是利用 加聚反应生产的。
烯、聚苯乙烯等。 ❖ 杂链大分子除有碳原子外，还有氧、氮、硫、磷等，他们以共价键相连 接， 即-C-C-O-C-C，-C-C-S-C-Si-C等。如聚甲苯、聚酰胺等。 ❖ 元素链大分子不含碳原子，而是由硅、氧、硼、硫、磷等元素组成，如Si-O-, Si-Si-Si-等。如氟硅橡胶。
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不一，即相对分子质量不等。可以说，高聚物是相对分子量不等的同系物
的混合物，这种相对质量的不均一性，称为相对分子质量的分散性。这是
高聚物和低分子化合物不同的一大特点。
❖ 由于高聚物相对分子质量的多分散性，其相对分子质量只是一平均值，
直观的表示方法是相对分子质量分布函数。
❖ 但大多数情况下，还是直接测定其平均相对分子质量。平均相对分子质
类，如果加上涂料、粘合剂，则可分为五大类。 （1）塑料：以树脂为主要成分，加入或者不加入添加剂，在加工过程中能流动成 型的材料。 ❖ 按应用情况，塑料分为通用塑料、工程塑料、耐高温塑料和特种塑料等。 ❖ 塑料按其热行为，可分为热塑性塑料和热固性塑料。
热塑性塑料是在特定温度范围内能够反复加热软化和冷却硬化的塑料，一般具 有线型和低支链结构，如聚乙烯、聚丙烯等。
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四、高分子材料的结构 1、大分子链的结构 （1）大分子链的形态
高分子材料的结构及其 性能
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2020年4月9
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一、高聚物的基本概念 1、高聚物和低聚物 ❖ 高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其相对分子质量在5000
以上，有的甚至高达几百万。工程上认为，高聚物作为材料，须具有较 高的强度、塑性和弹性等力学性能。 ❖ 低分子化合物（低聚物）是指相对分子量在500以下。 ❖ 相对分子量介于500~5000之间的化合物，究竟是属于低分子还是高分 子，这主要由他们的物理、机械性能来决定。 ❖ 一般来说，高分子化合物具有较好的弹性、塑性和强度，而低分子化合 物这些性能则较低。
书上表1-12给出了几种高分子化合物的单体和链节。
❖ 链节的结构和成分代表高聚物的结构和成分。高聚物的每个大分子由大 量链节组成，链节的重复次数就叫做聚合度，以n表示,
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4、多分散性和平均相对质量
❖ 高聚物由大量大分子链组成，各个大分子链的链节数不同，分子的长短 、