第二讲-高分子材料结构及其应用总结
高分子材料的结构与性能
防止老化措施
(1)改变高聚物结构
(2)添加防老剂 (3)表面处理
聚酰亚胺层压 板
只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。
高聚物呈玻璃态的
线型非晶态高聚物的温度-变形曲线
最高温度称玻璃化温 度，用Tg表示。用于 这种状态的材料有塑 料和纤维。
2 高弹态：温度高于Tg，分子活动能力增加，受力时
3 粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力
产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。
作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分
子材料的加工
态，大分子链开 始发生粘性流动 的温度称粘流温 度，用Tf表示。
线型非晶态高聚物的温度-变形曲线
（二）其它类型高聚物的力学状态
分为一般分子量和很大分子量两种情况。一般分子
量的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，在 Tm
以下与非晶态的玻璃相似，高于Tm 则进入粘流态。
分子量很大的晶态存高聚物在高弹态。
部分结晶高聚物在非
晶区Tg与晶区T m 间,非
线型晶态高聚物 的温度-变形曲线
晶区柔性好,晶区刚性
好,处于韧性状态,即皮
革态。
四、 高分子材料的性能特点
（一）高分子材料的力学性能特点
1. 低强度和较高的比强度
2. 高弹性和低弹性模量 3. 粘弹性 4. 高耐磨性
聚乙烯分子链
（二）高分子化合物的聚合
1 加聚反应
由一种或多种单体相互加成，或由环状 化合
物开环相互结合成聚合物的反应。
2 缩聚反应由ຫໍສະໝຸດ 种或多种单体互相缩合生成聚合物，同时
第二章_高分子材料的结构与性质
1.高分子链的构象：由于C—C单键内旋转而产生的分子在 空间的不同形态。
2.高分子链的内旋转 内旋转：从有机化学可知，C—C单键是由σ电子组成，电 子云的分布是轴向对称的，因此C—C单键可以绕轴相对自 由旋转，称为内旋转。 由于高分子链是由成千上万个单键所组成，所以由于内 旋转将引起大分子的众多构象。 C—C单键的内旋转是高聚物具有链柔性的原因。
高分子的链结构 －近程结构（一级结构）
ABS树脂（acrylonitrile-butadiene-styrene） 是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，共聚方式 上是无规与接枝共聚相结合。 ● ABS 可以是以丁苯橡胶为主链，将丙烯腈接在支链 上；也可以以丁腈橡胶为主链，将苯乙烯接在支链上； 也可以以苯乙烯—丙烯睛为主链，将丁二烯和丙烯腈 接在支链上。 ● ABS兼有三种组分的特性：丙烯腈有CN基，使聚合 物耐化学腐蚀，提高抗张强度和硬度；丁二烯使聚合 物呈现橡胶态韧性，提高抗冲性能；苯乙烯的高温流 动性好，便于加工成型，而且可以改善制品光洁度。
α-烯烃聚合产物大多为头—尾相接。头—头结构（head-to-head structure）的形 成与聚合温度（polymerization temperature）有关，聚合温度上升，头—头结 构含量增高。
2.双烯类 (CH2=CH-CH=CH2) ：双烯类单体聚合时，情况较复杂。 如丁二烯聚合过程中有1，2-加成、3，4-加成和1，4-加 成之区别。 对于1，2-或3，4-加成，可能有头—尾、头—头、 尾—尾三种键合方式；对于1，4-加成，又有顺式和反式 等各种构型。
1 全同链 和杂链 全同链(isochain)：主链(main chain)由同一种原子组成称为全 同链。 杂链(heterochain)：由不同原子组成的主链称为杂链
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。
高分子化合物的结构与功能性材料
高分子化合物的结构与功能性材料高分子化合物在当今科学和工业领域扮演着重要的角色。
其特殊的化学结构赋予了高分子化合物独特的性质和功能。
这些性质和功能使得高分子化合物成为制备功能性材料的理想选择。
本文将介绍高分子化合物的结构特点以及其在功能性材料方面的应用。
一、高分子化合物的结构特点高分子化合物由长链状或网状的聚合物组成。
其分子量通常非常大，可达到数百到数百万。
高分子化合物是由重复的基本单元通过化学键连接而成，这些基本单元称为单体。
高分子的结构可以被分为线性、支化、交联和网络结构等类型。
线性结构的高分子是由一个个单体按照特定顺序连接而成的。
支化结构的高分子在链上有分支结构，增加了分子的空间体积以及分子间的相互作用力。
交联结构的高分子由可相互连接的链段交联形成，使其具有优良的机械性能和热稳定性。
网络结构的高分子具有三维网络结构，使其拥有良好的强度和刚性。
二、高分子化合物的功能性材料应用1. 高分子复合材料高分子复合材料是将高分子基质与其他材料（如纳米颗粒、纤维增强材料等）进行物理或化学改性而制备而成的材料。
高分子基质作为载体具有良好的可加工性和成型性，而添加的成分则赋予其特定的性能和功能。
例如，将单壁碳纳米管添加到高分子基质中，可以显著提高复合材料的导电性和力学强度。
高分子复合材料在航空航天、汽车工业等领域具有广泛的应用。
2. 高分子薄膜高分子薄膜是一种非常薄的高分子薄片，其厚度通常在纳米到微米级别。
高分子薄膜可用于制备光学、电子和生物传感器等高性能装置。
通过控制高分子的结构和制备工艺，可以调节薄膜的光学、电学等性质。
例如，聚苯乙烯薄膜具有良好的透明性和电绝缘性能，在显示器件和太阳能电池中得到广泛应用。
3. 高分子生物材料高分子化合物可以被用于制备生物材料，用于仿生组织工程、药物缓释、假肢等领域。
将高分子材料与细胞或生物体相容性良好的支架结构相结合，可以实现组织修复和再生。
例如，聚丙烯酸与羟基磷灰石复合材料可用于骨组织修复，其多孔结构和生物活性促进了新骨组织的生长。
高分子材料的结构-2
第七章高分子第2讲高分子材料的结构2（5）共聚物的连接方式均聚物——由一种单体合成的高聚物共聚物——由两种或两种以上单体合成的高聚物以两种单体单元形成的共聚物为例，连接方式可分为无规共聚交替共聚嵌段共聚接枝共聚A、B两种单体的无规共聚物结构中，还存在序列问题无规共聚相邻两单元的键接可能有（A A），（A B），（BB）三种方式相邻三单元的键接可能有（A A A），（B B B），（A AB），（ABB），（A B A ），（B A B）六种方式不同的共聚物结构，对材料性能的影响各不相同。
在无规共聚的分子链中，两种单体无规则地排列，既改变了结构单元的相互作用，也改变了分子间的相互作用，因此无论溶液性质、结晶性质、力学性能方面，都与均聚物有很大差别例如：聚乙烯和聚丙烯均为塑料，而含丙烯较多的乙烯-丙烯无规共聚的产物则为橡胶3. 高分子链的构象（1）高分子链的构象由于单键内旋转而产生的，分子在空间的不同形态称为构象在保持键角和键长不变的情况下，每个单键可绕邻近单键作旋转运动，即内旋转由于热运动，分子的构象在时刻改变着，因此高分子链的构象是统计性的 根据统计规律可知，分子链呈伸直构象的几率极小，呈蜷曲构象的几率较大（2）高分子链的柔性柔性—高分子链能够改变其构象的性质称为柔性由于高分子链的高频率单键内旋转使高分子链很容易蜷曲成线团状，在拉应力作用下，可将其伸展拉直，外力去除后又缩回到原来的蜷曲状态分子链的柔性是高分子材料不同于小分子物质，具有一系列宏观特性的根本原因三、高分子的凝聚态结构高分子的凝聚态结构指高分子链之间的排列和堆砌方式1. 非晶态聚合物的结构模型无规线团模型折叠链缨状胶束粒子模型无规线团模型目前已被大多数高分子科学家所接受，但是同时又不排除线团内部小的区域，例如1~2nm范围存在几个链单元的局部平行排列的可能橡胶的弹性理论完全是建立在无规线团模型的基础上2. 非晶态聚合物的力学状态非晶态聚合物的温度变形曲线应力恒定根据试样的力学性质随温度变化的特征可以把非晶态聚合物按温度区域不同，分为三种力学状态玻璃态高弹态粘流态应力恒定感光 玻璃化转变温度（玻璃化温度T g）玻璃态与高弹态之间的转变称为玻璃化转变，对应的转变温度为玻璃化转变温度粘流温度(T f)高弹态与粘流态之间的转变温度称为粘流温度非晶聚合物随温度变化出现三种力学状态，这是内部分子处于不同运动状态的宏观表现玻璃态在玻璃态下，由于温度较低，分子运动的能量很低，不足以克服分子链内旋转的位垒，因此不足以激发其链段的运动，链段处于被冻结状态。
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。
高分子材料应用
高分子材料应用高分子材料是一类具有高分子量、由许多重复单元组成的材料，常见的有塑料、橡胶和纤维等。
由于其独特的化学结构和物理性质，高分子材料在各个领域都有着广泛的应用。
本文将就高分子材料在各个领域的应用进行介绍。
首先，高分子材料在包装领域有着重要的应用。
塑料袋、塑料瓶、泡沫箱等包装材料都是由高分子材料制成的。
高分子材料具有轻质、耐用、易加工等特点，使得它在包装领域得到广泛应用。
同时，高分子材料还可以通过改性来提高其防水、防潮、防氧化等性能，使得包装材料更加符合实际需求。
其次，高分子材料在建筑领域也有着重要的应用。
例如，聚氯乙烯（PVC）管道、聚苯乙烯（EPS）保温材料等都是建筑领域常见的高分子材料产品。
高分子材料的优良性能，如耐腐蚀、耐磨损、隔热隔音等，使得它在建筑材料中得到广泛应用，为建筑领域的发展提供了重要支持。
此外，高分子材料在医疗领域也有着重要的应用。
例如，医用塑料器械、医用弹性材料等都是由高分子材料制成的。
高分子材料具有生物相容性好、可塑性强、无毒无害等特点，使得它在医疗领域得到广泛应用，为医疗器械的发展和医疗条件的改善做出了重要贡献。
最后，高分子材料在电子领域也有着重要的应用。
例如，高分子导电材料、高分子绝缘材料等都是电子领域常见的高分子材料产品。
高分子材料具有良好的绝缘性能、导电性能、耐高温性能等，使得它在电子领域得到广泛应用，为电子产品的发展和电子技术的进步提供了重要支持。
综上所述，高分子材料在包装、建筑、医疗、电子等领域都有着广泛的应用。
随着科技的不断进步和人们对材料性能要求的提高，相信高分子材料在未来会有更加广阔的应用前景。
第二讲-高分子材料结构及其应用
结构形成：
物质的分子结构是指在平衡态下分子中各原于的 几何排列，是单个分子的结构在分子中的原子之间存 在两种相反的作用力：吸引力和排斥力。在键合原子 之间存在各种键合力：共价键、配位键、氢键及离子 键等等；非键合原子和基因之间存在范德华引力，但 当非键合原子和基团之间的距离非常小时，它们之间 将产生排斥力。原子间的吸引力和排斥力的大小随原 子间的距离而改变，当分子中原子间的吸引力和排斥 力处于相等的状态，即达到平衡态，此时分子中原子 的几何排列就是其确定的分子结构。
高分子液晶态属高分子亚稳态一种，高分子从各向同 性态（Ti以上）及从液晶态（Tm与Ti间）分别冷却结 晶，其经历过程、机理、以及晶态结构应有所不同。 应该指出，对于许多液晶高分子确认困难。
目前大量事实已证明，从不同始态结晶得到的晶态I和晶态-11，在聚集态结构方面常常存在明显不同.
高分子链在晶区中如何堆砌（packing），什么是高聚物结 晶结构的正确物理图像，许久以来一直是高分子科学工作 者十分关注、又存在异议的问题，经过人们40多年的研究 探索和争论，从 20 世纪 30 年代提出的 缨状胶束 模型、 50 年代末规则折叠及60年代初非规则折叠模型、至70年代 末凝固模型以及80年代初结晶-非晶中间层等。这些有 代表性模型的提出，人们对晶态高聚物的结构物理图像已 越来越清晰了，但同时人们也领悟到高聚物结晶结构的复 杂性。 多年来，无论经典缨状胶束模型还是折叠链模型，均把高 聚物看成是由晶相和非晶相“两相”组成，但近十几年来理 论及实验已经充分证明，在结晶高聚物晶区与非晶区之间 存在一个过渡区即中间层，称为结晶-非晶中间层（亦称为 过渡区）。
第一节 构 造 1.1.1 高分子单体、单体单元和键接结构
聚合物分子式表示的高分子上单体单元（链节）的数目 N叫做聚合度。 通常对于由N值较小的分子组成的物质叫做齐聚物。
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结构形成：
物质的分子结构是指在平衡态下分子中各原于的 几何排列，是单个分子的结构在分子中的原子之间存 在两种相反的作用力：吸引力和排斥力。在键合原子 之间存在各种键合力：共价键、配位键、氢键及离子 键等等；非键合原子和基因之间存在范德华引力，但 当非键合原子和基团之间的距离非常小时，它们之间 将产生排斥力。原子间的吸引力和排斥力的大小随原 子间的距离而改变，当分子中原子间的吸引力和排斥 力处于相等的状态，即达到平衡态，此时分子中原子 的几何排象
“构象”是有机化学的名词，表示在单键周围的原子和原子基团 的旋转产生的空间排列。在大分子科学中，这样的构象叫做微 构象或局部构象。高聚物分子具有沿着主链的微构象序列，从 而导致宏构象或分子构象（molecular conformation） （IUPAC）。 1.3.1 微构象和宏构象 微构象（microconformation）又称高分子主链键构象，即 是高分子主链中一个键的构象。它是由分子的构造和构型决 定的，同时在链中采取哪些种类的微构象还依赖于温度和高 聚物分子同分子周围环境的相互作用。因此，高分子链在溶 液、熔融和结晶态中的宏构象（macrocoformation）可以不 一样，即高分子链的形状不同。
链中无规则排列。 A+B+B+A+B+A+A+A+B……..
交替共聚物（alternating copolymer）:来自单体 A的
单体单元 “a”和来自单体B的单体单元“b”在共聚物分子 中交替分布，它本身是周期共聚物的一种特殊情况。 A+B+A+B+A+B+A+B………
1． 1． 4
一、二和三维大分子
第二章 晶态高聚物结构
70年前，高聚物科学工作者已利用X射线衍射测得高聚物晶 胞尺寸在1－2μm左右，但当时因很多受“胶体缔合论”束缚的 科学家认为所谓大分子尺寸不会大于X射线测定的晶胞尺寸， 由 H. Standinger提出的链长可达几百纳米的大分子概念遭到 了强烈反对，Standinger坚持自己发现大分子的科学真理，表 现了高度勇气，开拓了一个崭新的研究领域由于他卓著的贡献， 1953年，他的“链状高分子化合物的研究”被授予诺贝尔奖。 产生上述反科学真理的主要原因，是人们当时对高分子结晶 的特点还不了解，下面先简述高分子结晶的特点。
最简单的大分子是由一种构造重复单元以单一序 列一维连接而成的线性在全乙如 PE、聚 a-烯烃等。
1.1．5 支化和交联高分子
通常条件下合成的高分子多为线性长链状高分子。但是， 如果在加聚过程中存在自由基的链转移反应或双烯类单体 中第二双键的活化，或在缩聚过程中存在三个或三个以上 官能度的单体，皆可生成支化和交联的高分子。 支化高分子含有连接三个以上子链的支化点，这些子链 可以是侧链或是主链的一部分。 按照支链长度的不同可将支化高分子分为短链支化和长 链支化。从主链上分出的齐聚物分支称做短链支化，高分 子的分支叫做长链支化。
第二节 构 型
1．2．1 高分子异构体 如前所述，构型指的是通过化学键固定的分子中原子的 空间排列，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。按 照这一基本定义，由同样数目的相应原子以不同的排列方 式组成的分子同分异构体是分子链构型范畴的问题。同分 异构体分为两种：一种是具有同样组成的分子的原于彼此 以不同的序列连接的称为构造同分异构体，简称构造异构 体。 显然，这两种聚 合物分子的单体 单元具有相同的 化学组成，不同 的键接序列，它 们属构造异构体。
名词解释：大分子和高分子
大分子（ macromolecule）：是由大量原子组成的，具有相对 高的分子质量或分子重量，可溶性的合成大分子的分子量从几 百至几百万或上千万；而某些生物大分子的分子量甚至达几亿。 大分子对结构没有什么特指，例如酶分子是大分子，是由至多 20 个不同的取代基 R 以非重复序列排列的几百或几千个α-- 氨 基酸单元组成的。 聚合物分子（polymer molecule）：也叫高聚物分子，通常 简称为高分子。就字面上它是一个由许多（poly）部分（mer） 组成的分子，然而它的确包含多重重复之意。 由上定义可知，一个聚合物分子总是一个大分子，但是一个 大分子不一定是聚合物分子。
如果不同长度的侧链沿着（假想的）主链和沿着侧链是无 规分布的，属无规支化高分子，由于它们类似于树木，故 也叫树状高分子（tree polymer）。
树枝链是一类新的超支化分子，高度支化的结构使得它们的物 理化学性质有时与线性分子大相径庭，比如其溶液的黏度随分 子量增加出现极大许多不寻常的性质使其无论在有机合成上， 还是在药物科学方面都有许多潜在的用途。
高分子形态
通常将高分子结构分为链结构和聚集（或凝聚）态 结构两部分，链结构是指单个分子的结构，也是高 分子的化学结构，具体又分为近程结构和远程结构， 近 程 结 构 包 括 构 造 （ constitution） 与 构 型 （configuration）。一个分子的构造是指分子中原于 和键的序列而不考虑其空间排列；而构型则是指分 子中通过化学键所固定的原子的空间排列。要改变 分子的构造和构型必须经过化学键的断裂和重组。 聚集态结构是指高分子链凝聚在一起形成的高分子 材料整体的内部结构。
高分子形态： 高分子是很长的链状分子，是由相当大数目 （约103～105数量级）的单体单元经键合而成 的，其中每一个单体单元相当于一个小分子， 故高分子链间有很强的作用力（范德华力、 氢键力、静电力和疏水力等等），而且，一 般高分子主链都有一定的内旋转自由度，这 些特点导致高分子结构的复杂性和多样性。
第一节 构 造 1.1.1 高分子单体、单体单元和键接结构
聚合物分子式表示的高分子上单体单元（链节）的数目 N叫做聚合度。 通常对于由N值较小的分子组成的物质叫做齐聚物。
1．1．2 基于过程的高分子
从一种单体经聚合而得到的聚合物称为“均聚物” 从两种或两种以上单体合成的聚合物称为“共聚物”
无规共聚物（random copolymer）：单体单元在分子