聚合物形态结构性能第七章
聚合物共混物
第七章 7.2 聚合物共混物的相容性
7.2.1基本概念 相容性是聚合物共混体系的最重要特性。共混过程实施的难易、共混物的形态与性能，都与共混组分之间的相容性 密切相关。聚合物的共混物的相容性（compatibility）起源于乳液体系各组分相容的概念，是指共混物各组分彼此相互 容纳、形成宏观均匀材料的能力。不同聚合物对之间相互容纳的能力，有着很大差别。聚合物之间的互溶性 （miscibility）亦称混溶性，与低分子物中溶解度（solubility）相对应，是指聚合物之间热力学上的相互溶解性。热力 学混溶性是指在任意比例时都能形成均相体系的能力。早期的共混理论研究发现，可以满足热力学相容的聚合物配对， 实际上相当少。此后，研究者不再局限于热力学相容体系，研究内容包括相分离行为和部分相容两相体系的相界面特性
第七章 7.3 聚合物共混物的形态结构
7.3 聚合物共混物的形态结构 聚合物共混物的形态结构也是决定其性能的最基本的因素之一。聚合物共混物的形态结构受一系列因素的影响，可 归纳成以下三种类型。 1. 热力学因素 2. 动力学因素 3. 流动场诱发的形态结构
第七章 7.3 聚合物共混物的形态结构
7.3.1 形态结构的基本类型 由两种聚合物构成的两相聚合物共混物，按照相的连续性可分成三种基本类型：单相连续结构，即一个相是连续的 而另一个相是分散的；两相互锁或交错结构；相互贯穿的两相连续结构。两组分聚合物形成的相结构，所涉及的基本原 则同样适用于多组分体系。 7.3.1.1 单相连续结构 7.3.1.2 两相互锁或交错结构 7.3.1.3 两相连续结构 7.3.1.4 结晶聚合物
第七章 7.3 聚合物共混物的形态结构
7.3.3 相容性对形态结构和性能的影响 在许多情况下，热力学互溶性是聚合物之间均匀混合的主要推动力。两种聚合物的互溶性越好就越容易相互扩散而 达到均匀的混合，过渡区也就宽广。相界面越模糊，相畴越小，两相之间的结合力也越大。有两种极端情况，其一是两 种聚合物完全不互溶，两种聚合物链段间相互扩散的倾向极小，相界面很明显，其结果是混容性较差，相之间结合力很 弱，共混物性能不好。为改进共混物的性能需采取适当的工艺措施，例如采取共聚－共混的方法或加入适当的增容剂。 第二种极端情况是两种聚合物完全互溶或互溶性极好，这时两种聚合物可完全相互溶解而成为均相体系或相畴极小的微 分散体系。这两种极端情况都不利于共混改性的目的（尤其指力学性能改性）。一般而言，我们所需要的是两种聚合物 有适中的互溶性，从而制得相畴大小适宜、相之间结合力较强的复相结构的共混产物。
高分子物理——聚合物的屈服与断裂
一、玻璃态高聚物的拉伸
（1）屈服点
应力达到一个极大值，屈服应力 （2）断裂方式(材料破坏有二种方式)
脆性断裂：屈服点之前发生的断裂
断裂表面光滑
不出现屈服
韧性断裂：在材料屈服之后的断裂(明显屈
服点和颈缩现象)
北京理工大学
断裂表面粗糙
（3）应变软化和应变硬化
应变软化：在拉伸过程中，应力随应变的增 大而下降
PVC在室温、图中表明的应变速率下测得的应力-应变曲线
随着拉伸速度提高，聚合物的模量增加，屈 服应力、断裂强度增加，断裂伸长率减少
• 柔性很大的链在冷却成玻璃态时，分子 之间堆砌得很紧密，在玻璃态时链段运 动很困难，要使链段运动需要很大的外 力，甚至超过材料的强度，刚性大，冷 却时堆砌松散，分子间相互作用力小， 链段活动余地较大，这种高聚物在玻璃 态时具有强迫高弹而不脆，脆点低， Tb,Tg间隔大，另外如果刚性太大，链段 不能运动，也不出现高弹形变。
0 exp(
RT )
对于某一种高聚物存在一个特征温度（Tb），只 要温度低于Tb，玻璃态高聚物就不能发展强迫高 弹形变。玻璃态高聚物只有处在Tb到Tg的温度范 围内，才能在外力作用下实现强迫高弹形变。
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外力 E a 拉伸速率 0 exp( ) 结构 RT 柔性高分子链：在玻璃态时呈现脆性。Tb≈Tg 刚性高分子链：较刚性：易出现受（强）迫 高弹性，脆点较低，Tb与Tg间隔较大。 高刚性：链段运动更加困难，Tb与Tg也很接 近。 分子量 分子量较小时，在玻璃态堆砌较紧密，呈现 脆性，Tb~Tg较接近。 当分子量增加到一定程度以后，Tb与Tg差距拉 大，直到达到临界值 北京理工大学
（B）受（强）迫高弹形变:材料在屈服后出现了
聚合物的结构与性能知识讲解
聚合物的结构与性能
（2）球晶
聚合物结晶最常见的结晶形态，是一种圆球状的晶体，尺 寸较大，一般是由结晶性聚合物从浓溶液中析出或由熔体冷却 时形成的。球晶在正交偏光显微镜下可观察到其特有的黑十字 消光或带同心圆的黑十字消光图象。
6.2 高分子的聚集态结构
高分子的聚集态结构也称三级结构，或超分子结构， 它是指聚合物内分子链的排列与堆砌结构。
聚合物的结构与性能
虽然高分子的链结构对高分子材料有显著影响，但由 于聚合物是有许多高分子链聚集而成，有时即使相同链结 构的同一种聚合物，在不同加工成型条件下，也会产生不 同的聚集态，所得制品的性能也会截然不同，因此聚合物 的聚集态结构对聚合物材料性能的影响比高分子链结构更 直接、更重要。
差；如：
C2 H CH H
C2 HCH C3 H
C2 H CH
柔 顺 性 ： 聚 乙 烯 > 聚 丙 烯
> 聚 苯 乙 烯
聚合物的结构与性能
对称性侧基，可使分子链间的距离增大，相互作用减弱， 柔顺性大。侧基对称性越高，分子链柔顺性越好。如：
CH2 CH CH3
CH3 CH2C
CH3
柔顺性： 聚丙烯 < 聚异丁烯
（1）主链结构 当主链中含C-O，C-N，Si-O键时，柔顺性好。 这是因为O、N原子周围的原子比C原子少 ，内旋转的
位阻小；而Si-O-Si的键角也大于C-C-C键，因而其内旋转 位阻更小，即使在低温下也具有良好的柔顺性。 如：
聚合物的结构与性能
O COC
聚 酯
OH CNC
聚 酰 胺
高聚物合成工艺-第七章 溶液聚合
介质pH值
pH<4，NaSCN易分解，生成的硫化物有阻聚和链转 移作用，pH＞7，CN水解，生成NH3，又会与聚 丙烯腈作用生成共轭双键并形成脒基而显黄色，故 控制pH值在4.8～5.2。
引发剂和分子量调节剂
常用偶氮二异丁腈，分子量调节剂异丙醇，用量为 0.2%～0.8%和0～3％。
浅色剂二氧化硫脲
7.5.2 聚丙烯腈结构、性能和应用
• 白色粉末，密度1.14g/cm3,大分子链中丙烯腈以头 －尾相连。由于主链强极性侧基－CN的相互作用， 分子呈无规结构，不易结晶，一般认为有三种不同 的聚集区域，非晶的低序区、非晶的中序区和准晶 的高序区。
• 聚丙烯腈具有独特物理和化学结构，呈某些特性。 热弹性
聚合时间与温度
聚合时间的长短会影响聚合转化率，聚合物 的分子量及其分布。聚合温度的影响也极大。 温度低，引发速度慢，温度高，则产物的颜色 太深。同时温度的高低还会影响转化率和分子 量。通常聚合时间为1～2小时，聚合温度控 制在35～55℃。
添加剂及杂质
加入少量表面活性剂，可提高聚合反应的初速度。 “NaClO3－Na2SO3”体系聚合时，加入Fe2＋可 加速聚合。氧等杂质起到阻聚作用。
= Xn0
+ CS [M]
7.2.3 溶剂对聚合物分子结构、形态的影响
• 在无溶剂存在的自由基聚合反应中，随单体转化 率增高和聚合物浓度的增大，自由基向已生成的 大分子链进行链转移的几率增多，因此产生支链 结构。在溶剂存在的反应体系中，可降低向大分 子进行链转移的机会，从而减少大分子的支链， 降低支化度。
二氧化硫脲的加入量为0.5～1.2％，可改善聚合物色 泽。
7.5.1.3 聚丙烯腈水相沉淀溶液聚合工艺
• 水相沉淀的特点及工艺流程
华理--高分子物理课后习题答案--高分子科学教程(第二版)--韩哲文
高分子科学教程(第二版)—高分子物理部分第7章 聚合物的结构 P2371.试述聚合物的结构特点2.简述聚合物的结构层次答：高分子结构的内容可分为链结构与聚集态结构两个组成部分。
链结构又分为近程结构和远程结构。
近程结构包括构造与构型，构造是指链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、单体单元的排列顺序、支链的类型和长度等。
构型是指某一原子的取代基在空间的排列。
近程结构属于化学结构，又称一级结构。
远程结构包括分子的大小与形态、链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。
远程结构又称二级结构。
聚集态结构是指高分子材料整体的内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构以及织态结构。
前四者是描述高分子聚集体中的分子之间是如何堆砌的，又称三级结构。
织态结构则属于更高级的结构。
3．写出聚异戊二稀的各种可能的构型和名称（只考虑头－尾键接方式）。
解：（1）1，2－聚合：全同立构1，2－聚异戊二稀；间同立构1，2－聚异戊二稀；无规立构1，2－聚异戊二稀。
（2）3，4－聚合：全同（间同，无规）立构－聚3，4－聚异戊二稀。
（3）1，4聚合：顺式（反式）1，4－聚异戊二稀。
注意：一般来说，顺式、反式聚合都是在特定的催化剂下进行的，当催化剂一定时，产物结构就一定，所以不存在无规的几何异构体。
4．已知聚乙烯试样的聚合度为4105⨯，C-C 键长为0.154nm ，键角为109.5︒，试求：（1）若把聚乙烯看作自由旋转链时的聚乙烯试样的均方末端距；（2）若聚乙烯的末端距符合高斯分布时聚乙烯试样的平均末端距和最可几末端距。
解：54101052=⨯⨯=n ；nm l 154.0=； 5.109=θ（1）22522222.4743)154.0(10225.109cos 15.109cos 1cos 1cos 1nm nl nl nl r =⨯⨯==+-⋅=+-⋅=θθ （2）由于聚乙烯的末端距符合高斯分布，因此它应该是自由结合链)(87.44154.014159.33108385nm l n r =⨯⨯⨯=⋅=π)(76.39154.03102325nm l n r =⨯⨯=⋅=*注意：末端距复合高斯分布的链为高斯链，自由结合链和等效自由结合链都是高斯链。
聚合物中的分子结构与性能
聚合物中的分子结构与性能聚合物是一种由大量相同或类似分子（称为“单体”）通过共价化学键连接而成的高分子化合物。
聚合物的性质取决于分子结构，因此分子结构对聚合物的性能有着非常重要的影响。
本文将介绍聚合物中的分子结构与性能之间的关系。
一、线性聚合物与支化聚合物聚合物可以根据分子结构的形态分为线性聚合物和支化聚合物。
线性聚合物的分子链是直线型的，通常具有规则、连续的结构，例如聚丙烯和聚乙烯。
支化聚合物的分子链上会有分支或侧链，这些分支可以与主链结合，使分子形状多样化。
支化聚合物通常比线性聚合物更容易形成有序晶体结构，因此在物理性能、热稳定性和耐化学腐蚀性方面具有优势。
例如，聚乙烯可支化使其具有更高的耐热性和耐化学腐蚀性能。
二、分子量分布对聚合物性能的影响聚合物的分子量也会直接影响其性能。
分子量分布对聚合物的分子结构和性能有着直接的影响。
聚合物可分为单分散聚合物和多分散聚合物。
单分散聚合物的分子量分布非常狭窄。
由于它们的分子量比较统一，因此它们的物理性质、力学性能和加工工艺都非常稳定和可预测。
多分散聚合物的分子量分布范围较广。
由于它们的分子量和分子结构不均匀，使其在加工和使用方面有一定的不确定性。
因此，控制聚合物分子量分布是制备高品质聚合物的重要环节之一。
三、共聚物结构与性能共聚物是同时使用两种或两种以上不同单体制成的高分子化合物。
共聚物的分子结构和性能取决于各单体之间的相互作用。
共聚物可以分为随机共聚物、交替共聚物和嵌段共聚物。
随机共聚物是指不同单体按随机顺序聚合而成的高分子化合物。
交替共聚物是交替聚合两种或多种不同单体而成的高分子化合物。
嵌段共聚物是指在高分子链中不同单体按均匀方式排列并形成相同长度的片段。
共聚物具有比单一组分聚合物更多样化的化学和物理性能，可以通过合理选择单体组合，来调节其性能。
例如，丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯可以聚合成随机共聚物，由于甲基侧链比乙基侧链更大，制得的共聚物可以具有更高的玻璃化转变温度和更好的玻璃稳定性。
聚 合 物 的 结 构 与 性 能
共聚物结构中的序列问题
为描述共聚物的序列结构，常用的参数有各单体单 元的平均序列长度和嵌段数R。例如下面共聚物分 子： A B AA BBB A BB AA BBBB AAA B 其中A单体9个，A序列为5段，B单体11个，B序列 为5段（短划表示序列）。 嵌段R的含义是指在100个单体单元中出现的各种嵌 段的总和。R与平均序列长度的关系是： —— —— R 200/( LA n LB n) 上例中R=50；当R为100时，表明是交替共聚；对 于嵌段共聚物，当分子无限长时，R的极限为0；无 规共聚物的R介于这两者之间。因此——R愈大愈富 有交替性，R愈小愈富有嵌段性。
这种由结构单元间的联结方式不同所产生的异构体称为 顺序异构体。
实验证明，在自由基或离子型聚合的产物中，大多数是 头——尾键接的。
支化与交联
线形高聚物可以在适当溶剂中溶解，加热可以熔 融，易于加工成型； 支化对物理机械性能的影响有时相当显著： 支化程度越高，支链结构越复杂，影响高分子材 料的使用性能越大；支化点密度或两相临支化点 之间的链的平均分子量来表示支化的程度，称为 支化度。 高分子链之间通过支链联结成一个三维空间网型 大分子时即成为交联结构。所谓交联度，通常用 相邻两个交联点之间的链的平均分子量 来表示。 _ 交联度越大， 越小。 Mc
第 四 章
聚合物的结构
聚 合 物 的 结 构 与 性 能
聚合物是由许多单个的高分子链聚集而成，因而其结构有 两方面的含义：（1）单个高分子链的结构；（2）许多高分子 链聚在一起表现出来的聚集态结构。可分为以下几个层次： 聚 合 物 的 结 构 一级结构 近程结构 二级结构 远程结构 结构单元的化学组成、连接顺序、 立体构型，以及支化、交联等 高分子链的形态（构象）以及 高分子的大小（分子量）
聚合物的结构与性能
对应用做材料的高分子来说，关心的不是具体构型(左旋 或右旋)，而是构型在分子链中的异同，即全同(等规)、间 同或无规。
聚合物的结构与性能
Isotactic 全同立构
Syndiotactic 间同立构
Atactic 无规立构
结构规整 较规整 不规整
等规度(tacticity): 全同或间同立构单元所占的百分数
非反应性：－CH3、－OCH3， 如聚甲醛受热降解从端羟基开始，必须进行酯化或醚化以封端。
HO-CH2-O-CH2-O-CH2 CH3O-CH2-O-CH2-O-CH2
-O-CH2-O-CH2-OH 酯化
-O-CH2-O-CH2-OCH3
聚合物的结构与性能
反应性：－OH、－COOH、－NH2， 可进一步反应合成复杂结构
聚合物的结构与性能
一、（单根）高分子链的结构
高分子链结构的特点
●既简单又复杂； ●长而柔； ●分子量大而不均匀
聚合物的结构与性能
1.一级结构
1）.化学组成
结构术语
主链
支链
聚合物的结构与性能
端基
侧基
➢ 主链
(A) 碳链高分子
主链全部由碳原子组成
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
聚乙烯
聚合物的结构与性能
有机氟高分子的化学特性：
最好的化学稳定性： 高抗紫外线性、高耐候性、高耐化学性、高耐老化性 特异的表面性能—表面能最低： 拒水性好、拒油性好、耐沾污性好 理想的生物稳定性和生物相容性： 优异的光学性能： 可有低折射率、高透明性 优异的电学性能：
低介电常数、高绝缘性 有机氟高分子材料被誉为“有机材料之王”。
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交联过度
高聚物热降解的研究有三个意义：
1）通过热降解的研究来了解各种高聚物的热 稳定性，从而确定其成型加工及使用温度范 围，同时采取一定措施改善其热性能；
2）高聚物的热降解可用来回收废塑料制品， 例如通过PMMA的热降解回收单体MMA具有 很大的经济价值；
3）利用热降解的碎片分析高聚物的化学结构。
不同结晶度x的PET 的导热系数温度依赖性
K-x的关系有两个截然相反的趋势 高温时，K随x↑而↑ 在T＜10K时，K随x↑而↓
3）取向
拉伸取向对非晶态高聚物的K影响不大
结晶高聚物K在低温时受拉伸取向的影响 不大，但在高温时却影响较大，在30K以 上的温度，呈现强烈的各向异性。
本章总结
1）温度 T↑→导热系数↑
对非晶高聚物 —0.5K的低温 5~15K 更高的温度 T＞60K
半晶高聚物
0.1~20K 温度升高直至它们的Tg 高度结晶的高聚物 K在100K附近达一峰值，然后随T升高而
缓慢下降。
2）结晶度 K随结晶度变化而变化 一般说来，结晶高聚物的K比非晶高聚物大
对于结晶性高聚物，如进一步增加主链 的对称因素，使分子的排列更为紧密， 还能进一步提高高聚物的Tm。
3）进行交联
具有交联结构的热固性塑料，一般都具 有较好的耐热性。
适用于塑料，而不适用于橡胶。
二 高聚物的热分解 降解—指高分子主链的断裂，导致分子
量下降，使材料的物理力学性能变坏
交联—使高分子链间生成化学键而引起 分子量的增加。
第七章 高聚物的热性能
7.1 高聚物的热稳定性和耐高温的高聚物 材料
高聚物在受热过程中将产生两类变化： （1）物理变化 （2）化学变化 Tg，Tm，Td
温度-时间-环境-性能
提高高聚物的耐热性和热稳定性，目前 主要从以下两个方面着手：
(1)从高聚物结构对其分子运动影响的观点出发， 探讨提高玻璃化温度或熔融温度的有效途径以 达到提高高聚物的耐热性
C-F键，则可大大提高高聚物的热稳定性
2）在高分子主链中避免一长串接连的亚 甲基（CH2）n，并尽量引入较大比例的 环状结构(包括芳环和杂环)，可增加高聚 物的热稳定性。
聚酰亚胺、尼龙66及聚甲醛的相对热稳定性
3）合成“梯形”、“螺形”和“片状” 结构的高聚物．所谓梯形结构和螺形结 构是指高分子的主链不是一条单链，而 是像“梯子”或“双股螺线”。
片状结构
石墨模型
单链高聚物→分段梯形→梯形→片状高 聚物
通常合成分段梯形或梯形的高聚物
7.2 高聚物的热膨胀
热膨胀是由温度变化而引起材料尺寸和 外形的变化。
材料受热时一般都会膨胀，热膨胀可以 是线膨胀、面膨胀和体膨胀。
γ－表征原子振动频率和材料体积关系的Gruneisen常数 Kt－等温压缩系数。
(2)改变高聚物的结构(如提高高聚物的结晶度) 以提高其耐热分解的能力
一 高聚物结构与耐热性的关系 三个结构因素 1）增加高分子链的刚性 2）使高聚物能够结晶 3）进行交联 马克三角原理
1）增加高聚物链的刚性
增加高分子链的刚性，高聚物的Tg相应提高。
对晶态高聚物，其分子链的刚性越大，Tm就 越高。
热量从物体的的一个部分传到另一部分， 或从一个物体到另一个相接触的物体从 而使系统内各处的温度相等，就叫做热 传导。
导热系数K是表征材料热传导能力大小的 参数
热传导的基本定律—傅里叶定律
q＝－KgradT q－单位面积上的热量传导速率 gradT－温度T沿热传导方向上的梯度。
高聚物导热系数对温度、结晶度共轭双键， 叁键或环状结构（包括脂环、芳环或杂环）， 对提高高聚物的耐热性特别有效。
芳香族聚酯、芳香族聚酰胺、聚苯醚、聚酰亚 胺等都是优良的耐高温高聚物材料。
2）提高高聚物的结晶性
结构规整以及分子间相互作用强烈的高 聚物
大分子骨架的每个碳原子上的取代基对 称
化学键的断裂或生成
化学键的键能越大，材料越稳定，耐热 分解能力越强。
1）在高分子链中避免弱键，可以提高高 聚物的热稳定性。
在高分子链中，各种键和基团的热稳 定性依次为
高聚物的立体异构 高分子链中的碳原子被氧原子取代时 高分子链中氯原子的存在 C-H键中的H完全为F原子所取代而形成
对各向同性材料，体膨胀系数β
α为线膨胀系数 α－线膨胀系数
L2-L1 1
L1 T2-T1 dL 1
dT LT V2-V1 1
V1 T2-T1
dV 1
dT VT
材料的线膨胀系数 由共价键相键合的材料 结晶高聚物和取向高聚物 各向同性高聚物中
7.3 高聚物的热传导
单烯类高聚物
在高分子主链或侧基中引入强极性基团，
或使分子间产生氢键，都将有利于高聚 物的结晶。高聚物分子间的相互作用越 大，破坏高聚物分子间力所需要的能量 就越大，Tm就越高，因此若在主链上引 入：
或在侧基上引入： ―OH ―NH2 ―CN ―NO2 ―CF3 (三氟基) 都能提高结晶高聚物的Tm。