高分子材料结构与性能9 界面现象
高分子材料中的界面现象及其应用
高分子材料中的界面现象及其应用高分子材料是指由单体经过聚合反应得到的聚合物，具有多种物理、化学和力学性质，广泛应用于医学、电子、汽车、建筑等领域中。
而高分子材料中的界面现象则是指在高分子材料的表面或者内部，由于材料性质发生变化而产生的各种现象。
在高分子材料的应用中，界面现象是一个非常重要的问题。
它直接影响到高分子材料的性质和使用效果。
下面我们从界面现象的基本原理、表面改性和材料应用等方面来分析高分子材料中的界面现象及其应用。
一、界面现象的基本原理高分子材料的界面现象主要包括吸附、电荷、亲疏水性、界面张力和界面电势等方面。
其中，吸附是指高分子材料表面吸附溶质的过程。
例如，在高分子材料表面吸附上一层有机分子，如十六烷基三甲基氯化铵，可以增加材料的亲水性。
此外，高分子表面的吸附还可以增加界面的粘附力。
电荷也是影响高分子材料界面现象的重要因素。
材料表面的化学性质和电荷特征会影响附属电势的大小和分布。
一般情况下，带负电的表面会吸引阳离子，而带正电的表面则会吸引阴离子。
亲疏水性是指高分子材料表面的亲水性和疏水性。
亲水性好的材料表面会吸引水分子，而疏水性好的材料表面会排斥水分子。
因此，在材料表面上引入疏水性分子可以有效地抑制材料的水分解反应。
界面张力则是指高分子材料界面上的一个力学角度的概念。
界面电势是指在高分子材料界面上的电势差。
以上这些基本原理都会影响到高分子材料的表面性质。
因此，人们需要通过界面改性的方法来对高分子材料进行改良，以达到更好的性能和效果。
二、表面改性表面改性是界面现象技术中的一种重要方法，它可以改善高分子材料的表面性质，从而提高材料的特性和应用效果。
表面改性主要有两种方法：物理改性和化学改性。
物理改性主要是通过对高分子材料表面进行物理加工，来改善材料的表面性质。
物理改性方法包括气相沉积、溅射沉积、离子束喷射、激光喷涂等。
这些方法可以通过改变材料表面的粗糙度或者结构，来改善材料的表面特性。
比如，气相沉积在高分子材料表面上形成一层陶瓷、金属或者金属氧化物，能够有效地提高材料的耐磨性和导电性等特性。
高分子物理---第九章-聚合物的粘性流动
(5) 熔体结构的影响
当分子量相同时， 当T在160~200℃时，η乳液PVC<η悬浮PVC 当T>200℃时， η乳液PVC≈η悬浮PVC 此时，乳液法PVC中颗粒已完全消失，因而
粘度差别不大。
影响熔体粘度的因素
9.1.6 高聚物流体流动中的弹性表现
②高聚物在模孔内流动时，由于切应力的作用，产生法 向应力效应，由法向应力差所产生的弹性形变在出口模 后回复，因而挤出物直径涨大。
三 、不稳定流动—熔体破裂(melt fracture)现象
所谓熔体破裂现象是高聚物熔体 在挤出时，如果剪切速度过大， 超过某一极限值时，从口模出来 的挤出物不再是平滑的，会出现 表面粗糙、起伏不平、螺旋皱纹、 挤出物扭曲甚至破碎等现象，也 称为不稳定流动。
实际中应避免不稳定流动。
四、 影响高聚物熔体弹性的因素 1.剪切速率：随剪切速率增大，熔体弹性效应增大。
* * 0 ei 0 (cos i sin ) 0 sin i20 cos i
* i0
i0
0
i
B
2.温度：温度↑，大分子松弛时间τ变短，高聚物熔体弹 性↓。
3.分子量及分子量分布
2F2B
表示改性情况
表示密度范围 1.ρ<0.922 2.=0.923~0.946
MFR=2
用途 Film
门尼粘度（Mooney Viscosity）
测定橡胶半成品或生胶的粘度大小的一种方法。门尼粘
度通常是在 100℃和一定的转子转速（2 r/min），测定
橡胶的阻力。
表示方法
ML
100 1+4
50
定为, 称牛顿极限粘度, 又类似牛顿流体行为。
高分子物理课程电子教案
高分子物理课程电子教案第一章：高分子物理概述1.1 高分子的定义与分类1.2 高分子的基本性质1.3 高分子材料的制备与加工1.4 高分子物理的研究内容与方法第二章：高分子链的结构与运动2.1 高分子链的结构模型2.2 高分子链的构象2.3 高分子链的布朗运动与扩散2.4 高分子链的相变与临界现象第三章：高分子溶液3.1 高分子溶液的制备与性质3.2 高分子溶液的流变行为3.3 高分子溶液的凝胶化现象3.4 高分子溶液的吸附与沉淀第四章：高分子凝聚态结构4.1 高分子凝聚态的基本特征4.2 高分子凝聚态的构象统计4.3 高分子凝聚态的相变与有序化4.4 高分子凝聚态的微观结构分析方法第五章：高分子材料的性能与应用5.2 高分子材料的热性能5.3 高分子材料的光学性能5.4 高分子材料的应用领域第六章：高分子材料的电学性能6.1 高分子材料的导电性6.2 高分子材料的绝缘性6.3 高分子材料的介电性能6.4 高分子材料在电化学应用中的应用第七章：高分子材料的光学性能7.1 高分子材料的光吸收与发射7.2 高分子材料的光散射与折射7.3 高分子材料的光开关与光存储7.4 高分子材料在光电子学中的应用第八章：高分子材料的热性能8.1 高分子材料的热稳定性8.2 高分子材料的熔融与玻璃化转变8.3 高分子材料的导热性8.4 高分子材料在热控应用中的应用第九章：高分子材料的力学性能9.1 高分子材料的弹性与塑性9.2 高分子材料的强度与韧性9.4 高分子材料在力学应用中的应用第十章：高分子材料的环境与可持续性10.1 高分子材料的环境影响10.2 高分子材料的生物降解与可再生性10.3 高分子材料的环境友好性设计10.4 高分子材料的可持续性发展前景第十一章：高分子材料的现代分析技术11.1 核磁共振谱（NMR）11.2 凝胶渗透色谱（GPC）11.3 差示扫描量热法（DSC）11.4 扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）第十二章：高分子材料的界面与相互作用12.1 高分子与高分子之间的相互作用12.2 高分子与溶剂之间的相互作用12.3 高分子材料界面性质的调控12.4 界面现象在高分子材料中的应用第十三章：高分子材料的功能化与复合化13.1 高分子材料的功能化途径13.2 功能高分子材料的设计与合成13.3 高分子复合材料的制备与性能13.4 功能化高分子复合材料的应用第十四章：生物高分子与生物医用高分子14.1 生物高分子概述14.2 蛋白质与核酸的生物高分子特性14.3 生物医用高分子材料的应用14.4 生物可降解高分子材料的研究与发展第十五章：高分子物理课程总结与展望15.1 高分子物理课程的主要内容回顾15.2 高分子物理领域的前沿动态15.3 高分子材料在未来的发展趋势15.4 学生自主研究项目的设计与实践重点和难点解析第一章：高分子物理概述重点：高分子概念、分类及基本性质。
高分子物理-第9章(1高分子的屈服和强度)
• 力学性能是高聚物优异物理性能的基础 • 如：某高聚物摩擦、磨耗性能优良，但力学性能
不好，很脆——不能用它作减摩材料
• 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它们有一
定的力学性能：强度和韧性。如果折叠几次就破 裂，那么这种材料的电绝缘性虽好，也不能用作 电线。
弹性 Elasticity
普弹性 高弹性 High elasticity
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E A A
O A
B
y
从曲线上可得评价聚合物性能的力学参数:
Y: yield point屈服点
y yield strength 屈服强度 yelongation at yield 屈服伸长率
产生强迫形变－“冷拉”
不同点：冷拉的温度范围：
非晶态Tb～Tg 结晶态Tg～Tm
对晶态聚合物拉伸过程，伴随着凝聚态结构的变化
2.3 取向聚合物的应力-应变曲线：
– 聚合物材料在取向方向上的强度随取向程度的 增加而很快增大，此时，分子量和结晶度的影响 较小，性能主要由取向状况所决定。高度取向时， 垂直于取向方向上材料的强度很小，容易开裂。
F
a
F
Fas =Fsina
横截面A0, 受到的应力 0=F/A0
斜截面Aa = A0 / cosa
法向应力
σαn
=
Fαn Aα
= σ0cos2α
剪切应力
σαs
=
Fαs Aα
=
1 2
高分子材料的界面化学及应用
高分子材料的界面化学及应用高分子材料是一种基础性的材料，在工业制造中有着广泛的应用。
与其他材料相比，高分子材料具有成本低、制造工艺简单、机械性能优良等特点。
随着现代科技的不断发展，高分子材料在其中的应用也越来越重要。
本文将重点讲述高分子材料的界面化学及其应用。
一、高分子材料的界面化学概念界面化学是指研究物质在不同相（如固、液、气等）之间的相互作用规律及其导致的物质性质变化的一门学科。
在高分子材料领域，高分子与其他相（如金属、玻璃、陶瓷以及有机物等）之间的互作用就是一种典型的界面现象。
高分子材料的特殊性质使其在与其他材料的接触区域出现新的物理、化学、力学和电学性质。
这种区域就是高分子材料与其他相之间的界面。
高分子材料与其他相之间发生的化学反应和物理交互作用导致了高分子材料界面性质的变化。
界面化学主要包括物理化学、电化学、催化化学、表面化学、胶体化学等学科。
二、高分子材料界面化学的应用1.高分子材料的涂料应用高分子材料在涂料中的应用非常广泛。
高分子材料在涂料中可以提高涂层的附着力、硬度、耐磨性、抗腐蚀性、耐候性和色彩稳定性等性能。
这些增加的性能是由于高分子材料与基础材料之间的交互作用引起的。
2.高分子材料的电子行业应用高分子材料在电子行业中的应用非常广泛，例如高分子电解质、导电高分子和高分子固态电解质。
这些高分子材料在电子行业中的应用都是通过高分子材料与其他材料之间的界面化学作用来达到的。
3.高分子材料的生物医疗应用高分子材料在医疗领域中的应用广泛，例如高分子纤维、高分子水凝胶和高分子生物降解材料等。
这些高分子材料在医疗领域中的应用也是通过高分子材料与其他材料之间的界面化学作用来实现的。
4.高分子材料的环保应用高分子材料在环保领域中的应用主要是作为油污吸附剂、水处理剂以及空气污染控制材料等。
高分子材料的界面化学特性可以使其在油水界面上呈现出亲油性而吸附油类污染物，并可以通过调整高分子材料分子结构和表面性质来达到更好的环保效果。
高分子聚合物结构特点与性能
塑料成料的结构特点、物 理状态、热力学曲线与加工适应性、流变性质、熔体弹性、 加热与冷却、成型过程的物理与化学变化等。 目的与要求 (1)掌握聚合物的结构类型与物理状态。 (2)了解聚合物的流变方程，并会定性应用分析。 (3)掌握聚合物成型过程中的物理与化学变化。 (4)了解聚合物熔体的弹性及残余应力。
Shenyang Ligong University
1）线型聚合物的物理特性具有弹性和塑性，在适当的溶剂 中可溶解，当温度升高时，则软化至熔化状态而流动，可 以反复成型，这样的聚合物具有热塑性。 2）体型聚合物的物理特性是脆性大、弹性较高和塑性很低， 成型前是可溶和可熔的，而一经硬化成型后，就成为不溶 不熔的固体，即使在再高的温度下（甚至被烧焦碳化）也 不会软化，因此，又称这种材料具有热固性。
2．聚合物的流变方程
1）牛顿流动规律 流体在管道内流动时，可呈现层流和湍流两种不同的流动状态。
层流也称为“黏性流动”，当流速很小时，流体分层流动，互不混合， 称为层流。其特征是流体的质点沿着平行于流道轴线方向相对运动，与边壁 等距离的液层以同一速度向前移动，不存在任何宏观的层间质点运动，因而 所有质点的流线均相互平行。 湍流又称“紊流”，当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中 有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流 体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生。其特征是流体的质 点除向前运动外，还在主流横向上作无规则的任意运动，质点的流线呈紊乱 状态。
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(2)熔体破裂： 指当一定熔融指数的聚合物在恒温下通过喷嘴口时当 流速超过某一数值时，熔体表面即发生横向裂纹。
高分子物理9相分离
3、嵌段共聚物的微相分离
微相分离转变 ODT order-disorder transition n称为分离强度 segregation strength (n)c≈10.5+41n-1/3
3、嵌段共聚物的微相界面
链伸展Sstr-(R/R0)2 -(d/R0)2, 这里假定线团尺寸 与厚度成正比，R=d, 理想链尺寸R02=nv2/3。
F/kT= 1/2nv1/3/d + d2/(nv2/3) ，对d取最小，得到 den2/3v1/31/6. F/kT=2(n)1/3, 经实验检验
3、嵌段共聚物的微相分离
弱相分离n<100 weak segregation
强相分离n>100 strong segregation
作业9
某二元共混物的Flory-Huggins相互作用参数 =A+B/T在-23.2C时是-0.43000, 在6.8C时是 -0.21571，已知两组分高分子分别有一万和两万个 重复单元，试计算 1）A、B参数值； 2）混合临界温度； 3）判断相图是UCST型还是LCST型，并作说明。
http://www.mate.tue.nl/mate/research/index.php/7
相分离的动力学机制
AC点之间以及DB点之间2fm/2=/>0, 组分 朝低浓度扩散downhill diffusion, 小涨落不足以 导致相分离，亚稳态，足够大的涨落才引发新 相，称为成核生长机制 nucleation and growth, NG
F
{f m
( )2 ]}d
高分子材料的表征和导热性能研究
高分子材料的表征和导热性能研究高分子材料是一种重要的材料种类，具有广泛的应用领域。
如何对高分子材料进行表征和研究其导热性能，是当前高分子材料研究的一个热点问题。
一、高分子材料的表征高分子材料通常具有分子量大、化学结构复杂的特点，因此需要采用多种手段进行表征。
1. 分子量的测定高分子材料的分子量一般采用凝胶渗透色谱、粘度法等实验手段进行测定。
其中，凝胶渗透色谱具有分离精度高、灵敏度好等优点，可以处理多种分子量范围的高分子材料。
2. 凝聚态的表征对于固态高分子材料，需要采用X射线衍射、热分析等技术手段进行表征，以了解高分子材料的晶体结构、热性能等特征。
3. 动态热力学性能的表征高分子材料在使用过程中还需要考虑其时间依赖性、疲劳性、耐热性等方面的性能。
这就需要采用热分析、动态力学测试等技术手段进行表征。
二、高分子材料的导热性能研究导热性能是高分子材料的一个关键性能指标，对于高分子材料的设计、制备、应用都具有重要意义。
导热性能研究的主要方法有以下几个：1. 热导率的测试热导率是导热性能的基本指标之一，一般采用稳态热流方法进行测试。
稳态热流方法包括热阻率法、热板法等，能够准确测定材料在稳态下的导热性能。
2. 动态热导率的测试高分子材料在使用过程中很少处于稳态状态，因此需要考虑其动态导热性能。
动态热导率的测试方法包括脉冲法、频率扫描法等，能够模拟高分子材料在实际使用过程中的导热性能。
3. 热膨胀系数的测试高分子材料在受热过程中往往会产生热膨胀现象，对于导热性能的影响较大。
因此，需要采用膨胀测试仪等设备对高分子材料的热膨胀系数进行测定。
4. 界面热阻的测试高分子材料在应用过程中往往需要与其他材料进行接触，因此涉及到界面热阻的问题。
界面热阻的测试方法包括接触热阻法、热反射法等。
三、导热性能的改进高分子材料的导热性能往往不如金属等传统材料，因此需要采取一些措施进行改进。
导热性能的改进方法主要有以下几个：1. 添加导热填料通过向高分子材料中添加导热填料，如石墨、纳米银粉等，可以显著提高高分子材料的导热性能。
材料化学第2章高分子材料的结构
X
CH2
C n
H
有不对称碳原子，所以有旋光异构。
注：对高分子来说，关心不是具体构型（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。
34
c
aC b
高分子链上有 取代基的碳原子 可以看成是不对
d
R RR R R
称碳原子
HHHH
将锯齿形碳链 H 排在一个平面上，
RH
RH
取代基在空间有 不同的排列方式。
以大分子链中的重复单元数目表示，记作 DP
注：重复单元与结构单元的异同：
5
(1) 由一种结构单元组成的高分子
一个高分子如果是由一种单体聚合而成，其重复单 元与结构单元相同。
例如：聚苯乙烯
n CH2 CH 聚合
CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH
缩写成
CH2 CH n
n 表示重复单元数，也称为链节数, 在此等于聚合度
(6) 单体单元（monomer unit）: 与单体的化学组成完全相同只是化学结构不同的 结构单元。
4
(7) 聚合度(degree of polymerization): 聚合物分子中，结构单元的数目叫聚合度。 聚合度是衡量高分子大小的一个指标。
有两种表示法：
以大分子链中的结构单元数目表示，记作 xn
2.6 高分子材料的结构
前言 一、定义
1. 高分子化合物 是指分子量很高并由共价键连接的一类化合物 . 又称：高分子化合物、大分子化合物、高分子、
大分子、高聚物、聚合物 Macromolecules, High Polymer, Polymer
分子量：一般高达几万、几十万，甚至上百万， 范围在104～106
高分子材料与工程专业导论课程论文【最新版】
高分子材料与工程专业导论课程论文1.高分子的定义高分子又称作聚合物，由小分子相互反应而形成，高分子与低分子的区别在于前者分子量很高。
通俗地说，高分子是一种许许多多原子由共价键连接而组成的相对分子质量很大的化合物。
更精确的描述是，高分子是指其分子主链上的原子都直接以共价键连接，且链上的成键原子都共享成键电子的化合物，这样组成的高分子链的键的类型，除了共价键外，还可以包括某些配位键和缺电子键，而金属键和离子键是被排除在外的。
我对高分子的分类总结如下:其中合成高分子，又可分为橡胶、纤维和塑料三大类，常称为三大合成材料，合成橡胶的主要品种有丁苯橡胶、顺丁橡胶和异戊橡胶等。
合成纤维的主要品种有涤纶、腈纶、锦纶、维纶和丙纶。
塑料还可分为热塑性塑料和热固性塑料，前者为线性聚合物，受热可熔融流动，可多次重复加工成型，主要品种有聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯;后者是网状聚合物，通常由线性聚合物或低聚物经交联得到，以后不能加热融化重复成型，主要品种有酚醛树脂、不饱和聚酯、环氧树脂等。
此外，聚合物还可作为涂料和粘合剂来使用，而且使用越来越广泛，也有人将他们单独列为两类，所以聚合物按应用分类，也应包括上述五大合成材料。
最近，着眼于聚合物所具有的特定的物理、化学、生物功能的功能高分子，也已成为新的重要一类。
天然高分子，也有有机高分子和无机高分子之分。
天然高分子，如人们所熟悉的石棉、石墨、金刚石、云母等，天然有机高分子，都是在生物体内制造出来的，储存能量的肝糖、淀粉，生物体外分泌物如蚕丝、蛛丝、植物的橡胶，还有储存遗传信息的核酸。
2.高分子材料科学的发展简史(以塑料的发展为例)从第一个塑料产品赛璐珞诞生算起，塑料工业迄今已有120年的历史。
其发展历史可分为三个阶段。
1.天然高分子加工阶段这个时期以天然高分子，主要是纤维素的改性和加工为特征。
1869年美国人J.W.海厄特发现在硝酸纤维素中加入樟脑和少量酒精可制成一种可塑性物质，热压下可成型为塑料制品，命名为赛璐珞。
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实际中，考虑固体上吸附液体的蒸气而附加一平衡压力pe
sv sl lv cos pe Young氏方程
表面的粗糙度(r)使液体 — 聚合物接触面积合物
内聚和粘附这这两个相反的效应别对界面的扩大起影响
90o ＜90o
以内聚占优 r cosexp
2
d (5 8) 104 N / cm K
Mn 3
dT
静态方法测定
（高粘度的非Newton流体体系）
➢ 平板法是将一块平板部分地浸入能浸润的液体中．液体的 表面张力lv。对平板有一向下的作用。平板被浸润时，当 它的下边缘刚巧接触液体的表面对，作用在平板上的力是
lvl , l是平板的周长。通过测量在空气中和在液面接触内
温 度 [K]
293.2 293.2 449.2 297.2 293.2 297.2
104 [N/cm]
21.3 26.2 30.0 35.6 37.7 45.0
9.2.2 固体聚合物的界面张力
液滴在光滑的固体表面
界面张力为合力 sv sl lv cos
0o 液体完全铺展 180o 没有铺展
it-PP 3.0 0 1.1 5.1 -
PBMA 3.8 0 2.8 5.2 1.8 -
ll 105 N/cm
PVAc PE
7.4
5.4
-
1.1
2.8
5.2
0
11.0
11.0
0
3.7
5.7
-
9.5
-
9.5
PS PMMA PEO
6.0
-
9.8
5.1
-
-
-
1.8
-
3.7
-
-
5.7
9.5
9.5
0
1.6
-
1.6
0
-
-
-
0
9.2.3 固体聚合物的临界表面张力
液体的同系物在一给定的物体上的接触角的余弦 与液体(及其饱和蒸气间)的表面张力lv呈线性变化。 在cos=1时，表面张力已达到极限值，相当于物 体完全侵润，这个极限值称为该物体的临界表面 张力侵润
对于给定的物体，聚合物的临界表面张力侵润几 乎是一个常数
以粘附占优
cos
lv
sl
sv
两种液体聚合物的界面张力和纯聚合物 在150oC时的表面张力
聚合物
lv105 N/cm
PDMS
PDMS 13.6
0
it-PP 22.1 3.0
PBMA 23.5 3.8
PVAc 27.9 7.4
PE 28.1 5.4
PS
30.8
6.0
PMMA 31.2
-
PEO 33.0 9.8
亲水基团 憎水基团
Tail Loop
平板上的作用力，就能计算出表面张力。此法只用于测量 表面张力(液体与空气之间的界面张力)，不能用于测量两 种聚合物液体之间的界面张力。
➢ 一个悬滴的形态与表面张力和重力有关。对液滴照相，并 在各个位置测量其直径，当达到流体力学平衡时，可求出 通用的形态因子。
无穷大分子量聚合物的表面张力
聚合物
聚二甲基硅氧烷 聚氟代烷烃 聚苯乙烯 聚异丁烯 正烷烃 聚乙二醇
1
界面（表面）破裂
1
2
A m2/mg
9.2 界面张力
9.2.1 液体聚合物的表面张力
1 聚合物的表面张力与分子量的关系
K
Mn
2 3
2 与其端基亦有关
l~g 104 N / cm
4
R=H R=CH3CO
3 RO[CH2CH2O]nR 聚氧乙烯
R=CH3
3 与温度的关系
2
0.01 0.02 0.03 0.04
9.3 聚合物吸附
吸附溶液中无规线团分子的数量随着时间的增加，稳定地达 到一极限值。同时，母液的粘度常常通过一最小值，吸附层 的厚度为一最大值
吸附过程：
当吸附量恒定时，聚合物并没有达到吸附平衡，这是长链分子有高度柔 性的缘故 1一个接近表面的大分子首先在若干点上结合牢，并平躺在表 面上 2 新进来的大分子的一些链段渐渐挤进先前吸附的链段的覆盖区域 3 随着被覆盖面积的增加，被吸附的大分子在表面上越来越多。吸附层 的厚度增高到一最大值，而覆盖点的密度则保持不变
第九章 界面现象
9.1 铺展
不溶解的分子铺展在液体表面上，如果覆盖层厚度很小 其行为类似于理想气体！
等规立构和间规立构分子的铺展行为不同！
表面压
( 0 ) A kT
4 聚醋酸乙烯酯
3
104(0-) N/cm
A 每个铺展分子的表面积
2
聚苯甲酸乙烯酯
0 f ( A)