高分子材料组成和结构
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PPT(36张)
B、高弹性 随着温度的升高，当T＞Tg 时，分子的动能增加，使链段的自由旋转成为可能，此时，试
样的形变明显增加，在这一区域中，试样变成柔软的弹性体，称为高弹态。 高弹态时，弹性模量显著降低，外力去除后，变形量可以回复，有明显的时间依赖性。由
如图16-7，在间同立构高聚物中， 原子或原子团会交替分布在主链两侧； 在全同立构高聚物中，原子或原子团 则全部排列在主链同一侧；而在无规立构高聚物中，主链两侧原子分布是随机的。
这种化学成分相同，但由于不对称取代基沿分子主链分布不同的现象，就叫做 高分子的立体异构现象。
2、大分子链的构象及柔性 高聚物结构单元是通过共价键重复连接形成线型大分子，共价键的特点是键能
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。
物，简称高聚物材料，是以高分子化合物为主要组分的有机 材料，可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两大类。 天然高分子材料包括如蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡 胶、淀粉和蛋白质等。 人工合成高分子材料包括如塑料、合成橡胶、胶粘剂和涂料 等。工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。
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
高分子材料微观结构
高分子材料微观结构高分子材料是由高分子化合物组成的材料，具有很高的分子量和复杂的微观结构。
高分子材料的微观结构对其力学性能、物理性能和化学性能起着决定性的影响。
本文将从高分子的构造、分子排列方式和晶体结构等方面介绍高分子材料的微观结构。
首先，高分子的构造对其性能和结构起着重要的影响。
高分子主要由重复单元组成，这些重复单元通过化学键连接在一起形成长链状结构。
高分子的结构可以分为线性结构、分支结构和交联结构。
线性结构的高分子具有较高的延展性和柔韧性，而分支结构和交联结构的高分子则具有较高的强度和刚性。
其次，高分子的分子排列方式也对其性能和结构起着重要的影响。
高分子分子可以以无序排列、有序排列或混合排列的方式存在。
无序排列的高分子结构紊乱，分子链之间的相互作用弱，常为无定形结构，具有较低的强度和刚性。
而有序排列的高分子则具有较高的强度和刚性，常为结晶结构。
混合排列的高分子具有介于无序排列和有序排列之间的结构特点。
最后，高分子材料的晶体结构也对其性能和结构起着重要的影响。
高分子的晶体结构主要是由分子链的有序排列形成的。
在晶体结构中，高分子链紧密堆积，结晶区域具有较高的密度和有序性，而非晶区域则具有较低的密度和无序性。
晶体结构的高分子具有较高的强度和刚性，而非晶态结构的高分子则具有较高的延展性和柔韧性。
综上所述，高分子材料的微观结构对其性能和结构起着重要的影响。
高分子的构造、分子排列方式和晶体结构等方面的差异会导致高分子材料的力学性能、物理性能和化学性能的差异。
深入研究高分子材料的微观结构可以为高分子材料的设计和应用提供理论指导和科学依据。
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。
高分子材料结构
§8 高分子材料结构8.1 高分子材料及相关的基本概念高分子材料主要是由高分子化合物组成，高分子化合物通常由一种或几种低分子化合物聚合而成，又称高聚物。
与之相关的基本概念有：单体：通过聚合反应形成高分子材料的低分子化合物，主要有：烷类（甲烷、乙烷、丙烷）、烯类（乙烯）、炔类（乙炔）等碳水化合物以及醇、醚、酸、醛、芳香烃等。
链节：高分子材料中的重复结构单元。
聚合度：高分子中的链节数目。
分子量：为链接分子量与聚合度的乘积。
聚合反应：包括加聚反应（反应过程无副产物）和缩聚反应（反应过程产生低分子化合物）。
高分子材料中的高分子链，按照化学成分的不同，可分为以下几类：a）碳链高分子：大分子主链全部由碳原子构成；b）杂链高分子：大分子主链中除了碳原子外，还包含O、N、S、P等。
c）元素有机高分子：大分子主链无碳原子，主要由Si、O、N、Al、B、P 等原子构成，且侧链为有机取代基；d）元素无机高分子：大分子主链无碳原子，且侧链无有机取代基。
8.2 高分子材料结构8.2.1 高分子链的结构高分子链的结构包括空间构型、构象和形态。
（1）空间构型：指高分子链中原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。
当分子链的侧基为氢原子时，只有一种链结构。
当分子链侧基包含其它原子或原子团时，根据其在分子链中占据位置的不同，可分为：全同立构（其它原子或原子团只占据分子链的一侧）、间同立构（其它原子或原子团相间占据分子链的两侧）和无规立构（其它原子或原子团无规律地分布在分子链的两侧）。
图2.41 高分子链的三种空间构型a：全通立构；b：简同立构；c：无轨立构（2）构象：以单键连接的原子由于热运动，两个原子可以在保持键角、键长不变的前提下作相对旋转，称为单键内旋，由此而产生的高分子链的空间形态称为高分子链的构象。
高频率的单键内旋可以随时改变高分子链的构象，是线性分子链在空间呈卷曲状。
在拉力作用下，卷曲状的分子链可以伸展拉直，外力除去后又缩回到原来的卷曲状，从而使高分子具有柔性。
高分子材料的分子结构与物理性质
高分子材料的分子结构与物理性质高分子材料作为一种重要的工业原料，在各个行业都有广泛的应用。
它可以用于制造塑料、橡胶、纤维等产品，具有很好的物理性能和机械性能，同时还能够通过改变分子结构来改变其特性。
本文将从高分子材料的分子结构和物理性质两个方面进行讨论。
一、高分子材料的分子结构高分子是由单体分子通过聚合反应组成的。
他们通常由大量的重复单元组成，有一条或多条聚合主链，辅助链和横向连接等支链。
高分子的分子结构对其物理性质有着重要的影响。
1.聚合度和分子量聚合度和分子量是高分子材料分子结构最基本也是最重要的参数。
聚合度通常指的是单个聚合物中单体数量的总和，分子量则是聚合物中所有单体分子的相对分子质量。
分子量越大，聚合物的物理性质越好，强度越高，同时也容易受到热量的影响。
2.分子结构高分子材料的分子结构通常包括线性、支化和交联三种形式。
线性分子结构的高分子只有一条主链，分子量较小，物理性能一般。
支化分子结构的高聚物具有分子链的分支结构，分子量较大，物理性能好，但热稳定性较差。
交联分子结构的高分子具有大量交联点，具有非常强的物理性能和热稳定性，但是也往往是刚性的。
3.结晶度结晶度是聚合物分子结构的另一个重要参数，这个参数直接决定了材料的物理性质。
结晶度高的高聚物材料具有优异的刚性和强度，但是也比较易于碎裂，结晶度并不高的高聚物材料则更具有一定的难燃性和柔韧性。
二、高分子材料的物理性质高分子材料的物理性质涵盖了它的各个领域，包括机械性能、热性能、电性能、光学性能和界面性能等方面。
下面我们将逐一介绍。
1.机械性能高分子材料的机械性能是评价其物理性质的关键指标之一。
高聚物材料的受力性能和耐磨性都较好，但是吸水性和腐蚀性较强。
与金属材料相比，高分子材料的刚性和强度略微逊色，但是也有不同领域的应用。
2.热性能高分子材料的热性能是由其聚合度和分子结构所决定的。
不同的聚合物材料具有不同的熔点和滑动温度，其热形变温度和热稳定性也会影响其应用范围和适用场景。
浅析高分子材料性能与组成和结构的关系
1.6浅析高分子材料性能与组成、结构的关系北京工商大学教授王锡臣一．概述1．高分子材料及其分类：相对分子质量超过10000的化合物称之高分子材料，又称高聚物或聚合物。
高分子材料可分天然高分子（如淀粉、纤维素、蚕丝、羊毛等）和合成高分子，通常所说高分子材料指的是后者。
按其应用来分，高分子材料可分为塑料、橡胶、化纤、涂料和粘合剂五大类，有时又将塑料和橡胶合称为橡塑。
由于大量新材料的不断出现，上述分类方法并非十分合理。
2．决定高分子材料性能主要因素：（1）化学组成：高分子材料都是通过单体聚合而成，不同单体，化学组成不同，性质自然也就不一样，如聚乙烯是由乙烯单体聚合而成，聚丙烯是由丙烯单体聚合而成的，聚氯乙烯是由氯乙烯单体聚合而成。
由于单体不同，聚合物的性能也就不可能完全相同。
（2）结构：同样的单体即化学组成完全相同，由于合成工艺不同，生成的聚合物结构即链结构或取代基空间取向不同，性能也不同。
如聚乙烯中的HDPE、LDPE和LLDPE，它们的化学组成完全一样，由于分子链结构不同即直链与支链，或支链长短不同，其性能也就不同。
（3）聚集态高分子材料是由许许多多高分子即相同的或不相同的分子以不同的方式排列或堆砌而成的聚集体称之聚体态。
同一种组成和相同链结构的聚合物，由于成型加工条件不同，导致其聚集态结构不同，其性能也大不相同。
高分子材料最常见的聚集态是结晶态、非结晶态，又称玻璃态和橡胶态。
聚丙烯是典型的结晶态聚合物，加工工艺不同，结晶度会发生变化，结晶度越高，硬度和强度越大，但透明降低。
PP双向拉伸膜之所以透明性好，主要原因是由于双向拉伸后降低了结晶度，使聚集态发生了变化的结果。
（4）分子量与分子量分布（相对分子质量与相对分子质量分布）：对于高分子材料来说，分子量大小将直接影响力学性能，如聚乙烯虽然都是由乙烯单体聚合而成，分子量不同，力学性能不同，分子量越大其硬度和强度也就越好。
如PE蜡，分子量一般为500~5000之间，几乎无任何力学性能，只能用作分散剂或润滑剂。
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
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(3) 构象与链结构 主链结构 取代基 交联
旋转位垒
邻非键合原子数 键角 键长
(4) 构象变化与分子高链分子热材料运组成动和结构
4. 分子量和分子量分布
高分F子ig材u料r组e成4和.4结构
3-4-3 高分子链的聚集态结构
Aggregational Structures 1. 链间相互作用
Interaction of Chains 范氏力 为主 氢键 化学键
高分子材料组成和结构
内聚能密度（集约效应）： 单位体积的内聚能。
内聚能：1摩尔分子聚集在 一起的总能量，
高分子材料组成和结构
高分子材料的组成和结构
Composition and Structure of Polymeric Materials
侧重与金属和无机非金属材料对照） 高分子材料结构的多层次性概貌 大分子链的组成和结构特点 大分子链的内旋转、柔性和构象 大分子链间的相互作用与聚集态结构模型 结晶构象与晶体结构特点 取向态结构 合成聚合物和天然高分子的主要类型 聚合物共混材料的微结构特点、界面
Composition and Structure of Polymeric Materials What is the different, compared with metallic materials and Inorganic-nonmetalic Materials Polymer Chain elements Types, Bonding Model
Conformation
高分子材料组成和结构
Aggregational Structures Packing
Amorphous
Crystalline
morphology
Orientational
polymeric materials Artificial , Synthetic Natural
Polymer Blends Morphology
高分子材料组成和结构
高分子科学和技术的进步
年代 高分子科学与技术的进步
1920年代 1930年代 1940年代 1950年代 1960年代 1970年代 1980年代 1990年代 21世纪
大分子学说的提出（Staudinger） 尼龙的发明（Carothers） 战争 高分子科学的基础（Flory） 高分子工业的发展（量的变化） 高分子材料的多样化（质的变化） 其它领域的发展（机能的） ？ ？
①组成元素： C N O
有机
element
Si P S
无机
As Se
元素有机
金属/有机
部分元素在周期表中的位置和成链能力
ⅢA 2s 1p
ⅣA 2s 2p
ⅤA 2s 3p
ⅥA 2s 4p
ⅦA 2s 5p
51 B ～5 13 Al 1 31 Ga 1 49 In 1 81 Tl 1
6 C∞ 14 Si 45 32 Ge 6 50 Sn 5 82 Pb 2
(2) 结 构 单 元 的 键 接 方 式 （ 几 何 构 型 Configuration） （链节）
Geometric
高分子材料组成和结构
取代基的位置 ： Head-Head Tail—Tail Head--Tail
高分子材料组成和结构
(3) 空间的构型 Spacial Configuration Stereoisomers
BBBB BBB
高分子材料组成和结构
Block Graft
3. 大分子链的构象 Conformation—Molecular Shape
(1) 大分子链的柔性 Flexibility (2) σ键的内旋转与大分子链的构象
rotation of single chain bonds
高分子材料组成和结构
存在不对称碳原子 -(-CH2-C*HR-)全同立构 isotactic configuration 间同立构 syndiotactic 无规立构 atactic
高分子材料组成和结构
(4) 支化和交联结构 Branched and Crosslinked
(5) 共聚物的结构： Copolymer
无规 ~ABBAABAB~ Random 交替 ~ABABAB~ Alternating 嵌段 ~AAAAAAAABBBBBBB~ 接枝 ~AAAAAAAAAAAA~
7
8
N ∞?
O ∞?
15
16
P >4
S 30000
33
34
As 5
Se ?
51
52
Sb 3
Te ?
高8分3子材料组成和结84构
Bi ?
Po ?
9 F2 17 Cl 2 35 Br 2 53 I2 85 At 2
②大分子链的类型 Types
碳链高分子 杂链高分子 芳杂环高分子 元素有机高分子 无机高分子 梯形和双螺旋高分子
高分子材料组成和结构
高分子材料组成和结构
高分子材料组成和结构
高分子材料组成和结构
高分子材料组成和结构
2. 结构单元及键接方式
Repeating Mer Unit and Bonding Model
(1) 大分子链的形成方式及键接形式 形成方式----加聚、缩聚 键合形式----共价键（方向性、饱和性）
高分子材料组成和结构
Chapter 4
3-4-1 高分子材料组成和结构的基本特征
Typical Feature
1921年Staudinger 提出高分子的概念
① 分子量大，分子w,
③ 分子链间力：范氏力为主，部分化学键
分子内共价键
④ 结构的多层次性
第三章 内容
3-1 材料组成和结构的基本内容 3-2 金属材料的结构和组成 3-3 无机非金属材料的结构和组成 3-4 高分子材料的结构和组成 3-5 复合材料的结构和组成
高分子材料组成和结构
3-4 高分子材料的组成和结构
Composition and Structure of Polymeric Materials
高分子材料组成和结构
高分子材料组成和结构
FIGURE 4.8 Classification scheme for the characteristics of polymer molecules.
高分子材料组成和结构
3-4-2 高分子链的结构 Polymer Chain
1． 大分子链的组成 Composition