聚合物的结构与性能
聚合物材料结构与性能分析
聚合物材料结构与性能分析随着科技的不断发展，聚合物材料在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。
聚合物材料被广泛应用在塑料制品、涂料、胶水、纺织品、电力电缆、医疗器械、汽车零部件、航空航天工程等领域中，成为了工业化生产的主要材料之一。
为了更好地研究聚合物材料的性能，需要深入了解其结构。
一、聚合物材料的结构聚合物材料的结构可以分为线性、支化和交联三种形态。
其中，线性聚合物是由一种或者几种单体按照化学键的方式以链状排列而成，分子量较小；支化聚合物是通过在线性聚合物中引入支链而形成的，支链数量影响聚合物的分子量；交联聚合物是聚合物分子之间通过交联点相互连接形成的，具有较高的强度和硬度。
聚合物材料的结构对其性能具有较大的影响。
线性聚合物因分子之间的顺序排列有序，故具有较强的延展性和柔软性，但同时也很脆弱。
与之相比，支化聚合物分子之间存在交叉和支链，增加了分子间的空间间隙，分子不易移动，故其延展性和柔软性较差，但抗拉强度和耐磨性等方面表现出了优异的性能。
交联聚合物由于分子之间的连接非常紧密，形成了三维连通结构，具有优异的耐热性、耐压性和耐化学腐蚀性等方面性能。
二、聚合物材料的性能聚合物材料的性能可分为物理性能和化学性能两个方面。
1. 物理性能聚合物材料的物理性能包括密度、硬度、热膨胀率、热导率、电导率等方面。
其中，密度是聚合物材料中分子的堆积情况，影响材料的重量和容积比例；硬度是指材料表面对受力的抵抗力，硬度越大，耐磨性和耐刮性也越强；热膨胀率是指在温度变化下材料的长度、面积或体积变化程度；热导率是指在导热过程中单位时间内的热通量和面积比例；电导率则是指电流通过单位长度材料的电阻大小。
2. 化学性能聚合物材料的化学性能包括耐酸碱性、耐热性、阻燃性、耐紫外线性等方面。
其中，耐酸碱性是指聚合物材料在酸碱介质中稳定性和抗腐蚀性；耐热性是指材料在高温环境下变形程度和防止氧化剥蚀的能力；阻燃性是指材料在火灾中的燃烧速度和发出有害气体的程度；耐紫外线性是指材料对紫外线的抵抗程度。
聚合物的结构与性能
O Tg (oC)
CH3 C CH3
聚碳酸酯
150
COO
H3C O
H3C 聚苯醚 220
第11页/共16页
第六章聚合物的结构与性能
b. 侧基或侧链： 侧基的极性越强，数目越多，Tg越高，如：
CH2 CH CH3
聚丙烯
CH2CH Cl
聚氯乙烯
CH2CH OH
聚乙烯醇
CH2CH CN
聚丙烯腈
Tg (oC) -18
在一定的外力和温度条件下，聚合物从一种平衡状态通过分子热运动达到相 应的新的平衡状态需要克服运动时运动单元所受到的大的内摩擦力，这个克服内 摩擦力的过程称为松弛过程。松弛过程是一个缓慢过程。
第6页/共16页
第六章聚合物的结构与性能
（3）聚合物的分子运动与温度有关： 温度升高作用有两：增加能量；使聚合物体积膨胀，扩大运动空间。
第六章聚合物的结构与性能
玻
璃
态
பைடு நூலகம்
形 变
I
橡胶态
III
II
温度
随着温度的升高，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，形变发生突变， 进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当 外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢 复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。
并可通过共聚物组成来连续改变共聚物的Tg。 嵌段共聚物和接枝共聚物：若两组分相容只表现出一Tg，若两组分不相容，表
现两Tg。
第14页/共16页
第六章聚合物的结构与性能
共混： 两组分相容：均相体系，只有一个Tg，介于两组分Tg之间； 两组分不相容：出现相分离，具有两个Tg，其值分别接近两组分Tg； 两组分部分相容：相容性愈好，共混物的两个Tg愈接近。
聚合物材料制备工艺的结构与性能优化
聚合物材料制备工艺的结构与性能优化聚合物材料是由多个单体分子经过聚合反应形成的高分子化合物，具有多种优异的性能，如高强度、优良的耐热性和耐化学腐蚀性等。
聚合物材料的结构与性能直接相关，通过优化制备工艺，可以提高聚合物材料的结构组成和性能表现。
聚合物材料的结构与性能主要包括以下几个方面：1. 分子量：聚合物材料的分子量决定了其物理性能，如强度、弹性等。
分子量大的聚合物通常具有更高的强度和更好的耐热性。
在制备过程中，可以通过控制反应时间和添加适当的调节剂来控制分子量。
2. 支链结构：聚合物材料的支链结构对其性能有显著的影响。
适量的支链可以提高聚合物材料的韧性和抗冲击性。
通过在聚合反应中引入适量的共聚单体或交联剂，可以控制支链的数量和长度。
3. 结晶性：聚合物材料中的结晶结构可以影响其力学性能、热性能和光学性能等。
通过控制聚合反应的温度和挤出、拉伸等制备工艺，可以调控聚合物材料的结晶行为。
4. 分子排列方式：聚合物材料中的分子排列方式也对其性能有重要影响，如聚丙烯的区域结晶和畸变排列对其力学性能具有重要影响。
通过控制制备工艺和添加适当的添加剂，可以改变聚合物分子的排列方式，从而改善聚合物材料的性能。
为了优化聚合物材料的结构与性能，需要结合具体的要求和应用场景，采取适当的制备工艺。
一种常用的制备工艺是挤出熔融法，通过将聚合物料粒加热熔融后挤出成型。
在这个过程中，可以通过改变挤出温度、挤出速度、挤出模具的设计等参数，来优化聚合物材料的结构和性能。
此外，还可以采用溶液法、乳液法、熔体共混法等不同的制备工艺，针对不同的聚合物材料和要求进行优化。
例如，采用溶液法制备聚合物材料可以获得高分子量、低聚合度分散性好的成分，适用于制备具有高强度要求的材料。
综上所述，聚合物材料的结构与性能是相互关联的，通过优化制备工艺，可以改变聚合物材料的结构组成和性能表现。
根据具体要求和应用场景，选择适当的制备工艺，调控聚合物的分子量、支链结构、结晶性和分子排列方式等因素，可以提高聚合物材料的性能，并且满足不同领域的需求。
聚合物结构与性能
1、分析HIPS结构组成、加工原理、结构特点与性能高抗冲聚苯乙烯，是将少量聚丁二烯接技到聚苯乙烯基体上。
具有“海岛结构”，基体是塑料，分散相是橡胶 .具有诸多的特性 :①耐冲击聚苯乙烯为热塑性树脂；②无臭、无味、硬质材料、成形后尺寸安定性良好；③有优秀的高介电性绝缘性；④为非晶质低吸水性材料；⑤其光泽性良好易于涂装。
2、分析ABS结构组成、结构特点、性能ABS树脂是丙烯酸、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。
共聚的方式是无规共聚与接枝共聚相结合：它可以是以丁苯橡胶为主链，将苯乙烯、丙烯腈接在支链上；也可以是丁腈橡胶为主链，将苯乙烯接在支链上；也可以以苯乙烯-丙烯腈的共聚物为主链，将丁二烯和丙烯腈接在支链上等等。
ABS三元接枝共聚物兼有三种组分的特性。
其中丙烯腈有氰基，能使聚合物耐化学腐蚀，提高制品的抗张强度和硬度；丁二烯能使聚合物呈现橡胶状的韧性，这是材料抗张强度增强的主要因素；苯乙烯的高温流动性能好，便于加工成型，且可改善制品的表面光洁度，是一种性能优良的热塑性塑料。
3、聚合物的增韧增强增韧：①橡胶增韧，如通过橡胶增韧苯乙烯-丙烯腈共聚物树脂，制备性能优良的ABS工程塑料。
②刚性无机填料增韧，如纳米碳酸钙粒子增韧高密度聚乙烯。
③热塑性塑料增韧，如热塑性塑料增韧双马来酰亚胺树脂。
④液晶聚合物增韧，如热致性液晶聚合物增韧环氧树脂。
增强：添加无机纳米粒子如TiO2、SiO2、Al2O3、CaCO3 等和橡胶纳米粒子以及蒙脱土等片状硅酸盐等形成聚合物基纳米复合材料；添加纤维状填料如碳纤维、石墨纤维、硼纤维和单晶纤维-晶须或短玻璃纤维等。
4、PE结构、材料的加工原理聚乙烯的分子是长链线型结构或支结构，为典型的结晶聚合物。
在固体状态下，结晶部分与无定型共存。
结晶度视加工条件和原处理条件而异，一般情况下，密度高结晶度就越大。
LDPE结晶度通常为55 %-- 65%，HDPE结晶度为80%-90%。
高密度聚乙烯通常使用Ziegler-Natta聚合法制造，其特点是分子链上没有支链，因此分子链排布规整，具有较高的密度。
聚合物的结构与性能研究
聚合物的结构与性能研究聚合物是由许多单体分子通过共价键连接而成的高分子化合物。
它们在我们日常生活中扮演着重要的角色，从塑料到纤维，从药物到涂料，无处不在。
聚合物的结构与性能之间存在着密切的关系，深入研究聚合物的结构与性能对于开发新材料和改进现有材料具有重要意义。
首先，聚合物的结构对其性能产生重要影响。
聚合物的结构可以分为线性、支化、交联等不同形式。
线性聚合物由一串单体分子线性连接而成，具有较高的延展性和柔韧性。
支化聚合物在主链上引入支链，增加了分子间的交联点，使其具有较高的强度和刚性。
交联聚合物通过交联剂将线性聚合物连接成网状结构，提高了其耐热性和耐化学腐蚀性。
不同结构的聚合物在性能上存在差异，因此深入研究聚合物的结构对于调控其性能具有重要意义。
其次，聚合物的结构可以通过不同的合成方法来控制。
聚合物的合成方法主要包括自由基聚合、阴离子聚合、阳离子聚合等。
自由基聚合是最常见的聚合方法，通过引入自由基引发剂，使单体分子发生聚合反应。
阴离子聚合和阳离子聚合则是通过阴离子或阳离子引发剂引发的聚合反应。
不同的合成方法可以控制聚合物的分子量、分子量分布以及结构形态，从而调控其性能。
例如，通过控制聚合反应的条件和反应物比例，可以合成具有不同分子量的聚合物，从而改变其物理和化学性质。
此外，聚合物的性能还与其组成单体的选择有关。
聚合物的单体可以是天然物质，也可以是合成物质。
不同的单体具有不同的化学结构和性质，从而影响聚合物的性能。
例如，聚乙烯是由乙烯单体聚合而成的，具有良好的耐热性和耐化学腐蚀性；聚丙烯是由丙烯单体聚合而成的，具有良好的机械强度和刚性。
选择不同的单体可以调控聚合物的性能，满足不同的应用需求。
此外，聚合物的结构与性能之间还存在着其他复杂的关系。
例如，聚合物的结晶性对其性能具有重要影响。
结晶性聚合物具有有序排列的分子结构，具有较高的强度和刚性；非结晶性聚合物则具有无序排列的分子结构，具有较高的延展性和柔韧性。
聚合物的结构与性能
2. 分子主链由两种或两种以上的原子以共价键联结的杂链 高分子带有极性，易水解、醇解或酸解；
元素高分子具有无机物的热稳定性及有机物的 弹性和塑性；
分子主链不是一条单链而是像“梯子”和“双 股螺线”那样的高分子链；
为防止链断裂从端基开始，有些高分子需要封 头，以提高耐热性。
II. 高分子的柔顺性
高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能称为高分 子链的柔顺性。 高分子链能形成的构象数越多，柔顺性越大。 ①静态柔顺性：又称为平衡态或热力学柔性，是指高分子链 处在较稳定状态时的卷曲程度。 ②动态柔顺性：指在外界条件的影响下，从一种构象向另一 种构象转变的容易程度，这是一个速度过程，又称动力学柔 性。 高分子的柔性是静态柔性和动态柔性的综合效应 。
SBS树脂是用阴离子聚合法制得的苯乙烯 和丁二烯的嵌段共聚物。其分子链的中段 是聚丁二烯（顺式），两端是聚苯乙烯。 SBS具有两相结构。SBS是一种可用注塑 的方法进行加工而不需要硫化的橡胶，又 称为热塑性弹性体。
高分子链的构型
构型是对分子中的最邻近的原子见的相对位置的表征，是
指分子中有化学键所固定的原子在空间的集合排列，要改变 构型必须经过化学键的断裂和重组。构型不同的异构体有
强度，这一数值称为临界聚合度。对极性强的高聚物来说，其临
界聚合度约为40；非极性高聚物的临界聚合度约为80；弱极性的介 于二者之间。
机械强度
极性聚合物 非极性聚合物
100 200 300 400 500 聚合度
高聚物的分子量愈大， 则机械强度愈大。然而， 高聚物分子量增加后， 分子间作用力也增强， 使高聚物的高温流动粘 度增加，给加工成型带 来困难。高聚物的分子 量应兼顾使用和加工两 方面的要求。
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。
聚合物结构与性能
一、名词解释（5个）聚合物分子（高聚物分子，通常简称为高分子）：(1)这些部分是由相对低分子质量的分子衍生的单元(所谓的单体单元或链节) (2)并且只有一种或少数几种链节(3)这些需要的链节多重重复重现。
长周期：在纤维轴方向片晶和非晶能重复出现的最短距离，即片晶和非晶的平均厚度之和 缚结分子：连结至少两个晶体的分子。
初期结晶：是指液态或气态初步形成晶体的过程预先成核：晶核预先存在，成核速率与时间无关。
二、概念的区别与联系（4对）1、微构象与宏构象微构象：分子中的一小部分由于一个或数个键的内旋转所引起的构象。
宏构象：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。
2、玻璃化转变温度与熔融温度玻璃化转变温度：非晶态聚合物或部分结晶聚合物中非晶相发生玻璃化转变所对应的温度。
熔融温度：晶体物质由固态向液态转变时固液两相共存的温度。
3. 应力与应变应力：受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。
应变：物体内任一点因各种作用引起的相对变形。
4、质量结晶度与体积结晶度质量结晶度：X-射线被高聚物中原子散射的强度与原子所处的状态无关，原子的聚集状态只决定衍射线的位置与形状，不影响总强度。
因此可以认为非晶部分的质量与结晶部分的质量之比，等于非晶部分的衍射强度与结晶部分的衍射强度之比。
即(m m m a a c c I I I ∝∝∝,,)。
理论上，只要知道晶区和非晶区衍射的X 射线的总强度，就可计算结晶度。
在实际工作中，只能在一定的角度范围收集衍射强度数据，无法收集到样品衍射或散射X 射线的总强度。
这样，在所收集的数据中，晶区或非晶区对衍射强度的贡献可能偏高或偏低。
所以，应加入比例常数 即c a ca I I k m m =，a c c a c c x c kI I I m m m w +=+=,，式中， K 为比例常数。
体积结晶度： 用X-射线衍射法体积结晶度。
根据微原纤结构模型即可测得结晶度L Dx c =,φ式中，D 为晶片厚度，L 为长周期。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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”。
体积、极性会影响聚合物的热性能和力学性能 聚合物的结构与性能
➢支链 branch
由聚合生成：结构与主链相同 与侧基的区分:侧基化学结构与主链不同
会影响聚合物的规整性，从而影响热性能和力学性能
聚合物的结构与性能
2) 构型 构型（configuration）是指分子中由化学键 所固
定的原子在空间的排列，改变构型必须经过化学键的断 裂和重组。
CH2
CH2
PE,PP,PVC, PMMA，PTFE等 特点：不溶于水，可塑性（可加工性）好但耐热性差。
聚合物的结构与性能
(B) 杂链高分子（除C以外，还含N，O，S）
O
CH2
C
CH2
＝
CH2
CH2
CH2
NH
CH2 CH2
C
NH CH2 CH2
＝
O
尼龙
PET,PPO,PSV,POM,PPS，等
都有极性，易水解、醇解；耐热性比较好，强度高 常用作工程塑料。
顺式
重复周期：0.816Å
CH2 C CH2 C CH2 C CH2 C CH2 C
C
CH2 C CH2 C
CH2 C
CH2 C
反式
聚合物的结构与性重能 复周期：0.48Å
C. 旋光异构
R nC H 2 C H
R
C H 2
C H
*n
因内、外消旋作用，所以大部分无旋光性; 但有些 生物高分子具有旋光性
聚合物的结构与性能
主链化学元素不同，性能、应用不同
PE
-68°C
Tg
拉伸强度
PA66
47°C
聚合物的结构与性能
22～39MPa 75～85MPa
主链键接原子不同，性能亦不同
PTFE：－CF2－CF2－
氟原子吸引电子和束缚电子云的能力最强 而且氟原子的原子半径小、电子云密度大、电子云流动性小，难极
聚合物的结构与性能
(C) 元素高分子（主链不含C）
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
Si
Si
Si
Si
Si
Si
O
O
O
O
O
O
聚二甲基硅氧烷
具有无机物的热稳定性和有机物的弹塑性，强度较低。
聚合物的结构与性能
➢端基(end group)
不影响力学性能，但影响热稳定性，化学稳定性
化，与碳原子形成的C-F键的键能比C-H键大， C-F键稳定，不易被破坏。有机氟高分子特有的“α—氟代效应”，使
与C-F键相邻的化学建均得到加强； 同时，氟原子的电子云对高分子主链（碳链）有强的屏蔽作用，这
种强屏蔽作用对有机氟高分子（如，聚四氟乙烯等）主链起到了保 护作用，这种特殊的高分子结构可赋予有机氟高分子及其制品诸多 优异性能。
高聚物不同的异构体
旋光异构
几何异构
影响链的立构规整性
分子链排列
聚合物的结构与性能
键接异构
A.键接异构
Head-to-tail
Head-to-head
Tail-to-tail
聚合物的结构与性能
B.几何异构(顺反异构)
CH2
CH2 C＝C CH2
CH2 C＝C
C＝C CH2
CH2 C＝C CH2
CH2
Conformation and molecular weight
晶态、非晶态、取向态、液晶态及织态等
Structure of
Crystalline state, amorphous state, orientating
aggregation state state, liquid-crystalline state
HO-CH2-CH=CH-CH2-
❖可用来测分子量
-CH2-CH=CH-CH2-OH
聚合物的结构与性能
➢侧基 (side group)
由单体带入的与主链相接的基团
例：－(CH2－CH)－
聚苯乙烯中的苯环
CH 3 ｜ －(CH2－C)－ ｜
C=O ｜ OCH3
聚甲基丙烯酸酯中的甲基和酯基 (C4H9)
聚合物的结构与性能
主链相同, 侧基不同时，性质也会不同
PVC, Tg=87°C PP, Tg= -10°C PS, Tg= 100°C
聚合物的结构与性能
第三章
聚合物的结构与性能
聚合物的结构与性能
软
ห้องสมุดไป่ตู้
硬
聚合物的结构与性能
塑
橡
纤
料
胶
维
聚合物的结构与性能
民
工
航
用
业
天
聚合物的结构与性能
丰富多彩的高分子世界
高分子结构的多样性
聚合物的结构与性能
§3-1.高分子化合物的结构
聚合物的结构与性能
聚合物是由许多高分子链聚集而成，其结构分两方面: （1）单个高分子链的结构（决定本体性能） （2）许多高分子链堆砌在一起--聚集态（决定实际性能）
单根链
结构单元
长链分子
许多链堆砌
聚合物的结构与性能
近程结构 （一级结构）
结构单元的化学组成、连接顺序、 立体构型，以及支化、交联等
链结构
Configuration
聚
合 物
Chain structure
远程结构 （二级结构）
高分子链的形态（构象）以及高分 子的大小（分子量）
的
结
构
聚集态结构
（三级结构）