四川大學(xué)高分子物理課件第一章高聚物的鏈結(jié)構(gòu)1目錄高聚物鏈結(jié)構(gòu)基本概念高聚物鏈結(jié)構(gòu)表征方法高聚物鏈結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系不同類型高聚物鏈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高聚物鏈結(jié)構(gòu)改性方法高聚物鏈結(jié)構(gòu)研究前沿與挑戰(zhàn)201高聚物鏈結(jié)構(gòu)基本概念3010203無(wú)規(guī)線團(tuán)構(gòu)象分子鏈呈無(wú)規(guī)線團(tuán)狀，鏈段運(yùn)動(dòng)自由，構(gòu)象熵大。折疊鏈構(gòu)象分子鏈局部折疊，形成緊密排列的鏈段，構(gòu)象熵減小。螺旋鏈構(gòu)象分子鏈呈螺旋狀排列，鏈段運(yùn)動(dòng)受限，構(gòu)象熵進(jìn)一步減小。高聚物分子鏈構(gòu)象4指分子鏈在平衡態(tài)下的構(gòu)象變化能力，與鏈結(jié)構(gòu)、鏈長(zhǎng)、支化度、交聯(lián)度等因素有關(guān)。靜態(tài)柔順性指分子鏈在外力作用下的構(gòu)象變化能力，與溫度、外力大小、作用時(shí)間等因素有關(guān)。動(dòng)態(tài)柔順性高聚物分子鏈柔順性5分子鏈呈直線狀，鏈段運(yùn)動(dòng)自由，易結(jié)晶。線型鏈支化鏈交聯(lián)鏈分子鏈帶有支鏈，支鏈長(zhǎng)度和數(shù)量影響結(jié)晶能力和物理性能。分子鏈間通過(guò)化學(xué)鍵連接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，鏈段運(yùn)動(dòng)受限，不易結(jié)晶。030201高聚物分子鏈形態(tài)602高聚物鏈結(jié)構(gòu)表征方法7利用X射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，通過(guò)分析衍射圖譜獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。X射線衍射原理通過(guò)X射線衍射法可以測(cè)定高聚物的晶胞參數(shù)、鏈構(gòu)象、鏈的取向和有序程度等。高聚物鏈結(jié)構(gòu)測(cè)定X射線衍射法具有高分辨率、無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于非晶態(tài)高聚物的結(jié)構(gòu)表征較為困難。優(yōu)點(diǎn)與局限性X射線衍射法8中子與物質(zhì)相互作用時(shí)，通過(guò)測(cè)量中子散射角度和能量變化來(lái)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)。中子散射原理中子散射法可用于測(cè)定高聚物的鏈構(gòu)象、鏈間距離、鏈段運(yùn)動(dòng)等信息。高聚物鏈結(jié)構(gòu)測(cè)定中子散射法對(duì)輕元素敏感，能夠彌補(bǔ)X射線衍射法的不足，但實(shí)驗(yàn)條件較為苛刻，且數(shù)據(jù)分析復(fù)雜。優(yōu)點(diǎn)與局限性中子散射法9

電子顯微鏡法電子顯微鏡原理利用電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生各種信號(hào)，通過(guò)接收和分析這些信號(hào)來(lái)研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。高聚物鏈結(jié)構(gòu)測(cè)定電子顯微鏡法可以直觀地觀察高聚物的鏈形態(tài)、鏈段排列和缺陷等。優(yōu)點(diǎn)與局限性電子顯微鏡法具有高分辨率、直觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但制樣過(guò)程復(fù)雜，且對(duì)樣品有損傷。10核磁共振法利用核磁共振現(xiàn)象研究高聚物的分子結(jié)構(gòu)和鏈段運(yùn)動(dòng)。紅外光譜法通過(guò)測(cè)量高聚物的紅外吸收光譜，研究其分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析法通過(guò)測(cè)量高聚物在不同頻率和溫度下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，研究其鏈結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)。其他表征方法1103高聚物鏈結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系12鏈的柔順性01鏈的柔順性決定了高聚物的彈性模量和韌性。柔順性好的高聚物鏈段運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，容易在外力作用下發(fā)生形變，從而表現(xiàn)出較低的彈性模量和較好的韌性。鏈的極性02鏈的極性對(duì)高聚物的力學(xué)性能有顯著影響。極性高聚物分子間作用力大，內(nèi)聚能密度高，因此具有較高的拉伸強(qiáng)度和硬度。而非極性高聚物則相反。鏈的交聯(lián)03交聯(lián)可以提高高聚物的力學(xué)性能，尤其是耐磨性和抗撕裂性。適度的交聯(lián)可以增加分子間的聯(lián)系，提高材料的整體性，從而改善力學(xué)性能。鏈結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系13123高聚物鏈的熱運(yùn)動(dòng)能力決定了其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)。鏈段運(yùn)動(dòng)能力越強(qiáng)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)越低。鏈的熱運(yùn)動(dòng)極性高聚物分子間作用力大，內(nèi)聚能密度高，因此具有較高的熱穩(wěn)定性和耐熱性。而非極性高聚物則相反。鏈的極性支化可以降低高聚物的結(jié)晶度，提高其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)。同時(shí)，支化也可以增加分子間的空隙，降低熱導(dǎo)率。鏈的支化鏈結(jié)構(gòu)與熱性能關(guān)系14鏈的流動(dòng)性高聚物鏈的流動(dòng)性決定了其加工性能。流動(dòng)性好的高聚物容易在加工過(guò)程中流動(dòng)和變形，有利于加工成型。鏈的極性極性高聚物分子間作用力大，內(nèi)聚能密度高，因此加工時(shí)需要的溫度和壓力較高。而非極性高聚物則相反。鏈的支化和交聯(lián)支化和交聯(lián)可以影響高聚物的加工性能。適度的支化和交聯(lián)可以改善高聚物的加工性能，提高其熔體強(qiáng)度和粘度穩(wěn)定性。但過(guò)度的支化和交聯(lián)則會(huì)使加工困難。鏈結(jié)構(gòu)與加工性能關(guān)系1504不同類型高聚物鏈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1603可溶性由于線型高聚物分子間相互作用力較弱，因此具有較好的可溶性，能在適當(dāng)?shù)娜軇┲腥芙狻?1鏈狀分子形態(tài)線型高聚物由長(zhǎng)鏈分子構(gòu)成，分子鏈呈線性排列，無(wú)支鏈或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。02分子量分布線型高聚物的分子量具有多分散性，即分子量分布在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)。線型高聚物鏈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)17支鏈結(jié)構(gòu)支化高聚物在主鏈上帶有支鏈，支鏈長(zhǎng)度和數(shù)量可不同，使分子呈現(xiàn)三維空間結(jié)構(gòu)。分子量分布支化高聚物的分子量分布也較寬，但相對(duì)于線型高聚物而言，其多分散性可能較小。物理性質(zhì)支鏈的存在會(huì)影響高聚物的物理性質(zhì)，如熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等，通常會(huì)使這些性質(zhì)發(fā)生變化。支化高聚物鏈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)18交聯(lián)高聚物通過(guò)化學(xué)鍵或物理交聯(lián)點(diǎn)將不同分子鏈連接在一起，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在，交聯(lián)高聚物通常不溶于任何溶劑，也不具有明確的熔點(diǎn)。不溶不熔性交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)高聚物的物理性質(zhì)有顯著影響，如提高硬度、彈性模量和耐化學(xué)腐蝕性等。物理性質(zhì)交聯(lián)高聚物鏈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1905高聚物鏈結(jié)構(gòu)改性方法20通過(guò)共聚反應(yīng)引入特定功能的單體，改變高聚物的鏈結(jié)構(gòu)和性能。共聚改性在高聚物主鏈上接枝其他聚合物鏈，形成支化或交聯(lián)結(jié)構(gòu)，改善性能。接枝改性通過(guò)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)使高聚物鏈間形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。交聯(lián)改性化學(xué)改性方法21填充改性在高聚物中添加無(wú)機(jī)或有機(jī)填料，提高力學(xué)性能、降低成本或賦予特殊功能。增強(qiáng)改性通過(guò)添加纖維、晶須等增強(qiáng)材料，顯著提高高聚物的力學(xué)性能和耐熱性。共混改性將不同種類的高聚物混合，通過(guò)相容性和協(xié)同效應(yīng)改善性能。物理改性方法22多層復(fù)合改性采用多層復(fù)合技術(shù)，將不同功能的高聚物層層疊加，實(shí)現(xiàn)性能的疊加和優(yōu)化。納米復(fù)合改性利用納米技術(shù)，將納米粒子均勻分散在高聚物基體中，顯著提高力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和其他特殊功能?；瘜W(xué)-物理復(fù)合改性結(jié)合化學(xué)改性和物理改性的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)共聚、接枝等化學(xué)反應(yīng)和共混、填充等物理手段協(xié)同改善高聚物性能。復(fù)合改性方法2306高聚物鏈結(jié)構(gòu)研究前沿與挑戰(zhàn)24利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬方法，深入研究高聚物鏈的構(gòu)象變化和鏈柔順性，揭示鏈結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。鏈構(gòu)象與鏈柔順性研究針對(duì)高聚物鏈纏結(jié)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問(wèn)題，發(fā)展新的理論模型和實(shí)驗(yàn)方法，探索鏈纏結(jié)的形成機(jī)制及其對(duì)高聚物性能的影響。鏈纏結(jié)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模擬手段，研究高聚物鏈在不同條件下的動(dòng)態(tài)行為和流變性能，為高分子材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。鏈動(dòng)態(tài)行為與流變性能研究高聚物鏈結(jié)構(gòu)研究前沿25鏈結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的深入理解雖然鏈結(jié)構(gòu)對(duì)高聚物性能有重要影響，但目前對(duì)鏈結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理解仍不夠深入，需要進(jìn)一步探索。多尺度模擬方法的發(fā)展與應(yīng)用高聚物鏈結(jié)構(gòu)涉及多個(gè)尺度，如何發(fā)展有效的多尺度模擬方法，并將其應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的研究，是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)之一。復(fù)雜鏈結(jié)構(gòu)的精確表征高聚物鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，如何精確表征不同鏈結(jié)構(gòu)的形態(tài)和尺寸，是當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)之一。高聚物鏈結(jié)構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)26未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)未來(lái)研究將更加注重跨尺度模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)合，通過(guò)模擬預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。