高分子物理课程论文

高分子物理课程论文（针对分子结构）摘要人类的生存与进步始终同高分子相联系。最早可追溯到人类对谷物、肉类、毛皮、棉和麻等今天我们称之为淀粉、蛋白质和纤维素等这些天然高分子的利用。但是，高分子被赋予真正正确的含义并为人们所接受则是２０世纪３０年代的事。至２０世纪４０年代，基本上奠定了现代高分子科学的基础，其研究对象主要集中于人工合成的高分子化合物。高分子科学是研究高分子化合物的合成、结构、性能、加工与应用的一门学科。它既是一门基础科学，同时又是一门应用科学。从一种合成材料的形成与应用的过程来看：首先，要选择合适的单体和适当的聚合手段使之聚合成高分子化合物，或者把已有的天然的或合成的高分子进行适当的化学修饰，为此要进行有关聚合反应机理、聚合方法、高分子的化学反应、反应动力学以及热力学等问题的研究，这是“高分子化学”的研究领域。关键字：高分子，结构，性能一、高分子科学的建立与发展早在１９世纪，人们对高分子领域的某些物质的特性已经有了一定的认识并进行了许多有益的探索。１８２６年Ｆａｒａｄａｙ就指出天然橡胶的化学实验式为Ｃ５Ｈ８，并明确了每一个单元含有一个双键。１８３９年Ｓｉｍｏｎ发现苯乙烯加热可由液体转变为固体等人使环氧乙烷开环聚合成低分子量的聚合物６的物质，并设想该物质为链状结构。Ｇｒａｈａｍ等发现了粘乌酸等物质的极缓慢的扩散速率及具有半透性等特性。在１８７７年，Ｋｅｋｕｌé曾提出了蛋白质、淀粉和纤维素等与生命有关的天然有机物的长链结构，认为这种特殊结构乃是造成其特殊性质的根源。１９２０年，Ｓｔａｕｄｉｎｇｅｒ发表了“论聚合作用”的著名论文，论述了聚合过程是小分子彼此之间以共价键结合而成为长链分子的过程。指出高分子溶液的“胶体”性质其根源在于单体以共价键结合而成的“分子胶体”，这在结构上同小分子缔合形成的胶体状态着本质区别。。他提出了聚苯乙烯、聚甲醛和天然橡胶等聚合物的链式结构并说明了它们的分子链长短各异、有一定的分布的概念。此后，Ｓｔａｕｄｉｎｇｅｒ又做了一系列卓有成效的工作，澄清了许多事实，在同流行甚广的胶体缔合学说的论争中确立了大分子这一概念的地位。进入２０世纪３０年代，高分子学说已普遍为人们所接受。１９５３年Ｓｔａｕｄｉｎｇｅｒ以“链状大分子物质的发现”而荣获诺贝尔化学奖。高分子学说的建立，有力地促进了高分子科学研究以及高分子化学工业的发展。为说明大分子的长链状结构，Ｇａｒｏｔｈｅｒｓ从１９２９年起以有机小分子的逐步缩合合成高分子化合物，使得他在１９３５年发明了性能比蚕丝还好的合成纤维———尼龙次把统计理论用于高分子，得到了长链分子无规裂解的产物的分子量分布公式，并提出了柔性高分子的无规线团构象的正确概念。二次世界大战以后，高分子科学体系已经形成，聚合反应过程的许多问题得到了澄清，科学家们达到了共识，有效地促进了橡胶和塑料加工技术的发展，合成纤维工业也有了新的进步。同时发展了对复杂高分子及其凝聚态的表征的新方法，衍射和散射技术、波谱技术等在高分子研究中也得到了广泛的应用。2０世纪７０年代以来，高分子科学的实验手段在获取信息量和结果精确度两方面都有了新的发展与完善，隧道扫描电镜和原子力显微镜的发明可使人们从原子尺度上观测高分子材料的表面型貌和单个分子链结构中子散射技术的应用使得研究高分子在本体中的链构象问题成为可能。ｄｅＧｅｅｎｓ因“超导体、液晶与聚合物研究”获１９９１年诺贝尔物理奖。另一项是本征型导电高分子材料研究的飞跃性进展，Ｈｅｅｇｅｒ、ＭａｃＤｉａｒｍｉｄ和白川英树因此获得２０００年诺贝尔化学奖。高分子除了具有优异的力学性能之外还在生物、药物及具有光、电、热激变化特性的各种功能材料的发展业已展现了灿烂前景，从而为高分子物理的研究提供了诸多有待开拓的新天地，吸引着人们献身于高分子事业。二、高分子链结构高分子链结构是指单个高分子的结构。考虑分子片断这一层次，我们要讨论的问题是：链节的元素组成、各组成单元之间的位置关系、分子构型、交联与支化等，把它们称之为高分子的近程结构或化学结构。高分子的化学结构从根本上决定了材料的性质，通过化学结构的改变可在极宽的幅度内调节高分子材料的性能以满足不同需求，从而成为高分子设计的基础。2.1高分子的近程结构高分子化合物是由聚合单体的部分或全部元素合而形成的根据构成高分子主链的原子不同，可把高分子分成下列几类：碳链高分子、杂链高分子、元素高分子侧基是同高分子主链连接而分布在主链旁侧除氢以外的其他原子或原子团，主要有卤素、羟基、烷基、烷氧基、羧基、酯基和芳基等。这些基团同样是决定高分子性能的十分重要的因素，一根高分子链要带有两个端基，我们称之为线链。线链之间可以相对移动，因而有较好的流动性。热塑性高分子多具有线链结构。高分子还可形成支化或交联结构，这样的分子链我们称之为支链和网链支化高分子根据支链的长短可分为短支链支化和长支链支化；根据支化规律又可分为梳型、星型和无规支化等类型。共聚物是由两种或两种以上结构单元组成的高分子，不同种类的结构单元之间受聚合条件和聚合机理的限制可有多种排列方式，从而造成复杂的序列结构。以Ａ，Ｂ表示两种链节，它们的共聚物序列有2.2分子量的统计分析高分子是由数目庞大的小分子聚合得到的高分子量的化合物。正是因为它的极高的分子量使其物理性能同小分子有质的差别。聚合物材料的性能在一定范围内随分子量的增大而提高，为此我们期望聚合物材料有较高的分子量。另一方面，太高的分子量又给材料加工造成困难。兼顾到材料的使用性能与加工性能两方面的要求，高分子的分子量大小应控制在一定范围之内。高分子的分子量包括：数均分子量，重均分子量，粘均分子量等几种。为了描述多分散的高分子分子量的分散程度，需要知道其分子量的分布情况。有时为方便起见，常用分布宽度指数σ２来表征高分子分子量的分散性。σ２指的是试样中各物种的实际分子量同试样的平均分子量的差值的平方的平均值。分子量分布越宽，σ２越大。下面我们推导σ２同平均分子量的关系。2.3链末端距和回转半径远程结构是关于整个高分子链的结构，是高分子链结构的第二个层次。远程结构的研究内容包括高分子链的质量和构象两个方面。一个很长的高分子链，通常含有数目众多的σ键，这种σ键的轴对称性使得以σ键相连的两原子可相对旋转而不影响σ键的电子云分布。为了同整个分子的转动相区别，把这种关于σ键的转动称为分子内旋转。高分子链上的单键内旋转必然改变其他键的空间取向从而改变键结构单元上的各原子的空间位置。2.4高分子链结构所谓构象就是指由于高分子链上的化学键的不同取向引起的结构单元在空间的不同排布。这种排布状态的改变并不改变分子链的化学结构，只需键的旋转角发生变化即可实现，所需能量较容易满足。分子的热运动可使其构象状态每时每刻都在发生变化，寿期为１０－１１～１０－１２ｓ数量级。2.5均方末端距的几何计算１．伸展链除了少数棒状分子只有一种直链型构象外，大多数分子其直链构象只是它的无数种构象中的一种，不能代表分子的平均尺寸。了解高分子链在充分伸展状态下的末端距的目的在于把它同分子的平均末端距比较从而了解分子链的蜷曲程度。２．自由连接链（理想链）考虑一个均链高分子，主链上各键的键长均为ｂ，键向量以ｂ表示，３．受限链高分子主链各原子是以共价键相连接，而共价键是带有方向性的。如碳碳键相邻夹角为１０９．５°，因此在真实分子链中键的取向不可能是任意的。如果只考虑键角的限制，并假定分子链中键角是固定的，而每个键在固定键角所允许的方向上可自由旋转，这种链称为自由旋转链。2.6高分子链柔性链柔性来源于链构象变化，它可以分为静态柔性和动态柔性两个方面。态柔性又称平衡态柔性，指的是高分子链处于较稳定状态时的蜷曲程度。在一个高分子长链中，每一个σ键都可能取反式、左旁式或右旁式三种较稳定的状态。动态柔性又称动力学柔性，指的是分子链从一种平衡态构象转变成另一种平衡态构象的容易程度。构象转变越容易，转变速率越快，则分子链的动态柔性越好。反式构象与旁式构象2.7影响链柔性的结构因素高分子链的柔性是因为它可以有数目巨大的构象。高分子的分子结构决定了实现其可能构象的难易，因而直接影响高分子链柔性。１．主链结构在碳链高分子中，以碳氢化合物的极性最小，分子间相互作用小，有较小的内旋转势垒，因而多具较大的柔性。如聚乙烯是典型的柔性高分子。２．侧基侧基对链柔性的影响很大。例如聚乙烯和其他α取代单烯聚合物主链结构完全相同，但性能千差万别，根源显然在于侧基的不同。３．其他因素若高分子的分子内和分子间有强烈的相互作用，则使分子运动受阻，链刚性增加。若分子链的规整性提高则使之容易产生规则堆砌而形成结晶，而高分子结晶将把其构象予以固定，从而使柔性降低。链柔性的评价通常用以下参数来评价．刚性因子σ刚性因子定义为无扰状态的均方末端距或回转半径同自由旋转状态的均方末端距或回转半径的比值的平方根２．特征比Ｃ特征比定义为?Ｒ２?０同自由连接的均方末端距的比值３．统计链段长度ｂｅｂｅ是等效于自由连接链的链段平均长度，反映了键取向受阻情况，受阻越严重，ｂｅ越大，链柔性越差。对于化学键只能有一种特定取向的刚性高分子，ｂｅ最大，等于整个分子的长度。三、结论与展望本论文主要了解高分子物理的研究热点内容，从其定义入手研究，通过对高分子的结构进行分析以及应用，高分子科学的前沿与展望得知，未来高分子物理的发展，应注意吸收物理学和数学领域的新概念、新理论、新成就来开拓今后高分子物理的研究，通过本论文的研究较好的认识到高分子物理对人们的生活有深远的影响，高分子物理对社会的发展与进步有着不可忽视的重要作用。