高分子物理基本概念汇总

高分子物理基本概念高分子科学发展历史•1806橡胶热弹性效应•1920H.Staudinger提出大分子•1932高分子学科创立•1953H.Staudinger获诺贝尔化学奖（高分子学说）•1963Zegler,Natta获诺贝尔化学奖（高分子定向聚合）•1974P.J.Flory获诺贝尔化学奖（高分子溶液）•1983Merrifield获诺贝尔化学奖（固相法合成多肽）•1991deGennes获诺贝尔化学奖（标度理论、凝聚态物理）•2000A.J.Heeger、MacDiarmid、白川英树获诺贝尔化学奖（导电高分子）第一章高分子的链结构•支化度：两相邻支化点之间链的平均分子量来表示支化的程度•交联度：用相邻两个交联点之间的链的平均分子Mc来表示•交联点密度：交联的结构单元占总结构单元的分数•均聚物：由一种单体聚合而成的高分子称为均聚物•共聚物：由两种或两种以上的单体聚合而成的高分子则称为共聚物。•热塑性弹性体：一种在常温为橡胶高弹性、高温下又能塑化成型的高分子材料。•构造：分子中原子的种类和排列、结构单元的排列顺序、支链的类型和长度等。•构型：分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。•构象：由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。•等规度：全同或间同立构单元所占的百分数。•等规度的测定方法：萃取法、核磁共振谱法。•柔顺性：高分子链能改变其构象的性质。•链段：高分子链上能够独立运动的最小单元称为链段。•末端距：线形高分子链的一端到另一端的直线距离，用h表示。•自由结合链均方末端距：•自由旋转链均方末端距：•无扰均方末端距：θ条件下实测的高分子的均方末端距，以表示。•根均方末端距：•均方旋转半径：•刚性因子：σ越大，空间位阻越大，柔顺性越小；反之柔顺性越大。•分子无扰尺寸：A越小，分子越柔顺。•极限特征比：越小，链越柔顺。•链的伸直长度：第二章高分子的聚集态结构•近程有序：围绕某一质点的最近邻质点的配置有一定的秩序。•远程有序：质点在一定方向上，每隔一定的距离周期性重复出现的规律。•小分子的三个基本相态：晶态、液态、气态•小分子的两个过渡态：玻璃态、液晶态•分子间作用力：范德华力：静电力、诱导力、色散力；氢键：分子间、分子内。•高分子聚集态：分子链之间的排列和堆砌结构。•内聚能：指一摩尔分子聚集在一起的总能量，等于使同样数量分子分离的总能量。•内聚能密度：单位体积的内聚能一般用间接方法测量，CED290橡胶，290CED400塑料，CED400纤维。•结晶结构研究对象是高分子的构象和晶胞。结晶形态研究对象是单个晶粒的大小、形状以及聚集方式。•晶胞的主轴（C方向）：在C方向上，原子间以化学键键合，而在空间其它方向上，则只有分子间力，因此在合成高聚物的晶体中不出现立方晶系，而其它六种晶系均存在。•结晶度越大，高聚物越不透明，因为光线在晶区和非晶区界面发生光散射。•不结晶的聚合物：PS、PMMA、PC、以及所有热固性塑料、共聚物•低结晶度PVC，结晶很慢PET，室温非晶态NR•结晶敏感温度区域：Tg+30℃TTm+10℃•结晶度:试样中结晶部分的重量百分数或体积百分数。测量方法：密度法、X射线衍射法•结晶速度：某温度下结晶过程进行到一半时所用的时间t1/2的倒数。•取向：在外力作用下，分子链或其他结构沿外力方向择优排列。•取向态和结晶态的异同：相同：都与高分子有序性相关；相异：取向态是一维或二维有序，结晶态是三维有序。•聚合物取向方法：薄膜：双轴拉伸或吹塑；管材：熔融挤出。•取向度的的测定方法：双折射法、声速法、X光衍射法、SALS、红外二向色性法。•液晶态：晶态向液态转化的中间态，既具有晶态的有序性，又具有液态的连续性和流动性。处于液晶态的高聚物为高分子液晶。•热致性液晶：受热熔融形成各向异性熔体•溶致性液晶：溶于某种溶剂而形成各向异性的溶液。•聚合物合金：通过简单的工艺过程把两种或两种以上的均聚物或共聚物或不同分子量、不同分子量分布的同种聚合物混合而成的聚合物材料。•共混高聚物的制备方法：机械共混、溶液共混、乳液共混、溶液接枝共混、熔融接枝共混、嵌段共混。•均相体系：二组分在分子水平上互相混合。•非均相体系：二组分不能达到分子水平混合，各自成一相。第三章高分子溶液•溶液分类：极稀溶液，浓度低于1％，分子量的测定一般用极稀溶液；稀溶液：浓度在1％～5%；浓溶液：浓度5%。•溶胀度（溶胀比）：交联高达到溶胀平衡后的体积与溶胀前的体积之比。溶胀度等于溶质体积分数的倒数。•溶胀度与交联度：交联度大，溶胀度小；交联度小，溶胀度大。•Hildebrand溶度公式•理想溶液：溶液中，溶剂分子间、溶质分子间、溶质分子与溶剂分子间作用力都相等，溶解过程中没有体积变化及热焓变化，溶液的蒸汽压服从拉乌尔定律。•Huggins参数：是表征溶剂分子与高分子相互作用程度大小的量，数值在-1～1之间。表示把一个溶剂分子放入高聚物中时引起的能量变化。•θ条件（θ状态）：在某一温度下聚合物溶于某一溶剂中，高分子溶液，在宏观上看热力学性质遵从理想溶液，但是微观状态仍然是非理想的，混合热和混合熵均不为零，只是两者的效应刚好抵消，此时，高分子处于无扰状态，排斥体积为零。该条件称为θ条件，此时用的溶剂称为θ溶剂，此时的温度称为θ温度。当溶剂选定以后，可以改变温度以满足θ条件；或选定某一温度后改变溶剂的品种，也可以利用混合溶剂，调节溶剂的成分以达到θ条件。•溶剂的过量化学位：高分子溶液中溶剂的化学位变化与理想溶液中溶剂的化学位变化之差。•扩张因子（溶胀因子）α：表示高分子链扩张的程度，•第二维利系数A2：表明高分子溶液与理想溶液的偏离程度。它与χ1一样来表征高分子链段之间以及链段与溶剂分子间的相互作用，可以从实验中得到。•观察高聚物相容性的方法：直接观察共混物的透光性；用TEM或SEM观察分散相粒子大小；测量共混物的Tg的变化。221,121)21(mVA•增容方法：原位增容、加入第三组分。•增塑：高聚物中加入高沸点，低挥发性，并能与高聚物相混容的小分子物质而改变其力学性质的行为。•增塑剂：添加到线性高聚物中使其塑性增大的物质。具有高沸点、低挥发性。•增塑剂的选择原则：混溶性要好、耐久性、低廉无毒、有效性。•熔融纺丝：将聚合物熔融，然后由喷丝头喷成细流，经冷凝或凝固成纤维。如锦纶、涤纶。•溶液纺丝：将聚合物溶解在适当的溶剂中配成浓溶液，然后由喷丝头喷成细流，经冷凝或凝固成纤维。如PP、PVA、PVC、醋酸纤维素、硝酸纤维素。•凝胶：是高分子链之间以化学键形成的交联结构的溶胀体，加热不熔融也不溶解，有高弹性，自然界的生物体都是凝胶。•冻胶：由范德华力交联形成的，加热可以拆散这种范氏力的交联使冻胶溶解。•分子内冻胶：交联发生在分子链内，溶液粘度小、浓度高，分子链自身卷曲，不易取向，在配纺丝液时要防止这种情况发生。•分子间冻胶：交联发生在分子链之间，溶液粘度大、浓度高。•聚电解质溶液：在结构单元上含有可离解基团的一类高聚物所形成的溶液。如聚丙烯酸、聚氨基乙烯等。•聚电解质溶液特点：相对分子质量大，可离解成离子，存在静电吸引与排斥，溶液不稳定。•聚电解质溶液的应用：絮凝剂、分散剂、催化剂、增稠剂。第四、五章高聚物分子量及分子量分布•高聚物分子量的特点：分子量在103-107之间；分子量不均一，具有多分散性，分子量只有统计意义。•多分散系数：表征高聚物分子量的分散程度，d越大，说明分子量越分散，d＝１，说明分子量呈单分散。•分子量测量方法：端基分析法、溶液依数性法、渗透压法、气相渗透法、光散射法、粘度法。•Mark-Houwink方程：当聚合物、溶剂和温度确定以后，特性粘度仅由试样的分子量M决定：其中，K为粘度常数，与高分子在溶液中的形状和链段长度、结构单元长度有关；α与高分子在溶液中的形态有关，在良溶剂中，α接近0.8，在θ溶剂中，α=0.5，在不良溶剂中α0.5。•常用粘度计：毛细管粘度计（包括奥氏粘度计、乌氏粘度计）、落球式粘度计、旋转式粘度计•分子量分布的研究方法：理论推导法、试验分级法（沉淀分级法、溶解分级法、梯度淋洗法、扩散速度法、沉降平衡法、沉降速度法、凝胶渗透色谱法），凝胶渗透色谱又称为排斥体积色谱（SEC）。•高分子的分子量分布中，低分子量部分对数均分子量影响较大，高分子量部分对重均分子量影响较大。第六章高聚物的分子运动和力学状态•松弛过程：高分子在外场下，物体以一种平衡状态通过高分子运动过渡到与外场相适应的新的平衡态的过程称为松弛过程，完成这个过程所需要的时间叫松弛时间。•温度对高分子运动的两个作用：使运动单元动能增加，令其活化；温度升高，体积膨胀，提供了运动单元可以活动的自由空间。•时温等效原理：升高温度与延长时间对分子运动或高聚物的粘弹行为都是等效的，这个等效性可以借助转换因子aT，将在某一温度下测定的力学数据转换成另一温度下的数据。•Tg定义：玻璃态向高弹态转变的温度，即链段开始运动或冻结的温度。•Tg的实用意义：可用来确定热塑性塑料的最高使用温度和橡胶的最低使用温度。•Tf定义：高弹态和粘流态之间的转变温度，即整链开始运动的温度。•WLF方程：应用范围为Tg～Tg+100K。•Tg的测量方法：膨胀计法、差热分析法（DTA）、示差扫描量热法（DSC）。•剪切力σ：单位面积上所受到的阻力。•剪切速率：流体的流动速度相对圆流道半径的变化速率，等于两液层的流速差与两液层的距离之比。•牛顿流体：体系粘度不随剪切力和剪切速率的大小而改变的流体。•非牛顿流体：粘度η不再是常数，剪切力和剪切速率之间不再呈直线关系。•剪切变稀：大多数高聚物熔体和浓溶液属于假塑性流体，其粘度随剪切速率的增大而减小，即剪切变稀。•剪切变稠：溶胀性流体与假塑性流体相反，其粘度随着剪切速率的增大而增大，即剪切变稠。•非牛顿流体分类：宾汉塑性体、假塑性体、膨胀体。•粘流活化能：流动过程中，流动单元（链段）用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。柔性较好的线型高分子材料粘流活化能较低，反之则较高。•流变性：在外力作用下，熔体不仅表现出粘性流动，而且也表现出弹性形变，也就是高聚物的熔体既表现出粘性，又表现出弹性，又称为粘弹性。•流体流动方式：层流、单轴拉伸流动及流体静压强下流动。•高聚物流动性的表征参数：剪切黏度、拉伸黏度、熔融指数。•熔融指数（MI）：在一定温度下，熔融状态的高聚物在一定负荷下，10min内从规定直径和长度的标准毛细管中流出的重量（g）。MI越大，熔体流动性越好。•幂律方程：大多数高分子熔体和浓溶液，在通常加工过程剪切速率范围内剪切应力与剪切速率满足如下经验公式：其中，n为材料的流动指数或非牛顿指数，对牛顿型流体n=1，对假塑性流体n1。材料的非牛顿性（非线性性质）越显著，n值越小，如剪切速率增大、温度下降、分子量增大、填料量增多等均可使n下降。K是与温度有关的粘性参数。•高分子液体流动中的弹性效应：韦森堡效应、挤出物胀大、流动的不稳定和熔体破裂无管虹吸，拉伸流动。第七章聚合物的力学性能•力学行为：指施加一个外力在材料上，它产生怎样的形变（响应）•形变性能：非极限情况下的力学行为•断裂性能：极限情况下的力学行为•弹性：对于理想弹性体来讲，其弹性形变可用虎克定律来表示，即：应力与应变成正比关系，应变与时间无关•粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理想的粘性流体其流动形变可用牛顿定律来描述：应力与应变速率成正比•普弹性：大应力作用下，只产生小的、线性可逆形变，它是由化学键的键长，键角变化引起的。与材料的内能变化有关：形变时内能增加，形变恢复时，放出能量，对外做功（玻璃态，晶态，高聚物，金属，陶瓷均有这种性能），普弹性又称能弹性。•高弹性：小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是由内部构象熵变引起的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹性）。•粘弹性：外力作用下，高聚物材料的形变性质兼具固体的弹性和液体粘性的特征，其现象表现为力学性质随时间而变化的力学松弛现象。•静态力学性能：在恒应力或恒应变情况下的力学行为。•动态力学性