聚合物结构(远程结构)

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b. 与外力的作 用有关 c.溶剂
2017-8-17
慢: 链的柔性增加 快: 链的柔性降低
2.3 .3高分子链的构象统计
均方末端距的计算方法
高分子链柔性的表征
2017-8-17
二、均方末端距的计算方法
1、统计法
1、均方末端距统计计算 2、均方末端距几何计算 3、链段理论
一个孤立的高分子链,在内旋转时有键角限制和位 垒阻碍,情况复杂。我们先从最简单的情况考虑- 理想模型-自由结合链(freely joined chain)
可由仅含2个官能团的单体(包括单烯类单体、环状单体)
聚合而成。
HOOC COOH
CH2=CH
CH2-CH2 O
HN(CH 2)5CO | |
HOCH2CH2OH
支链高分子(Branched Polymer): 支链的长短和数量可不同; 适当溶剂可溶解,加热可以熔融,即可溶可熔。
有的是在线型高分子形成后人为地通过反应接枝
高聚物由许多重复的结构单元组成,分子量大,形成长的分 子链,且分子链又可形成线型、支化和交联网状结构。一般 高分子主链都有一定的内旋转自由度,可以使主链弯曲而具 有柔顺性,这是高聚物许多性能不同于低分子物质的主要原 因。高分子结构不均一,即使是相同条件的反应产物,各个 分子的分子量、单体单元的键合顺序、空间构型的规整性、 支化度、交联度以及共聚物的组成及序列结构等都存在或多 或少的差异;高分子链结构单元间的相互作用对其聚集态结 构和物理性能有十分重要影响;在高聚物中往往加入填料、 各种助剂、色料等,织态结构也是决定高分子材料性能的重 要因素。
(Grafting)上去的;有的则是在聚合过程中自然形成 的,如:
聚合过程中向聚合物的链转移
与大分子单体共聚
体型高分子(Crosslinked Network Polymer): 整个高分子已键合成一个整体,已无单个大分子而言; 可以看成是线型或支链高分子以化学键交联 (Crosslinking)而成;
交联程度浅的, 受热可软化,适当溶剂可溶胀;交联程度
深的, 既不溶解, 又不熔融,即不溶不熔。
特点四:分子量具多分散性(Polydispersity)
即存在着分子量分布(Molecular Weight Distribution, MWD) 聚合反应中,因官能团之间成键的不确定性,或者聚合 物活性链的年龄与寿命不同,聚合产物的往往是化学元素相 同但分子量不同的同系聚合物的混合物。 注意: 一般测得的高分子的分子量都是平均分子量 聚合物的平均分子量相同,但分散性不一定相同
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1.3 .3链的构象统计
四、高分子链柔性的表征
上一节定性的讨论了高分子链的柔顺性与分子结构 的关系,现在我们要寻找一些可由实验测定的参数来定 量地描述分子的柔顺性。 由PE链可见,只要对它的柔顺性作不同的假定,就 可得到不同的均方末端距和链段长度,例如:
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Linear 线型高分 子 Branched 支链高分子 Star 星型高分子
Crosslinked Network 体型高分子
Dendrimer 树状高分子
线型高分子(Linear Polymer): 其长链可能比较伸展,也可能卷曲成团,取决于链的柔顺 性和外部条件,一般为无规线团;
适当溶剂可溶解,加热可以熔融,即可溶可熔;
结 统计法
计算均方末端距的方法:
几何法 理想化模型-无规线团属于“三维空间”的无规行走- 符合Guass分布函数。
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• 习题:
• 1. 假定聚乙烯的聚合度为2000,键角为 109.5o,求伸直链的长度Lmax (也就是hmax)与 自由旋转链的根均方末端距之比值。并由 分子运动观点解释某些高分子材料在外力 作用下可以产生很大形变的原因。
根据两原子共用电子对的数目,共价健可分为:
单键:共用1对电子,以“-”表示,如C-C、C-O等,如
H--NH(CH2)6NH--CO(CH2)4CO--OH
n
双键:共用2对电子,以“=”表示,如C=C、C=O等
三键:共用3对电子,以“≡”表示,在高分子几乎不存在
特点三:分子形态呈多样性 绝大多数聚合物呈长链线型,因此有“分子链”之称。
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构型与构象的区别: ①定义
构型:指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列 构象:
②特点:
构型是稳定的,要改变构型必须通过化学键的断裂或 重组。
构象是通过单键的内旋转实现的(热运动),是不稳定 的,具有统计性。由统计规律知道,大分子链蜷曲的几率 最大,呈伸直链构象的几率最小。 2017-8-17
近程结构
链结构 远程结构
链的原子种类 单体单元的键接方式 支化和交联 共聚物序列结构 构型 分子量及其分布 分子链的尺寸 高分子链的形态(构象)
高 分 子 结 构
凝聚态结构
晶态结构
非晶态结构
液晶态结构 取向态结构
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织态结构
高分子近程结构小结: 碳链高分子
1、链的原子种类
杂链高分子 元素有机高分子 头-头
似乎存在着临界分子量: A点:最低聚合度, 低于此值时,聚合物完全 没有强度,许多乙烯类聚 合物在100以上。当超过 此值时,强度急剧上升, 达到临界点B后,强度上
聚合物机械强度—分子量关系
升又变缓慢。
B点:临界聚合度, 许多乙烯类聚合物约为 400以上。
一般,将机械物料性能 和成型加工性能综合考虑,
以最简单的乙烷为例,两组非键合 H 原子 间的距离在0.228~0.24nm之间,非键合H 原 子间的斥力使H 原子间距离尽可能的远。
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对乙烷的两种构象:
重叠式(顺式构象):两个碳原子上的H 原子距离最近, 它们之间的斥力达到最大,分子的构象能(1)最高,构 象最不稳定 交叉式(反式构象):相反,分子的构象能(2)最低, 构象最稳定。 Conclusion:非键合的H 原子的距离越远,相斥力越 小,对应的构象越稳定,反之,构象越不稳定。
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二、高分子链的柔性
柔顺性:高分子链能够改变其构象的性质 内因:近程结构 影响因素 外因:外界条件、T、外力等
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柔顺链:假定大分子链上没有任何阻碍或者分子 之间没有干扰,单键内旋转完全自由. 理 想
刚性链:单键内旋转非常困难,旋转带动整个 大分子链运动
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O C O C 聚酯 O H C N C H O N C O 聚氨酯
聚酰胺
分子链中取代基的对称分布柔顺性>不对称分 布,如聚偏二氯乙烯>聚二氯乙烯
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<3>高分子链的长短. 链越长(分子量有一定限度),柔性越大.如橡胶分子 量, 柔性好; ﹤4﹥分子间作用力
分子间作用力增大,则柔顺性减小 ﹤5﹥支化和交联
假定: a.分子是由足够多的不占有体积的化学键组成。 b.内旋转时无键角和位垒限制。 自由结合 c.每个键在任何方向取向的几率相等。 链的统计单 元是化学键
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2、几何计算法
自由旋转链(freely rotating chain):
假定分子链中每一个键都可以在键角所允许的方向 自由旋转,不考虑空间位阻对转动的影响
2、链结构单元键接方式 头-尾:主要以头-尾键 接。
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3、支化和交联
4、共聚物序列结构
5、构型:旋光异构和几何异构
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3.1.2 大分子链的分子量和构象
分子的大小:分子的尺寸、分子量及分布
大分子的形态:单键的内旋转
链的柔性 影响链的柔性的因素
构象
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高分子具有链状结构。没有外力作用,不 可能自动伸直,而是蜷曲起来,使大分子采 取各种形态,例如,伸直链、折叠链、螺旋 形、无规线团等。 Why?大分子链有蜷曲的倾向?
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下面以图表示单键内旋转过程:假定高分子链的碳原子上 不带有H原子和取代基,C-C单键内旋转完全自由,旋转 过程中没位阻效应。
原子或原子团围绕单键内旋转 的结果,将使原子在空间的排 布方式(位置)不断的变化。 C4
C2
C3
C1
图2.高分子链中单键的内旋转
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2. 构 象 定义:是指分子中的原子或原子团由于C-C单键内 旋转而形成的空间排布(位置、形态)。 (即C-C单键内旋转产生每种排布就是一种 构象,所以高分子链有无穷多个构象)。由 于热运动,分子的构象在时刻改变着,因此 高分子链的构象是统计性的
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1.4 高分子化合物的基本特点 特点一:分子量大(一般在一万以上) 聚合物作为材料许多优良性能都与分子量有关,如: 抗张强度(Tensile Strength) 冲击强度(Impact Strength) 断裂伸长(Breaking Elongation) 可逆弹性(Reversible Elasticity) ……
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§2-3-2


一、高分子链内旋转
1、单键的内旋转: C-C单键是 键的电子云分布具有轴对称性,即以 键相连的两个原子可以相对的旋转,而不影响电子云的 分布。因此,高分子在运动时链中C-C单键可以绕轴旋 转——称内旋转。 这种由于单键的内旋转导致的不同构象的分子叫内旋 转异构体
常用的聚合物的分子量(万)
塑料
聚乙烯
聚氯乙烯 聚苯乙烯
分子量
6~30
5~15 10~30
纤维
涤纶
尼龙-66 维尼纶
分子量
1.8~2.3
1.2~1.8 6~7.5
橡胶
天然橡胶
丁苯橡胶 顺丁烯胶
分源自文库量
20~40
15~20 25~30
特点二:组成简单、结构有规 组成高分子的原子数目虽然成千上万,但所涉及的元素 种类却十分有限,以C、H、O、N 四种非金属元素最为普 遍,S、Cl、F、Si 也存在于一些高分子中。 高分子的主链多由重复结构单元以共价键形式相连接 共价键:非金属原子间通过共用电子对(电子云的重叠) 所形成的化学键。
确定合成高分子的分子量。
-- -- - --< 1,000 < - - - - - - < 10,000 < - - - - - < 1,000,000 < - - - - 低分子物 齐聚物 高聚物 超高分子量高分子 (Oligomer) (Polymer) (UHMWP)
实际上,分子量的大小并无明确的界限,一般
支链长,则阻碍链的内旋转,柔顺性下降
交联结构,当交联度不大时(含硫2-3%的橡胶)对链的柔顺 性影响不大,但是交联度达到一定程度(如含硫30%以上)则 大大影响链的柔顺性。
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﹤6﹥分子链的规整性 分子结构规整,结晶能力强,链的柔顺性就表现不出来 (PE) ﹤7﹥外界因素的影响
a. 温度的影响:温度越高,高分子链柔性越好
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2.试由分子结构分析高聚物的许多物理性能与低分子物质 不同的主要原因。 3. 比较下列聚合物链的柔顺性: (1)a聚乙烯,b纤维素,c聚碳酸酯,d顺丁橡胶,e聚氯 乙烯; (2)a聚氯乙烯,b1,4-聚2-氯丁烯,c1,4-聚丁二烯;
(3)a聚苯,b聚苯醚,c聚环氧戊环。
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(单键旋转是自由的)
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3. “链段”理论:
• 将实际高分子链( n, l, q , u(j))看成由 Z 个长度为 b 的链段所组成, 即该高分子链为大量链段自由连接 而成, 称之为等效自由连接链.
实际高分子链
等效自由结合链 高斯链
2017-8-17
自由结合链与高斯链的区别: 它们的分部函数是一样的,但有很大差别,自由 结合链的统计单元是化学键,而高斯链的统计单元是 一个链段,任何化学键都不可能自由旋转和任意取 向,而分子中的链段却可以做到,所以前者不存在, 后者却体现了大量的柔性高分子的共性具有普遍的代 表性。
Conclusion:
单键内旋转是导致链呈蜷曲构象的根本原因。内旋
转越自由,蜷曲的趋势越大。
无规线团:这种不规则的蜷曲的高分子链的构象
2017-8-17
实际,围绕 键内旋转不是自由的,因C原子上总是 带有其他的原子或原子团,C-H等键的电子云对球形电 子云的排斥作用而使C—C单键内旋转受阻,必须消耗一 定的能量来克服位垒 3、位垒
2、影响柔性的因素
﹤1﹥主链的结构 √若主链全由C-C单键组成,内旋转容易,链柔顺性好 柔性顺序:Si-O ﹥ C-N ﹥ C-O ﹥ C-C (键 长、键角) e.g: )n O CH Si CH ( O O ) CH ( O
聚酯涂料
2017-8-17
4
O
C ) CH ( C
有机硅橡胶
链段之间是否存在氢键,能形成氢键的,高分子柔性 差一些.
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