高分子物理和高分子化学复习要点

构型(Configuration):分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。

高分子的构型:旋光异构几何异构键接异构全同立构间同立构无规立构反式构型顺式构型头-头结构头-尾结构

键接异构体：因结构单元在高分子链中的连接方式不同引起的异构体。

1）在缩聚和开环聚合中，结构单元的键接方式是确定的。

2）在加聚过程中，会出现键接异构现象。

共聚物的序列、平均序列长度与嵌段数

序列：由同类单体直接相连的嵌段。平均序列长度：n= (单元A的数目)/(A的序列数)= 9/5

嵌段数R:指在100个单体单元中出现的各种嵌段的总和。R=200 /（n+ n)R=100时，为交替共聚；R=0时，为嵌段共聚；R愈大愈有交替性，R愈小愈有嵌段性。

SBS树脂：用阴离子聚合法制得的苯乙烯和丁二烯的三嵌段共聚物。其分子链的中段是聚丁二烯（70%），两端是聚苯乙烯（30%），SBS具有两相结构，橡胶相PB连续相，PS形成微区分散在橡胶相中，起物理交联作用。 SBS是一种热塑性弹性体，连续相PB具有柔性链段的软区，分散相PS具有刚性链段的硬区，起物理交联作用。

构象:由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。

高分子链的构象有微构象与宏构象之分：

1）微构象：指高分子主链键构象（高分子主链中一个键的构象）。

2）宏构象：指整个高分子链的形状。

构象的改变并不需要化学键的断裂，只要化学键的旋转就可实现。

链段：可以把由若干个键组成的一段链作为一个独立运动的单元，称为“链段”。高分子的链段之间可以自由旋转，无规取向。链段是高分子链中能够独立运动的最小单元。

实际的高分子链为受阻旋转链。高分子链的柔顺性取决于分子内旋转的受阻程度。

高分子链能够改变其构象的性能称为高分子链的柔顺性。

高分子链是通过单键的内旋转改变其构象的，因此单键的内旋转是高分子链具有柔顺性的原因。

影响高分子链的柔顺性的因素

内在因素(结构因素)

主链结构：主链全由单键组成的，一般柔性较好；不同的单键，柔顺不同（考虑非近邻原子距离、键长和键角）：-Si-O-> -C-O-> -C-C-；含有芳杂环，由于芳杂环不能内旋转，所以主链中含有芳杂环结构的高分子链柔顺性较差；主链含有孤立双键，柔顺性较好；带有共轭双键的高分子链不能内旋转，柔性差；

侧基（或取代基）：极性取代基：极性取代基将增加分子内的相互作用，使内旋转困难, 柔性下降; 极性越大, 柔性越差；非极性取代基（主要考虑其体积），取代基的体积越大, 内旋转越困难, 柔性越差；取代基的对称性，聚偏氯乙烯>PVC，前者对称，分子偶极矩小，内旋转容易.聚异丁烯（PIB）的每个链节上，有对称的甲基，使主链间距离增大，键间作用力减少，内旋转容易

其它结构因素：支化与交联：支链很长时，阻碍链的内旋转起主导作用，柔性下降；低交联（如含硫2%～3%橡胶），柔顺性影响不大，但含硫30%以上影响链柔顺性；高分子链的长度：分子链越长，分子构象数目越多，链的柔顺性越好；分子间作用力：分子间作用力大，柔顺性差。单个分子链柔性相近时，可形成氢键者（刚性大）< 极性主链< 非极性主链（柔性大）；分子链的规整性：如PE，易结晶，柔性表现不出来，呈现刚性。高分子链的柔顺性与实际材料的刚柔性不能混为一谈，需同时考虑分子内与分子间相互作用。如聚异于烯>PE 外界因素：（1）温度：温度升高，内旋转容易，柔顺性增加。（2）外力作用速度：速度缓慢

时，柔性容易显示；速度作用快，高分子链来不及通过内旋转而改变构象，柔性无法显示，分子链显得僵硬。（3）溶剂：影响高分子的形态。

末端距:指线型高分子链的一端至另一端的直线距离。用一向量h（orr）表示，末端距具有统计性。常用“均方末端距（h2）”或“根均方末端距[( h2)0.5]”来表示高分子的尺寸。

自由连接（结合）链：freely jointed chain假设高分子链由足够多(n ∞)的不占体积的化学键自由结合而成，单键内旋转不受键角的限制，也无位垒障碍，化学键在空间任何方向上取向的几率相等。（由于每个键无规取向无规链或无规线团：最柔顺的链，理想的柔顺链）。

自由旋转链：freely rotating chain假设高分子链的每一个化学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。

受阻旋转链：chain with restricted rotation实际高分子链中，单键的内旋转既有键角的限制，还有位垒障碍，称为受阻旋转链。

等效自由结合链的均方末端距：h02= Zb2

等效自由结合链的伸直链长度：Lmax= Zb

Z = Lmax2 / h02 b = h02/Lmax

h02：无扰状态下高分子链的均方末端距(无扰均方末端距).

假定聚乙烯的聚合度为2000，键角为109.5°，求伸直链的长度Ｌmax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变形的原因。

高分子的聚集态结构

高分子的聚集态结构：是指高分子材料本体内部高分子链之间的几何排列和堆砌状态。

依据高分子材料内高分子链之间的排列、堆砌方式不同，高分子的聚集态结构可分为：晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构与织态结构。

聚集态：物质的宏观物理状态, 是根据物质的分子运动在宏观力学性能上的表现来区分的。通常包括固体、液体、气体（称为物质三态）。

相态：物质的热力学状态，是根据物质的结构特征和热力学性质来区分的，包括晶态（相）、液态（相）、气态和液晶态等。

聚乙烯为正交晶系，每个晶胞有Z=2个链节。

等规聚丙烯（PP）属单斜晶系，每个晶胞含12个链节。

晶胞密度的计算：

Z—单位晶胞中所含链结构单元数；V—晶胞的体积；M—结构单元分子量；NA—阿佛加德罗常数（6.02 x l023／摩尔）

常见聚合物晶体形态包括:片晶（单晶）、球晶、树枝状晶、伸直链片晶、纤维晶与串晶等。影响聚合物晶体形态的因素是晶体生长的外部条件和晶体的内部结构。外部条件包括溶液的成分、温度、黏度、所受作用力的方式和作用力的大小等。

聚合物单晶是由溶液中生长的片状晶体的总称。实际上它并不是结晶学意义上的真正单晶。它们大多是多重孪晶。

孪晶：习惯上指在孪生片晶的不同部分具有结晶学上的不同取向的晶胞的一类晶体。

影响聚合物单晶生长的因素

溶液的浓度必须足够稀，以避免分子链的缠结；结晶速度足够慢，以保证分子链的规整排列和堆砌。一般过冷程度20-30K时，可形成单层片晶；在同一温度下，高分子倾向于按分子量从大到小顺序先后结晶出来。

球晶的形成条件：从浓溶液析出，或从熔体冷结晶时，在不存在应力或流动的情况下形成。球晶大小影响聚合物的力学性能，影响透明性。

球晶大透明性差、力学性能差，

球晶小透明性和力学性能好。

控制球晶大小的方法：1）控制形成速度：将熔体急速冷却（在较低的温度范围），生成较小的球晶；缓慢冷却，则生成较大的球晶。2）采用共聚的方法,破坏链的均一性和规整性，生成较小球晶.3）外加成核剂：可获得小甚至微小的球晶。

非晶态聚合物通常指完全不结晶的聚合物，包括玻璃体，高弹体和熔体。

高聚物的非晶态结构模型

无规线团模型的要点: 在非晶态聚合物中，高分子链的构象与在溶液中一样，呈无规线团状，线团之间是无规缠结的，因而非晶态高聚物在聚集态结构上是均相的。 该模型是橡胶的弹性理论和溶液的流体力学理论的基础。

Yeh的局部有序模型：非晶态高聚物存在着一定程度的局部有序。其中包含粒子相和粒间相两部分，而粒子又分为有序区和粒界区两部分。在有序区中，分子链相互平行排列。其尺寸为2-4 nm。有序区周围有1-2 nm大小的粒界区，由折叠链的弯曲部分、链端、缠结点和连接链组成。粒间相则由无规线团、低分子物、分子链末端和连接链组成，尺寸约1-5 nm。模型认为，一根分子链可通过几个粒子和粒间相。

高分子结晶包括：晶核的形成与晶粒的生长两个步骤。

高分子的结晶速度包括：成核速度、结晶生长速度以及由它们共同决定的结晶总速度。 伴随高聚物的等温结晶过程，会发生热力学与物理性质的变化。可利用它们可测定结晶速度：

1）成核速度：用偏光显微镜POM与电镜直接观察单位时间内形成晶核的数目。

2）结晶生长速度：用POM与小角激光光散射法测定球晶半径随时间的增大速度，即球晶的径向增长速度。

3）结晶总速度：用膨胀计、光学解偏振法等测定结晶过程进行到一半所需的时间t1/2的倒数作为结晶总速度。