聚合物的结晶态
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第六章 聚合物的结晶态 第一讲
3、等规聚α-烯烃
带有侧基聚α 烯烃， 带有侧基聚α-烯烃，为了减 小空间位阻，以降低势能， 小空间位阻，以降低势能， 一般采取螺旋形构象。 一般采取螺旋形构象。 例：聚丙烯上甲基间的范德 华距离为0.4 0.4～ nm， 华距离为0.4～0.43 nm，为 了避免侧基的空间位阻， 了避免侧基的空间位阻，分 子链宜采取反式－ 子链宜采取反式－旁式相间 tgtgtg…）的构象， （…tgtgtg ）的构象，形 tgtgtg 成螺旋形构象排入晶格。 成螺旋形构象排入晶格。 PP H31螺旋构象
第五章 聚合物的结晶态
第一讲
上节内容复习
高分子链结构对聚合物结晶的影响
链的对称性
对称性越高， 对称性越高，越易结晶 对称取代， 对称取代，部分主链含杂原子的聚合物保持定的分子链对称 性，可结晶 α-烯烃上的 α-烯烃上的R取代基团的体积 烯烃上的R取代基团的体积 基团体积较小，或相对变化不大，可结晶。 聚乙烯醇， 基团体积较小，或相对变化不大，可结晶。如聚乙烯醇，聚 氟乙烯， 氟乙烯，聚三氟氯乙烯
串晶(shish-kebab) 串晶
晶体除了平行于纤维轴的伸 展分子链束所构成的纤维晶 状外，纤维晶微束还会成为 许多结晶中心，从而在纤维 状晶的周围生长出许多折迭 链晶片，形成串状结构，称 之为串晶。 串晶是纤维晶和片晶的复合 体。它以伸直链结构的纤维 晶为中心，在周围附生着片 状晶体。 形成条件：高分子溶液温度 较低时边搅拌边结晶，可以 形成串晶
2、其它形式的结晶
树枝状晶 基本结构单元也是折迭链片晶，但与 球晶不同的是，球晶是在半径所有方 向上以相同的速率发展，而树枝晶则 在特定方向上优先发展，重复发生分 叉枝化。树枝晶中晶片具有规则的外 形。 树枝晶在生长过程中择优取向生长也 是由于分叉支化的结果。但这里的分 叉支化与球晶中不同，树枝晶的分叉 支化是结晶学上的分叉，因而导致规 则的形状。 形成条件：从溶液中析出，结晶温度 低或溶液浓度较高，或分子量过大， 这时这种条件下，高分子的扩散成了 结晶生长的控制因素 ，这时，突出 的棱角在几何学上将比生长面上邻近 的其他点更为有利，能从更大的立体 角接受结晶分子，因此棱角处倾向于 在其余晶粒前头向前生长变细变尖， 从而更增加树枝状生长的倾向，最后 形成树枝状晶。
第九章 结晶态聚合物
体中分子链平行于晶面方向，晶片厚度基本与伸展的分子链长 度相当。这种晶体主要形成于极高压力下。
9.1 .3 结晶聚合物的结构模型
缨状微束模型：认为结晶聚 合物中晶区与非晶区互相穿 插，同时存在。在晶区分子 链相互平行排列成规整的结 构，而在非晶区分子链的堆 砌完全无序。该模型也称两 相结构模型。
可解释结晶性聚合物中晶 区和非晶区的共存，但不能 解释单晶和球晶的结构模型。
缨状微束模型
折叠链模型：聚合物晶体中，高分 子链以折叠的形式堆砌起来的。
伸展的分子倾向于相互聚集在一起 形成链束，分子链规整排列的有序链 束构成聚合物结晶的基本单元。这些 规整的有序链束表面能大自发地折叠 成带状结构，进一步堆砌成晶片。
特点：聚合物中晶区与非晶区同时存 在，同一条高分子链可以是一部分结 晶，一部分不结晶；并且同一高分子 链可以穿透不同的晶区和非晶区。但 分子链的折叠方式存在争议。
（1）对力学性能的影响； （2）对密度的影响； （3）对光 学性能的影响；（4） 对塑料使用温度的影响；（5）耐溶 剂性能
结晶使高分子链规整排列，堆砌紧密，因而增强了分子链 间的作用力，使聚合物的密度、强度、硬度、耐热性、耐溶 剂性、耐化学腐蚀性等性能得以提高，从而改善塑料的使用 性能。
但结晶使高弹性、断裂伸长率、抗冲击强度等性能下降， 对以弹性、韧性为主要使用性能的材料是不利的。如结晶会 使橡胶失去弹性，发生爆裂。
9.3 聚合物的结晶过程
9.3.1 聚合物结晶速度及其测定方法 结晶过程：成核 + 晶体生长 成核方式：均相成核，异相成核 1、膨胀计法 2、解偏振光强度法 3、差示扫描量热法
9.3.2 Avrami方程应用于聚合物等温结晶动力学 P281-282
9.3.3 影响结晶速度的因素
9.1 .3 结晶聚合物的结构模型
缨状微束模型：认为结晶聚 合物中晶区与非晶区互相穿 插，同时存在。在晶区分子 链相互平行排列成规整的结 构，而在非晶区分子链的堆 砌完全无序。该模型也称两 相结构模型。
可解释结晶性聚合物中晶 区和非晶区的共存，但不能 解释单晶和球晶的结构模型。
缨状微束模型
折叠链模型：聚合物晶体中，高分 子链以折叠的形式堆砌起来的。
伸展的分子倾向于相互聚集在一起 形成链束，分子链规整排列的有序链 束构成聚合物结晶的基本单元。这些 规整的有序链束表面能大自发地折叠 成带状结构，进一步堆砌成晶片。
特点：聚合物中晶区与非晶区同时存 在，同一条高分子链可以是一部分结 晶，一部分不结晶；并且同一高分子 链可以穿透不同的晶区和非晶区。但 分子链的折叠方式存在争议。
（1）对力学性能的影响； （2）对密度的影响； （3）对光 学性能的影响；（4） 对塑料使用温度的影响；（5）耐溶 剂性能
结晶使高分子链规整排列，堆砌紧密，因而增强了分子链 间的作用力，使聚合物的密度、强度、硬度、耐热性、耐溶 剂性、耐化学腐蚀性等性能得以提高，从而改善塑料的使用 性能。
但结晶使高弹性、断裂伸长率、抗冲击强度等性能下降， 对以弹性、韧性为主要使用性能的材料是不利的。如结晶会 使橡胶失去弹性，发生爆裂。
9.3 聚合物的结晶过程
9.3.1 聚合物结晶速度及其测定方法 结晶过程：成核 + 晶体生长 成核方式：均相成核，异相成核 1、膨胀计法 2、解偏振光强度法 3、差示扫描量热法
9.3.2 Avrami方程应用于聚合物等温结晶动力学 P281-282
9.3.3 影响结晶速度的因素
高分子物理聚合物的结晶态
在应力作用下，晶体结构容易发生畸变，降低稳定性。
化学因素对稳定性的影响
某些化学物质可以与聚合物分子发生相互作用，影响晶体结构的稳 定性。
03 聚合物结晶态的结构与性质
晶体结构与形态
晶体结构
聚合物结晶态中分子链以有序的 方式排列，形成晶体结构。晶体 结构决定了聚合物的物理性质， 如硬度、韧性、热稳定性等。
04 聚合物结晶态的转变与动力学
聚合物结晶态的转变
熔融结晶
当温度升高到熔点以上时，聚合物从晶体态转变为液态。
退火结晶
将聚合物加热至高于熔点，然后缓慢冷却，使其重新结晶。
应力结晶
在拉伸或压缩应力的作用下，聚合物发生结晶。
聚合物结晶的动力学
1 2
结晶速率
描述聚合物结晶过程的快慢，通常用结晶速率常 数表示。
晶体缺陷与性质
晶体缺陷
聚合物结晶中存在各种缺陷，如位错、空穴、界面等。这些 缺陷影响聚合物的物理性质，如降低机械性能、耐热性和光 学性能。
性质与应用
聚合物结晶态的性质决定了其在不同领域的应用。例如，在 塑料加工中，通过控制结晶形态和尺寸可以提高产品的机械 性能和热稳定性；在纤维制造中，结晶结构影响纤维的强度 和弹性。
分离与提纯
利用聚合物结晶态的差异，可以实现 混合物中不同组分的分离和提纯，如 利用聚合物吸附剂进行吸附分离和色 谱分离等。
化学反应控制
通过控制聚合物的结晶形态，可以影 响化学反应的速率和选择性，从而实 现化学反应的高效控制。
聚合物结晶态的研究展望
新型聚合物材料的开发
01
随着对聚合物结晶态的深入了解，有望开发出具有优异性能的
无定形态
聚合物分子无序排列，没 有明显的晶体结构。如聚 甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸 酯等。
化学因素对稳定性的影响
某些化学物质可以与聚合物分子发生相互作用，影响晶体结构的稳 定性。
03 聚合物结晶态的结构与性质
晶体结构与形态
晶体结构
聚合物结晶态中分子链以有序的 方式排列，形成晶体结构。晶体 结构决定了聚合物的物理性质， 如硬度、韧性、热稳定性等。
04 聚合物结晶态的转变与动力学
聚合物结晶态的转变
熔融结晶
当温度升高到熔点以上时，聚合物从晶体态转变为液态。
退火结晶
将聚合物加热至高于熔点，然后缓慢冷却，使其重新结晶。
应力结晶
在拉伸或压缩应力的作用下，聚合物发生结晶。
聚合物结晶的动力学
1 2
结晶速率
描述聚合物结晶过程的快慢，通常用结晶速率常 数表示。
晶体缺陷与性质
晶体缺陷
聚合物结晶中存在各种缺陷，如位错、空穴、界面等。这些 缺陷影响聚合物的物理性质，如降低机械性能、耐热性和光 学性能。
性质与应用
聚合物结晶态的性质决定了其在不同领域的应用。例如，在 塑料加工中，通过控制结晶形态和尺寸可以提高产品的机械 性能和热稳定性；在纤维制造中，结晶结构影响纤维的强度 和弹性。
分离与提纯
利用聚合物结晶态的差异，可以实现 混合物中不同组分的分离和提纯，如 利用聚合物吸附剂进行吸附分离和色 谱分离等。
化学反应控制
通过控制聚合物的结晶形态，可以影 响化学反应的速率和选择性，从而实 现化学反应的高效控制。
聚合物结晶态的研究展望
新型聚合物材料的开发
01
随着对聚合物结晶态的深入了解，有望开发出具有优异性能的
无定形态
聚合物分子无序排列，没 有明显的晶体结构。如聚 甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸 酯等。
高分子物理——第五章 聚合物的结晶态说课材料
a=b=c
三方晶系 正交晶系
单斜晶系 三斜晶系
α = β = γ = 90°α = β = γ = 90° α = γ = 90° α = β = γ = 90°
a=b=c
a=b=c
a=b=c
a=b=c
其中，
高分子结晶中正交晶系和单斜晶系占了60%左右。
高聚物有各向异性，合成高聚物的晶格中无立方晶系。
球晶的形成
球晶对性能的影响：
其大小直接影响聚合物的力学强度，球晶越大， 材料的冲击强度↓，越容易破裂。
对透明性有很大影响：使聚合物呈现乳白色而不 透明，球晶尺寸越大，透明性越差；如果晶相和非晶 相密度非常接近，则仍然透明；如果球晶尺寸或晶粒 尺寸<可见光波长，材料也是透明的。
（三）、伸直链晶体 [如图2-29(a).(b)所示]
每个几何点代表的具体内容称为晶体的结构单元
晶格：组成晶体的 质点在空间呈有规 则的排列，并每隔 一定距离重复出现， 有明显的周期性， 这种排列情况称为 晶格，晶格是由晶 胞构成的。
（3）试验证明，在晶体中可以找到一个个大小 和形状一样的平行六面体，以代表晶体结构的基本
重复单元，这种在空间中具有周期排列的最小单元
Flory认为，分子链做近邻折叠的可能很小。 此模型实质为一种非折叠模型 此模型得到了许多中子散射实验的支持。
第二节 聚合物结晶形态和结构
一、 聚合物的结晶形态
晶型：结晶的微观结构，由晶体中高分 子链的构象及其排布所决定。
高聚物结晶的形态学
• 研究对象：单个晶粒的大小，形状以及他们的 聚集方式。
• 主要研究工具：光学显微镜，电子显微镜等 • 高聚物的主要结晶形态：单晶、球晶、树枝状
在高压高温下结晶 由完全伸展的分子链平行规整排列而成 其晶体Tm最高 被认为是高分子热力学最稳定的一种聚集态结构。
三方晶系 正交晶系
单斜晶系 三斜晶系
α = β = γ = 90°α = β = γ = 90° α = γ = 90° α = β = γ = 90°
a=b=c
a=b=c
a=b=c
a=b=c
其中，
高分子结晶中正交晶系和单斜晶系占了60%左右。
高聚物有各向异性，合成高聚物的晶格中无立方晶系。
球晶的形成
球晶对性能的影响：
其大小直接影响聚合物的力学强度，球晶越大， 材料的冲击强度↓，越容易破裂。
对透明性有很大影响：使聚合物呈现乳白色而不 透明，球晶尺寸越大，透明性越差；如果晶相和非晶 相密度非常接近，则仍然透明；如果球晶尺寸或晶粒 尺寸<可见光波长，材料也是透明的。
（三）、伸直链晶体 [如图2-29(a).(b)所示]
每个几何点代表的具体内容称为晶体的结构单元
晶格：组成晶体的 质点在空间呈有规 则的排列，并每隔 一定距离重复出现， 有明显的周期性， 这种排列情况称为 晶格，晶格是由晶 胞构成的。
（3）试验证明，在晶体中可以找到一个个大小 和形状一样的平行六面体，以代表晶体结构的基本
重复单元，这种在空间中具有周期排列的最小单元
Flory认为，分子链做近邻折叠的可能很小。 此模型实质为一种非折叠模型 此模型得到了许多中子散射实验的支持。
第二节 聚合物结晶形态和结构
一、 聚合物的结晶形态
晶型：结晶的微观结构，由晶体中高分 子链的构象及其排布所决定。
高聚物结晶的形态学
• 研究对象：单个晶粒的大小，形状以及他们的 聚集方式。
• 主要研究工具：光学显微镜，电子显微镜等 • 高聚物的主要结晶形态：单晶、球晶、树枝状
在高压高温下结晶 由完全伸展的分子链平行规整排列而成 其晶体Tm最高 被认为是高分子热力学最稳定的一种聚集态结构。
聚合物结晶态与非晶态
（1）中子散射技术观测拉伸聚合物相同伸长、 不 同松弛时间的结构变化。
（2）同步辐射SAXS /WAXS和介电谱技术可以用 来研究结晶高分子非晶区的结构及其动力学松弛行 为。
（3）结晶高分子中柔性非晶相和刚性非晶相的比 例可以根据示差扫描量热( DSC ) 结果进行估算。
完 毕！ 谢 谢！
聚合物
非结晶性 聚合物
结晶性聚 合物
结条 晶件
非晶 态
晶态
结晶能力是内因，条件外 因。具有结晶能力的聚合 物，即可是晶形的，也可 是非晶形的。
分子链的对称 性与规整性
温度、时间
（1）缨束状模型
Hale Waihona Puke （2）折叠链模型实际高聚物结晶大 多 是晶相与非晶相 共存的， 而各种结 晶模型都有其片 面 性，R.Hosemann 综合了各种结晶模 型，提出了一种折 衷的模型，称为隧 道-折叠链模型。 这个模型综合了在 高聚物晶态结 构中
聚合物
玻璃化转变温度85℃，
熔点285℃，长期使用
温度为200℃-220℃。
6. 结晶度与材料性能
提 非晶区高弹态 高 结 晶 度 非晶区玻璃态
弹性模量 硬度 拉伸强度 断裂伸长率 冲击强度
~ 弹性模量
变脆 拉伸强度 断裂伸长率 冲击强度
相同结晶度时，晶体尺寸越大，脆性越大，力学性能越差。
6. 结晶度与材料性能
6. 结晶度与材料性能
例如：聚醚醚酮（poly
ether ether ketone, PEEK）
Tm
树脂结晶度间于
结晶性聚 合物
15%~35%，玻璃化转变 温度143℃，熔点334℃， 可在250℃下长期使用；
Tg
聚苯硫醚 （polyphenylene sulfide，
第五章 聚合物的结晶态
（一）单晶（体）（折迭链片晶） 1957年，Ander Keller ，英国高分子物理学 家，从0.01%浓度的极稀溶液的聚乙烯-二甲苯 溶中，用极缓慢的冷却方法培养了PE单晶。
凸空心棱锥型聚乙烯单晶
凹空心棱锥型聚乙烯单晶
单晶的形成条件－－极稀溶液中缓慢结晶 单晶的形成过程
单晶的特点 1）具有规则的几何外形
下面就四个区域的结晶情况予以说明
1/t1/2
Ⅰ区：Tm以下10 ～30℃，T高，成 核速度极小，结晶总速度为0。
Ⅱ区 Ⅳ区 Ⅲ区 Ⅰ区
0 Tg
Tmax
Tm T
Ⅱ区：T在Ⅰ区以下30 ～60℃ 晶核少，链段扩散容易，晶粒 大，完善而稳定，Tm高，熔限 窄。成核速度较低，结晶速度 由成核作用控制。
Ⅲ区：最大结晶速度区，结晶的主要区域。 Ⅳ区：T>Tg，晶核多，晶粒小，完善性差，不稳定， Tm低，熔限宽。 链活动能力↓，晶粒生长慢，然后 是晶核生成受限，结晶作用由晶粒生长步骤控制。
1/t1/2
结晶最 大速度
晶核生成
晶体生长
产生上述现象的原因： 晶核生成速度和晶体生 长速度存在不同的温度 依赖性
0 Tg
Tmax
Tm T
结晶需要分子链有足 够的动能→发生迁移 →适当堆砌→要求有 足够高的温度。
低温有利于晶核的形成和稳定
高温有利于晶体的生长
Tmax=(0.8～0.85)Tm (k) 最大结晶速率的温度 Tmax=0.63Tm+0.37Tg－18.5 (k)
q—每个等同周期中螺旋的数目
PTFE 晶体中分子链构象呈螺旋型构象 H136 因为PTFE的螺旋构象，使碳原子被F所包围，F原 子相互排斥，有自润滑性，因此具有冷流性。又由于它 的螺旋硬棒状结构，因此熔点高，可耐三酸两碱。
聚合物常见四种状态
聚合物常见四种状态在化学领域中，聚合物是由重复单元结构组成的大分子化合物，具有多种形态和性质。
根据聚合物内部结构的排列方式和相互作用，聚合物可以存在不同的状态。
在本文中，我们将介绍聚合物的常见四种状态：无序状态、结晶状态、玻璃态和溶液状态。
1. 无序状态无序状态指的是聚合物分子内部结构的排列没有明显的规律性。
在这种状态下，聚合物分子呈现出随机排列的特征，没有明显的长程有序性。
无序状态的聚合物通常具有均匀的外观和物理性质，如塑料材料中的大部分非晶态聚合物。
2. 结晶状态结晶状态是指聚合物分子内部呈现出有序的晶体结构。
在结晶状态下，聚合物分子以规则的晶格排列，形成结晶性材料。
这种状态下的聚合物通常具有良好的机械性能和热稳定性，如聚乙烯、聚丙烯等。
3. 玻璃态玻璃态是一种特殊的非晶态状态，聚合物在此状态下呈现出类似玻璃的特性。
玻璃态的聚合物分子没有明显的晶格结构，但又不像无序态那样具有完全的随机性。
玻璃态的聚合物通常表现出高度的刚性和脆性，如聚甲基丙烯酸甲酯等。
4. 溶液状态溶液状态是指聚合物在溶剂中形成的一种状态。
在此状态下，聚合物分子被溶剂包围并分散在其中，形成均匀的溶液体系。
溶液状态的聚合物通常表现出高度的流动性和可加工性，如聚合物溶液用于涂料、胶黏剂等领域。
总的来说，聚合物存在多种状态，每种状态都具有独特的结构和性质。
通过调控聚合物的状态，可以实现对其性能的调整和优化，为不同领域的应用提供了丰富的选择。
随着对聚合物状态理解的不断深入，人们将能够更好地利用聚合物材料的潜力，推动材料科学和工程领域的发展。
1。
高分子物理-聚合物的结晶态
• 对各种聚合物的结晶速度与温度关系的考 察结果表明，聚合物本体结晶速度—温度 曲线都呈单峰形，结晶温度范围都在其玻 璃化温度与熔点之间，在某一适当温度下， 结晶速度将出现极大值。
• 经验关系式
Tmax 0.63Tm 0.37Tg 18.5
也有人提出仅从熔点对Tmax进行更简便的估算
• 特点：晶片厚度＝分子链长度。
• 例如：PE在>200oC，>4000atm下的结晶。
晶片厚度＝103～104 nm，基本上为 伸直的分子链的长度。
• 目前认为：伸直链晶片是一种热力学上最稳 定的高分子晶体。
6. 纤维状晶和串晶
在存在流动场时，高分子链 的构象发生畸变，成为伸展 的形式，并沿流动的方向平 行排列，在适当的条件下， 可发生成核结晶，形成纤维 状晶。
• 随着交联度增加，聚合物便迅速失去结晶能力。
• 分子间力也往往使链柔性降低，影响结晶能力。 但是分子间能形成氢键时，则有利于结晶结构的 稳定。
特例： 以下两种结构单元所组成的无规共聚物在整个 配比范围内都能结晶，且晶胞参数不发生变化。
6.1 常见结晶性聚合物中晶体的晶胞
• 一、晶胞：晶区结构具有重复性，最小重复 单元称为晶胞。
高分子溶液温度较低时边搅 拌边结晶，可以形成一种类 似于串珠结构的特殊结晶形 态——串晶。
6．3 结晶聚合物的结构模型
• 1. 缨状微束模型 • 结晶聚合物中，晶区与非晶区互相穿插，
同时存在，在晶区中，分子链互相平行排 列形成规整的结构，但晶区尺寸很小，一 根分子链可以同时穿过几个晶区和非晶区， 晶区在通常情况下是无规取向的；而在非 晶区中，分子链的堆砌是完全无序的。也 称两相模型 。
4. 小角激光散射法
高分子物理课件：第9讲 聚合物的结晶态
东华大学
DONGHUA UNIVERSITY
聚合物在晶体中的构象
1. 能量最低原则 2. 周期最短原则
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1.1 结晶聚合物的结构模型
1）缨状胶束模型
缨状胶束模型，又称为两相结构模型，多年来被大家 公认为结晶聚合物的结构模型。 这种模型认为高聚物在结晶时总不能完全结晶，而只 能是部分结晶；有晶区，同时还存在着非晶区，具有 两相同时并存的结构状态；每个高分子链可贯穿好几 个晶区，在非晶区中分子链是卷曲而相互缠结的。
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如果以h0、h∞和ht分别表示膨胀计的起始、最终和t时间的读数， 将实验得到的数据作（ht-h∞）/（h0-h∞）对t的图，则可得到反 S形的曲线。
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由于结晶过程所需的全部时间不易测量，通常规定体 积收缩进行到一半所需时间的倒数1/t1/2，作为实验温 度下的结晶速度。
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2）折叠链结构模型
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图3.6支持了规整折叠模型。
图3.7给出了包括多种类型缺陷在内的结构示意图， 由于高分子的分子链很长，结晶速度又很快，因此在 结晶中必然存在很大的缺陷
3、偏光显微镜法 原理：在偏光显微镜下可以直接观察到球晶的轮廓
尺寸。配上热台，就可在等温条件下观察聚合物球 晶的生长过程，测量球晶的半径随时间的变化。
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聚合物的结晶态
球晶的形成机理
球晶中的晶片
1. 薄片（片晶） 2. 残留链端区 3. 无定形区
单晶
Polyethylene (聚乙烯)
Tc ~ 70 °C Tc ~ 80 °C
形成条件：一般是在极稀 得溶液中(0.01%~0.1%)缓 慢结晶是生产的。
形状：具有规则几何形状的薄 片状晶体，平面状单层片晶是 单晶中最简单的形式。通常片 晶厚度通常在10nm左右，大 小可以从几微米到几十微米甚
c1*
c2*
η
c1*~M-2
c2*~M-1
C
向列型高分子液晶的流动特性：在较小剪切力作用下，黏度降 低的程度要大于一般的高分子溶液。在高剪切力作用下，就几 乎没有差别了。
为什么？
液晶的应用: Ultra-high-strength fibers: Kevlar®, Xydar®, Vectra®, Ultrax® membrane, Electro-optic (low molecular weight thermotropic LCs)……
61常见结晶性聚合物中晶体的晶胞62结晶性聚合物的球晶和单晶63结晶性聚合物的结构模型64聚合物的结晶过程65聚合物的熔融和熔点66结晶度对聚合物物理和机械性能的影响67聚合物的液晶态第六章聚合物的结晶态共聚支化和交联共聚copolymer无规共聚randomcopolymer嵌段共聚blockcopolymerisotacticb间规syndiotacticc无规atactic对称性越高越容易结晶61常见结晶性聚合物中晶体的晶胞高分子形成结晶需要两个条件
第六章 聚合物的结晶态
6.1 常见结晶性聚合物中晶体的晶胞 6.2 结晶性聚合物的球晶和单晶 6.3 结晶性聚合物的结构模型 6.4 聚合物的结晶过程 6.5 聚合物的熔融和熔点 6.6 结晶度对聚合物物理和机械性能的影响 6.7 聚合物的液晶态
聚合物的结晶态
图1 串晶电镜照片及示意图
二、 高分子在晶体中的构象和晶胞
（一）、晶体结构的几个术语 （1）、晶 体：物质内部质点在三维空间呈周期排列
分子量增加
CO2的分子晶体
小分子在晶体中的排列
大分子在晶体中的排列
（2）、空间点阵：组成晶体的质点抽象成几何点，由
这些等同的几何点的集合所形成的格子。点阵结构中，
图1聚乙烯单晶的电镜照片
图2 聚乙烯单晶的电子衍射照片
图3 不同形态 PEO的电镜照片
多层晶体的形 成
多层晶体的形成 过程中，螺旋位 错起着十分重要
的作用
（二）、 球晶
浓溶液冷却 熔体冷却（不存在 应力或流动）
球晶 直径 0.5至100微米
球晶是聚合物 结晶的一种最 常见的特征形 式
图1 捆束状球晶的电镜照片及示意图
对于某些聚合物， Avrami方程计算得到 的n值不是整数。 说明，高聚物的结晶过程比方程的模型要 复杂的多。
根据结晶速度的定义：
vt v 1 ekt1n/ 2 v0 v 2
t1/ 2
ln 2 k
1/ n
k ln 2 tn
1/ 2
k越大，t1/2越小，结晶速度快；相反亦反。 Avrami方程所处理的是结晶总速度。
vt v0
v v
lg
k
n
lg
t
v0 v
结晶后期—偏离方
程的直线部分—次
期结晶
斜率：n
截距：lg k
结晶前期—符 合方程的直线 部分—主期结 晶
由图可得，k, n。知道了n，就可知道聚合物 结晶的成核机理和生长方式。
聚合物的结晶形态
聚合物的结晶形态包括以下几种：
1. 单晶：分子链垂直于片晶平面排列，晶片厚度一般只有10nm左右。
2. 树枝晶：许多单晶片在特定方向上的择优生长与堆积形成树枝状。
3. 球晶：呈圆球状，在正交偏光显微镜下呈现特有的黑十字消光，有些出现同心环。
4. 纤维状晶：晶体呈纤维状，长度大大超过高分子链的长度。
5. 串晶：在电子显微镜下，串晶形如串珠。
6. 柱晶：中心贯穿有伸直链晶体的扁球晶，呈柱状。
7. 伸直链晶体：高分子链伸展排列晶片厚度与分子链长度相当。
这些结晶形态在聚合物的结构中起着重要的作用，并影响了聚合物的物理和化学性质。
11级高分子物理6 聚合物的结晶态
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6.4.2 Avrami方程用于聚合物的结晶过程
聚合物的等温结晶过程可以用Avrami方程来描述。
vt v exp(ktn) v0 v
Avrami指数
比容
结晶速度常数
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6.4.2 Avrami方程用于聚合物的结晶过程
表6-4 不同成核和生长类型的Avrami指数值
二次结晶问题，在生产中必须考虑。聚酰胺 塑料等制品要在120℃进行热处理即“退 火”，以加速次期结晶过程，促使结晶达到 完全，避免产生变形、开裂。
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6.4.3 温度对结晶速度的影响
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6.4.3 温度对结晶速度的影响
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32
6.4.3 温度对结晶速度的影响
vt v 1 v0 v 2
t1/ 2
ln 2 k
1/ n
k
ln 2 tn
1/2
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6.4.2 Avrami方程用于聚合物的结晶过程
Avrami方程可定量地描述聚合物的结晶前期， 即主期结晶阶段。
在结晶后期，即次期结晶或二次结晶阶段， 由于生长中的球晶相遇而影响生长，方程与 实验数据偏离。
第六章
聚合物的结晶态
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1
分子结构对结晶能力的影响
（1）链的对称性
高分子的对称性越高，越容易结晶 聚乙烯和聚四氟乙烯，结晶度可达95%。 聚偏二氯乙烯、聚甲醛、尼龙、聚碳酸酯等 能结晶。
（2）链的规整性
PS、PMMA定向聚合能结晶，自由基聚合不能 结晶
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分子结构对结晶能力的影响
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g 11.93 1
1
b9920 4
2 6 1
H136 H157 H31 H41 H31 H95
N:晶胞中所含结构单元数; PZ: 平面锯齿; Z: 锯齿形; H: 螺旋型; 指数Ut 表示t圈螺 旋中含U个重复单元
高聚物
几种结晶高聚物的结晶数据(续)
晶胞参数
晶系 a,nm b,nm c,nm
交角
链构 N象
当X射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一 点阵晶格间距为d的晶面上时,在符合上式的条件 下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。
布拉格方程简洁直观地表达了衍射所必须满足的条
件。当 X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X射 线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任 意取向的晶体中，从每一θ角符合布拉格方程条件的反 射面得到反射,测出θ后，利用布拉格方程即可确定点 阵晶面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度,还可 进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析 中的粉末法或德拜-谢乐(Debye-Scherrer)法的理论基 础。
3a2a 1a 2b 3c
q
AC
B
AB + BC = 2dsinq 2dsinq = nl
d
1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg， W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上，不仅成功地测 定了NaCl、KCl等的晶体结构，并提出了作为晶 体衍射基础的著名公式──布拉格方程:
2d sinθ=nλ 式中λ为X射线的波长，n为任何正整数。
a 98 . 5 o b 118 o g 112 每个晶胞中只有一条链
尼龙系列（nylon）
尼龙系列的分子 链由于分子间的 氢键联系成片状 排列
尼龙66：分子成 平行排列（三斜）
尼龙6：分子链反 平行排列（单斜）
几种结晶高聚物的结晶数据
高聚物
聚乙烯 聚四氟乙烯
19C 19C
聚丙烯（全同） （间同）
157(聚四氟乙烯)表示分子轴 向 上 每 一 重 复 周 期 内 包 含 15 个 结 构单元，旋转7圈。
(a)31; (b) 72; (c) 41; (d) 41
等规聚合物-(CH2-CHR-)n-的各种螺旋 构象示意图
聚乙烯晶体（Planar zigzag conformation ）
晶胞结构：体心正交 a=0.736nm, b=0.492nm, c=0.253
沿径向恒速增长 分子链垂直于径向取向 交叉偏振光下可观察到Maltese十字 由纤维状晶片和晶迭组成 结晶度远低于100% 直径从0.1m~1cm
环带球晶
聚乙烯
（2）单晶 Single Crystal (片晶 lamella)
PE单晶
i-PS单晶
稀溶液，慢降温 螺旋生长
175℃从0.003%的 溶液中缓慢结晶
PE
PET
平面锯齿构象
(a)31; (b) 72; (c) 41; (d) 41
等规聚合物-(CH2-CHR-)n-的各种螺旋构象
螺 旋 构 象 用 Pn 描 述 ， 其 中 P 表 示分子轴向（C方向）上每重 复周期内包含的结构单元数， n表示每一重复周期中分子链 旋转几圈。
例如：31(全同立构聚丙烯的晶型 之一)表示分子轴向上每一重复周 期内包含3个结构单元，旋转1圈。
（3）树枝状晶 Dendritic crystal
溶液浓度较大(一般为0.01～0.1%)，温度较低的条件下结 晶时，高分子的扩散成为结晶生长的控制因素，此时在 突出的棱角上要比其它邻近处的生长速度更快，从而倾 向于树枝状地生长，最后形成树枝状晶体。
PE
PEO
（4）纤维状晶
形成条件： 存在流动场，分
尼龙6
单斜 0.956 1.72 0.801
4 PZ
尼龙66 尼龙610 聚碳酸酯 聚对苯二甲酸乙二酯 聚对苯二甲酸丁二酯 聚顺式1,4-异戊二烯 聚顺式1,4丁二烯 聚异丁烯
三斜 三斜 单斜 三斜 三斜 单斜 单斜 正交
0.490 0.495 1.230 0.456 0.483 1.246 0.460 0.688
而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品
保持固定不变动(即θ不变),以辐射束的波长作为变 量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格方程的条 件,故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶 体，则在测定出衍射线的方向θ后,便可计算X射线 的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便 是X射线谱术,可用于分析金属和合金的成分。
聚丁烯-1 聚甲醛
晶系 正交
晶胞参数
a, b, c,
交角
nm nm nm
0.736 0.492 0.253
链 N构
象
2 PZ
准六方 菱方 单斜 正交 菱方 菱方
0.559 0.559 1.688 0.566 0.566 1.950 0.665 2.096 0.650 1.450 0.560 0.740 1.77 1.77 0.650 0.447 0.447 1.739
聚乙烯的空心棱锥结构
t
单晶的形成条件
一般是在极稀的溶液中(浓度约0.01～0.1%)缓慢结晶形成 的。在适当的条件下，聚合物单晶体还可以在熔体中形成
210oC, 4h
205oC, 4h
200oC, 4h
AFM images of isotactic PS crystals in 11nm thick film in different Tc.
c
MZ N AV
其中: M----结构单元分子量 Z----单位晶胞中单体(即链结构单元)的数目 V----晶胞体积 NA----为阿佛加德罗常数
结晶聚合物的球晶与单晶
结晶形态学研究的对象：单个晶粒的大小、 形状以及它们的聚集方式。
单晶体与多晶体
单晶体:具有一定外形, 长程有序 多晶体:由很多微小单晶无规则地聚集而成
晶体结构 = 空间点阵 + 结构基元
晶胞：代表晶体结构的基本重复单位(平行六面体)
晶胞参数
描述晶胞的形状和大小——建立坐标系，晶格常数可由三 个核边的长度a、b、c（点阵常数）及其夹角α、β、γ这六 个参数完全表达，只要任选一个阵点为原点，将a、b、c 三个点阵矢量作平移，就可得到整个点阵。 点阵中任一阵 点的位置均可用下列矢量表示：
常见聚合物晶体形态:
单晶、球晶、树枝状晶、纤维晶、串晶、伸直 链晶等
（1）球晶 Spherulite
当结晶性聚合物从浓溶液中析出或从熔体冷却结 晶时，通常形成球晶。
直径 0.5~100m， 5m以上的用光学显微镜可以 很容易地看到
球晶的基本特点在于其外貌呈球状，但在生长受 阻时呈现不规则的多面体。因此，球晶较小时呈 现球形，晶核多并继续生长扩大后成为不规则的 多面体
局限： 未描述晶体的具体形状 未提出晶体间的关系 未体现结晶条件的影响
单晶的发现及其结构
1957年，Keller、Till、Fischer 同时报道了聚合物单晶的发现
100A
m
(1) 长宽可以为几微米，厚度100A (2) 条件恒定，厚度恒定，厚度随温度增加在增加 (3) 沿长度和宽度方向增长 (4) 分子链沿厚度方向取向 (5) 结晶度很高，但不能达到100%
0.540 0.540 1.010 0.594 0.594 0.889 0.950 1.191
1.720 2.240 2.080 1.075 1.159 0.810 0.860 1.860
b 67.5
1 PZ
a 4.5 8 ,b 7 ,7 g 6.5 3
1 PZ
a 4 ,9 b 7.5 6 ,g 6.5 3
4Z
b 84
1 PZ
a9.5 8,b11 ,g 811 2 1 Z
a 9.7 9 ,b 1.1 2 ,g5 1.1 8 0
4Z
b 92 b 109
2Z
2 H83
●高分子晶体中，不存在立方晶系
●同一种高聚物在不同条件下具有 不同的晶体结构称为同素异晶型 (polymorphism)
晶胞密度
那么，通常情况下的聚合物结晶都是 一种亚稳态。
6.3 高分子晶态结构模型
X-射线衍射实验结果
(1)晶区和非晶区共存 (2)晶区尺寸大约为100A
无规聚丙烯
等规聚丙烯
铝箔
缨状胶束模型 (Two-phase) fringed micelle model
模型的特点
一个分子链可以同时穿越若干个晶区和非晶 区，在晶区中分子链互相平行排列，在非晶 区中分子链互相缠结呈卷曲无规排列。
子链伸展并沿流动 方向平行排列。
（5）串晶 Shish-kebab structure
较低温度下， 边结晶边搅拌
PE
i-PS
(6) 伸直链晶
聚合物在高压 和高温下结晶 时，可以得到 厚度与其分子 链长度相当的 晶片
热力学上最稳定的晶体
聚乙烯在226℃于4800大气压下结晶8小时得到的 伸直链晶： 晶体的熔点为140.1℃；结晶度达97%； 密度为0.9938克/厘米3；伸直链长度达3×103nm
等同周期(或称纤维周期)：高分子晶体中， 在 c 轴方向化学结构和几何结构重复单元的 距离。
一般将分子链的方向定义为 c 轴, 又称为主轴
在晶态高分子中，分子链多采用分子内能量 最低的构象，即孤立分子链在能量上最优选 的构象。
聚合物的晶体结构
在合成高分子晶体中，高分子链通常呈 平面锯齿状或螺旋状构象
布拉格定律 (Bragg’s Law)
当两束光的光程差为入射光波长的整数倍时, 反射光间会出现衍射现象
nl = 2dhklsinq
n=1, 2, 3, …称为衍射级数
q为衍射角
多晶样品的衍射花样