高分子溶液溶解过程
高分子溶液
不溶解),而是聚合物的溶胀度(平衡溶胀比)。当溶剂的δ1 与被测聚合物的δ2越接近时,ΔHm就越小,溶剂就越容易溶胀 扩散进入聚合物,溶胀度就越大。所以可以取平衡溶胀比Q最 大的溶胀体系所用溶剂的δ作为被测交联聚合物的溶解度参数。
Q1
Q2
Q3
Q4
第三章 高分子溶液
聚合物以分子状态溶解在溶剂中所形成的热力学稳定的二 元或多元体系
高分子溶液与低分子溶液的差别:
1)高分子溶液的粘度比低分子溶液的粘度大的多。当浓度 大于5%时即为浓溶液,当浓度小于1%时即为稀溶液。
2)高分子以单个分子状态进入溶液中形成真溶液。但是由 于高分子体积庞大,溶液表现出胶体溶液的特点。
η2
η3
η4
η5
如果溶剂的δ1与被测聚合物的δ2越接近,ΔHm就越小, 高分子的溶解状况就越好,意味着高分子可以充分溶解在溶
剂中。由于大分子链在溶液中充分伸展,使流体力学体积增
大,溶液粘度随之增大。因此可以选取粘度最大的溶液中溶
剂的溶度参数做为被测聚合物的溶度参数。
粘度法测定聚合物溶度参数的原理可以推广到测定交联聚
随着溶剂分子不断向内层扩散,溶剂化程度不断加深, 溶胀不断加剧,最后整个大分子发生松动进入溶剂中,形成 溶解。
当表层大分子脱落后,又形成了新的溶解表面,上述过 程可以继续进行。
根据溶胀程度可将溶胀分成两种情况:
1)无限溶胀 —— 高分子无限度吸收溶剂,直到二者完全均 匀混合,形成高分子溶液。
线型(支化)高分子 + 良溶剂 高分子溶液 2)有限溶胀 —— 聚合物吸收溶剂到达一定程度后就达到平
衡,此后无论再与溶剂接触多久,吸收 的溶剂不会增加,始终保持两相状态。
第三章 高分子的溶液性质
3、高分子溶液的混合自由能 ΔFM= ΔHM-TΔSM=RT(n1ln φ1+n2ln φ2+ χ1n1φ2) 溶液中溶剂的化学位变化和溶质的化学位变化Δμ1、 Δμ2
分别为:
Δμ1 =RT[lnφ1+(1-1/x)φ2+χ1φ22] Δμ2 = RT[lnφ2+(x-1)φ1+xχ1φ12] lnp1/p10= Δμ1/RT= ln(1-φ2)+(1-1/x)φ2+χ1φ22 注意:由高分子溶液蒸汽压p1和纯溶剂蒸汽压p10的测量
4、混合溶剂, δ混= Φ1 δ1 + Φ2 δ2,有时混合溶剂的溶
解能力强于纯溶剂。
第二节 高分子溶液的热力学性质
理想液体的概念:溶液中溶质分子间、溶剂分子 间和溶剂溶质分子间的相互作用能均相等,溶 解过程没有体积的变化,也没有焓的变化。 理想溶液实际上是不存在的,高分子溶液与 理想溶液的偏差在于两个方面:一是溶剂分子 之间、高分子重复单元之间以及溶剂与重复单 元之间的相互作用能都不相等,因此混合热不 为零;二是高分子具有一定的柔顺性,每个分 子本身可以采取许多构象,因此高分子溶液中 分子的排列方式比同样分子数目的小分子溶液 的排列方式多,即其混合熵高于理想溶液的混 合熵。
2、对于真实的高分子在溶液中的排斥体积分为两部分:外排 斥体积和内排斥体积。外排斥体积是由于溶剂与高分子链段的 作用能大于高分子链段之间的作用能,高分子被溶剂化而扩张, 使两个高分子不能相互靠近而引起的;内排斥体积是由于高分 子有一定的粗细,链的一部分不能同时停留在已为链的另一部 分所占据的空间所引起的。当溶液无限稀释时,外排斥体积可 以接近零,而内排斥体积永远不为零。如果链段比较刚性或链 段之间排斥作用比较大,则内排斥体积为正;相反,链相互接 触的两部分体积可以小于它们各自的体积之和,则内排斥体积 为负。这种内排斥体积为负的链称为坍陷线团。
高分子材料——7高分子溶液简介
s
2 1/ 2 0
1.71106 cm
扩张体积为:
4 Ve (1.71 10 6 cm ) 3 20.95 10 18 cm 3 3
Ve 20.951018 cm3
一根该聚乙烯链的重量为:
14 104 M 0.232 1018 g 6.023 1023
+
=
“自避”的后果是扩张体积中有部分体积不可进入, 被排除在无规行走的范围之外,故称为排除体积
无热溶剂中:排除体积 =分子链体积
链段/链段作用弱于链段/溶剂作用(良溶剂)
链段互憎,额外膨胀的体积也计入排除体积
额外排斥 作用占用 的空间 无扰链扩张体积
正排除体积
链段/链段作用略强于链段/溶剂作用(亚良溶剂) 链段轻度互亲,收缩体积消减部分排除体积
r2
f,j
nl 2
r2
0
zb 2 C nl 2
r2 2 r2
0
2C nl 2
理论
Θ 溶剂中测
良溶剂中测
稀溶液 半稀溶液 c* 浓溶液
增塑体系
0.1% 5% 10%
30%
100%溶剂
100%聚合物
(均方末端距——均方回转半径——Ve) 只受近程作用而不受远程作用的链称为无扰链 无扰链是不作任何附加假定的理想链
7.2 无扰链
无扰链不能建立数学模型,其均方末端距依赖 实际测定
在理想链条件下实测的均方末端距值称为无扰链 的尺寸,以下标0表示
溶剂
不良溶剂
无扰链 零排除体积 负排除体积
7.4 溶剂
链段/链段作用稍强于链段/溶剂作用 吸引作用刚好抵消刚球排斥作用
因吸引收 缩的空间 无扰链扩张体积
高分子物理课件 高分子的溶液理论
分子间作用力大,所以溶解要比非晶聚合 物困难得多。 ② 溶解有两个过程:首先吸热,分子链开始 运动,晶格被破坏。然后被破坏晶格的聚 合物与溶剂发生作用,同非晶聚合物一样, 先发生溶胀,再溶解。
2. 非极性结晶聚合物的溶解(要加热) (1)这类聚合物一般是由加聚反应生成的,如
Clausius 公式克拉佩龙Clapeyron方程 (热力
学第二定律在两相平衡中的应用)计算:
• ①先求得
dP dT
T(VHgHV(VVl摩) 尔蒸发VVH热glV — — —)— — —摩 溶 溶尔 剂 剂蒸 气 气发 化 化热后前得得体体积积
• ②再根据热力学第一定律换算成
E HV P(Vg Vl )
Fi Fi
2
i
V
i M0
V——重复单元的摩尔体积 M0——重复单元的分子量 Ρ——密度
由聚合物的各种基团的摩尔相互作用常数E来 计算。 ( E查表得到)
2
E ' V~2
E '
M0
• 在选择溶剂时还可采用混合溶剂,效果很好 • 混合溶剂的溶度参数 M A A B B
A ——A溶剂的体积分数
高分子物理
第三章 高分子溶液
➢第一节 概述 ➢第二节 高聚物的溶解
1-1 溶解过程 1-2 溶剂的选择
➢第三节 高分子溶液的热力学
2-1 理想溶液热力学 2-2 高分子溶液与理想溶液的偏差 2-3 高分子溶液理论
第一节 概述
一.重要性 高分子溶液是生产实践和科学研究均要碰到的问题 生产实践中: ①浓溶液——油漆,涂料,胶粘剂,纺丝液,制备 复合材料用到的树脂溶液(电影胶片片基),高聚 物/增塑剂浓溶液等。 ②稀溶液——分子量测定及分子量分级(分布)用 到的稀溶液。
高分子溶液 溶解讲解
溶液依数性
有,但偏高
无规律
有,正常
光学现象
Tyndall 效应较弱
Tyndall 效应明显
无 Tyndall 效应
溶解度
有
无
有
溶液黏度
很大
小
很小
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高分子物理
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(1)特点 ① 热力学稳定相态,分子链排列紧密,规整,
分子间作用力大,所以溶解要比非晶相困难得多
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高分子物理
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② 溶解有两个过程: a.吸热,分子链开始运动,使晶格破坏。 b. 被破坏的晶格的聚合物与溶剂作用,象非
晶聚合物那样先发生溶胀,再溶解。
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高分子物理
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(1)极性相似原则——相似相溶 (定性看)
小 极性大的溶质溶于极性大的溶剂; 分 极性小的溶质溶于极性小的溶剂; 子 溶质和溶剂的极性越相近,二者越易互溶
对于高分子:在一定程度上也适用。
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例如: 天然橡胶(非极性,非晶态)—— 溶于汽油,苯,己烷,石油醚(非极性溶 剂); PS(弱极性)—— 溶于甲苯,氯仿,苯胺等弱极性溶剂和苯 (非极性);
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例:聚酰胺——室温可溶于甲酸,浓H2SO4, 间甲酚。
PET可溶于间甲酚(强极性)。 ★ 这类溶解不仅与分子量大小有关,更重要的 是与结晶度有关,结晶度↑,溶解度↓。
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3.1.2 溶剂的选择
1. 高聚物溶解过程的热力学解释
高分子透明质酸钠溶于水方法
高分子透明质酸钠溶于水方法高分子透明质酸钠是一种常用的生物高分子材料,具有良好的生物相容性和生物可降解性,被广泛应用于医药、美容和保健等领域。
本文将介绍高分子透明质酸钠溶于水的方法。
高分子透明质酸钠是由透明质酸经过化学反应得到的钠盐形式。
透明质酸是一种天然存在于人体组织中的多糖类物质,在皮肤和关节中具有重要的功能。
它具有良好的保湿性能、润滑性能和养肤效果,因此被广泛用于化妆品和医疗器械中。
高分子透明质酸钠的溶解是其应用的基础,只有在溶解状态下才能更好地发挥其功能。
下面将介绍两种常见的高分子透明质酸钠溶于水的方法。
方法一:加热溶解法将透明质酸钠粉末加入适量的去离子水中,然后用磁力搅拌器将其搅拌均匀。
接下来,将容器置于恒温水浴中进行加热,温度一般控制在50-60摄氏度之间。
随着温度的升高,透明质酸钠粉末逐渐溶解在水中,并形成透明的溶液。
加热溶解法的优点是速度快、效果好,适用于透明质酸钠粉末较细的情况。
方法二:冷却溶解法将透明质酸钠粉末加入适量的去离子水中,然后用磁力搅拌器将其搅拌均匀。
接下来,将容器放置在室温下静置,待其自然冷却。
透明质酸钠粉末将逐渐溶解在水中,形成透明的溶液。
冷却溶解法的优点是操作简单、温度低,适用于透明质酸钠粉末较粗的情况。
无论采用哪种方法,高分子透明质酸钠溶解于水后,可以得到透明、黏稠的溶液。
这种溶液可以直接应用于皮肤护理和医疗器械中,也可以作为其他化妆品原料的添加剂使用。
高分子透明质酸钠溶于水后,具有良好的保湿性能和润滑性能。
它可以形成一层保护膜,防止水分的流失,同时增加皮肤的滑润感。
在医疗器械方面,高分子透明质酸钠溶液可以用于制备人工关节润滑剂,减少关节疼痛和磨损。
此外,高分子透明质酸钠还可以作为眼药水、人工泪液等眼部用品的成分,具有润滑眼球表面的作用。
高分子透明质酸钠溶于水的方法有加热溶解法和冷却溶解法两种。
无论采用哪种方法,都可以得到透明、黏稠的溶液,具有良好的保湿性能和润滑性能。
高分子物理名词解释(期末复习)
第一章 高分子链的结构
1.构型: 分子中由 化学键 所固定的原子在空间的几何排列。
2.构象: 由于 单键内旋 而产生的分子在空间的不同形态。 3.聚合度: 高分子链中 重复结构单元 的数目。 4.等规度: 高聚物中含有 全同立构 和 间同立构 的总的百分数。 5.几何异构体: 1,4-加成的双烯类聚合物,由于双键上的集团在双键两侧排列 的方式不同而有 顺式异构 和 反式异构 之分,称之为几何异构体。 支化度:以 支化点密度 或两相邻支化点之间的链的 平均分子量 来表示支化 的程度。 6.交联度:聚合物分子主链上发生 交联的结构单元 占结构单元总数的百分比。 7.柔顺性:高分子链能够 改变其构象 的性质称为柔顺性。 8.静态柔顺性:用高分子两种热力学平衡态构象之间的 位能差 来描述的柔性。 9动态柔顺性:高分子从一种平衡态构象变到另一种平衡态构象所需要 时间 或 转变速率 来描述的柔性。
3.自由结合链:假定分子是由足够多的不占有体积的化学键自由结合而成,
内旋转时没有键角限制和位垒限制,其中每个键在任何方向的取向几率相等, 称为. 4.
L max h , h f ,r h f , j
2 2 2
2
5.伸直链按锯齿形计算其伸直长度:
6.晶体中的分子链构象:螺旋型构象,平面锯齿型构象。 7.高分子溶液中分子链构象:除了刚性很大的棒状分子外,柔性链分子大
都呈无规线团状;呈螺旋状构象的高聚物溶解时,变成部分保持棒状螺旋小段
的线团状构象。
第二章:高分子的凝聚态结构 基本概念
高分子溶液性质及其应用
第八章高分子溶液性质及其应用第一部分内容简介§高分子的溶解一.溶解的过程:非交联高聚物:溶胀溶解;结晶高聚物:晶区破坏→再溶解交联高聚物:只溶胀特点:(1) 溶胀→溶解,对结晶高聚物则是先(2) 溶解时间长二.溶剂的选择原则1. 极性相近原则: 非极性体系PS :苯甲苯丁酮2. 溶度参数相近原则: δ=(ΔE/V)1/2△Fm=△Hm-T△Sm<0T>0,△Sm>0,则△Hm<T「△Sm「△Hm=Vφ1φ2〔(△E/V1)1/2-(△E/V2)1/2〕2V 总体积φ1 φ2 体积分数令(△E/V)1/2=δ则△Hm=Vφ1φ2(δ1-δ2)2若「δ1-δ2「→0 则△Hm越小△Hm-T△Sm<0对于混合溶剂δ=φAδA+φ2δB3.溶剂化原则—广义的酸碱原则如PAN-26(δ=)不溶于乙醇(δ=26)而能溶于甲基甲酰胺—C(O)—NH2—因为C—C(CN)—和CH3—CH2(OH)—都是亲电基团亲核(碱)基团有:CH 2NH 2>C 6H 6NH 2>—CO —N(CH 3)2>—CO —NH>PO 4 >—CH 2—CO —CH 2>CH 2—O —CO —CH 2>—CH 2—O —CH 2—亲电(酸) 基团有:—SO 2OH>—COOH>—C 6H 4OH>—CH(CN)—>—C(NO 2)—>—C(Cl)—Cl> —C(Cl)—§ 高分子稀溶液热力学理想溶液性质△S mi =-R(N 1lnx 1+N 2lnx 2) △H mi =o△F mi =RT(n 1lnx 1+n 2lnx 2)高分子稀溶液(Flory-Huggin 理论)假设(1) 每个溶剂分子和链段占有格子的几率相同 (2)高分子链是柔性的,所有构象能相同思路: △μ→△F →△S m = △H m =一、△S m 的求法设溶剂分子数为N 1链,大分子数为N 2 每个链段数为x 则格子总数为N=N 1+xN 2若已放入i 个链,则i +1个链的放法数为w i +1第1个链段放法为 N-iN 2 第2个链段放法为 NiN N z12--第3个链段放法为Nxj N z 2)1(---第x 个链段放法为Nx xj N z 1)1(+---则i+1个链段放法为1x 2)1(1-+-=+Nz z Wi x N I 个大分子总的放法为 n=∏-=+1122!1N i i w N =!!)1(!12)1(22xN N N N z N x N --- S 溶液=kln n=-k[N 1lnez x N xN N N N xN N N 1ln )1(ln 12212221---+++N 1=0时 S 溶质=-k(N 2lnx+(x+1)N 2lnez 1-) △S m =S 溶液-(S 溶质+S 溶剂)=-k (N 1ln2122211ln xN N xN N xN N N +++)△S m =-R(n 1ln φ1+ n 2ln φ2)二、△H m 的求法△Hm=P 12△ε12 △ε12=ε12-(21ε11+ε12) P 12=[(z-2)x+2]N 2211xN N N +=(z-2)N 1φ2X 1=Tz )2(-△ε12 △H m =RTx 1n 1φ2(1)ΔSm=-R(n 1ln φ1+ n 2ln φ2)其中φ1=211xN N N + φ2=212xN N xN +(2)△Hm=RTX 1n 1φ2 其中X 1=RTz 12)2(ε∆-三、△F m =△H m -T ΔS m=RT[n 1ln φ1+ n 2ln φ2 +n 1X 1φ2 ]四、△μ1的求法△μ1=[P Tn n Fm 2])(1∂∆∂ = RT[ln φ1+ )11(x-ln φ2 +X 1φ2 2] ln φ1= ln(1-φ2)=- φ2-(1/2)φ22△μ1= RT[(-1/X)ln φ2 +X 1-21φ2 2] 而理想溶液 △μ1I =-RTX 2=-RTN 2=-xRTφ2 超额化学位 △μ1E =△μ1-△μ1I△μ1E =RT(X 1-21)φ22 溶解过程判据 五、Θ温度的定义X 1-21=Κ1-Ψ1 Κ1:热参数Ψ1:熵参数定义 Θ=11ψK T/Θ=11K ψΘ温度即为热参数等于熵参数的温度 § 相分离原理∵ 化学位 △μ1/(RT)→φ2 的关系: △μ1=-RT[x 1φ2-(X-21)φ22]产生相分离可能性 (1) φ2↑→φ2c (2) X 1↑→X 1c (3) T ↓→T 1cTP )(221φμ∂∆∂=0 φ2c =x10)(2212=∂∆∂TP φμ X 1c =x121+由X 1-21=Ψ1()1-Tθ当X 1= X 1c 时 T c =)111(1xψ+Θ 相分离时 φ2c =x1X 1c =x121+ T c =)111(1xψ+Θ § 膜渗透压法测分子量纯溶剂的化学位是溶剂在标准状态下的化学位, 为纯溶剂的蒸汽压溶液中溶剂的化学位p 1为纯溶剂的蒸汽压溶液中溶剂化学位与纯溶剂中化学位之差为对于恒温过程有如果总压力的变化值为根据Van’t Hoff方程,对于小分子而言而高分子不服从Raoult定律,则有将Flory-Huggins稀溶液理论中溶剂中化学位表达式代入把展开,在稀溶液中远小于1因为定义第二维利系数为第二维利系数可量度高分子链段与链段之间以及高分子与溶剂之间相互作用的大小。
高分子物理第三章溶液13要点
而破坏晶格,使溶解得以进行。可在常温下溶解。
3.非极性晶态聚合物 因结晶在常温下不能被破坏,所以 常温下不能溶解。只能升温至熔点以上才能溶解.如
;PE\PP\...
二、高聚物溶液特点
高分子溶液是真溶液
溶解过程比小分子缓慢
几小时——几天甚至几星期
高分子溶液的粘度大得多
比同浓度的小分子溶液粘度大一个或几个数量级 1)分子链由于有内摩擦不易流动 2)大分子链之间作用力使体系相对稳定,不易流动
PVA膜、人造丝
高分子溶液遵循宏观热力学的规律,
但比小分子溶液复杂,达到平衡的时 间特别长。
三、聚合物 溶剂的选择
高聚物/良溶剂体系
良溶剂-链单元间的相互作用力>链单元间的内聚 力, 线团扩张.
高聚物/劣溶剂体系
内聚力使线团收缩,高分子线团塌缩。 当内聚力达到一定程度时,高分子聚集,甚至从溶 剂中沉淀出来。
一、高聚物的溶解过程
高聚物的溶解过程缓慢,包括两个阶段
1 非晶态高聚物的溶解
பைடு நூலகம்
溶胀:溶剂分子渗入高聚物中,聚合物链与溶剂分子大 小相差悬殊,溶剂分子向聚合物渗透快,而聚合物分 子向溶剂扩散慢,结果溶剂分子向聚合物分子链间的 空隙渗入,使之体积胀大,但整个分子链还不能做扩 散运动
溶解:分子链摆脱了其它链段的束缚进入溶液 线性高聚物——溶解
2 结晶高聚物的溶解过程:
结晶的熔融—熔融的高聚物+溶剂—溶解
对同种聚合物而言,结晶使聚合物溶解度降低,结晶度越 高,溶解越困难。
非极性结晶Polymer:
常温下不溶,在Tm附近溶解: 由于非极性晶态聚合物中分子链之间排列紧密, 相互作用强,溶剂分子难以渗入,因此在室温条件下只能微弱溶胀;只 有升温到其熔点附近,使其晶态结构熔化为非晶态,才能溶胀-溶解。
第三章 高分子溶液及相对分子质量
2 NiMi
10 (10 ) 5 (10 ) Mv 4 5 10 10 5 10
4 0.61
5 0.61
1
0.6
80000
讨论:
Mw > Mv > Mn,Mv 略低于 Mw
Mn 靠近聚合物中低分子量的部分,即低分 子量部分对 Mn 影响较大
第三章 高分子溶液及分子量
3.1 高分子溶液基本知识介绍
3.2 高聚物分子量知识介绍 3.3 高聚物分子量测定方法简介
教学时数:2 教学要求: (1)了解高分子溶液几个基本概念 (2)掌握聚合物分子量及分布的概念 (3)理解聚合物分子量测定的意义
3.1 高分子溶液基本知识介绍 工业上高分子溶液应用的一些例子:
每种方法都有相应适用范围和测定相应的分子量。
测定高分子材料平均相对分子质量的方法及适用范围
方法
端基 分析
膜渗透 压法
蒸气压法 (VPO)
沸点 上升 法
冰点下 光散射 降法 法
黏度 法
GPC法
测得平 均分子 量的类 型
Mn
Mn
Mn
Mn
Mn Mn MW
M
MW
M
适用分 <3× 子量范 104 围
2×104 ~106
3.3 高聚物分子量测定方法简介
测定聚合物平均分子量的方法很多。 化学法:端基分析法。
热力学法:利用稀溶液的依数性—溶液的某些性质的变 化与溶质的分子数目成正比关系。
膜渗透压法、蒸气压法、沸点升高法和冰点下降法等。 动力学法:粘度法、超速离心沉降法。 光学法:光散射法。 凝胶渗透色谱法(GPC法),该方法通过测定聚合物分 子量分布求得平均分子量。
第三章 高分子溶液讲解
N-xj
N xj 1 Z ( ) N
Z-配位数
N xj 2 ( Z 1) ( ) N
第三个链节:
第四个链节:
( Z 1) (
N xj 3 ) N
W j 1 Z ( Z 1)
x2
N xj 1 N xj x 1 ( N xj)( )( ) N N
θ状态 溶解过程的自发趋势更强
良溶剂
不良溶剂
3.3 高分子溶液的相平衡
3.3.1 渗透压
Osmotic pressure
Solution
Pure solvent
Semipermeable membrane
渗透压等于单位体积溶剂的化学位,即:
1 1 v1 V1
V1与v1分别为溶剂的偏摩尔体积与摩尔体积。 由于为稀溶液,所以近似相等。
E 内聚能密度 V
E为一个分子的气化能,是该分子从纯态解 离必须破坏的其相邻分子相互作用的能量。 V为分子的体积
内聚能密度可表示分子间作用力
定义溶度参数为内聚能密度的平方根
E V
所以:
(J/cm3)1/2
△Hm=φ 1φ 2[δ 1-δ 2]2Vm
|δ1-δ2|<1.7,大概可以溶解;
分子量50000的聚乙烯,50000 cm3 /mol
内聚能: 13,100,000 J/mol
C-C键能:83kcal/mol = 346,940 J/mol
分子间力远远大于键能,故大分子不能气化
溶度参数的测定方法
溶剂的溶度参数可以通过溶剂的蒸发热直接测定
聚合物不可气化,故采用相对方法
(1) 特性粘度法:
N1 xN2 S M k[ N1 ln N 2 ln ] N N
大学《物理化学》14.高分子溶液
4. Z均相对分子质量 均相对分子质量
MZ
ω ω
B
M
Z
=
∑ ∑
B B
M M
2 B
B
B
•
相对分子质量大的级分对 大于
MZ
的贡献
Mm
•
通过超离心沉降平衡法测得
说明: 说明: 1)对多级分体系 )
M Z > M m > Mη > M n
2) 分子越不均匀 即相对分子质量分布越宽 它们的 分子越不均匀, 即相对分子质量分布越宽, 差别就越大
由于高分子主链上常连有侧链或其它基 团,将会对高分子链的内旋转造成阻碍,此 将会对高分子链的内旋转造成阻碍, 时,溶液中的高分子链的内旋转常以若干个链 节为一个旋转动力单元。 节为一个旋转动力单元。
此动力单元称为------ 链段 此动力单元称为
2) 链段 -------主链上独立运动的小单元 ) 链段: 主链上独立运动的小单元. 主链上独立运动的小单元 一般一个链段含多个链节。链段越多, 一般一个链段含多个链节。链段越多 分子在空 间的构象就越多, 间的构象就越多,分子在每时每刻表现的形态则各不 相同,此时分子的柔顺性越好; 相同,此时分子的柔顺性越好; 若一个链段只含一个链节时, 若一个链段只含一个链节时 分子的柔顺性达到 最大; 最大; 分子越柔软,卷曲就越厉害, 分子越柔软,卷曲就越厉害,因此高分子在溶液 中的常见形态是----------- 无规线团 中的常见形态是
PH值: 影响高分子电解质,等电点处,分子的柔顺性 值 影响高分子电解质,等电点处, 差,在酸、碱侧,柔顺性增强。 在酸、碱侧,柔顺性增强。
二. 高分子化合物的溶解过程
首先溶剂分子由于扩散作用而陆续渗入高分子链 段间的空隙,使分子体积不断澎大, 段间的空隙,使分子体积不断澎大,链段间的相互作 用逐渐减弱,链段的运动越来越自由, 用逐渐减弱,链段的运动越来越自由,----------- 溶胀 溶胀后的高分子在溶剂中进一步相互分离, 溶胀后的高分子在溶剂中进一步相互分离,溶剂 与高分子相互扩散, 与高分子相互扩散,最后形成高分子溶液 -----------溶 溶 解(或无限溶胀) 或无限溶胀)
第一节 高分子材料的溶解和溶胀
表8-1 和表8-2 分别列出一些聚合物和溶剂的溶解度参 数。由表可知:
(1) 天然橡胶的δ=16.6 ,它可溶于甲苯(δ=18.2 )和 四氯化碳(δ=17.6 )中,但不溶于乙醇(δ=26.0 );
(2) 醋酸纤维素(δ=22.3 )可溶于丙酮(δ=20.4 ) 而不溶于甲醇(δ=29.6 )。
(3)聚乙烯醇+ 水,乙醇
2. 研究高分子溶液理论的意义
高分子溶液是人们在生产实践和科学研究中经常遇到的 对象
稀溶液 C<1% ( 重量浓度) 分子量测定 1%
溶液
浓溶液 C>5% 纺丝--- 油漆,涂料--- 胶粘剂--- 增塑的塑 料
稀溶液和浓溶液的本质区别在于稀溶液中单个大分子链 线团是孤立存在的,相互之间没有交叠;而在浓厚体系中, 大分子链之间发生聚集和缠结。
δ 溶剂
δ 溶剂
δ
14.9 苯
18.7 十氢萘
18.4
15.2 甲乙酮
19.0 环己酮
20.2
15.1 氯仿
19.0 二氧六环
20.4
16.8 邻苯二甲酸二丁 19.2 丙酮
20.4
17.6 氯代苯
19.4 二硫化碳
20.4
17.9 四氢呋喃
20.2 吡啶
21.9
18.2 二氯乙烷
20.0 正丁醇
23.3
?混合 ? ? A? A ? ? B? B
(8-3)
式中:? A 和 ? B 为两种纯溶剂的溶度参数,
? A和 ? B 为两种溶剂在混合溶剂中所占的体积分数。
表8-3 可溶解聚合物的非溶剂混合物
聚合物
?
无规聚苯乙烯 18.6
第3章高分子溶液性能详解
研究高分子溶液性质的意义及特点 高分子溶液:聚合物以分子状态分散在溶剂中所形成的均相 混合物 根据浓度分为: C<1%-----极稀溶液 1%<C<5%----稀溶液 C>5%----浓溶液 高,稳定性不好 低,稳定性好
稀溶液和浓溶液的本质区别在于稀溶液中单个大分子链 线团是孤立存在的,相互之间没有交叠;而在浓厚体系中, 大分子链之间发生聚集和缠结。
高分子溶液
天然橡胶(非极性):溶于汽油,苯,己烷,甲苯(非极性溶剂) PS(弱极性):溶于甲苯,苯(非极性)和氯仿,苯胺(弱极性) PMMA(极性):溶于丙酮(极性) PVA(极性):溶于水(极性) PAN(强极性):溶于DMF(二甲基甲酰胺 ),乙腈 (强极性)
高分子溶液
(2)溶剂化原则:即溶剂分子通过与高分子链的相互作用 可把链分离而发生溶胀,直到溶解。 溶剂化作用要求聚合物和溶剂中,一方是电子受体(亲 电性),另一方是电子给体(亲核性),两者相互作用产生 溶剂化。 常见的亲电性基团:
3.高分子溶液是处于热力学平衡状态的真溶液;
4.高分子溶液的行为与理想溶液有很大的偏差;
高分子溶液
高分子溶液的特征是什么 把它与胶体溶液或低分子真溶液作比较,如何证明 它是一种真溶液. 解:从下表的比较项目中,可看出它们的不同以及高分子溶液的特征: 比较项目 高分子溶液 胶体溶液 真溶液 分散质点的尺寸 大分子10-10—10-8m 胶团10-10—10-8m 低分子<10-10m 扩散与渗透性质 扩散慢,不能透过半透膜 扩散慢,不能透过半透膜 扩散 快,可以透过半透膜 热力学性质平衡, 稳定体系,服从相律 不平衡,不稳定体系 平衡,稳定 体系,服从相律 溶液依数性 有,但偏高 无规律 有,正常 溶解度 有 无 有 溶液粘度 很大 小 很小 主要从热力学性质上,可以判断高分子溶液为真溶液.
第09讲 溶解过程
N2 – the mole number of solution
S M k [ N 1 ln X 1 N 2 ln X 2 ]
i
k – Boltzmann constant
S M R [ n1 ln X 1 n 2 ln X 2 ]
i
k R / NA
i i i
R – gas constant NA – Avogadro’s number
极性与非极性聚合物
3.1.2 热力学分析
聚合物的溶解过程就是高分子与溶剂相互混 合的过程
GM H M T SM
溶解自发进行的必要条件 溶解过程中
GM 0
SM 0 T SM 0
因此,是否能溶取决于HM
GM H M T SM
(a) 极性高聚物溶于极性溶剂中,如果有强烈相互作用, 一般会放热,HM <0, 从而溶解过程自发进行。 (b) 大多数高聚物溶解时,HM >0, 从而溶解过程能自发 进行取决于HM 和TSM的相对大小
第3章 高分子溶液
Polymer Solution
Why should we study polymer solution?
在理论研究方面: 高分子溶液是研究单个高分子
链结构的最佳方法 在实际应用方面:
粘合剂
涂料
溶液纺丝
增塑
共混
HOW to study polymer solution?
ΔE δ2 = V
1 2
=
nF
i
i
V
=
ρ M0
nF
i
i
303.4 65.5 668.2
F
高分子溶液
N=N1+xN2
假定已经有j个高分子无规则地放入了格子中,剩下N-jx 个 格子空的,现在要计算第(j+1)个高分子放入N-jx个格子中 去的放置方式数 Wj+1 . 第j+1个高分子的第一个 链段的放法 可以放在 N- jx个空格中的任意一个 格子内,其放置方法 为:
N-jx
因第二个链段须放在与第一个链段相邻的空格中, 第一个链段周围有Z个格子,其中是空格的几率为(Njx-1)/N. 第j+1个高分子的第二个链段的放法
GM = H M T S M GM = kT [ N1 ln φ1 + N 2 ln φ2 + x1 N1φ2 ]
= RT [n1 ln φ1 + n2 ln φ2 + x1n1φ2 ]
GM = kT [ N1 ln x1 + N 2 ln x2 ]
i
高分子溶液多了一项混合
[ x1φ2 N1 ]
对 GM 求偏导数获得溶液中溶剂的化学位的变化 1 和溶质的化学位的变化 2
则高分子溶液的混合热为:
令
z W12 χ1 = kT
H M = χ1kTN 1φ 2
高分子-溶剂相互作用参数 (Huggins parameter)
z W12 χ1 = kT
为什么要引入 χ1 :
χ1
在 -1 ~ 1范围内 无量纲
因为在高分子溶液中[1-1],[1-2],[2-2]间的相互作用不 等.(而在小分子溶液中这几种相互作用相等.)
每个高分子周围有(Z- 2 )x+2 个空格,(为什么?) 每个空格被溶剂分子占有的几率为
φ1
则溶液中能形成[1-2]的总对数可近似表示为:
N 12 = N 2 [( z 2 ) x + 2]φ1
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混合溶剂的溶度参数
M 11 22
10
高分子没有气态,如何测定CED或 ?
溶度参数 的测定p75
溶胀法
粘度法
浊度滴定法
Q [h]
p
溶胀法
p
粘度法
11
估算 ——摩尔引力常数
Small将溶度参数与其化学结构联系起来, 利用
下式进行估算(结构基团的摩尔吸引常数):
r
i
100 g / mol 3 84 cm / mol 3 1.19 g / cm 1605.9 19.12 ( J 0.5 / cm1.5 ) 84
12
CH3
303.4
2
F V
3.1.3 溶剂的选择原则
“极性相近”原则
2 “溶度参数相近”原则 HM 12[1 2 ] VM
i GM 0 1 1 1 RT ln X 1 n1 T , p ,n2 1 和 10 分别为溶液中的溶剂和纯溶剂的化学位
理想溶液的依数性
溶液的蒸气压
p1 1 ln 0 p1 RT
V1 V1
p1 p X1
0 1
溶液的渗透压 1 RT ln X1 RT X 2
1, 2 – 分别为溶剂和高分子的溶度参数
VM – 混合后的体积
9
溶度参数
溶度参数 =
1/2 =
E CED V
提示: 先计算摩尔体积, 再计算 CED, 最后计算. (注意单位)
Example: 完全非晶的PE密度 为ra=0.85g/cm3, 如果其内聚能 为2.05kcal/mol单体单元, 试计 算其溶度参数.
溶胀: 溶剂分子渗入聚合物内部,即溶剂分子和 高分子的某些链段混合,使高分子体积膨胀 溶解: 高分子被分散在溶剂中,整个高分子和溶 剂混合
交联聚合物: 溶胀平衡 结晶聚合物: 晶体熔融再溶解
极性与非极性聚合物
6
3.1.2 热力学分析
聚合物的溶解过程就是高分子与溶剂相互混 合的过程
GM H M T SM
S
i M
R[n1 ln X 1 n2 ln X 2 ]
R – gas constant NA – Avogadro’s number
i M
k R / NA
i M i M i M
G H T S T S RT[n1 ln X1 n2 ln X 2 ]
16
偏摩尔自由能 Partial molar free energy
在理论研究方面: 高分子溶液是研究单个高分子
链结构的最佳方法 在实际应用方面:
粘合剂
涂料
溶液纺丝
3
增塑
共混
4
HOW to study polymer solution?
聚合物的溶解过程 溶剂的选择 溶解状态 溶解热力学
5
3.1 聚合物的溶解
3.1.1 聚合物的溶解过程
非晶态聚合物: 溶胀和溶解
HM < TSM 能进行溶解。HM 越小越有利于溶解的进
行
如何计算HM ?
8
Hildebrand equation
对于非极性聚合物溶解于非极性溶剂中(或极性 很小的体系), 假设溶解过程没有体积的变化, 则 有:
H M 12[1 2 ] VM
2
1, 2 – 分别为溶剂和高分子的体积分数
i i HM 0 VM 0 p1 p10 X1
15
N1 X1 N1 N 2
i M
N1 – the mole number of solvent
N2 – the mole number of solution
S k[ N1 ln X1 N2 ln X 2 ]
k – Boltzmann constant
对于非极性非晶态聚合物适用 对于非极性的晶态聚合物, 必须在其熔点附近 才能使用本原则 对于极性聚合物, 应加以修正, 考虑不同的分 子间作用力情况
溶剂化原则(高分子-溶剂相互作用参数小于
1/2)
13
广义酸碱理论
亲核基团:
>
O CH2NH2 O C CH2 O N(CH3)2
>
C6H4NH2
3W
What is polymer solution? Why to study polymer solution? HOW to study polymer solution?
1
What is polymer solution?
传统上 广义上
2
Why to study polymer solution?
269
ΔE δ2 =
2
nF =
i
i
V
=
ρ M0
n F
i
i
F 303.4 2 269 65.5 668.2
1605.9 ( J cm V M0
3
CH2
C C O
)
1
2
mol 1
668.2
r1.19g/cm3 O
>
C O
>
C NH
>
CH2 O C CH2
>
CH2OCH2
亲电基团:
SO2OH
>
COOH
>
C6H4OH CHCl2
>
CHCl
CHC N
>
CHNO2
>
>
Example: 尼龙-6为强亲核性的, 选择甲酸、间甲酚等强亲电性溶剂
PVC为弱亲电性的,可选择环已酮、四氢呋喃等弱亲核性溶剂
PAN可选择二甲基甲酰胺DMF为溶剂
溶解自发进行的必要条件 溶解过程中
GM 0
SM 0 T SM 0
因此,是否能溶取决于HM
7
GM H M T SM
(a) 极性高聚物溶于极性溶剂中,如果有强烈相互作用, 一般会放热,HM <0, 从而溶解过程自发进行。 (b) 大多数高聚物溶解时,HM >0, 从而溶解过程能自发 进行取决于HM 和TSM的相对大小
思考:PTFE为什么没有合适的溶剂(塑料之王)?
14
3.2 柔性链高分子溶液的热力学性质
Thermodynamical properties of the flexible chain polymer solutions 3.2.1 理想溶液的热力学性质
Ideal Solution
溶液中溶质分子间,溶剂分子间,溶质和溶 剂分子间的相互作用是相等的 溶解过程中没有体积变化,也无热量变化, 溶液的蒸汽压服从Raoult law