高分子链的结构及认知 ppt课件

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计算可得:
根均方末端距与完全伸直链相差达30倍!
2.假设PE为自由旋转链(freely rotating chain):即键
长l固定,键角固定,单键内旋转自由的长链分子模型:
(即规定键角和不考虑内旋转能垒障 )。
均方末端距:
n nr r
h2 f ,r
li l j
i1 j1
r r r r l1l1wenku.baidu.coml1l2
(1) 等同规则 高分子链在排入晶格的时候,必须满足对称性的要求,即这种构象 必须满足排入晶格的要求,能使链上的结构单元处在几何晶轴的 等同位置上.—高分子通常采取比较伸展的构象;
(2) 能量最低规则 在满足对称性要求的前提下,分子链中结构单元倾向于采 取使大分子链能量降低的构象状态.
2. PE分子高分子链在晶体中的构象 平面锯齿链构象
极端情况:
当高分子链上每个键都能完全自由旋转(自由 联接链),“链段”长度就是键长——理想的柔性 链(不存在)。 当高分子链上所有键都不能内旋转——理想的 刚性分子(不存在),“链段”长度为链长。
有了链段的概念后,我们从分子运动的角度可以看出: 是链段的运动(大量C-C单键的内旋转)使高分子链具 有无数构象从而产生柔性的主要原因,由于分子链上众 多的运动单元的运动,使分子链的几何形态千变万化, 从而使高分子链表现出相当好的柔性。
1.4.1 高分子链的柔顺性
柔顺性 高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能称为高分子 链的柔顺性。 高分子链能形成的构象数越多,柔顺性越大。 高分子的柔顺性是高分子材料的性能不同于小分子物质的主 要原因。
特点:
1、单条高分子链类似一根绳子,为不规则地蜷曲的无规线团。 2、单键的内旋转是导致高分子链呈蜷曲构象的原因。 3、单键的内旋转是高分子链能够改变构象的原因。 4、单键的内旋转也是高分子链的柔顺性的原因。 5、分子结构影响单键的内旋转位垒,那么高分子结构也影响高
tg增加,
柔性降低。
实质:无外力作用下,达到平衡态,高分子链自发卷曲的形态。
动态柔顺性:
是指在外界条件的影响下,平衡态构象间转变的难易程度(速 度),转变速度取决于反式与旁式之间转变的位垒ub与外场作 用能KT之间的关系;假定位垒ub <<(外场作用能)KT,转变 可在10-11s内完成,则链的动态柔顺性很好。 (提供现实性)
可以推想,链中第i+1个键起,原子在空间可取的位置已与 第一个键无关了。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”。它是高聚物结构中的一个重要 概念。
所以高分子长链可以看作是由许多链段组成,
每个链段包括 i 个键。
链段之间可看成是自由连接的,它们有相对的 运动独立性,不受键角和位垒限制。
容易以反式构象存在. 3.从反式转化为旁式构象必须越过更高的能垒△E,△E决定反式
与旁式的转化速度.
2、高分子的内旋转构象
以结构最简单的聚乙烯为例:
1.单键两端的两个链段处于全交叉位置时非键合原子的距离 最远,斥力最小,位能也就最低,呈全反式构象;
2.当两个链段处于全叠合位置时位能最高,处于顺式构象; 3.除此之外也还存在“左旁式”和“右旁式”构象,它们的 能量
(3)支化、交联: ①支链长,柔顺性下降。 ②交联,含硫2%~3%橡胶,柔顺性影响不大,含硫30% 以上影响链柔顺性。
(4)链的长短: 分子链越长,分子构象数目越多,链的柔顺性越好。
(5)分子间作用力: 分子间作用力大,柔顺性差。 氢键(刚性)< 极性 < 非极性。如聚异丁烯 > PE
(6)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,但一般一致。
②Si-O-键长长,键角大,内旋转容易。如硅橡胶。
ⅱ 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;
ⅲ 主链含有孤立双键,柔顺性较好。原因双键邻近 的单键的内旋转位垒减小,双键旁的单键内旋转 容易,所以可作为橡胶;
但是带有共轭双键的高分子链不能内旋转,像聚 苯、聚乙炔,都是刚性分子。
提升:链段定义-高分子链上划分出的可以任意
取向的最小单元或高分子链上能够独立运动的最小 单元称为链段。
链段与结构单元是不同的概念,它是一个统计单元, 随主链的结构不同、环境的变化,链段的具体内容也 将不同(小到可以是结构单元,大至整个分子链)。
所以高分子链上单键数目越多,内旋转越自由, 则高分子链的形态(构象)越多,链段数也越多, 链段长度越小,链的柔顺性越好。 高分子的柔顺性的实质就是大量C-C单键的内 旋转造成的。
在平衡状态时它可能处于卷曲的无规线团状(即表现出 一定的静态柔性),但由于大取代基的强烈相互作用使得单键 的内旋转无法发生,很难发生构象的相互转变,相当于被冻结 成某种构象的无规线团,像一根弯曲着的金属丝,从而表现出 很差的动态柔性。 可以看出:只有当静态链柔性和动态链柔性都比较好时,聚合 物才表现出较好的链柔性。
第3-4节 高分子链的远程结构
远程结构(long-range structure)的内容包括: 大分子的构象或形态:单键的内旋转 众多构象 链的柔性 分子的大小:分子的尺寸、分子量及分布(第四章)
重点及要求:掌握高分子链的构象、柔顺性和链段的的概 念,以及柔顺性的影响因素。
教学目的:建立起长链大分子的概念、无规线团概念和链 段的概念。
本节教学目的与要求
建立起长链大分子的概念、无规线团概 念和链段的概念。
掌握高分子链的构象、柔顺性和链段的 概念,以及柔顺性的影响因素。
§5-6 高分子链的构象统计
高分子由于单键的内旋转,分子具有许多不同的构象。 由于热运动,高分子以及它的链段在不停地运动着,即所谓微
布朗运动。 对于瞬息万变的无规线团的高分子,可以用均方末端距或根均
( 2)取代基(侧基): ⅰ侧其非极性:体积大,空间位阻愈大,柔顺性差。 PS < PP < PE
ⅱ侧其极性: ①极性强,作用力大,内旋转困难,柔顺性差。 如:聚丙烯腈PAN < PVC < PP
②比例大,数量多的,柔顺性差。 如:聚氯丁二烯 > PVC > 聚1,2-二氯乙烯。
③取代基分布:聚偏二氯乙烯>PVC,前者对 称,分子偶极矩小,内旋转容易。
总结:内旋转的单键数目越多,内旋转阻力越小,构 象数越大,链段越短,柔性越好。
※1.4.3.外界因素对链的动态柔顺性的影响
外界因素: ⅰ 温度:温度升高,内旋转容易,柔顺性增加。如PS室温
为塑料,加热100℃以上呈柔性。顺式聚1,4-丁二烯室 温为橡胶,-120℃刚硬。 ⅱ 外力作用速度:速度缓慢时柔性,速度作用快,高分子 链来不及通过内旋转而改变构象,分子链显得僵硬。 ⅲ 溶剂:影响高分子的形态 高分子链的柔顺性由两类因素决定,一是结构因素, 另一类是温度、溶剂、外力、时间、增塑、共混等外 部因素决定。
Cn C3
C4
C2
C1
高分子的构象:由于单键的内旋转而产生的分子在空间 的不同形态。
假设一根高分子链含有 N 个单键,每个单键可取 M 个 不同的旋转角,则该高分子可能的构象数为:MN
讨论:高分子链的状态?
高分子链卷曲状态的原因:1.聚合物的长链结构
结论:
2.分子链中C-C单键的内旋转
1.所以从统计的角度,大分子链呈现无规线团(无规线团:无
lilj l2l1 l2l2
lrlr i1 j1
n
rr 1 lnl2
l2ln ......
rr lnln
对于PE自由连接链:当: i j
i j
r ur li lj l2 r ur li lj 0
所以均方末端距:
h2 f,j
nl 2
PE自由连接链的末端距要比其完全伸直时的尺寸nl小的多
例:聚乙烯PE 聚合度 P=500 (n=1000) 键长 l = 1·54A
PE分子链采取完全伸展的全反式构象-平面锯齿构象。
3. i-PP分子高分子链在晶体中的构象
i-PP:由于分子链上两个甲基间的
I
II
范德华半径总为0.4~0.43 nm,为了
避免侧基的空间障碍,宜采取反式
和旁式交替的螺旋构象。
范德华半径重叠示意图
I-排斥力区 II-甲基范德华体积
i-PP 31螺旋形构象
分子链的柔顺性。
高分子链的柔顺性可以从静态和动态两个方面 来理解
静态(平衡态)柔顺性:
在高分子链处于“自由”状态下,具有的改变构象的能 力,热力学平衡条件下的柔性,取决于反式和旁式构像
之间的能量差tg.(潜在的、提供可能性) 当tg / kT<1时,分子链柔性。
当tg / kT>>1时,呈刚性。
方末端距来表征其分子尺寸。
高分子的末端距
§1.5均方末端距的计算
1.假设PE为自由连接链(freely jointed chain):即键
长l固定,键角不固定,内旋转自由的理想化模型(即不
考虑键角限制和内旋转位垒障碍 )。
则由n个键组成的自由连接链的末端距应是各个键长的矢
量和:
r rr r
r nr
全同聚丙烯在晶态中的链构象(旁)
溶液中高分子链的构象 无规线团(蜷曲)构象
讨论:构象与构型的区别:
构型 (由近程结构决定) 改变一定要通过化学键的破坏和重组 构象
(由远程结构决定)
改变不涉及化学键的破坏,在外力或温度作用 下很容易改变,不管在外力作用下高分子链呈 现什么固定的形态或形状都属于构象的范畴.
实质:在外界条件影响下(温度、溶剂等),高分子链从一种 平衡态构象向另一种平衡态构象转变所需时间或转变的速度。
静态柔性和动态柔性之间具有什么关系? 如果一个大分子链在常温下处于卷曲的无规线团状,而且线团 的形状也处于不断的变化之中,我们说这个大分子既具有好的 静态柔性又具有好的动态柔性。 带有大取代基的高分子柔性特点:
也比较低。 可以看出每一个结构单元也有反式、顺式和旁氏三种构象。 每条分子链构象也是相当多的。
由于高分子链的空间构象数相当多,所以高分子 的主链通常不是伸直的,它可以卷曲起来,在空 间采取各种形态。这种无规则地蜷曲的高分子链 的构象称为无规线团.
1.3.3 晶体和溶液中高分子链的构象
1.晶态下高分子链的构象
hf,jl1l2l3ln li
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r2 rrr rrrr r nn r u r
h f,j l 1 l 2 l 3 l nl 1 l 2 l 3 l n l i l j
i 1 j 1
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rr l1l2
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n n r r r r r r
rr
h2 f,j
注意:分子链的静态柔顺性和动态柔顺性是两个不同 的概念。
通常我们所讨论的分子链柔顺性,一般是指热力学平 衡态(静态)柔顺性,当考虑高分子在加工条件下的 粘性流动时,就需要考虑分子链动态柔顺性的影响。
※14.2.分子结构对链的静态柔顺性的影响
内旋转愈容易,则链的柔顺性愈好。 (1)主链结构:
ⅰ 主链全由单键组成的,一般柔性较好,如PE,PP,乙丙橡 胶等。柔顺性:-Si-O->-C-O->-C-C-, 原因: ①氧原子周围无原子,内旋转容易。
高分子链的构象
高分子链的构象有微构象与宏构象之分: 微构象:指高分子主链键构象 宏构象:指整个高分子链的构象
构象:由于高分子链上的化学键的不同取向引起的结构 单元在空间的不同排布。
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。
什么样的化学键可以旋转?
1.3.1 理想情况下高分子链的内旋转构象
1、小分子的内旋转构象
乙烷分子的构象及内旋转位能图
结论:1.反式能量最低,分子倾向采取反式构象存在,而不是 采取顺式构象.
2.位垒△E决定单键内旋转的速度.
丁烷分子的构象及内旋转位能图 结论: 1.有两种能量低谷:反式和旁式,丁烷分子倾向采取反式和旁式构
象存在. 2.位能差决定着反式和旁式构象的比例,位能差越大,分子构象越
规则蜷曲高分子链的构象)构象的几率最大,或者说卷曲状态
是最可能状态。
Z2.另外从热力学的角度看,卷曲状态是的混乱度较大的状态
(熵最大状态),高分子链呈现卷曲状态是一个自发的过程。
1.3.2 实际情况下高分子链的内旋转
讨论:单个化学键能否独立运动(旋转)?
不能。实际上键角的限制和位垒的障碍都是存在的,高分子 链中的单键旋转时互相牵制,一个键转动,要带动附近一段 链一起运动,这样,每个键不能成为一个独立运动单元。
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