高分子结构与性能 凝聚态结构

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PVC/CPE=100/10 共混物的TEM照片 (共混温度T=170℃;X25000)
PVC有优良的增韧改性功能。
2. 晶态—非晶态共混物
四种形态类型
PCL/PVC共混物(PVC:0-40%) 实验证据: i x射线衍射:PCL晶区的衍射峰与纯PCL的位臵一样; ii 偏光显微镜照片:整个视野充满PCL球晶;
2、 嵌段共聚物 SB SBS
3、 多嵌段共聚物
在一个共聚物分子内有若干个交替排列的短嵌段A和B, A和B的分子量通 常数百至数千。
4、 互穿聚合物网络
(1)分类 (2)形态结构
TEM of the PMMA/epoxy systems: semi-IPNs, (a) 50/50, (b) 40/60, (c) 30/70, and (d)20/80; (e-h) same compositions for the full-IPNs; copolymer (i) 50/50, and (j) 20/80.
2.3 高分子合金
2.3.1概述 1、定义 2、制备方法 3、体系特征 4、鉴别相容性的方法 2.3.2 化学共混 1、 接枝共聚物: (1) HIPS形态结构
(2) HIPS制备 溶解含5-20%的线形聚丁二烯(PB)的苯乙烯单体在一定温度 和引发剂作用下,通过搅拌聚合获得。 转化率达10-20%时,产生第一次相分离:苯乙烯单体所溶胀的PS
PCL在HDPE纤维表面横穿结晶。由于HDPE对PCL的强成核作
用PCL在HDPE纤维表面形成密集的结核排,致使PCL晶体只能横向生长。
结构特点:平行链附生结晶, 如PE在PTFE取向基底上附生结晶
(2) 聚合物附生结晶对材料力学性能的影响 协调效应明显,力学性能提高 聚合物附生晶体间存在强的相互作用; 异相附生结晶中的附生晶体和基底的分子链轴方向成一 定角 度交叉取向结构对力学性能产生协调效应。
对高聚物非晶态结构的研究,早在40年代Floy提出了单相无规律团结构模 型,五十年代后期出现分歧,并提出了好几种局部有序的结构模型。
1、单相无规律团模型(single phase random coil model)
根据这个模型,每个链分子形成无规线团,其直径正比于分子中 链段数的平方根。不同分子链有较多的相互贯穿,每个线团内的其余 空而均为相邻分子链所占有,在同一分子链以及不同分子链的链段之 间存在着不同程度的缠结。这样可以把非晶态高聚物看作是有剩余自
为聚合物结晶速度快提供了依据
2.2 高聚物的晶态结构
2.2.1简史 Hermarm等(1930)首先提出了结晶性高聚物的“缨束两相结 构模型”, 因为实验测得的晶粒大小为50~500埃,远小于分子链的 长度。因此假设一根分子链可以同时贯穿几个晶区和非晶区,在晶 区:--------,非晶区--------。 PE球晶的发现,结晶速度较快,分子链的排列方向与球面相切。 而据“缨束两相结构模型” 难以解释。 1957年Keller,Till和Fischer同时发现PE单晶。电子衍射证明分 子链垂直于片晶平面而取向,电镜照片表明片晶厚度100埃左右,而 PE分子链长度约为6000埃左右,提出近邻规整折叠链模型。 1958年Bunn等人用电镜观察到慢冷的聚四氟乙烯断裂表面上有 带状的沟纹结构,x射线衍射证明为伸展链结构。
(银纹),银纹的产生是吸收能量的过程。
裂纹引发的增韧机理与剪切带机理的鉴别
裂纹增韧:应力作用下试样伸长过程中无横向收缩,因此相对 体积变化,△V/V对相对伸长△L/L作图,斜率为1。 剪切带增韧:应力作用下试样伸长过程中无体积变化, △V/V对△L/L作图,斜率为0。 如两种机理并存,亦可知两者比重。
该模型认为:非晶态高聚物中存在一个“区域”
(domain),其分子链有相当大的一部分链段集中于此“区
域”内, “区域”内的链段密度是均匀分布的,不服从 高斯分布。 “区域”主要是由同一种分子链的链段所组
成,很少有不同分子链之间的相互贯穿和缠结。“区域”
中的有些链段可以横向有序排列,形成某种相对有序区。
iii 共混物的长周期随PVC含量增加而增加, PCL 的一维结晶度随PVC 含量增加而降低 iv PCL的晶粒尺寸几乎不随组成而变化。 结论
i-PS/a-PS共混物
实验证据: I 偏光显微镜照片:整个视野充满PCL球晶; ii 晶片厚度及一维结晶度不随组成而变化; iii DSC测得结晶度随a-PS增加而下降。 结论: 原因:
百度文库 (3)乳胶IPN 核-壳结构
(4)优异力学性能,阻尼性能
(5)接枝共聚物与IPN形态的差异
2.3.3 物理共混 1. 非晶态—非晶态共混物
相容性-形态-性能
左图为PVC/CPE(氯化聚乙 烯)=100/10 (重量比)共混 时,CPE以一种网状形式分散 于PVC基体中。
共混形态既具有海-岛状结构, 两相又同时布满整个试样,有 一定程度联锁。 CPE与PVC的相容性好,对
sPS(间规)/HIPS形态

相容体系
• sPS/HIPS: a 10/0; b 9/1; c 7/3; d 5/5; e 3/7. • HIPS的加入,球晶的密度下 降而晶粒尺寸增加。表明--HIPS的加入降低了共混物中 sPS的成核能力。 HIPS的加入,合金的形态? HIPS含量低时, HIPS组分主要在sPS球晶的界面; HIPS含量高时, HIPS主要存在于球晶的片晶或晶 纤之间。
2.2.2高聚物晶体结构特点
1、晶体中的每根分子链按照能量最小的原则采取一种特定 的构象,由于分子间作用力使之密堆排列,分子链轴恒与一根晶 胞主轴相平行。 2、分子链内原子的共价键连接使得结晶时分子链段不能自 由运动妨碍其规整堆砌排列,因此在高聚物晶体中常常有许多畸 变的晶格。
3、在高聚物晶体的晶胞中与分子链轴相垂直的方向有独立 的分子链,而沿分子链轴方向上只包含分子链的链节,即晶胞中 的结构单元是分子链中的化学重复单元。
6、柱状结晶
在熔体中进行应力结晶时,形成一种柱状结晶,或列状结构,
它由沿应力方向排列的线状核和与之垂直丛生折叠链片晶列所组成。
由于在应力作用下,沿应力方向成行地形成晶核,称为“行成 核”然后以这些行成核为中心向四周生长成折叠晶片,在应力方向 上由于晶体生长受到阻碍不能生长为完美的球晶结构。
7、附生结晶
形成机理:Peanigs认为在应力场中, 较长的分子链优先被拉直成为线状核 (即串),但长到一定程度后,周围的 速度梯度和应力均越来越小,当小到能 满足折叠连片晶生长的条件时形成100150埃厚的折叠链片晶。
②聚合物异相附生结晶 定义:一种结晶聚合物在另一种结晶聚合物取向基底上附生结晶现象。 实例:穿晶( Transcrystallinity,简称TC)
2、片晶
折叠链片晶一个显著特点是扇片化,如果片晶全部由{110}折 叠面所组成,则形成四片扇面的菱形;如果由{100}和{110}两类折叠 面所组成,则为由六个扇面所组成的截顶菱形。结晶温度高时易形成 后一种。
3、球晶
(1)球晶的定义 球晶的亚结构单元可以是条状或片层状晶体,也可以是纤维状、针状或 更复杂的结晶形态。聚合物结构及结晶条件不同,球晶的亚结构单元不同。 如电镜观察表明PE球晶的亚结构单元是长条扭曲状晶片。
第二章 高聚物的凝聚态结构
2.1 高聚物的非晶态结构
高聚物非晶态通常指非晶高聚物的玻璃态,高弹态以及所有高聚物的熔
融态。 ●分子链化学结构的规格性很差,以致根本不能形成结晶(也称不结晶高聚 物)如大多数无规主构高聚物。
●链结构具有一定的规整性,可以形成结晶。但在通常条件下结晶速率太 低,以致得不到可观的结晶,如(PC)和(PET) ●低温下能结晶,而在常温下是非晶态的高聚物,主要是玻璃温度Tg很低的 橡胶类高弹性体,如天然橡胶(NR)在常温下不能结晶,而在-250 ℃可以 很快结晶。
当成核后球晶在生长过程中,
亚结构单元沿球晶的半径方向向 外生长,同时不断产生小角度的 分叉以填补不断增加的空间,一 直长到球晶的边缘为止;另一方面
不断将小分子添加物,不结晶成分 (如无规立构)以及来不及结晶的分 子链或链段排斥到片晶、片晶束或球 晶之间。
球晶是一个三维球形对称生长,含有结晶及非晶部分的多晶聚集体。
SAXS散射强度实测值与理论值比较,得出PVA和PS中的 有序结构的体积分数为5-9%左右。
●折叠链缨束粒子模型(两相模型)
(1)理论描述
有序区 该区:2 ~ 4nm,分子链相 互平行排列。 粒子相 Yeh折迭链缨状 胶粒模型 粒界区 1 ~ 2nm,折迭链弯曲部分 、链端等。 粒间相 1 ~ 5nm,无规线团、低分子量物质 等组成。
由体积,相互贯穿并有物理缠结的许多无规线团链的聚集体。
Flory认为,在非晶态共聚物中不可能形成任何可被折散的、分子链 规则排列的有序结构。
2、局部有序模型
Kargln由X射线衍射及电子衍射发现,高聚物熔体中分子间
的散射强度比预计的要高得多,推测在非晶态高聚物中存在着局 部有序的“链束”或“链球”结构区,该区内分子链段是平行排
列的。又如,单相无规律团模型模型计算得到的非晶态高聚物密
度值要比实测值小得多,这些现象都说明处于非晶态的高聚物中 存在局部有序。 ●大分子区域模型 由小角中心散射(SANS)测得的均方旋转半径与Q溶液中的 均方根旋转半径值相接近,而由浓溶液光散射及无标记分子SAXS 测得的均方旋转半径所反映的是存在尺寸较小的“区域 “ (domain)半径rd 。
定义:一种结晶物质在另一种晶体基底上的取向结晶,是一种 表面诱导结晶现象。 (1)聚合物在聚合物基底上的附生结晶 ① 聚合物均相附生结晶 定义:聚合物在同种聚合物基底上取向结晶现象。
实例:串晶
结构特点:附生晶体和基底的分子链轴方向一致是聚合 物均相附生结晶的通常现象。
串晶:
生成条件:1965年,Pennings从高速 搅拌的聚乙烯二甲苯溶液中,在搅拌棒 上得到一种特殊形态的结晶—“串晶”结 构。在切应变或拉伸应力下也可得到类 似晶体。 结构:如图
为连续相,而苯乙烯单体所溶胀的PB则成为滴状的分散相。
两相所包含的苯乙烯单体继续聚合,导致PB相的PS进行第二 次相分离,生成“海—岛”结构,在“岛”里— PB相内部形成微 细的PS滴—“细胞结构”。 “海—岛” 大小及分布不均,大则数 μm,小则低于μm。 (3)力学性能: 冲击强度提高十倍多。 拉伸时试样伸长,但截面并不缩小,无细颈产生,说明材料 内部发生“空化”, “空化”是由于产生了垂直于外力方向的裂纹
(4)影响球晶形态的因素
球晶的形态与分子量关系
分子量越高,晶核生长速度 越快;分子量越低,晶核生长速度越快慢 分子量越高,晶体生长速度 越慢;分子量越低,晶核生长速度越快
分子量越高,球晶中片层相互缠结 越显著;分子量越低,则相反
结晶温度对PTT球晶形态的影响
4、纤维状结晶
纤维状结晶(简称纤晶)是线型高分子除片晶之外的另一种重要结 晶形态,随着纤维直径的减少,因表面的不断增大而使之趋于介稳态。 生成条件:聚合,结晶形变及伸展链结晶的断裂等过程中生成。 特点:分子链的排列方向基本上与纤维轴平行;纤维长度几微米, 而酸解得到的晶粒只有500埃,说明纤维的结构由有序区和无序区组成。 凭推理,似乎纤晶最宜作为球晶生长的亚结构单元,但实际上发 现具有这种亚结构单元的球晶仅有聚甲醛等少数例子。 原因:纤晶与球晶生成条件不同,纤晶的形成需要有较大的D/G比 值(D扩散系数,G晶体生长速度),聚合过程中体系粘度较低,D/G比 值大,易形成纤晶。而形成球晶则需要较小的D/G比值。 多数高聚物纤晶缺乏固有的支化结构。
5、伸展链晶片
生成条件:高温、高压下结晶。如PE在5000巴、230 ℃结晶生成,
片晶厚3微米,密度0.9938克/厘米2。 性能:结晶度:97%, 熔点:140 ℃ 。
结构特点:分子链轴垂直于片晶表面, 平均分子量为1.7×107的PE伸展链片晶, 其片层厚度相当分子量为10万,说明分 子链不是完全伸直的。 形成机理:Wunderlich认为:高压下结 晶时形成的也是折叠链结构,但因高压 折叠的弯曲部分不稳定,因此逐渐使晶 体增厚,最后转变为热力学更稳定的伸 展链。
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