第1章高分子链的结构

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在交联结构中单个的大分子链已不存在,原有 的大分子之间通过共价键连接为一个整体。在这种 情况下,聚合物加热时不能熔融,加入溶剂也不能 溶解,但是在交联程度不高时可以发生溶胀。
交联聚合物不溶不熔——热固性聚合物
交联对聚合物性能的影响
1)交联对材料的合成和成型加工带来不便; 2)交联可以赋予材料好的性能;
Cl
1,4加成: ~~~-CH2-C=CH-CH2~~~~~ 头-尾; 头-头;
Cl
1,2加成: 3,4加成:
~~~-CH2 -C-~~~~~~~~~~~~ 头-尾; 头-头;
CH=CH2
~~~-CH2-CH-~~~~~~~~~~ 头-尾; 头-头;
Cl-C=CH2
结构单元的键接方式对聚合物性能的影响——
H
R
H
R
H
R
光学异构对聚合物性能的影响:
等规聚合物具有很好的立构规整性,能够满足 晶体中分子链三维有序排列的要求,所以等规聚合 物可以结晶。规整度越高,结晶度就越高。而无规 聚合物由于规整性较差,一般不会结晶。
决定构型异构的因素:
高分子的构型异构取决于聚合方法,更主要的是 取决于所采用的催化体系。
1)使用自由基聚合一般只能得到无规立构聚合物; 2)使用配位聚合催化剂进行定向聚合可以得到等规
聚合物。
§1-2. 高分子的远程结构
——聚合物分子链的大小和空间几何形态
分子链的大小——分子量大小和分布; 空间几何形状——构象与链柔性; 构象——由于化学键的旋转所导致的原子或基团在
空间的几何排列; 当分子链中的某个单键发生内旋转时所出现的 构象叫做微构象;许多微构象沿着大分子主链的 分布构成了分子链的构象,又称为宏构象。
全同立构体和间同立构体都属于等规聚合物
R
R
R
R
R
R
CH2 C* CH2 C* CH2 C* CH2 C* CH2 C* CH2 C*
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
CH2 RC* CH2 HC* CH2 CR* CH2 CH* CH2 CR* CH2 CH* CH2 CR* CH2 CR* CH2 RC* CH2 RC* CH2 RC* CH2 RC*
O
O
C N
C N
N C
N C n O
均苯四甲酸二酐与四氨基苯的梯型聚合物
梯型高分子的特点——优异的热稳定性。即使分子链 上有几个键发生断裂,只要断裂不是发生在同一个梯格, 大分子链都不会断裂。只有当同一个梯格里的两个化学 键同时断开,分子量才会下降。
四、共聚组成及序列分布
根据二元共聚物中两种单体单元在分子链上的排 列顺序:
ΔE=11.7 KJ/mol 乙烷分子在室温下可以同时以两种构象存在。
2. 丁 烷 分 子 内 旋 转 U(φ) 构象
存在三种位能较低的 构象状态:全反式;
△E △ε
左旁式;右旁式
0 60
180
300 360
丁烷分子中C2-C3单键内旋转位能曲线
左旁式 G,能量较低 全反式,能量最低 右旁式G,能量较低
3. 元素有机高分子 ~~~~~Si-(O,P,Al,Ti,)~~~~
大分子主链上没有碳原子,侧基为有机基团。 该类聚合物具有较好的可塑性和弹性,还具有优异 的耐热性,可以在一些特殊埸合使用。
4. 无机高分子
大分子链(主链和侧基)完全由无机元素组成, 没有碳原子。无机高分子一般具有极好的耐热性, 强度低。
~~-A-B-A-A-A-B-B-A-B-B-B-A-~~ 无规共聚物 ~~-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-~~ 交替共聚物 ~~-A-A-A--~~-B-B-B-~~-A-A-A-~ 嵌段共聚物 ~~-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-~~ 接枝共聚物
B-B-B-B-~~ B-B-B-B~~
分子链的端基
分子链的端基主要影响聚合物热稳定性,因 为聚合物的降解一般从分子链的端基开始。
聚甲醛(POM)的端羟基受热后容易分解释 放出甲醛,所以聚甲醛合成需要用乙酸酐进行酯 化封端,从而消除端羟基,提高热稳定性。
聚碳酸酯(PC)的端羟基和酰氯端基都可以 促使聚碳酸酯在高温下降解。如果用苯酚进行封 端则可以明显提高PC的耐热性。
无规和交替共聚物——由于结构单元之间的相互 作用以及分子链之间的相互作用都发生了很大的 改变,所以性能有较大变化;
嵌段和接枝共聚物——一方面保持了两种组分均 聚物的性能,同时也获得了一些独特的性能;
五、高分子的构型
——分子链上由化学键所固定的原子和原子团在空 间的几何排列方式。
1.几何异构——由大分子链中双键两侧的基团排列 方式不同所形成,又称为顺反异构。
显然,R值可以表示共聚物分子链中单体单元 的排列方式。
序列分布——分子链上不同长度的序列之间的相对 含量,可以通过各序列所占百分数对 序列长度做图来表示。
百不 分同 数序
列 所 占
1 2 3 4 5 6 7 8 9 序列长度
共聚物序列分布示意图
共聚对聚合物性能的影响
共聚物的性能主要取决于(1)共聚单体的 性质;(2)共聚物的组成;(3)共聚物分子链 上的序列分布。
第一章 高分子链的结构
聚合物的结构层次
聚合物整体 结构
高分子 的链结构
高分子 聚集态结构
近程结构 远程结构 (一级结构) (二级结构)
三级结构
高级结构
本章教学
§1-1. 高分子的近程结构 §1-2. 高分子的远程结构——构象 §1-3. 高分子链的构象统计
§1-1 高分子的近程结构
——组成高分子的最基本微观结构 (1). 聚合物分子链的组成——组成 (2). 结构单元的键接方式——构型 (3). 共聚组成及序列分布——组成 (4). 线型、支化和交联———构造 (5). 取代基空间排列方式——构型 高分子的近程结构属于化学结构范畴,它对聚 合物的基本性能具有决定性的影响,近程结构一旦 确定,聚合物的基本性能也就随之确定。
B
0.195
CH3
0.20
I
0.215
0.185(半厚度)
1. 乙烷分子的内旋转构象
顺式构象(C)
非键合原子间距离最近, 相互间排斥力最大,位 能最高
反式构象(T)
非键合原子之间距离最远, 相互之间排斥力最小,位 能最低
乙烷分子内旋转位能曲线 两种构象之间的位能差称为内旋转位垒——ΔE
当乙烷分子中C-C单键旋转360度时,要越过三 个位垒,这三个内旋转位垒是完全相同的:
3)当两个链段处于全叠合位置时距离最近,斥力最 大,位能最高——顺式重叠构象
4)存在着能量较高的两个“偏式重叠构象”
假定单键内旋转后可以采取三种比较稳定的构象—— 全反式、左旁式、右旁式
丙烷—— 一个稳定构象; 3 3-3 = 1 丁烷—— 三个稳定构象; 3 4-3 = 3 戊烷—— 九个稳定构象; 3 5-3 = 9
交联的主要应用:
橡胶硫化; 聚乙烯交联 不饱和聚酯、环氧树脂固化
交联程度的表征:
凝胶含量——进入交联网络的结构单元的百分数; 交联密度——相邻交联点之间的平均分子量;
梯型高分子——主链由两条分子链平行排列而成,而 两条链之间有一系列的化学键相连。
O C O C O
O
C
H2N
NH2
O+
C
H2N
NH2
支化对聚合物性能的影响
对聚合物性能的影响主要表现在两方面: (1)结晶性能; (2)流动行为;
1)短支链影响聚合物的结晶性能; 2)长支链主要影响聚合物的流动性能; 支化程度的表征: 1)分子链上支化点的数目; 2)两个相邻支化点之间的平均分子量;
交联——大分子链之间通过化学键相互连接所形
成的三维网状结构
1,4聚丁二烯的顺式构型和反式构型
2 光学异构——由分子链上不对称碳原子所带基团 的排列方式不同所形成,又称立体异构
对于聚α-烯烃:
~~~~~~CH2—C*HX~~~~~
每个结构单元可以呈现两种旋光构型,导致分子链 上结构单元旋光异构体呈现三种分布:
所有结构单元都具有相同构型——全同立构体 两种旋光异构单元呈交替排列——间同立构体 两种旋光异构单元呈无规排列——无规立构体
一、分子链的化学组成
主链主要由碳、氧、硅、氮、硫等原子组成 1. 碳链高分子
~~~~~~C-C-C-C-C-C-C-C~~~~~~~ 一般可塑性较好,化学性质稳定,但强度一 般,耐热性较差,可作为通用高分子使用。 2. 杂链高分子
~~~~~C-C-O-(N,S,Si…)-C~~~ 杂链聚合物的耐热性明显提高,但化学稳定 性较差。芳香族杂链聚合物机械强度较高,可作为 工程塑料使用。
聚乙烯在晶态中的平面锯齿状构象
H HH HH HH H
0.154nm C 0.25nm C 0.25nm C C 109028` C 0.25nm C
二. 高分子链的内旋转构象
高分子链中某个单键内旋转的位能曲线与小分 子中单键内旋转位能曲线相似。以聚乙烯为例:当 分子链中某个单键内旋转时,其内旋转位能曲线与 丁烷的内旋转位能曲线基本相同。
1)当两个链段处于全交叉位置时距离最远,斥力最 小,位能最低——全反式构象
2)存在“左旁式”和“右旁式”构象,它们的能量 较低
共聚物分子链结构的表征: 1)单体单元种类;2)相对比例;3)序列分布;
~~~ A B AA B B B A A AA B A A A B B B A A ~~~ 序列——同种单体单元直接相连形成的链段; 序列长度——序列中单体单元的数目; R——分子链上100个单体单元的链含有的序列数目; 1)交替共聚物——R=100,序列长度都为1 ; 2)嵌段共聚物——R—>0,序列长度很大 ; 3)无规共聚物——R介于0和100之间;
典型的分子链构象包括伸直链构象、无规线团 构象、折叠链构象、螺旋链构象……。
一. 小分子的内旋转构象 两个质点之间的引力和斥力曲线
化学基团的范德华作用半径
基团
R(nm)
基团
R(nm)
H
0.12
S
0.185
N
0.15
P
0.19
O
0.14
As
0.20
F
0.135
Se
0.20
Cl
0.18
CH2
0.20
线型聚合物和支化聚合物的分子链之间通过分子 间力相互排列堆积形成聚集态,加入适当溶剂可以溶 解,加热可以使其熔融———热塑性聚合物
支化类型
(1)根据支链的长度 短链支化、长链支化
(2)根据支链的连接方式不同 无规支化(Random branching) 梳形支化(Comb branching) 星形支化(Star branching)
结晶性能——大分子链中结构单元键接顺序整 齐对聚合物的结晶有利;混杂的键接结构会影 响大分子链的规整性,从而使聚合物的结晶性 能下降。 化学性能——结构单元的键接顺序可能会对大 分子的化学反应能力产生较大影响。 实例:维尼纶(聚乙烯醇缩甲醛)的制备
三、大分子的构造——线型、支化、交联
双官能团单体聚合 线型大分子 三官能团单体或链转移存在 支化大分子
三、聚合物在晶态中的构象
为使分子链在晶态以能量最低状态进行紧密堆砌: 1)高分子链在晶态通常采取比较伸展的构象; 2)分子链中结构单元的微构象倾向于采取使大分
子能量降低的构象状态;
1. 不带取代基的碳氢链高分子
如果每个结构单元都呈全反式构象,大分子的 能量最低,热力学最稳定。所以在晶态中该类 聚合物的大分子链采取完全伸展的全反式构 象——平面锯齿链构象。
△E—— 全反式构象与旁式构象之间的内旋转位垒
△ε——全反式构象与旁式构象之间的位能差
△E的大小决定单键内旋转以及反式构象与旁式 构象之间转变的难易程度;△ε的高低则决定平衡时 全反式和旁式构象的几率。
1)低温下分子热运动能量比较低,单键内旋转不 容易发生,主要以能量最低的反式构象存在;
2)较高温度下分子热运动能量增大,构象的转变 可以发生,丁烷分子既可以反式构象存在也可 以旁式构象存在;
对于一个聚合度为1000的大分子,其可能的稳定构 象数为 3 2000-3。
讨论:
(1)分子链上单键的内旋转可以导致大分子呈 现无穷多个构象 ;
(2)无穷多个构象意味着高分子链可以呈现各 种不同的空间几何形态;
(3)分子的热运动使得分子链的空间几何形态 不断地变化;
大分子构象——由于单键的内旋转所产生的大 分子链在空间的不同几何形态叫 大分子的构象。
二、结构单元的键接方式
单烯烃聚合时的键接方式主要有两种:
CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
R
R
R
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头-尾加成
CH2 CH CH CH2 CH2 CH CH CH2
头-头加成
RR
RR
一般情况下,头-尾相连占主导优势,而头-头相 连占较低比例。
双烯烃的键接方式比较复杂 以2-氯丁二烯为例:
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