高分子的運動在結構與效能中的作用

2022-05-25 03:21:02 字數 1807 閱讀 8594

不同的材料具有不同的效能,而高分子的效能需要通過分子的運動來體現。高分子的結構比低分子的要複雜的多,因此,其分子運動也就更加複雜和多樣化。分子的運動方式不同,材料具有不同的效能。

由於結構是決定分子運動的內在條件,而效能卻是外在表現。所以只有了解高分子的運動,才能對高聚物的結構與效能加深了解。高聚物的結構與效能的橋梁就是分子運動。

舉兩個例子:室溫下橡膠是柔軟的彈性體,但是在-100°c左右是堅硬的玻璃體;聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)室溫下是如玻璃一樣堅硬,因此俗稱有機玻璃,但是在100°c左右就變成柔軟的彈性體。從以上兩個例子,可以得出:

雖然高聚物的結構沒有發生變化,但是在不同的環境下,材料的物理性質不同。原因:當外界溫度改變了,致使分子運動的狀態發生改變,因此表現出的巨集觀效能也不同。

對於不同的物質,結構不同,在相同的外界條件下,分子運動不同,從而表現出的效能不同:對於相同的物質,在不同的外界條件下,分子運動不同,表現出的效能也不同。

高分子的運動具有一定的特點:多重性、時間依賴性、溫度依賴性。運動的多重性還包括多種運動單元、多種運動方式。

例如:鍵、側基、支鏈、鏈節、鏈段的運動都是小尺寸運動單元,而整個分子鏈的運動就是大尺寸運動單元。支化、交聯、取向、結晶、共聚等,使高分子運動單元具有多重性,相應的高聚物分子運動具有多重模式。

鍵、側基、支鏈、鏈節的運動,實驗表明,這類運動對聚合物的韌性有著重要的影響。側基或側鏈的運動多種多樣,例如,與主鏈直接相連的甲基的轉動,苯基、酯基的運動,較長的(?)支鏈運動等。

上述運動簡稱次級鬆弛,比鏈段運動需要的能量低。

鏈段的運動,這是高分子區別於小分子的特殊運動形式。即在高分子鏈質量中心不變的情況下,一部分鏈段通過單鍵內旋轉而相對於另一部分鏈段的運動,使大分子可以伸展或捲曲。例如,巨集觀上的橡皮拉伸、回縮。

高分子鏈的整體運動,這是分子鏈質量中心的相對位移。例如,巨集觀熔體的流動是高分子鏈質心移動的巨集觀表現。

支化對效能與結構的影響,由於加聚過程中有自由基的鏈轉移發生,常易產生支化高分子,能溶解在適當的溶劑中,加熱可熔融即為支化高分子,支化對物理機械效能的影響有時相當顯著:支化程度越高,支鏈結構越複雜,影響高分子材料的使用效能越大;支化點密度或兩相鄰支化點之間的鏈的平均分子量來表示支化的程度,稱為支化度。支化度越高,支鏈結構越複雜,則對效能影響越大。

交聯對效能與結構的影響,高分子鏈之間通過化學鍵或鏈段連線成乙個三維空間網狀大分子即為交聯高分子。一般的無規交聯聚合物是不溶不熔的,只有當交聯度不太大時,才能在溶劑中溶脹。熱固性樹脂因其具有交聯結構,表現出良好的強度、耐熱性和耐溶劑性。

橡膠經過硫化後,為輕度交聯高分子,交聯點之間鏈段仍然能夠運動,但是大分子鏈之間不能滑移,具有可逆的高彈性能。例如:交聯度小的橡膠(含硫5%以下),彈性較好,交聯度大的橡膠(含硫20-30%)彈性就差,交聯度再增加,機械強度和硬度都將增加,最後失去彈性而變脆。

總結出交聯型高分子的力學狀態:分子鏈間的交聯限制了整鏈運動,所以不能流動(除非是降解反應);交聯密度較小時,受外力作用時,「網鏈」可以改變構象有高彈形變和高彈態;隨著交聯密度的增加,「網鏈」越來越小,運動困難,高彈形變很小,觀察不出玻璃化溫度的轉變。交聯的作用:

強度提高,彈性一定程度增加;耐熱性大幅度的改善;尺寸穩定性提高,耐溶劑效能改善。

聚合物的取向對結構與效能的影響,取向是指在某種外力的作用下,分子鏈或是其他結構單元沿著外力作用方向擇優排列的結構。取向結構對材料的力學(強度、彈性)、光學、熱效能(提高使用溫度)的影響顯著。例如:

尼龍等合成纖維生產中廣泛採用牽伸工藝來大幅度提高其拉伸強度;錄音錄影磁帶等薄膜材料實際使用強度和耐折性大大提高,存放時不會發生不均勻收縮。取向通常還使材料的玻璃化溫度提高。對於結晶聚合物,密度和結晶度提高,材料的使用溫度提高。

總之,高分子的運動對於聚合物的結構與效能的影響有利有弊。

高分子的結構效能

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