《高分子物理》课件

高分子物理高分子物理是研究高分子材料的物理性质及其结构的学科它涵盖了高分子链的结构，聚合物的形态，溶液性质，以及高分子的机械性能和热力学性质作者什么是高分子材料长链结构巨大分子量高分子材料是由许多重复结构高分子材料的分子量一般都很单元连接而成的长链状分子，大，通常在数千到数百万之间这些单元被称为单体多种多样高分子材料的种类繁多，可以根据其结构、性质和用途进行分类高分子材料的典型性质弹性塑性透明度薄膜性能高分子材料可以承受形变，高分子材料在外力作用下发许多高分子材料对可见光具高分子材料可制成薄膜，具并在外力去除后恢复原始形生永久形变有透明性，如聚乙烯、聚丙有良好的阻隔性和透气性状烯等高分子材料的分子结构高分子材料是由许多重复单元组成的长链状分子，这些单元通过化学键连接在一起高分子链的结构多种多样，包括线性、支化、交联等，这些结构决定了高分子材料的物理和化学性质高分子材料的分类聚合度单体类型链结构应用领域高分子材料按聚合度分为低按单体类型可分为均聚物、按链结构可分为线形高分子按应用领域可分为工程塑料聚物、线性高分子、支化高共聚物等、支化高分子、体型高分子、合成橡胶、合成纤维、涂分子、交联高分子等等料、粘合剂等高分子熔体的流变性质高分子熔体是一种非牛顿流体，其粘度会随剪切速率的变化而变化这是由于高分子链在流动过程中会发生取向和解缠，从而影响熔体的流动阻力流变性质是指物质在受外力作用下发生形变和流动的性质，对于高分子材料的加工和应用至关重要10^410^6粘度弹性高分子熔体的粘度通常比低分子量液体高得由于高分子链之间的缠结，高分子熔体表现多，并在剪切速率较低时表现出牛顿流体行出一定的弹性，这会导致剪切应力松弛现象为10^910^12剪切稀化时间依赖性随着剪切速率的增加，高分子链的取向和解高分子熔体的流变性质与时间有关，例如蠕缠程度提高，导致粘度降低，这种现象称为变和应力松弛现象，它们反映了高分子链的剪切稀化运动和结构变化高分子材料的相变行为玻璃化转变1无定形高分子材料从玻璃态转变为橡胶态的过程，表现为分子运动加剧结晶化2高分子链段有序排列形成晶体结构的过程，影响材料的强度、韧性和透明度熔融3高分子材料从固态转变为液态的过程，涉及分子间作用力的减弱和链段运动的增强玻璃化转变温度定义非晶态高分子材料从玻璃态转变为橡胶态的温度特征体积、热容、折射率等性质发生突变影响因素分子链的柔性、链段间相互作用力、分子量等应用预测材料的性能、选择加工温度、评估材料的使用温度范围结晶化过程成核1高分子链段聚集，形成晶核晶体生长2晶核不断长大，形成晶体完善3晶体不断完善，形成完整晶体结晶化是一个多步骤的过程高分子链段在溶液中或熔融状态下，通过运动和相互作用，逐渐排列成有序的晶体结构高分子材料的断裂行为断裂强度断裂韧性12高分子材料的断裂强度是指材料断裂时所承受的最大应力材料在断裂前能够吸收的能量，反映了材料抵抗裂纹扩展的能力断裂类型断裂机制34脆性断裂、韧性断裂和疲劳断裂，取决于材料的性质和加高分子材料的断裂机制是复杂的，涉及分子链的断裂、链载条件段的滑移和空洞的形成等过程高分子材料的力学性能强度韧性拉伸强度和抗压强度是高分子材料最韧性是指材料在断裂前所能吸收的能基本的力学性能指标强度是指材料量，它反映了材料抵抗断裂的能力在断裂前所能承受的最大应力拉伸韧性高的材料能够在断裂之前发生较强度是指材料在拉伸负荷作用下断裂大的变形，而韧性低的材料则容易断时所承受的最大应力，抗压强度是指裂材料在压缩负荷作用下断裂时所承受的最大应力高分子材料的热稳定性耐热性耐火性是指材料在高温环境下保持其物理和化学性是指材料在火焰中或高温下不易燃烧或分解能的能力的能力热降解熔融温度是指材料在高温下发生化学分解或结构改变是指材料从固态转变为液态的温度的现象高分子材料的老化过程物理老化1由于环境温度、湿度等因素的变化，高分子材料的结构发生变化，导致性能下降化学老化2由于氧化、水解等化学反应，高分子材料的化学结构发生改变，导致性能下降生物老化3由于微生物的侵蚀，高分子材料的结构发生破坏，导致性能下降老化过程是高分子材料在使用过程中，其性能逐渐下降的过程老化过程会影响高分子材料的强度、韧性、耐热性、耐光性等性能，从而影响其使用寿命聚合反应动力学反应速率活化能聚合反应速率受多种因素影响聚合反应的活化能是指引发聚，包括单体浓度、引发剂浓度合反应所需的能量活化能越、温度和反应介质等高，反应速率越慢分子量分布反应机理聚合反应过程中，不同链长的聚合反应按机理可分为自由基高分子链会同时生成，导致产聚合、离子聚合、配位聚合等物具有不同的分子量分布，每种机理有不同的反应步骤和特点自由基聚合反应

1.引发

2.链增长12自由基引发剂分解形成自由自由基与单体反应生成新的基，引发单体聚合自由基，链增长不断进行

3.链终止

4.链转移34两个自由基相遇结合，或与自由基从聚合物链转移到其其他物质反应，链增长终止他分子，形成新自由基离子聚合反应反应机理产物特点离子聚合反应是由离子引发剂引发的，生成活性离子，然后离子聚合反应的产物通常具有高分子量，且可控性较高，常通过重复加成单体分子进行链增长用于合成特殊性能的高分子材料配位聚合反应配位催化剂配位聚合反应使用过渡金属催化剂，催化剂的中心金属原子与单体形成配位键催化剂的活性中心可以打开单体双键，形成活性种，然后通过插入反应重复添加单体共聚合反应两种或多种单体不同单体顺序排列控制共聚物性能共聚合反应是指两种或多种单体分子之共聚物链中不同单体可以以不同的顺序通过控制不同单体的比例和顺序，可以间相互作用形成聚合物的反应排列，形成各种结构的共聚物调控共聚物的性能共聚物的性能

1.性能可调

2.协同效应12共聚物可以通过调整单体比不同单体之间可能产生协同例和结构来调节性能，例如效应，导致共聚物性能优于提高强度、改善韧性或提升单一组分热稳定性

3.新性能

4.应用广泛34共聚反应可以产生具有单体共聚物应用于各种领域，包材料无法达到的独特性能，括包装、建筑、电子产品和例如增强耐化学性和改善加医疗保健工性能高分子材料的制备工艺单体选择选择合适的单体是决定高分子材料性能的关键一步单体种类和结构决定了最终聚合物的结构和性质聚合方法常用的聚合方法包括自由基聚合、离子聚合、配位聚合等不同的聚合方法会影响最终聚合物的分子量、结构和性能工艺条件控制聚合反应的温度、时间、压力、催化剂等因素会影响聚合速率和产物的质量，需要严格控制后处理聚合反应结束后，需要对产物进行分离、纯化、干燥等处理，以获得符合要求的高分子材料高分子材料的加工工艺塑化1高分子材料在加工前需要加热至软化状态，使之具有可塑性，便于成型成型2将塑化后的高分子材料通过模具或其他工艺手段加工成所需形状冷却固化3成型后的高分子材料需要冷却至固化状态，以保持其形状和尺寸高分子材料的表征方法热分析技术光谱分析技术热分析技术利用材料在加热或光谱分析技术通过研究材料对冷却过程中的热性质变化来表不同波长光的吸收、发射或散征高分子材料，例如玻璃化转射来分析高分子材料的结构和变温度、熔点和分解温度组成，包括红外光谱、核磁共振和紫外可见光谱电子显微镜技术电子显微镜技术利用电子束来观察材料的微观结构，包括扫描电子显微镜和透射电子显微镜，可以用于分析高分子材料的形貌、尺寸和缺陷热分析技术差示扫描量热法DSC测定材料在受控温度程序下热流变化热重分析法TGA测量材料在加热过程中的重量变化动态机械分析DMA研究材料的机械性能与温度的关系光谱分析技术红外光谱法核磁共振波谱法X射线衍射法紫外可见光谱法通过分析样品对红外光的吸收通过测量原子核在磁场中的共通过分析样品对X射线的衍射通过分析样品对紫外可见光的，可以识别高分子材料中的官振频率，可以确定高分子的结图案，可以确定高分子的结晶吸收，可以确定高分子材料的能团构和动力学特性度、晶胞参数等共轭体系、电子跃迁等用于定性和定量分析高分子材可用于分析高分子的链段结构可用于研究高分子材料的结晶可用于研究高分子的颜色、光料的化学结构、链构型和动力学性质性、取向和形态稳定性和光学性质电子显微镜技术电子显微镜技术是一种用于观察微观世界的重要工具通过利用电子束来照射样品，电子显微镜能够获得比光学显微镜更高的分辨率电子显微镜主要分为透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）两种类型TEM通过透射电子束来成像，可以观察样品的内部结构，而SEM则通过扫描电子束来成像，可以观察样品的表面形貌高分子材料的应用领域

1.工程材料

2.光电材料12高分子材料如聚乙烯、聚丙高分子材料在光电器件中发烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等挥重要作用，例如聚合物发广泛应用于建筑、汽车、航光二极管PLED、有机太空航天等领域阳能电池等

3.智能材料

4.生物医用材料34智能高分子材料可根据环境生物相容性良好的高分子材变化进行响应，例如温度敏料应用于生物医药领域，例感型聚合物可用于药物控释如人工器官、药物载体、组和传感器织工程材料等高分子工程材料高强度塑料高分子复合材料高分子纳米材料高分子生物材料高强度塑料具有优异的机械高分子复合材料由两种或多高分子纳米材料具有纳米尺高分子生物材料与生物组织性能，例如抗拉强度、抗冲种材料组成，通过相互作用度的结构，使其具有独特的相容，用于生物医学领域，击强度和抗弯强度形成具有优异性能的材料物理和化学性质例如植入物和组织工程光电高分子材料定义特点光电高分子材料是一类能够吸光电高分子材料具有优异的柔收、发射、传递和转换光能的韧性、可加工性和成本效益，聚合物材料它们具有独特的可以制成轻薄、灵活的光电器光学和电学性质，在光电器件件领域有着广泛的应用应用光电高分子材料广泛应用于太阳能电池、有机发光二极管（OLED）、光电探测器、传感器和生物医学等领域智能高分子材料响应性材料形状记忆效应智能高分子材料对外部刺激有敏感的响应例如，温度、光形状记忆聚合物具有在特定温度下恢复其原始形状的能力、pH值和电场这些刺激会引发材料的物理或化学性质变它们在生物医学工程、航空航天和其他领域有广泛的应用化，如形状、颜色或粘度生物医用高分子材料生物相容性生物降解性生物活性生物医用高分子材料具有良好的生物相可降解材料在植入人体后，可以在体内一些生物医用高分子材料具有生物活性容性，可以与人体组织器官相容，避免逐渐降解，避免长期残留，提高生物安，可以促进细胞生长和组织修复排异反应全性高分子材料的发展趋势可持续性功能化生物基高分子材料，可降解塑料和循环经济，减少环境污染，智能高分子，纳米复合材料，功能性薄膜，满足特定功能需求保护资源，应用领域更广个性化多学科交叉3D打印技术，定制化产品，满足不同需求，提高效率，节约资与生物学，化学，物理学等学科交叉，开发新型高分子材料，源拓宽应用领域。