理解高分子的链状结构课件

链结构理解高分子的状高分子，又称聚合物，是由许多小分子（单体）通过化学键连接而成的大分子它们广泛存在于自然界和人类社会中，是构成生命体和各种材料的重要组成部分理解高分子的链状结构是深入研究其物理、化学性质和应用的基础本演示文稿将系统地介绍高分子的定义、特征、链状结构、聚集态结构、表征方法以及结构与性能的关系，帮助您全面了解高分子科学的奥秘录目么1什是高分子？高分子的定义和特征，高分子与小分子的区别，高分子的重要性及应用链结构2高分子的状链的组成和连接方式，碳链高分子，杂链高分子，链的长度和分子量链构3的柔性和象链段的概念，内旋转与构象变化，理想链模型，真实链模型，链的尺寸态结构4高分子的聚集非晶态高分子，结晶态高分子，液晶态高分子么什是高分子？义组定成高分子是由分子量很大的长链分子组成，这些长链分子是通过重复高分子通常由碳、氢、氧、氮等元素组成，通过共价键连接形成长的结构单元（单体）连接而成的它们具有独特的物理和化学性质链这些长链可以是线性的、支化的或交联的，从而形成不同的高，使其在各个领域都有广泛的应用分子结构义高分子的定和特征义定高分子特征高分子（Polymer）是指由重复单高分子具有高分子量、链状结构、元通过共价键连接而成，分子量达柔性和缠结等特征这些特征赋予到一定范围的化合物这些重复单了高分子独特的物理和化学性质，元被称为单体（Monomer）例如黏弹性、玻璃化转变和结晶性单体单体是指能够通过聚合反应形成高分子的低分子量化合物常见的单体包括乙烯、丙烯、苯乙烯、氯乙烯等别高分子与小分子的区质态分子量物理性聚集高分子的分子量通常在1万以上，而小分子高分子通常具有较高的黏度、较差的溶解高分子可以形成非晶态、结晶态和液晶态的分子量则相对较小，一般在1000以下性和独特的力学性能，而小分子则相对容等多种聚集态结构，而小分子通常以气态易溶解、黏度较低、液态或固态存在应高分子的重要性及用胶纤维塑料橡高分子是制造各种塑料高分子是制造各种橡胶高分子是制造各种纤维的主要原料，广泛应用制品的主要原料，广泛的主要原料，广泛应用于包装、建筑、电子、应用于轮胎、密封件、于纺织、服装、医疗等汽车等领域胶带等领域领域涂料高分子是制造各种涂料的主要原料，广泛应用于建筑、家具、汽车等领域链结构高分子的状链组的成高分子链由重复的结构单元（单体）连接而成这些单体通过共价键相互连接，形成长链连接方式单体之间的连接方式可以是头尾相连、头头相连或尾尾相连，不同的连接方式会影响高分子的性能链类的型高分子链可以是线性的、支化的或交联的线性链是指单体沿着一条直线连接而成，支化链是指在主链上连接有侧链，交联链是指不同的链之间通过化学键相互连接链组连的成和接方式链组连的成接方式高分子链的组成主要取决于单体的类型常见的单体包括乙烯、丙单体之间的连接方式可以是头尾相连、头头相连或尾尾相连头尾烯、苯乙烯等不同的单体会赋予高分子不同的化学性质相连是指一个单体的头部与另一个单体的尾部相连，这种连接方式最为常见碳链高分子义定特点用途碳链高分子是指主链完全由碳原子构成碳链高分子具有良好的热稳定性和化学聚乙烯广泛应用于包装材料、塑料袋、的高分子它们是最常见的一类高分子稳定性，广泛应用于塑料、橡胶、纤维薄膜等；聚丙烯广泛应用于汽车零部件，例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等等领域、家用电器、纺织品等；聚苯乙烯广泛应用于泡沫塑料、绝缘材料、玩具等杂链高分子义定特点用途杂链高分子是指主链中除了碳原子外，还杂链高分子具有良好的耐热性、耐溶剂性聚酯广泛应用于服装、容器、薄膜等；聚含有其他元素（如氧、氮、硅等）的高分和生物相容性，广泛应用于工程塑料、合酰胺广泛应用于尼龙、工程塑料、轮胎帘子常见的杂链高分子包括聚酯、聚酰胺成纤维、生物医用材料等领域子线等；聚醚广泛应用于聚氨酯、润滑油、聚醚等、表面活性剂等链长的度和分子量分子量链长高分子的分子量是指高分子链中所有原1高分子链的长度是指链中单体的数量子的原子量之和分子量是高分子最重2链长越长，分子量越大要的参数之一，它直接影响高分子的物理和化学性质数均分子量义计测定算公式量方法数均分子量（Mn）是指高分子样品中所有Mn=ΣNiMi/ΣNi，其中Ni是分子量为Mi数均分子量可以通过渗透压法、端基分析分子的分子量之和除以分子的数量它是的分子数量法等方法测量一种统计平均分子量，反映了样品中分子数量的平均水平重均分子量义计测定算公式量方法重均分子量（Mw）是指高分子样品中所有Mw=ΣNiMi^2/ΣNiMi，其中Ni是分子量为重均分子量可以通过光散射法、超速离心法分子的分子量平方乘以分子数量之和除以分Mi的分子数量等方法测量子量乘以分子数量之和它是一种统计平均分子量，反映了样品中分子重量的平均水平分子量分布概念1分子量分布是指高分子样品中不同分子量分子所占的比例高分子样品通常不是由分子量完全相同的分子组成，而是由一系列分子量不同的分子组成表示方法2分子量分布可以用分子量分布曲线来表示分子量分布曲线的横坐标是分子量，纵坐标是分子量对应的分子数量或重量百分比响影因素3分子量分布受聚合反应条件、单体纯度、引发剂类型等因素的影响对响分子量高分子性能的影力学性能1分子量越高，高分子的强度、韧性和耐磨性越好热性能2分子量越高，高分子的玻璃化转变温度和熔融温度越高变流性能3分子量越高，高分子的黏度越高，流动性越差链构的柔性和象构柔性象高分子链的柔性是指链能够弯曲、旋转和扭曲的程度链的柔性受高分子链的构象是指链在空间中的具体排列方式链的构象会影响单体结构、化学键类型和温度等因素的影响高分子的物理和化学性质链段的概念义链定段大小链段是指高分子链中能够独立运动链段的大小取决于单体结构、化学的一小段链段的运动是高分子链键类型和温度等因素一般来说，柔性的基础链段越小，链的柔性越好链运动段链段的运动包括平动、转动和振动这些运动使得高分子链能够改变构象，从而表现出柔性转构变内旋与象化构变象化转内旋1构象变化是指高分子链在空间中的排列内旋转是指高分子链中化学键的旋转方式发生改变构象变化会影响高分子2内旋转是构象变化的主要方式的物理和化学性质链理想模型设假理想链模型假设高分子链是完全柔性的，单体之间没有相互作用，链段之间可以自由旋转特点理想链模型是一种简化模型，可以用来研究高分子链的基本性质，但它忽略了链的实际结构和相互作用应用理想链模型可以用来计算高分子链的尺寸、构象和统计力学性质实链真模型虑应考因素特点用真实链模型考虑了高分子链的实际结构和真实链模型比理想链模型更接近实际情况真实链模型可以用来预测高分子的性能、相互作用，例如单体之间的范德华力、静，可以用来研究高分子的复杂性质，但计设计新型高分子材料电作用和氢键等算也更加复杂链的尺寸均方末端距均方末端距是指高分子链两端之间的平均距离的平方它反映了高分子链的平均尺寸转回半径回转半径是指高分子链中所有原子到质心的平均距离的平方的平方根它反映了高分子链的紧密程度均方末端距义义定公式意均方末端距（Mean SquareEnd-to-End R^2=nl^2，其中n为链段数，l为链均方末端距反映了高分子链在溶液或熔融Distance,R^2）是指高分子链两端之段长度态下的平均伸展程度，是理解高分子物理间距离的平方的统计平均值它是描述高性质的基础分子链尺寸的重要参数，尤其在理想链模型中具有重要意义转回半径义定回转半径（Radius ofGyration,Rg）是指高分子链中各个链段到质心的均方距离的平方根回转半径可以更好地描述高分子链的整体尺寸和形状公式Rg^2=1/NΣri^2，其中N为链段数，ri为各链段到质心的距离关与均方末端距的系对于理想链，Rg^2=R^2/6特征比义定1特征比（Characteristic Ratio,C∞）是描述高分子链柔性的一个重要参数，它反映了真实链与理想链的偏离程度公式2C∞=R^20/nl^2，其中R^20是未扰链的均方末端距，n为链段数，l为链段长度义意3特征比越大，链的柔性越差；特征比越小，链的柔性越好链缠结的缠结缠结概念密度分子量链的缠结是指高分子链之间相互穿插、交缠结密度是指单位体积内缠结点的数量缠结分子量是指高分子链发生缠结所需的织的现象缠结是高分子材料黏弹性的重缠结密度越高，高分子材料的黏弹性越好最小分子量缠结分子量越小，高分子链要原因越容易发生缠结缠结义的概念和意义类概念意分缠结是指高分子链在空间相互交织、穿缠结对于高分子材料的力学性能、流变根据缠结的类型，可以分为物理缠结和插的现象由于高分子链的柔性和长度性能等具有重要影响缠结可以提高高化学缠结物理缠结是指链与链之间的，它们很容易在溶液或熔融态下发生缠分子材料的强度、韧性和黏度简单交织，化学缠结是指链与链之间通结过共价键连接形成的交联缠结密度响影因素缠结密度受高分子链的分子量、浓度、柔2性等因素的影响分子量越高、浓度越大义、柔性越好，缠结密度越高定1缠结密度（Entanglement Density,νe）是指单位体积内缠结点的数量，通常用单位体积内缠结链段的数量来表示义意缠结密度直接影响高分子材料的力学性能和流变性能缠结密度越高，材料的强度

3、韧性和黏度越大缠结分子量义定缠结分子量（Molecular Weightbetween Entanglements,Me）是指高分子链在发生缠结时，两个缠结点之间的平均分子量它是描述高分子链缠结程度的重要参数响影因素缠结分子量受高分子链的结构、柔性、浓度等因素的影响链的柔性越好，缠结分子量越小义意缠结分子量与高分子材料的力学性能和流变性能密切相关缠结分子量越小，材料的强度、韧性和黏度越大缠结对响高分子性能的影力学性能1缠结可以提高高分子材料的强度、韧性和耐磨性变流性能2缠结可以提高高分子材料的黏度，降低流动性热性能3缠结可以提高高分子材料的玻璃化转变温度和熔融温度态结构高分子的聚集态结态态非晶晶液晶非晶态高分子是指分子链无序排列的高分结晶态高分子是指分子链有序排列的高分液晶态高分子是指分子链既具有一定的有子它们没有固定的熔点，在一定温度范子它们具有明显的熔点，在熔点以上变序性，又具有一定的流动性的高分子它围内逐渐软化为液态们具有独特的光学和电学性质态非晶高分子义定特点非晶态高分子是指分子链无序排列非晶态高分子没有明显的熔点，在，不具有长程有序结构的高分子材一定温度范围内逐渐软化它们具料有良好的透明性、易加工性等特点例子常见的非晶态高分子包括聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等规线团无模型特点无规线团模型忽略了高分子链的局部结构2描述和相互作用，是一种简化模型但它可以较好地描述高分子链的整体尺寸和形状无规线团模型（Random CoilModel）1是描述非晶态高分子链构象的一种模型该模型认为高分子链在溶液或熔融态下呈现无规卷曲的状态，类似于一团乱应麻用无规线团模型可以用来计算高分子链的尺3寸、构象和统计力学性质转变玻璃化温度义定玻璃化转变温度（Glass TransitionTemperature,Tg）是指非晶态高分子由玻璃态转变为高弹态的温度在玻璃化转变温度以下，高分子材料呈现刚硬、脆性的玻璃态；在玻璃化转变温度以上，高分子材料呈现柔软、弹性的高弹态响影因素玻璃化转变温度受高分子链的结构、分子量、交联度等因素的影响一般来说，链的柔性越好、分子量越小、交联度越低，玻璃化转变温度越低义意玻璃化转变温度是选择和使用高分子材料的重要参数在选择高分子材料时，需要根据使用环境的温度来选择合适的玻璃化转变温度结态晶高分子义定1结晶态高分子是指分子链有序排列，具有长程有序结构的高分子材料结晶态高分子具有明显的熔点特点2结晶态高分子具有较高的强度、硬度和耐热性但它们的透明性较差，易发生脆性断裂例子3常见的结晶态高分子包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等晶区和非晶区结晶区非晶区晶度晶区（Crystalline Region）是指结晶态非晶区（Amorphous Region）是指结晶结晶度是指结晶态高分子中晶区所占的比高分子中分子链有序排列的区域晶区具态高分子中分子链无序排列的区域非晶例结晶度越高，高分子材料的强度、硬有较高的密度和有序度区具有较低的密度和有序度度和耐热性越好结构球晶义定形成球晶（Spherulite）是结晶态高分球晶的形成过程包括成核和生长两子中最常见的聚集态结构球晶是个阶段在成核阶段，高分子链首由许多片晶以球形方式排列而成先形成小的晶核；在生长阶段，晶核不断长大，形成片晶，片晶以球形方式向外生长，最终形成球晶响影因素球晶的大小和形态受高分子链的结构、分子量、冷却速率等因素的影响结构片晶结构2片晶的厚度通常在10-20nm之间，宽度可以达到几微米高分子链在片晶中以折义定叠的方式排列，折叠链段位于片晶表面1片晶（Lamella）是构成球晶的基本单元片晶是由高分子链折叠而成，具有一定的厚度和宽度响影因素片晶的厚度和宽度受高分子链的结构、分3子量、结晶温度等因素的影响态液晶高分子义定液晶态高分子（Liquid CrystallinePolymers,LCPs）是指在一定温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的有序性的高分子材料特点液晶态高分子具有独特的力学性能、光学性能和电学性能它们具有高强度、高模量、低膨胀系数、良好的耐热性、耐化学腐蚀性等特点应用液晶态高分子广泛应用于电子、光学、航空航天、汽车等领域向列相义定1向列相（Nematic Phase）是液晶态的一种在向列相中，分子链的长轴方向趋于一致，但分子链的位置是无序的特点2向列相液晶具有良好的流动性、易取向性、光学各向异性等特点应用3向列相液晶广泛应用于液晶显示器（LCD）等领域近晶相义应定特点用近晶相（Smectic Phase）是液晶态的一近晶相液晶具有较高的有序度和黏度，光近晶相液晶广泛应用于高性能显示器、光种在近晶相中，分子链的长轴方向趋于学各向异性较强学存储器等领域一致，并且分子链分层排列甾胆相义应定特点用胆甾相（Cholesteric Phase）是液晶胆甾相液晶具有独特的旋光性、选择反胆甾相液晶广泛应用于温度传感器、光态的一种，也称为手性向列相在胆甾射等光学性质学滤波器、装饰材料等领域相中，分子链的长轴方向趋于一致，并且分子链分层排列，每层分子链的长轴方向都发生一定的扭曲结构高分子的表征方法胶渗谱凝透色（黏度法光散射法GPC）用于测量高分子的特性用于测量高分子的重均用于测量高分子的分子黏度，从而估算分子量分子量和回转半径量及其分布扫热差示描量法（DSC）用于测量高分子的热性能，如玻璃化转变温度、熔融温度等胶渗谱凝透色（GPC）过原理程凝胶渗透色谱（Gel PermeationChromatography,GPC）是一分子量较小的分子可以进入凝胶孔内，在柱内停留时间较长；分子种常用的高分子分子量及其分布的表征方法GPC利用具有一定孔量较大的分子无法进入凝胶孔内，在柱内停留时间较短因此，不径的凝胶柱，将高分子样品按照分子量大小进行分离同分子量的分子按照分子量大小依次流出柱子，通过检测器进行检测，从而得到高分子的分子量分布黏度法原理Mark-Houwink方程黏度法是一种简便易行的高分子分[η]=KMα，其中[η]为特性黏度，子量估算方法黏度法通过测量高M为分子量，K和α为常数，与高分子溶液的黏度，利用Mark-分子种类和溶剂有关Houwink方程计算高分子的特性黏度，从而估算高分子的分子量局限性黏度法只能估算高分子的分子量，无法得到高分子的分子量分布此外，Mark-Houwink方程的常数需要预先测定光散射法类分根据散射光的不同，光散射法可以分为静2态光散射（SLS）和动态光散射（DLS）SLS可以测量高分子的重均分子量和回原理转半径，DLS可以测量高分子的扩散系数光散射法是一种常用的高分子分子量和1，从而计算水力半径尺寸表征方法光散射法通过测量高分子溶液对光的散射强度，可以得到高分子的重均分子量和回转半径优点光散射法是一种绝对测量方法，不需要预3先标定此外，光散射法可以同时测量高分子的分子量和尺寸扫热差示描量法（DSC）原理差示扫描量热法（Differential ScanningCalorimetry,DSC）是一种常用的高分子热性能表征方法DSC通过测量高分子样品与参比物之间的热流差，可以得到高分子的玻璃化转变温度、熔融温度、结晶温度等热性能参数应用DSC广泛应用于高分子材料的相转变研究、热稳定性评价、结晶度测定等领域特点DSC具有灵敏度高、测量速度快、样品用量少等优点线广角X射衍射（WAXD）原理1广角X射线衍射（Wide-Angle X-ray Diffraction,WAXD）是一种常用的高分子结构表征方法WAXD通过测量高分子样品对X射线的衍射强度，可以得到高分子的晶体结构、结晶度、晶粒尺寸等信息应用2WAXD广泛应用于高分子材料的结晶行为研究、晶型分析、取向度测定等领域特点3WAXD具有无损检测、样品制备简单、信息丰富等优点线小角X射散射（SAXS）应原理用特点小角X射线散射（Small-Angle X-ray SAXS广泛应用于高分子材料的纳米结构研SAXS可以探测纳米尺度的结构信息，对样Scattering,SAXS）是一种常用的高分子究、相分离行为分析、复合材料结构表征品的要求较低，操作相对简便结构表征方法SAXS通过测量高分子样品等领域对X射线的小角度散射强度，可以得到高分子的纳米结构信息，如层间距、球晶尺寸、相分离结构等结构关高分子与性能的系链结分子量的柔性晶度分子量影响高分子的力学性能、热性能链的柔性影响高分子的玻璃化转变温度结晶度影响高分子的力学性能、热性能和流变性能一般来说，分子量越高，和结晶能力链的柔性越好，高分子的和光学性能结晶度越高，高分子的强高分子的强度、韧性、耐热性和黏度越玻璃化转变温度越低，结晶能力越弱度、硬度、耐热性和不透明性越大大分子量与力学性能韧性高分子的韧性也随分子量的增加而增加2分子量越高，链的运动能力越强，吸收能强量的能力越强度1在一定范围内，高分子的强度随分子量的增加而增加这是因为分子量越高，链的缠结程度越大，链间作用力越强耐磨性高分子的耐磨性随分子量的增加而增加分子量越高，材料的表面硬度越大，不易3被磨损链热的柔性与性能转变热稳玻璃化温度熔融温度定性高分子的玻璃化转变温度随链柔性的增加高分子的熔融温度也随链柔性的增加而降高分子的热稳定性受链柔性的影响较小而降低这是因为链越柔顺，越容易运动低链越柔顺，结晶能力越弱，熔融温度但一般来说，链越柔顺，越容易分解，更容易从玻璃态转变为高弹态越低结晶度与光学性能透明性1高分子的透明性随结晶度的增加而降低这是因为晶区会散射光线，导致材料不透明折射率2高分子的折射率随结晶度的增加而增加这是因为晶区的密度比非晶区大，导致折射率增加双折射3结晶态高分子具有双折射现象这是因为晶区的分子链排列有序，导致不同方向的折射率不同缠结变与流性能弹动黏度性流性高分子的黏度随缠结程度的增加而增加高分子的弹性也随缠结程度的增加而增加高分子的流动性随缠结程度的增加而降低这是因为缠结会限制链的运动，导致黏度缠结可以使高分子材料具有一定的形变缠结会阻碍链的流动，导致流动性降低增加恢复能力结构调高分子控方法联共聚改性接枝改性交改性通过共聚引入不同的单体，通过将一种高分子链接枝到通过在高分子链之间引入交改变高分子链的组成和结构另一种高分子链上，改变高联键，改变高分子的结构，，从而调控高分子的性能分子的结构，从而调控高分从而提高高分子的强度、耐子的性能热性和耐溶剂性填充改性通过在高分子材料中添加填料，改变高分子的结构，从而提高高分子的强度、硬度和耐磨性共聚改性类应原理型用共聚改性是指通过将两种或两种以上的单根据单体排列方式的不同，共聚物可以分共聚改性广泛应用于高分子材料的性能改体共聚，得到共聚物共聚物的性能可以为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物进，例如提高冲击强度、耐热性、耐溶剂通过调节单体的种类和比例来控制和接枝共聚物性等接枝改性应原理方法用接枝改性是指将一种高分子链（支链）接枝改性可以通过自由基接枝、离子接接枝改性广泛应用于高分子材料的表面连接到另一种高分子链（主链）上接枝、缩聚接枝等方法实现改性、共混改性、功能化改性等领域枝改性可以改变高分子的表面性质、相容性和反应活性联交改性方法交联改性可以通过化学交联和物理交联两2种方法实现化学交联是指通过化学反应原理在高分子链之间形成共价键，物理交联是指通过物理作用在高分子链之间形成非共交联改性是指在高分子链之间引入交联1价键键，形成三维网络结构交联改性可以提高高分子的强度、耐热性和耐溶剂性应用3交联改性广泛应用于橡胶、涂料、胶黏剂等领域填充改性类应原理型用填充改性是指在高分子材料中添加填料，常用的填料包括无机填料（如碳酸钙、滑填充改性广泛应用于塑料、橡胶、涂料、以改善高分子的性能填料可以提高高分石粉、二氧化硅）、有机填料（如木粉、胶黏剂等领域子的强度、硬度、耐磨性、耐热性、导电淀粉）和纤维填料（如玻璃纤维、碳纤维性等）链结构进高分子的研究展可控自由基聚合1可控自由基聚合技术的发展使得高分子链结构的精确控制成为可能，可以合成具有特定分子量、分子量分布和拓扑结构的高分子组超分子自装2超分子自组装技术可以利用非共价键将高分子链组装成有序的纳米结构，为高性能高分子材料的制备提供了新的途径生物高分子生物高分子的研究越来越受到重视，例如蛋白质、多糖、核酸等3这些生物高分子具有独特的结构和功能，在生物医用材料、药物递送等领域具有广阔的应用前景超支化高分子义定特点合成超支化高分子（Hyperbranched超支化高分子具有良好的溶解性、低黏度超支化高分子可以通过一步法和两步法合Polymers,HBPs）是一种具有高度支化结和高官能度它们在涂料、胶黏剂、催化成一步法是指将ABx型单体直接聚合，构的三维高分子与传统的线性高分子和剂、药物递送等领域具有广泛的应用前景两步法是指先将AB型单体线性聚合，然后支化高分子相比，超支化高分子具有更多再进行支化反应的端基和空腔。