高分子材料的结构与性能.ppt

高分子材料的结构特点与性能,高聚物结构,高分子的一级结构示意图,远程结构,一级结构 （二次结构）,=,高分子的二级结构示意图,聚集态结构,二级结构 （三次结构）,=,高分子的近程结构,一、高分子链的化学结构 （1）碳链高分子 概念：分子主链由C原子由共价键相连而成，大多由加聚反应制得。 例子：常见的有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。 特点：分子量高，不易水解，易燃烧，易老化，耐热性较差。,一级结构,（2）杂链高分子 概念：除C以外，主链上还含有O、N、S、Si等原子，多由缩聚反应或开环聚合反应制得。 例子：聚酯、聚酰胺、酚醛树脂、聚甲醛、聚砜等。 特点：分子量较低，一般主链带有极性，较易水解，耐热性和力学强度较C链高分子高，多用作工程塑料。,（3） 元素高分子 概念：主链中含有Si、P、Ge、Al、Ti、As、Sb等元素，或主链全由这些元素构成。 例子：,二、高分子的链接结构 概念：键接结构是指结构单元在高分子链中的联结方式，它也是影响性能的重要因素之一。 （1）单烯类单体(CH2CHR),（2）共聚物的序列结构,三、结构单元的空间排列（构型）,天然橡胶： 顺式 高弹体,古塔波胶： 反式 硬晶体 无弹性,聚异戊二烯,立体构型,四、链的键合,一、概念 远程结构：是关于整个高分子链的结构，主要指高分子的大小（相对分子质量及其分布）和大分子部分或整链在空间呈现的各种几何构象，包括分子链的质量和构象两个方面。 远程：指沿分子链方向上，考察的距离较远。,高分子的远程结构,（1）分子量：分子量大 多分散性，分子量不均一,（2）链的柔顺性：,聚合物凝聚态结构,概念 凝聚态：指由大量原子或分子以某种方式（结合力）聚集在一起，能够在自然界相对稳定存在的物质形态。,二级结构,聚集态结构：决定高聚物本体性能的主要因素 高分子材料是由许许多多高分子链（相同或不同的）以不同方式排列或堆砌而成的聚集体,固态高分子材料按分子链排列的有序性，分： 结晶态结构：分子链按照三维有序的方式聚集在一起形成的； 非晶态（无定型态）结构：分子链取无规线团构象，杂乱无序地交叠在一起形成的； 取向态结构：在外场作用下，分子链沿一维或二维方面局部有序排列形成的。,相应的高分子材料，则有： 结晶高分子材料：以晶态为主的高分子材料； 非晶（无定形）高分子材料：非晶态或以非晶态占绝对优势的高分子材料； 结晶高分子材料在高温下（超过熔点）也会熔融，变为无规线团的非晶态结构。,一、非晶态结构,概念：是指玻璃态、橡胶态、粘流态（或熔融态）及结晶高聚物中非晶区的结构。 特点：分子排列无长程有序，对X- 射线衍射无清晰点阵图案。,二、晶态结构 晶态结构的研究对象 单个晶粒的大小、形状以及它们的聚集方式。,聚合物晶态结构模型 聚合物晶态结构模型的中心问题是晶体中大分子链的堆砌方式，基本模式有两种： 缨状胶束模型：由非晶态结构的无规线团模型衍生出来的结晶中存在许多胶束和胶束间区域，胶束是结晶区，胶束间是非晶区解释晶区与非晶区之间的强力结合而形成具有优良力学性能的结构等更适合于低结晶度及中等结晶度的情况 ；,折叠链模型：从局部有序的非晶态结构模型衍生出来的晶体中，大分子链是以折叠的形式堆砌起来的适合于结晶度较高的情况。但高结晶度存在以下缺陷： a.点缺陷：如空出的晶格位置和在缝隙间的原子、链端、侧基等； b.位错：主要是螺型位错和刃型位错； c.二维缺陷：如折叠链表面； d.链无序缺陷：如折叠点、排列改变等； e.非晶态缺陷：即无序范围较大的区域。,规则的近邻折叠,疏松的近邻折叠,无规的近邻折叠,宏观或亚微观结构 （结晶形态）,单晶 球晶 串晶 树枝状晶 纤维状晶,聚合物的结晶形态,（1）单晶（折叠链晶片型单晶）（稀溶液）：各向异性，有一定外形，长程有序,空心棱锥型聚乙烯单 晶立体形状示意图,（2）球晶（较浓的溶液） 球晶（树枝晶）：从熔体冷却或从浓溶液中结晶时，在不存在应力或流动的情况下形成。由无数径向发射的折叠链晶片按结晶规律长在一起的球形多晶聚集体。 大小：直径几十至几百微米。 影响：对高分子材料的性能，尤其是力学性能有很大影响。,球晶生长的共同条件是含有杂质的粘稠体系,从熔体生长的等规聚苯乙 烯球晶的偏光显微镜照片,（3）纤维状晶（伸直链晶体）和串晶（搅拌下） 在特定的环境中,如在高温高压条件下结晶，或在高速拉伸（105m/min）和快速淬火下纺丝可能得到纤维状的伸直链晶体。 伸直链晶体含量为10%的聚乙烯纤维，抗拉强度达480MPa； 串晶力学性能较高。,三、取向态结构 聚合物的取向：链段、整个大分子链以及晶粒在外力场作用下沿一定方向排列的现象。 取向单元：相应的链段、大分子链及晶粒。 取向结构（orientation）：由大分子链取向所形成的聚集态结构。,非晶态聚合物的取向 大尺寸取向（分子链取向）：指大分子链作为整体是取向的，整个分子链沿外场方向平行排列，但链段未必都取向取向慢，解取向也慢； 小尺寸取向（链段取向）：指链段沿外场方向平行排列，但整个大分子链并未取向，其可能是杂乱的取向快，解取向也快。,解取向：取向过程是分子在外场作用下的有序化过程，外场除去后，分子热运动又会重新回复无序化，即解取向。,非晶高分子材料的取向状态在热力学上是 一种非平衡态,结晶聚合物的取向 结晶聚合物在外场作用下，除了发生非晶区的分子链或链段取向外，还有晶粒的变形、取向排列问题。,取向结果： 微丝结构 伸直链晶体,四、共混态结构（织态结构） 高分子共混材料（polymer blend）：又称高分子合金（po