高分子链的结构及认知PPT课件.ppt

分子的大小 分子的尺寸 分子量及分布 第四章 大分子的构象或形态 单键的内旋转 链的柔性 众多构象 第3 4节高分子链的远程结构 远程结构 long rangestructure 的内容包括 1 重点及要求 掌握高分子链的构象 柔顺性和链段的的概念 以及柔顺性的影响因素 教学目的 建立起长链大分子的概念 无规线团概念和链段的概念 2 高分子链的构象 高分子链的构象有微构象与宏构象之分 微构象 指高分子主链键构象宏构象 指整个高分子链的构象构象 由于高分子链上的化学键的不同取向引起的结构单元在空间的不同排布 构象的改变并不需要化学键的断裂 只要化学键的旋转就可实现 什么样的化学键可以旋转 3 1 3 1理想情况下高分子链的内旋转构象 C3 C4 Cn 高分子的构象 由于单键的内旋转而产生的分子在空间的不同形态 假设一根高分子链含有N个单键 每个单键可取M个不同的旋转角 则该高分子可能的构象数为 MN 4 高分子链卷曲状态的原因 聚合物的长链结构 分子链中C C单键的内旋转 结论 所以从统计的角度 大分子链呈现无规线团 无规线团 无规则蜷曲高分子链的构象 构象的几率最大 或者说卷曲状态是最可能状态 另外从热力学的角度看 卷曲状态是的混乱度较大的状态 熵最大状态 高分子链呈现卷曲状态是一个自发的过程 讨论 高分子链的状态 5 不能 实际上键角的限制和位垒的障碍都是存在的 高分子链中的单键旋转时互相牵制 一个键转动 要带动附近一段链一起运动 这样 每个键不能成为一个独立运动单元 可以推想 链中第i 1个键起 原子在空间可取的位置已与第一个键无关了 把由若干个键组成的一段链作为一个独立运动的单元 称为 链段 它是高聚物结构中的一个重要概念 1 3 2实际情况下高分子链的内旋转 讨论 单个化学键能否独立运动 旋转 6 所以高分子长链可以看作是由许多链段组成 每个链段包括i个键 链段之间可看成是自由连接的 它们有相对的运动独立性 不受键角和位垒限制 7 提升 链段定义 高分子链上划分出的可以任意取向的最小单元或高分子链上能够独立运动的最小单元称为链段 链段与结构单元是不同的概念 它是一个统计单元 随主链的结构不同 环境的变化 链段的具体内容也将不同 小到可以是结构单元 大至整个分子链 8 所以高分子链上单键数目越多 内旋转越自由 则高分子链的形态 构象 越多 链段数也越多 链段长度越小 链的柔顺性越好 高分子的柔顺性的实质就是大量C C单键的内旋转造成的 9 当高分子链上每个键都能完全自由旋转 自由联接链 链段 长度就是键长 理想的柔性链 不存在 当高分子链上所有键都不能内旋转 理想的刚性分子 不存在 链段 长度为链长 极端情况 10 有了链段的概念后 我们从分子运动的角度可以看出 是链段的运动 大量C C单键的内旋转 使高分子链具有无数构象从而产生柔性的主要原因 由于分子链上众多的运动单元的运动 使分子链的几何形态千变万化 从而使高分子链表现出相当好的柔性 11 小分子的内旋转构象 乙烷分子的构象及内旋转位能图 结论 反式能量最低 分子倾向采取反式构象存在 而不是采取顺式构象 位垒 决定单键内旋转的速度 12 丁烷分子的构象及内旋转位能图 结论 有两种能量低谷 反式和旁式 丁烷分子倾向采取反式和旁式构象存在 位能差决定着反式和旁式构象的比例 位能差越大 分子构象越容易以反式构象存在 从反式转化为旁式构象必须越过更高的能垒 决定反式与旁式的转化速度 13 2 高分子的内旋转构象 以结构最简单的聚乙烯为例 单键两端的两个链段处于全交叉位置时非键合原子的距离最远 斥力最小 位能也就最低 呈全反式构象 当两个链段处于全叠合位置时位能最高 处于顺式构象 除此之外也还存在 左旁式 和 右旁式 构象 它们的能量也比较低 可以看出每一个结构单元也有反式 顺式和旁氏三种构象 每条分子链构象也是相当多的 14 由于高分子链的空间构象数相当多 所以高分子的主链通常不是伸直的 它可以卷曲起来 在空间采取各种形态 这种无规则地蜷曲的高分子链的构象称为无规线团 15 1 3 3晶体和溶液中高分子链的构象 1 晶态下高分子链的构象 1 等同规则高分子链在排入晶格的时候 必须满足对称性的要求 即这种构象必须满足排入晶格的要求 能使链上的结构单元处在几何晶轴的等同位置上 高分子通常采取比较伸展的构象 16 2 能量最低规则在满足对称性要求的前提下 分子链中结构单元倾向于采取使大分子链能量降低的构象状态 2 PE分子高分子链在晶体中的构象平面锯齿链构象 PE分子链采取完全伸展的全反式构象 平面锯齿构象 17 范德华半径重叠示意图I 排斥力区II 甲基范德华体积 I II i PP分子高分子链在晶体中的构象 i PP 由于分子链上两个甲基间的范德华半径总为0 4 0 43nm 为了避免侧基的空间障碍 宜采取反式和旁式交替的螺旋构象 18 i PP31螺旋形构象 全同聚丙烯在晶态中的链构象 旁 19 溶液中高分子链的构象无规线团 蜷曲 构象 20 讨论 构象与构型的区别 构型 由近程结构决定 改变一定要通过化学键的破坏和重组构象 由远程结构决定 改变不涉及化学键的破坏 在外力或温度作用下很容易改变 不管在外力作用下高分子链呈现什么固定的形态或形状都属于构象的范畴 21 1 4 1高分子链的柔顺性 柔顺性高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能称为高分子链的柔顺性 高分子链能形成的构象数越多 柔顺性越大 高分子的柔顺性是高分子材料的性能不同于小分子物质的主要原因 特点 1 单条高分子链类似一根绳子 为不规则地蜷曲的无规线团 2 单键的内旋转是导致高分子链呈蜷曲构象的原因 3 单键的内旋转是高分子链能够改变构象的原因 4 单键的内旋转也是高分子链的柔顺性的原因 5 分子结构影响单键的内旋转位垒 那么高分子结构也影响高分子链的柔顺性 22 实质 无外力作用下 达到平衡态 高分子链自发卷曲的形态 静态 平衡态 柔顺性 在高分子链处于 自由 状态下 具有的改变构象的能力 热力学平衡条件下的柔性 取决于反式和旁式构像之间的能量差 tg 潜在的 提供可能性 当 tg kT 1时 分子链柔性 当 tg kT 1时 呈刚性 tg增加 柔性降低 高分子链的柔顺性可以从静态和动态两个方面来理解 23 动态柔顺性 是指在外界条件的影响下 平衡态构象间转变的难易程度 速度 转变速度取决于反式与旁式之间转变的位垒 ub与外场作用能KT之间的关系 假定位垒 ub 外场作用能 KT 转变可在10 11s内完成 则链的动态柔顺性很好 提供现实性 实质 在外界条件影响下 温度 溶剂等 高分子链从一种平衡态构象向另一种平衡态构象转变所需时间或转变的速度 24 静态柔性和动态柔性之间具有什么关系 如果一个大分子链在常温下处于卷曲的无规线团状 而且线团的形状也处于不断的变化之中 我们说这个大分子既具有好的静态柔性又具有好的动态柔性 带有大取代基的高分子柔性特点 在平衡状态时它可能处于卷曲的无规线团状 即表现出一定的静态柔性 但由于大取代基的强烈相互作用使得单键的内旋转无法发生 很难发生构象的相互转变 相当于被冻结成某种构象的无规线团 像一根弯曲着的金属丝 从而表现出很差的动态柔性 可以看出 只有当静态链柔性和动态链柔性都比较好时 聚合物才表现出较好的链柔性 25 注意 分子链的静态柔顺性和动态柔顺性是两个不同的概念 通常我们所讨论的分子链柔顺性 一般是指热力学平衡态 静态 柔顺性 当考虑高分子在加工条件下的粘性流动时 就需要考虑分子链动态柔顺性的影响 26 内旋转愈容易 则链的柔顺性愈好 1 主链结构 主链全由单键组成的 一般柔性较好 如PE PP 乙丙橡胶等 柔顺性 Si O C O C C 原因 氧原子周围无原子 内旋转容易 Si O 键长长 键角大 内旋转容易 如硅橡胶 4 2 分子结构对链的静态柔顺性的影响 27 由于芳杂环不能内旋转 所以主链中含有芳杂环结构的高分子链柔顺性较差 主链含有孤立双键 柔顺性较好 原因双键邻近的单键的内旋转位垒减小 双键旁的单键内旋转容易 所以可作为橡胶 但是带有共轭双键的高分子链不能内旋转 像聚苯 聚乙炔 都是刚性分子 28 2 取代基 侧基 侧其非极性 体积大 空间位阻愈大 柔顺性差 PSPVC 聚1 2 二氯乙烯 取代基分布 聚偏二氯乙烯 PVC 前者对称 分子偶极矩小 内旋转容易 29 4 链的长短 分子链越长 分子构象数目越多 链的柔顺性越好 5 分子间作用力 分子间作用力大 柔顺性差 氢键 刚性 PE 6 分子链的规整性 如PE 易结晶 柔性表现不出来 呈现刚性 高分子链的柔顺性与实际材料的刚柔性不能混为一谈 但一般一致 3 支化 交联 支链长 柔顺性下降 交联 含硫2 3 橡胶 柔顺性影响不大 含硫30 以上影响链柔顺性 30 总结 内旋转的单键数目越多 内旋转阻力越小 构象数越大 链段越短 柔性越好 31 外界因素 温度 温度升高 内旋转容易 柔顺性增加 如PS室温为塑料 加热100 以上呈柔性 顺式聚1 4 丁二烯室温为橡胶 120 刚硬 外力作用速度 速度缓慢时柔性 速度作用快 高分子链来不及通过内旋转而改变构象 分子链显得僵硬 溶剂 影响高分子的形态 1 4 3 外界因素对链的动态柔顺性的影响 高分子链的柔顺性由两类因素决定 一是结构因素 另一类是温度 溶剂 外力 时间 增塑 共混等外部因素决定 32 本节教学目的与要求 建立起长链大分子的概念 无规线团概念和链段的概念 掌握高分子链的构象 柔顺性和链段的概念 以及柔顺性的影响因素 33 高分子由于单键的内旋转 分子具有许多不同的构象 由于热运动 高分子以及它的链段在不停地运动着 即所谓微布朗运动 对于瞬息万变的无规线团的高分子 可以用均方末端距或根均方末端距来表征其分子尺寸 高分子的末端距 5 6高分子链的构象统计 34 1 假设PE为自由连接链 freelyjointedchain 即键长l固定 键角 不固定 内旋转自由的理想化模型 即不考虑键角限制和内旋转位垒障碍 则由n个键组成的自由连接链的末端距应是各个键长的矢量和 1 5均方末端距的计算 35 对于PE自由连接链 当 所以均方末端距 PE自由连接链的末端距要比其完全伸直时的尺寸nl小的多 36 例 聚乙烯PE聚合度P 500 n 1000 键长l 1 54A计算可得 根均方末端距与完全伸直链相差达30倍 37 2 假设PE为自由旋转链 freelyrotatingchain 即键长l固定 键角 固定 单键内旋转自由的长链分子模型 即规定键角和不考虑内旋转能垒障 均方末端距 38 所以 对角线各项共n项 邻近对角线各项 共2 n 1 项 对角线起第三项 共2 n 2 项 依次类推 共2 n m 项 代入数据得到 39 假定PE伸展为锯齿形链 是最不柔顺的链这种锯齿形长链在主链方向的投影为hmax 可以证明 所以 注意 实际上 高分子链中单键的内旋转是受阻碍的 内旋转位能函数u 并不等于常数 其值与内旋转的角度 有关 比较 所以 伸展的高分子链的末端距比卷曲的末端距要大得多 40 当单键的内旋转不仅要维持键角不变 还要受相邻链节非键合原子之间的耦合作用影响 这种分子链模型称受阻旋转链 受阻旋转高分子链的均方末端距为 其中 4 受阻旋转链的均方末端距 41 为内旋转角 为内旋转势能 由于 大于1 故 由此可见 由C C单键组成的高分子 随着单键内旋转受阻程度的增大 分子链的柔顺性变差 均方末端距依次增大 即 42 5 等效自由连接链 43 这个大分子链的伸直长度为 这个大分子的均方末端距为 等效自由连接链将一个原来含有n个键长为l 键角 固定 旋转不自由的键组成的高分子链 视为一个含有Z个长度为b的链段组成的高分子链 44 利用 等效自由结合链 的概念可以计算真实大分子中链段的数目和长度 其步骤为 1 由实验测定出聚合物在无扰状态下的均方末端距和分子量 2 由分子量和分子结构计算出主链上的化学键数目n和链伸展长度hmax 3 按下式计算分子链中链段的数目z和长度b 45 对聚乙烯 实验测得 计算得 46 问题 1 一根真实大分子链 等效自由结合链 的无扰状态如何获得或一根真实大分子链 等效自由结合链 均方末端距的测定需在什么条件下测定 一种大分子链的本征尺寸可以将其溶解于 理想 稀溶液中 由实验测得 47 由于分子的均方末端距是单个分子的尺寸 必须把高分子分散在溶液中才能进行测定 这又产生了问题 因为高分子与溶剂之间的相互作用对高分子链的构象产生干扰 如果在良溶剂中 链会伸展 如果在不良溶剂中 链会收缩 48 这种干扰使所得的结果不能真实地反映高分子本身的性质 不过 这种干扰的程度随溶剂和温度的不同而不同 因此 可以选择合适的溶剂和温度 创造一种特定的条件 使溶剂分子对高分子构象所产生的干扰可以忽略不计 这样的条件叫 条件 在 条件下测得的高分子的尺寸称无扰尺寸 只有无扰尺寸才是高分子本身结构的反映 49 条件 选择合适的溶剂和温度 创造一种特定的条件 使溶剂分子对高分子构象所产生的干扰可以忽略不计 这样的条件叫 条件 50 注 等效自由连接链的链段分布符合高斯分布函数 故称作这种高分子链称为 高斯链 虽然高斯链的链段分布函数与自由结合链的分布函数相同 但二者有很大的差别 51 差别 自由结合链的统计单元是一个化学键 高斯链的统计单元是一个链段 任何化学键都不可能自由旋转和任意取向 高斯链中的链段却可以自由旋转和任意取向 自由结合链是不存在的 是假象的 高斯链却是体现了大量柔性高分子的共性 它是确实存在的 高斯链可以包括自由结合链 后者是前者的一个特例 高斯链更具有普通代表性 当我们以后讨论高分子尺寸时 一般以高斯链为出发点 52 全部链单元的的质量平均值为 旋转半径 6 高分子链的均方旋转半径计算 53 对柔性分子 S2值依赖于链的构象 将S2对分子链所有可能的构象取平均 即得均方旋转半径 在 条件下可测得无扰均方旋转半径 同样无扰均方旋转半径也是高分子链本身结构的反映 对于高斯链 当分子量很大时 其无扰均方末端距与无扰均方旋转半径 有如下关系 54 讨论 高分子柔顺性与均方末端距的关系 当两种高分子的链长相同时 则均方末端距越小者 其链越柔顺 当两种高分子的链长不同时 可用下面几个物理量作为链柔顺性的量度 55 1 空间位阻参数 刚性因子 2 特征比 键数和键长一定时 链越柔顺 其均方末端距愈小 因此可以用实测的无扰均方末端距与自由旋转的均方末端距之比 刚性因子 作为分子链柔顺性的度量 愈大 柔顺性差 愈小 柔顺性好 无扰链与自由连接链均方末端距的比值 1 6高分子链柔性的表征方法 56 自由连接链 3 链段长度b 完全伸直链 若以等效自由连接链描述分子尺寸 则链愈柔顺 链段愈短 因此链段长度也可以表征链的柔顺性 链段长度b愈