高分子物理 4取向态.ppt

1、取向态结构,取向: 在外力作用下，分子链沿外力方向平行排列。聚合物的取向现象包括分子链、链段的取向以及结晶聚合物的晶片等沿特定方向的择优排列。,1 取向 线性高分子充分伸展时，长度与宽度相差极大（几百、几千、几万倍）。这种结构上时悬殊的不对称性使它们在某些情况下很容易 沿某个特定方向占优势平行排列，这种现象就称为取向。 2 取向态和结晶态 相同：都与高分子有序性相关 相异：取向态是一维或二维有序，结晶态是三维有序,无定形 取向未结晶 结晶未取向 结晶取向,未取向的聚合物材料是各向同性的，即各个方向上的性能相同(isotropic)。而取向后的聚合物材料是各向异性的(anisotropic)，即

2、方向不同，性能也不同。,1 聚合物的取向方式,单轴取向(Uniaxial Orientation),纤维纺丝,薄膜的单向拉伸,双轴取向 (Biaxial Orientation),一般在两个垂直方向施加外力。如薄膜双轴拉伸，使分子链取向平行薄膜平面的任意方向。在薄膜平面的各方向的性能相近，但薄膜平面与平面之间易剥离。,取向单元,无定形聚合物 Amorphous polymer,晶态聚合物 Crystalline polymer,链段取向,非晶区 Amorphous region,晶区 Crystal region,链段取向,球晶变形，晶片 倾斜、滑移、取向,取向与解 取向问题,聚合物可以取向，

3、但取向是一种热力学不稳定状态，在一定的外力、时间、温度下又有解取向。,2 聚合物的取向机理,非晶态聚合物: 链段取向 分子链取向 晶态聚合物: 非晶区: 链段与分子链取向 晶区: 微晶(晶粒)的取向,取向与解取向,取向与结晶 取向态是一种热力学不稳定状态, 分子链或链段在一维或二维方向有序排列 取向有利于结晶 取向态的聚合物在一定的外界条件下会解取向.,取向机理:取向过程是分子在外力作用下的有序化过程。外力除去后，分子热运动使分子趋向于无序化，即称为解取向过程。 高分子有二种单元：链段和整链。所以高聚物取向有链段取向和分子链取向 取向的过程是在外力作用下运动单元运动的过程。必须克服高聚物内部的

4、粘滞阻力，因而完成取向过程要一定的时间,链段受到的阻力比分子链受到的阻力小，所以外力作用时，首先是链段的取向，然后是整个分子链的取向。在高弹态下，一般只发生链段的取向，只有在粘流态时才发生大分子链的取向。 取向过程是热力学不平衡态（有序化不是自发的）；解取向过程是热力学平衡态（无序化是自发的。在高弹态下，拉伸可使链段取向，但外力去除后，链段就自发解取向，恢复原状。在粘流态下，外力可使分子链取向，但外力去除，分子链就自发解取向。,为了维持取向状态，获得取向材料，必须在取向后迅速使温度降低到玻璃化温度以下，使分子和链段“冻结”起来，这种“冻结”仍然是热力学非平衡态。只有相对稳定性，时间长了，温度升

5、高或被溶剂溶胀时，仍然有发生自发的解取向性。 取向快，解取向也快，所以链段解取向比分子链解取向先发生。 取向结果：各向异性。,单轴取向 材料仅沿一个方向拉伸，长度增大，厚度和宽度减小，高分子链或链段倾向沿拉伸方向排列，在取向方向上，原子间以化学键相连。,例1：合成纤维牵伸是最常见的例子。纺丝时，从喷嘴孔喷出的丝已有一定的取向（分子链取向），再牵伸若干倍，则分子链取向程度进一步提高。 例2：薄膜也可单轴取向。目前广泛使用的包扎绳用的全同PP，是单轴拉伸薄膜，拉伸方向十分结实（原子间化学键），Y方向上十分容易撕开（范氏力）。 例3：尼龙丝未取向的抗张700-800kg/cm2； 尼龙双取向丝的抗拉

6、4700-5700 kg/cm2。,双轴取向,材料沿两个相互垂直的方向（X、Y）拉伸，面积增大，厚度减小，高分子链或链段倾向于与拉伸平面（X、Y平面）平行排列，在X、Y平面上分子排列无序，是各向同性的（即在X、Y平面上各个方向都有原子与原子间的化学键存在）。,y,原理：生产过程中，使薄膜在其软化点以上，熔点以下的温度范围内急剧进行拉伸，分子产生取向排列，当薄膜急剧冷却时，分子被“冻结”，当薄膜重新加热到被拉伸时的温度，已取向的分子发生解取向，使薄膜产生收缩，取向程度大则收缩率大，取向程度小则收缩率小。,例1：薄膜厂应用的双轴拉伸工艺：将熔化挤出的片状在适当的温度下沿相互垂直的两个方向同时拉伸（

7、电影胶片的片基，录音、录像的带基） 例2：吹塑工艺：将熔化的物料挤出成管状，同时压缩空气由管芯吹入，使管状物料迅速胀大，厚度减小而成薄膜（PE，PVC薄膜） 性能特点：双轴取向后薄膜不存在薄弱方向，可全面提高强度和耐褶性，而且由于薄膜平面上不存在各向异性，存放时不发生不均匀收缩，这对于作摄影胶片的薄膜材料很重要，不会造成影象失真。,例3：外形较简单的塑料制品，利用取向来提高强度：取向（定向）有机玻璃可作战斗机的透明航罩。未取向的有机玻璃是脆性的，经不起冲击，取向后，强度提高，加工时利用热空气封平板，吹压成穹顶的过程中，使材料发生双轴取向。,例4：ABS生产安全帽，也采用真空成型（先挤出生成管材

8、，再将管材放到模具中吹塑成型）获得制品。各种中空塑料制品（瓶，箱，油桶等）采用吹塑工艺成型，也包含通过取向提高制品强度的原理 例5：PVC热收缩包装膜（电池外包装用得最多）具有受热而收缩的特点，特点是强度高，透明性好，防水防潮，防污染，绝缘性好，用它作包装材料，不仅可以简化包装工艺，缩小包装体积，而且由于收缩后的透明薄膜裹紧被包物品，能清楚的显示物品色泽和造型，故广泛使用商品包装,取向有利于结晶,对于结晶过程:,上式成立有两种方法:,(1) 降低温度T,(只能适当的降低),(2) 降低,从取向态结晶,Q: 怎样保证纤维既有较高的强度又有较好的弹性?,3 取向度,取向函数,q 为取向角, 指分子

9、链主轴方向与取向方向之间的夹角,取向度的测量方法,声速法 (Sound velocity method) 双折射法 (Birefringence anisotropic method) 广角X射线衍射法 (Wide-angle X-ray diffraction) 红外二向色性 (Infrared Dichroism ),(1) 声速法,基本原理: 声速沿分子链的传播速度链间的传播速度,这种方法得到的是晶区和非晶区的平均取向度, 由于声波在高聚物中的波长较大, 该方法反映的只是分子链取向的情况.,(2) 双折射法,双折射取向因子,这种方法测得的取向度与晶区和非晶区的总取向度有关, 该方法反映的是链段的取向.,(3) 广角X射