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1、第九章聚合物的分子运动第1页，共22页，编辑于2022年，星期二9.1 聚合物分子运动的特点聚合物分子运动的特点 聚合物的分子运动具有以下特点：聚合物的分子运动具有以下特点：（1）运动单元的多重性）运动单元的多重性：聚合物的分子运动可分小尺寸单元运动（即侧基、支链、链节、链聚合物的分子运动可分小尺寸单元运动（即侧基、支链、链节、链段等的运动）和大尺寸单元运动（即段等的运动）和大尺寸单元运动（即 整个分子运动）。整个分子运动）。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动（2）聚合物分子的运动是一个松弛过程）聚合物分子的运动是一个松弛过程：在一定的外力和温度条件下，聚合物从一种平衡状态
2、通过分子在一定的外力和温度条件下，聚合物从一种平衡状态通过分子热运动达到新的平衡状态过程中，需要克服运动时运动单元所受到热运动达到新的平衡状态过程中，需要克服运动时运动单元所受到的内摩擦力，这个克服内摩擦力的过程称为的内摩擦力，这个克服内摩擦力的过程称为松弛过程松弛过程。松弛过程是。松弛过程是一个缓慢过程。一个缓慢过程。第2页，共22页，编辑于2022年，星期二（3）聚合物的分子运动与温度有关）聚合物的分子运动与温度有关：升高温度对分子运动具有双重作用：升高温度对分子运动具有双重作用：增加高分子热运动的动能，当动能达到高分子的某一运动单元实增加高分子热运动的动能，当动能达到高分子的某一运动单元
3、实现某种模式运动所需要克服的位垒时，就能激发该运动单元的这一现某种模式运动所需要克服的位垒时，就能激发该运动单元的这一模式的运动；模式的运动；9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动 使高分子物质的体积膨胀，增加了分子间的空隙（称为自由体积），当使高分子物质的体积膨胀，增加了分子间的空隙（称为自由体积），当自由体积增加到与某种运动单元所需空间尺寸相配后，这一运动单元便开自由体积增加到与某种运动单元所需空间尺寸相配后，这一运动单元便开始自由运动。始自由运动。第3页，共22页，编辑于2022年，星期二9.2 聚合物的力学状态及其热转变聚合物的力学状态及其热转变 相态是热力学概念，由自
4、由焓、温度、压力和体积等热力学参数相态是热力学概念，由自由焓、温度、压力和体积等热力学参数决定。相态转变伴随着热力学参数的突变。相态的转变仅与热力学参决定。相态转变伴随着热力学参数的突变。相态的转变仅与热力学参数有关，而与过程无关，也称数有关，而与过程无关，也称热力学状态热力学状态。聚集态是动力学概念，是根据物体对外场（外部作用）特别是聚集态是动力学概念，是根据物体对外场（外部作用）特别是外力场的响应特性进行划分，所以也常称为外力场的响应特性进行划分，所以也常称为力学状态力学状态。力学状态涉。力学状态涉及松弛过程，与时间因素密切相关。及松弛过程，与时间因素密切相关。聚合物在不同外力条件下所处的
5、力学状态不同，表现出的力学性能也聚合物在不同外力条件下所处的力学状态不同，表现出的力学性能也不同。不同。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第4页，共22页，编辑于2022年，星期二9.2.1 非晶态聚合物的力学三态及其转变非晶态聚合物的力学三态及其转变 若对某一聚合物试样施加一恒定外力，观察试样在等速升温若对某一聚合物试样施加一恒定外力，观察试样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该聚合物试样的过程中发生的形变与温度的关系，便得到该聚合物试样的温度温度-形变曲线形变曲线（或称（或称热热-机械曲线机械曲线）。）。非晶态聚合物典型的热非晶态聚合物典型的热-机械曲线存在
6、两个斜率突变区，机械曲线存在两个斜率突变区，这两个突变区把热这两个突变区把热-机械曲线分为三个区域，分别对应于三种机械曲线分为三个区域，分别对应于三种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动特征各有不同。不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动特征各有不同。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第5页，共22页，编辑于2022年，星期二 在区域在区域I，温度低，链段运动被冻结，温度低，链段运动被冻结，只有侧基、链节、链长、只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动键角等的局部运动，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行虎克弹性行为为：形
7、变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为：形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态玻璃态。玻玻璃璃态态温度温度形形变变IIIIII9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第6页，共22页，编辑于2022年，星期二 随着温度的升高，链段运动逐渐随着温度的升高，链段运动逐渐“解冻解冻”，形变逐渐增大，当温度升高，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，到某一程度时，链段运动得以充分发展链段运动得以充分发展，形变发生突变，进入区域，形变发生突变，进入区域II，这时即使在较小的外
8、力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称除去外力后能恢复原状的性能称高弹性高弹性，相应的力学状态称，相应的力学状态称高弹态高弹态。温度温度形形变变IIIIII玻玻璃璃态态高弹态高弹态9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第7页，共22页，编辑于2022年，星期二 由玻璃态向高弹态发生突由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫变的区域叫玻璃化转变区玻璃化转变区，玻玻璃态开始向高弹态转变的温度
9、璃态开始向高弹态转变的温度称为称为玻璃化转变温度玻璃化转变温度（glass temperature)，以，以Tg表示。表示。形形变变温度温度IIIIII玻玻璃璃态态高弹态高弹态玻玻璃璃化化转转变变区区Tg粘流态粘流态粘粘弹弹态态转转变变区区Tf交联聚合物交联聚合物MaMbMb Ma 当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致整个分子链质整个分子链质量中心发生相对位移量中心发生相对位移，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态粘流态。高弹态开始向粘流态转变
10、的温度称为。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度粘流温度，以，以Tf表示，其间的形变突变区表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，域称为粘弹态转变区。分子量越大，Tf越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。生相对位移，不出现粘流态。玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第8页，共22页，编辑于2022年，星期二聚
11、合物力学三态的分子运动各具特点：聚合物力学三态的分子运动各具特点：玻璃态玻璃态：温度低，链段的运动处于冻结，：温度低，链段的运动处于冻结，只有侧基、链节、链长、只有侧基、链节、链长、键角等局部运动键角等局部运动，形变小，形变小，具有虎克弹性行为，即形变与受力大小具有虎克弹性行为，即形变与受力大小成正比，当外力除去后，形变立即恢复成正比，当外力除去后，形变立即恢复；9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动 高弹态高弹态：随着温度上升，分子热运动的能量已足以克服主链单随着温度上升，分子热运动的能量已足以克服主链单键内旋转的位垒，键内旋转的位垒，链段运动链段运动被激发，在外力作用下，分
12、子链可从被激发，在外力作用下，分子链可从卷曲构象变为伸展构象，在宏观上呈现很大的形变，当外力去卷曲构象变为伸展构象，在宏观上呈现很大的形变，当外力去除后，形变可恢复；除后，形变可恢复；粘流态粘流态：链段运动剧烈，导致：链段运动剧烈，导致分子链发生相对位移分子链发生相对位移，在宏观上在宏观上表现为沿外力方向发生粘性流动，形变量很大，除去外力形变不可逆。表现为沿外力方向发生粘性流动，形变量很大，除去外力形变不可逆。第9页，共22页，编辑于2022年，星期二9.2.2 晶态聚合物的力学状态及其转变晶态聚合物的力学状态及其转变9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动形形变变温度温度TgT
13、mTfTm40%)聚聚合物合物第10页，共22页，编辑于2022年，星期二9.2.3 聚合物的玻璃化转变理论聚合物的玻璃化转变理论 当聚合物发生玻璃化转变时，其物理性能急剧变化。当聚合物发生玻璃化转变时，其物理性能急剧变化。Tg是聚合物作为塑料使用的最高温度，橡胶使用的最低温度。是聚合物作为塑料使用的最高温度，橡胶使用的最低温度。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动（1）转变机理）转变机理：自由体积理论：自由体积理论 自由体积理论认为聚合物的体积是由两部分组成：高分子链本身自由体积理论认为聚合物的体积是由两部分组成：高分子链本身所占的体积和高分子链间未被占据的空隙。高分子链间
14、未被占据的空所占的体积和高分子链间未被占据的空隙。高分子链间未被占据的空隙称隙称自由体积自由体积。自由体积提供分子链进行内旋转产生构象转变和链段运动所需的活动空间。自由体积提供分子链进行内旋转产生构象转变和链段运动所需的活动空间。第11页，共22页，编辑于2022年，星期二 当聚合物冷却时，自由体积逐渐减小，当达到某一温度时，自当聚合物冷却时，自由体积逐渐减小，当达到某一温度时，自由体积收缩到最低值，聚合物的链段运动因失去活动空间而被冻由体积收缩到最低值，聚合物的链段运动因失去活动空间而被冻结，聚合物进入玻璃态。因此自由体积理论认为玻璃化温度就是结，聚合物进入玻璃态。因此自由体积理论认为玻璃化
15、温度就是使聚合物自由体积达到某一最低恒定临界值时的温度。使聚合物自由体积达到某一最低恒定临界值时的温度。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动（i）聚合物的结构）聚合物的结构：Tg是链段运动刚被冻结的温度，而链段运动是是链段运动刚被冻结的温度，而链段运动是通过主链单键的内旋转来实现，因此通过主链单键的内旋转来实现，因此Tg与高分子链的柔顺性相关，柔与高分子链的柔顺性相关，柔顺性好，顺性好，Tg低，柔顺性差，低，柔顺性差，Tg高。高。具体表现如下：具体表现如下：9.2.4 玻璃化温度的影响因素玻璃化温度的影响因素第12页，共22页，编辑于2022年，星期二a.主链结构主链结构：主
16、链由饱和单键所组成的聚合物，如：主链由饱和单键所组成的聚合物，如-C-C-，-C-N-，-C-O-，-Si-O-等，柔顺性较好，一般等，柔顺性较好，一般Tg不高：不高：主链中引入主链中引入孤立双键孤立双键，可提高分子链的柔顺性，使，可提高分子链的柔顺性，使Tg降低，如：降低，如：9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第13页，共22页，编辑于2022年，星期二 主链中引入共轭双键、芳环或芳杂环主链中引入共轭双键、芳环或芳杂环，可提高分子链的刚性，可提高分子链的刚性，Tg升高，如：升高，如：9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第14页，共22页，编辑于2022年
17、，星期二b.侧基或侧链：侧基或侧链：侧基的极性越强，数目越多，侧基的极性越强，数目越多，Tg越高，如：越高，如：刚性侧基刚性侧基的体积越大，分子链的柔顺性越差，的体积越大，分子链的柔顺性越差，Tg越高，如：越高，如：9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第15页，共22页，编辑于2022年，星期二柔性侧链柔性侧链越长，分子链柔顺性越好，越长，分子链柔顺性越好，Tg越低，如：越低，如：如果是对称双取代，可提高分子链柔顺性，如果是对称双取代，可提高分子链柔顺性，Tg下降，如：下降，如：9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第16页，共22页，编辑于2022年，星期二
18、 c.分子量分子量：当分子量较低时，当分子量较低时，MW，Tg；当分子量足够大时，分；当分子量足够大时，分子量与子量与Tg无关。无关。d.化学交联化学交联：交联度交联度，分子链运动受约束的程度，分子链运动受约束的程度，分子链柔顺，分子链柔顺性性，Tg。（ii）共聚、共混与增塑）共聚、共混与增塑 共聚（二元共聚物）共聚（二元共聚物）：无规共聚物无规共聚物只有一个只有一个Tg，介于共聚单体介于共聚单体各自均聚物的各自均聚物的Tg之间，并可通过共聚物组成来连续改变共聚物的之间，并可通过共聚物组成来连续改变共聚物的Tg。嵌段共聚物嵌段共聚物和和接枝共聚物接枝共聚物：若两组分相容只表现出一：若两组分相容
19、只表现出一Tg，若两组，若两组分不相容，表现两分不相容，表现两Tg。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第17页，共22页，编辑于2022年，星期二共混共混：两组分相容两组分相容：均相体系，只有一个：均相体系，只有一个Tg，介于两组分，介于两组分Tg之间；之间；两组分不相容两组分不相容：出现相分离，具有两个：出现相分离，具有两个Tg，其值分别接近两组分，其值分别接近两组分Tg；两组分部分相容两组分部分相容：相容性愈好，共混物的两个：相容性愈好，共混物的两个Tg愈接近。愈接近。增塑增塑：加入适宜的增塑剂可降低聚合物的：加入适宜的增塑剂可降低聚合物的Tg。（iii）外界条件）外界
20、条件：聚合物的玻璃化转变是一个松弛过程，与过程相关，因：聚合物的玻璃化转变是一个松弛过程，与过程相关，因此升温或冷却速度、外力的大小及其作用时间的长短对此升温或冷却速度、外力的大小及其作用时间的长短对Tg都有影响。都有影响。测定测定Tg时升温或降温速度慢，时升温或降温速度慢，Tg偏低；外力作用速度快，偏低；外力作用速度快，Tg高；高；单向外力可促使链段运动，使单向外力可促使链段运动，使Tg降低，外力愈大，降低，外力愈大，Tg降低愈明显。降低愈明显。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第18页，共22页，编辑于2022年，星期二9.2.5 聚合物的熔体流动聚合物的熔体流动 当温
21、度高于非晶态聚合物的当温度高于非晶态聚合物的Tf、晶态聚合物的、晶态聚合物的Tm时，聚合物时，聚合物变为可流动的变为可流动的粘流态粘流态或称或称熔融态熔融态。热塑性聚合物的加工成型大多是利。热塑性聚合物的加工成型大多是利用其熔体的流动性能。用其熔体的流动性能。聚合物熔体的流动性可用多种指标来表征，其中最常用的是聚合物熔体的流动性可用多种指标来表征，其中最常用的是熔融熔融指数指数：指在一定的温度下和规定负荷下，：指在一定的温度下和规定负荷下，10min内从规定直径和内从规定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物的熔体的质量，用长度的标准毛细管内流出的聚合物的熔体的质量，用MI表示，表示，单位为单位
22、为g/10min。对于同种聚合物而言，熔融指数越大，聚合物熔体的流动性越对于同种聚合物而言，熔融指数越大，聚合物熔体的流动性越好，熔融加工性越好。但由于不同聚合物测定时的标准条件不同，好，熔融加工性越好。但由于不同聚合物测定时的标准条件不同，因此不具可比性。因此不具可比性。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第19页，共22页，编辑于2022年，星期二I.I.聚合物熔体流动特点聚合物熔体流动特点聚合物熔体流动特点聚合物熔体流动特点（1）粘度大，流动性差）粘度大，流动性差：这是因为高分子链的流动是通过链段的位移：这是因为高分子链的流动是通过链段的位移来实现的，它不是分子链的整体
23、迁移，而是通过链段的相继迁移来实现来实现的，它不是分子链的整体迁移，而是通过链段的相继迁移来实现的，类似蚯蚓的蠕动。的，类似蚯蚓的蠕动。（2）不符合牛顿流动规律）不符合牛顿流动规律：在流动过程中粘度随切变速率的增加而：在流动过程中粘度随切变速率的增加而下降。下降。（3）熔体流动时伴随高弹形变）熔体流动时伴随高弹形变：因为在外力作用下，高分子链沿：因为在外力作用下，高分子链沿外力方向发生伸展，当外力消失后，分子链又由伸展变为卷曲，外力方向发生伸展，当外力消失后，分子链又由伸展变为卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为。使形变部分恢复，表现出弹性行为。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运
24、 动动第20页，共22页，编辑于2022年，星期二II.II.聚合物聚合物聚合物聚合物T Tf f的影响因素的影响因素的影响因素的影响因素 Tf是高弹态向粘流态的转变温度，是加工成型的下限温度。受多是高弹态向粘流态的转变温度，是加工成型的下限温度。受多种因素的影响：种因素的影响：（1）分子链结构）分子链结构：凡是能提高高分子链柔顺性的结构因素均可使：凡是能提高高分子链柔顺性的结构因素均可使Tf下降；下降；（2）分子量的影响）分子量的影响：Tf是整个分子链开始运动的温度，是整个分子链开始运动的温度，M越大，内摩越大，内摩擦力越大，整个分子链向某一方向运动的阻碍越大，擦力越大，整个分子链向某一方向运动的阻碍越大，Tf越高。越高。（3）外力大小及其作用时间）外力大小及其作用时间：外力外力，Tf；外力作用时间；外力作用时间，有利粘，有利粘性流动，相当于性流动，相当于Tf下降。下降。（4）加入增塑剂可降低聚合物的）加入增塑剂可降低聚合物的Tf。9 9 聚聚 合合 物物 的的 分分 子子 运运 动动第21页，共22页，编辑于2022年，星期二习题：P188第1,2,3第22页，共22页，编辑于2022年，星期二