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1、高分子凝聚态结构高分子凝聚态结构及聚合物性能概述及聚合物性能概述主讲主讲:朱平平朱平平家庭中的聚乙烯制品家庭中的聚乙烯制品身边的高分子材料身边的高分子材料聚丙烯制品聚丙烯制品碳碳纤纤维维复复合合材材料料由碳纤维和铝合金由碳纤维和铝合金制成的赛车底盘制成的赛车底盘法拉利法拉利F1车队车队橡胶园橡胶园轮胎轮胎手卷钢琴手卷钢琴Hand Roll Piano防水纸防水纸（最适用于制成海运标签）（最适用于制成海运标签）时代时代周刊评出的周刊评出的2005年最迷人的发明年最迷人的发明冲浪板冲浪板（碳纤维复合材料作外壳）（碳纤维复合材料作外壳）冲浪板冲浪板（Bodyboarding，聚丙烯内核，聚丙烯内核）
2、无气轮胎无气轮胎(Michelin)多功能吸尘器多功能吸尘器 壁虎胶带壁虎胶带仿生干型高分子粘合材料仿生干型高分子粘合材料 聚酰亚胺薄膜聚酰亚胺薄膜 利用全范德华力作用原理微制造而成利用全范德华力作用原理微制造而成 具有紧密排列的规整微突起结构具有紧密排列的规整微突起结构 1cm2:3N(300g)蜘蛛人玩具蜘蛛人玩具:高高15cm15cm重重40g40g覆盖覆盖0.5cm0.5cm2 2壁虎胶带壁虎胶带Autumn K.,et al,Nature,2000,405:681-685Autumn K.,et al,Proc.Natl.Acad.Sci.,USA,2002,99:12252-122
3、56壁虎的壁虎的脚上脚上覆盖了一层非常细小的绒毛覆盖了一层非常细小的绒毛 壁虎及其脚趾的壁虎及其脚趾的“英姿英姿”壁虎飞檐走壁的奥秘完全的范德华力壁虎飞檐走壁的奥秘完全的范德华力聚酰亚胺聚酰亚胺(PI)微突起的电镜照片微突起的电镜照片（单个微突起：直径（单个微突起：直径0.5m，高，高2m，间隔，间隔1.6m）单个微突起单个微突起:200nN PI胶带胶带:1cm2 3N(300g)，200cm2 600N(60Kg)干型粘合，反复使用干型粘合，反复使用干型高分子粘合剂的干型高分子粘合剂的仿生探索设计：仿生探索设计：可能获得类似于刚毛的粘合力可能获得类似于刚毛的粘合力壁虎的刚毛结构壁虎的刚毛结
4、构大量的规整微突起结构大量的规整微突起结构ab a.壁虎脚单根刚毛壁虎脚单根刚毛 b.每根刚毛末端的细分叉每根刚毛末端的细分叉玉米塑料玉米塑料 化学结构化学结构 材料性能材料性能凝聚态结构凝聚态结构 制品性能制品性能电子态结构电子态结构 材料功能材料功能分子运动高聚物结构与性能之间的关系高聚物结构与性能之间的关系:流变学凝聚态物理H.Staudinger（1953年诺贝尔化学奖）：年诺贝尔化学奖）：高分子是由多价原子彼此以主价键结合而成的长链状高分子是由多价原子彼此以主价键结合而成的长链状分子分子长链中的结构单元数很大（长链中的结构单元数很大（102105），一个结构单），一个结构单元相当于一
5、个小分子元相当于一个小分子高分子的分子量一般为（高分子的分子量一般为（104107）结构：物质的组成单元（原子或分子）之间在相结构：物质的组成单元（原子或分子）之间在相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间排列。互吸引和排斥作用达到平衡时的空间排列。高聚物：高聚物：高分子高分子的聚集体的聚集体高聚物的多层次结构高聚物的多层次结构：链结构链结构近程结构（一级结构，化学结构）近程结构（一级结构，化学结构）凝聚态结构（三级结构，凝聚态结构（三级结构，高分子链之间排列和堆砌而成高分子链之间排列和堆砌而成 的结构）的结构）远程结构（二级结构，远程结构（二级结构，柔性与刚性，形态和尺寸）柔性与刚性，形态和尺寸）
6、二级结构二级结构构象：有机化合物分子中，由于单键的旋转导致碳构象：有机化合物分子中，由于单键的旋转导致碳原子上结合的原子或基团相对位置发生改变，因而原子上结合的原子或基团相对位置发生改变，因而产生分子在空间的不同排列方式。产生分子在空间的不同排列方式。3个可能的较稳定构象（反式、左旁式、右旁式个可能的较稳定构象（反式、左旁式、右旁式)碳链高分子中碳链高分子中C-C单键的内旋转单键的内旋转to长链高分子，如聚乙烯分子：长链高分子，如聚乙烯分子：若全取反式构象：分子链呈锯齿形的伸展链若全取反式构象：分子链呈锯齿形的伸展链 不全取反式构象：分子链发生弯曲不全取反式构象：分子链发生弯曲10000个个C
7、-C单键：单键：3100001.3104770个可能的构象个可能的构象 取反式、左右式能量差别不大，出现的概率差取反式、左右式能量差别不大，出现的概率差别较小别较小 由于热运动，构象经常在改变由于热运动，构象经常在改变 高分子的构象是统计性的高分子的构象是统计性的在室温下相邻键取什么构在室温下相邻键取什么构象的概率差别不大，由于象的概率差别不大，由于热运动，构象不断在改变，热运动，构象不断在改变，高分子链无规弯曲，自发高分子链无规弯曲，自发地呈蜷曲形态，使构象熵地呈蜷曲形态，使构象熵趋于最大。趋于最大。高分子链柔性的实质：高分子链柔性的实质：线形高分子链的末端距线形高分子链的末端距（可用无规行
8、走模型处理）（可用无规行走模型处理）线形高分子链线形高分子链的局部链节的局部链节h末端距末端距 h链的两个末端之间的距离：链的两个末端之间的距离：完全伸直链：完全伸直链：无规弯曲链（高斯链）无规弯曲链（高斯链）：例如：PE：to支化高分子支化高分子树形高分子树形高分子螺旋形高分子链螺旋形高分子链纳纳米米树树形高分子形高分子（纳纳米在米在药药物物输输运中的运中的应应用）用）作作为药为药物物载载体的体的树树状高分子状高分子把把树树形高分子形高分子设计设计得只在得只在适当的触适当的触发发分子存在的情分子存在的情况下自况下自动动地膨地膨胀胀并并释释放出放出药药物物使定制的使定制的树树形高分子恰好形高分
9、子恰好在需要治在需要治疗疗的的组织组织或器官或器官内内释释放出其运放出其运载载的的药药物物。有许多分子凝聚在一起所形成的状态有许多分子凝聚在一起所形成的状态 多根据分子热运动和力学性能特征来区分多根据分子热运动和力学性能特征来区分 物体抵抗外来的变形作用的能力，有无固物体抵抗外来的变形作用的能力，有无固定的形状及体积来区分定的形状及体积来区分凝聚态：凝聚态：平均动能胜过势能时，物质处于气态。平均动能胜过势能时，物质处于气态。势能胜过平均动能时，物质处于固态。势能胜过平均动能时，物质处于固态。两者势均力敌时，物质处于液态。两者势均力敌时，物质处于液态。物质三态的由来：物质三态的由来：改变温度：改
10、变温度：气态气态 液态液态 固态固态 如：水蒸气如：水蒸气 水水 冰冰 改变浓度：改变浓度：如：糖水如：糖水 糖浆糖浆 糖块糖块 稀溶液稀溶液 浓溶液浓溶液 固体固体 共价键键能共价键键能:100-900kJ/mol 范德华力作用能范德华力作用能:0.8-21kJ/mol 偶极力：偶极力：13-21kJ/mol 诱导力：诱导力：6-13kJ/mol 色散力：色散力：0.8-8kJ/mol 氢键：氢键：40kJ/mol 小分子间相互作用能小分子间相互作用能 链单元间的内聚力链单元间的内聚力,线线团扩张团扩张,大大,线团对溶剂流动的扰乱大线团对溶剂流动的扰乱大,值很大。值很大。交联高聚物的溶胀（不
11、可能溶解）：交联高聚物的溶胀（不可能溶解）：溶胀平衡：溶胀平衡：溶剂的扩散力分子网的弹性回缩力溶剂的扩散力分子网的弹性回缩力注意：注意：溶胀程度与温度、溶剂以及交联度有关溶胀程度与温度、溶剂以及交联度有关 交联度高的样品甚至不能溶胀交联度高的样品甚至不能溶胀（强硬的分子网络和失去柔顺性的链，溶剂分子难（强硬的分子网络和失去柔顺性的链，溶剂分子难以钻入链单元之间。）以钻入链单元之间。）极稀溶液极稀溶液 稀溶液、亚浓溶液稀溶液、亚浓溶液 浓溶液浓溶液 极浓溶液极浓溶液 固体固体(良溶剂良溶剂)Cs C*Ce C+0.01%0.5-10%10孤立线团孤立线团 链间相互作用链间相互作用 物理网物理网
12、相互穿透高分子链相互穿透高分子链降温加非溶剂线团收缩线团收缩链内凝聚链内凝聚紧缩球粒紧缩球粒流动态流动态（非晶态）（非晶态）单链凝聚态单链凝聚态 多链凝聚态多链凝聚态极稀溶液极稀溶液 (良溶剂良溶剂)：孤立的溶胀线团：孤立的溶胀线团(由于同一高分子链上链单元由于同一高分子链上链单元间的相斥作用间的相斥作用)稀溶液稀溶液：Cs(动态接触浓度动态接触浓度)，高分子链开始感受到其它链的相斥，高分子链开始感受到其它链的相斥作用，但并没有接触，溶胀线团开始收缩，尺寸减小作用，但并没有接触，溶胀线团开始收缩，尺寸减小亚浓溶液亚浓溶液：C*(接触浓度接触浓度)，但是无法计算，但是无法计算C*浓溶液浓溶液：C
13、e(分子链的缠结浓度分子链的缠结浓度)，链开始相互穿透，形成物理网，链开始相互穿透，形成物理网，分子量的意义失去，链单元空间分布仍不均匀。除了溶剂的溶胀分子量的意义失去，链单元空间分布仍不均匀。除了溶剂的溶胀作用外，还要考虑线团在交叠穿透时发生的屏蔽作用。作用外，还要考虑线团在交叠穿透时发生的屏蔽作用。极浓溶液极浓溶液：C+，高分子链充分相互穿透，链内作用被链间作用完全高分子链充分相互穿透，链内作用被链间作用完全屏蔽，呈高斯链形态。链单元空间密度达到一致，随着浓度的增屏蔽，呈高斯链形态。链单元空间密度达到一致，随着浓度的增加，分子链相互穿透的程度逐渐增加。加，分子链相互穿透的程度逐渐增加。非晶
14、态固体非晶态固体：高斯链。：高斯链。极稀溶液极稀溶液浓溶液浓溶液固体固体高分子链高分子链相互穿透相互穿透孤立线团孤立线团高分子凝聚态的特点：高分子凝聚态的特点：高聚物具有较明显的过冷液态高聚物具有较明显的过冷液态玻璃态玻璃态特殊的高弹态（具有高弹性）特殊的高弹态（具有高弹性）晶区与非晶区共存晶区与非晶区共存取向态比较特殊取向态比较特殊粘流态的粘度特别大粘流态的粘度特别大单链也能形成凝聚态单链也能形成凝聚态玻璃态的形成原因：玻璃态的形成原因：分子结构的不对称性分子结构的不对称性 混合物，减少结晶的混合物，减少结晶的 倾向倾向 用快速冷却的方法避用快速冷却的方法避 免了结晶的形成免了结晶的形成 结
15、构无序的液体结构无序的液体 结构无序的固体结构无序的固体Tg用快速冷却的方法避免结晶的形成：用快速冷却的方法避免结晶的形成：体系体系冷却速度冷却速度无定形高聚物无定形高聚物（不能（不能结结晶）晶）SiO210-4K/s金属合金金属合金105 K/sa-Ge,a-Si108 K/s无无机玻璃：一般的冷却速率机玻璃：一般的冷却速率(10-4-10-1K/s)，体系粘度，体系粘度大，很容易形成玻璃体大，很容易形成玻璃体金属或合金：金属或合金：泼溅泼溅淬火淬火(splat quenching,106K/s)熔熔态态旋淬旋淬(melt spinning)激光玻璃化技激光玻璃化技术术(1010 1012K
16、/s)（淬火条件非常苛刻）（淬火条件非常苛刻）聚合物：一般的工聚合物：一般的工艺艺条件即可，玻璃化条件即可，玻璃化转变转变是高聚是高聚物的一种普遍物的一种普遍现现象，玻璃化温度象，玻璃化温度Tg是高聚物的重要的是高聚物的重要的特征温度。特征温度。玻璃态的形成条件：玻璃态的形成条件：坚硬的固体坚硬的固体 柔软的弹性体柔软的弹性体Tg聚合物具有较明显的过冷液态聚合物具有较明显的过冷液态玻璃态：玻璃态：分子大分子大 分子间作用力大，各部分相互牵制分子间作用力大，各部分相互牵制 要使整条分子链很好地排入晶格，必须有足够的要使整条分子链很好地排入晶格，必须有足够的动能和时间动能和时间 还要求所有链段相互
17、协调还要求所有链段相互协调 上面的条件往往难以达到，因而聚合物很容易形上面的条件往往难以达到，因而聚合物很容易形成过冷液态成过冷液态玻璃态玻璃态聚合物的玻璃态：聚合物的玻璃态：日常日常应应用的用的许许多塑料制品，在多塑料制品，在使用条件下都或多或少存在于使用条件下都或多或少存在于玻璃玻璃态态下下 玻璃玻璃态态聚合物是一个固体聚合物是一个固体 内部的大分子内部的大分子链链呈相呈相对对无无规规或非晶排列或非晶排列 远远程无序，程无序，类类似于液体（液相）似于液体（液相）分子分子链链呈无呈无扰扰的无的无规线团规线团形形态态（可用无（可用无规规行走模型行走模型来描述）来描述）有机玻璃音响有机玻璃音响战
18、斗机机舱罩战斗机机舱罩高度透明性高度透明性目前最优良的高分子透明材料，透光率达到目前最优良的高分子透明材料，透光率达到92，比玻璃的透光度，比玻璃的透光度高。高。机械强度高机械强度高抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高718倍倍经过加热和拉伸处理过的有机玻璃，韧性有显著提高经过加热和拉伸处理过的有机玻璃，韧性有显著提高即使钉子穿透了，有机玻璃上也不产生裂纹即使钉子穿透了，有机玻璃上也不产生裂纹被子弹击穿后同样不会破成碎片被子弹击穿后同样不会破成碎片防弹玻璃，军用飞机上的座舱盖防弹玻璃，军用飞机上的座舱盖 重量轻重量轻1.18g/cm3，普通玻璃的一半，金属铝（属于轻
19、金属）的，普通玻璃的一半，金属铝（属于轻金属）的43易于加工易于加工能用车床进行切削，钻床进行钻孔能用车床进行切削，钻床进行钻孔能用丙酮、氯仿等粘结成各种形状的器具能用丙酮、氯仿等粘结成各种形状的器具也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型的方法加工也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型的方法加工 聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）:Tg=105 室温下，坚硬且透明室温下，坚硬且透明 当当TTg时，时，开始出现类似橡胶的高弹性开始出现类似橡胶的高弹性 天然橡胶（顺式天然橡胶（顺式-聚异戊二烯）聚异戊二烯）:Tg=-73 室温下，是柔软而富有弹性的材料室温下，是柔软而富有弹性的材料 而在
20、而在-100时时却是像玻璃一样硬而脆的固体却是像玻璃一样硬而脆的固体 ：塑料的使用上限温度，橡胶的使用下限温度。：塑料的使用上限温度，橡胶的使用下限温度。坚硬的固体坚硬的固体 柔软的弹性体柔软的弹性体（玻璃态）（玻璃态）（高弹态）（高弹态）Tg例如：例如：形成玻璃态的外界条件：形成玻璃态的外界条件：温度（将熔体淬冷到玻璃化温度以下）温度（将熔体淬冷到玻璃化温度以下）外力作用速率外力作用速率飞机轮胎飞机轮胎汽车轮胎汽车轮胎 橡胶橡胶塑料（外力作用的频率增加塑料（外力作用的频率增加,分子运动状分子运动状 态发生变化）态发生变化）时间与温度具有等同的作用效果，可以相互转换时间与温度具有等同的作用效果
21、，可以相互转换（时温等效原理）（时温等效原理）坚硬的固体坚硬的固体 柔软的弹性体柔软的弹性体 粘性液体粘性液体 TgTf 玻璃态玻璃态 高弹态高弹态 粘流态粘流态 TgTf橡胶园橡胶园轮胎轮胎 高弹性高弹性熵弹性：熵弹性：把天然橡胶树汁把天然橡胶树汁涂在脚上涂在脚上树汁变硬树汁变硬人类第一双人类第一双“靴子靴子”2500年前的一天年前的一天线形高分子链线形高分子链交联高分子交联高分子高分子链的局部高分子链的局部无外力作用时的高分子链无外力作用时的高分子链高分子链的柔性高分子链的柔性高聚物的高弹性高聚物的高弹性受拉伸力作用时的高分子链受拉伸力作用时的高分子链硫化技术硫化技术高分子链间的化学交联高
22、分子链间的化学交联“飞足飞足”标志，取其标志，取其“迅捷迅捷”之意之意1839年年独有的熵弹性独有的熵弹性（高分子链构象熵的改变）高分子链构象熵的改变）：注意：熵在聚合物体系中扮演非常重要的角色注意：熵在聚合物体系中扮演非常重要的角色蜷曲的高分子链蜷曲的高分子链伸直链伸直链蜷曲的高分子链蜷曲的高分子链拉伸力拉伸力除去外除去外力力 橡皮筋受热时伸长吗？橡皮筋受热时伸长吗？由于高分子链的特点，橡皮筋将收缩。由于高分子链的特点，橡皮筋将收缩。熵弹性熵弹性 橡胶高弹性特点：橡胶高弹性特点：可逆弹性形变大可逆弹性形变大最高可达最高可达1000，而金属材料的弹性形变一般不超过，而金属材料的弹性形变一般不超
23、过1弹性模量小弹性模量小约为约为105N/m2，而一般金属的弹性模量可达而一般金属的弹性模量可达1010N/m2时间依赖性时间依赖性橡胶在受到外力时，应变是随时间发展的，但最终趋于橡胶在受到外力时，应变是随时间发展的，但最终趋于一个平衡值一个平衡值高弹模量随温度升高而正比地增加高弹模量随温度升高而正比地增加而金属材料的弹性模量随温度增加而减小而金属材料的弹性模量随温度增加而减小在快速拉伸时，高弹材料的温度升高在快速拉伸时，高弹材料的温度升高 而金属材料则相反而金属材料则相反 它有稳定的尺寸，在小形变时，其弹性响应符合它有稳定的尺寸，在小形变时，其弹性响应符合胡克定律，像个固体；胡克定律，像个固
24、体；它的热膨胀系数和等温压缩系数又与液体有相同它的热膨胀系数和等温压缩系数又与液体有相同的数量级，表明高弹态时高分子间相互作用与液的数量级，表明高弹态时高分子间相互作用与液体的相似；体的相似；在高弹态时导致形变的应力随温度增加而增加，在高弹态时导致形变的应力随温度增加而增加，又与气体的压强随温度升高而增加有相似性。又与气体的压强随温度升高而增加有相似性。高聚物在高弹态的力学行为是特殊的：高聚物在高弹态的力学行为是特殊的：橡胶在室温就呈现高弹性橡胶在室温就呈现高弹性 在室温是塑料的高聚物（有机玻璃）在温度高在室温是塑料的高聚物（有机玻璃）在温度高于玻璃化温度时出现类似橡胶的高弹性于玻璃化温度时出
25、现类似橡胶的高弹性 一种高聚物，是塑料还是橡胶，常常可以由温一种高聚物，是塑料还是橡胶，常常可以由温度来决定度来决定高聚物的高弹性主要是起因于它的构象熵的改高聚物的高弹性主要是起因于它的构象熵的改变变熵弹性熵弹性 坚硬的固体坚硬的固体 柔软的弹性体柔软的弹性体 粘性液体粘性液体 TgTf 玻璃态玻璃态 高弹态高弹态 粘流态粘流态 TgTf结晶：结晶：高聚物结晶困难高聚物结晶困难 （细长而蜷曲的高分子链如何作规整排列？）细长而蜷曲的高分子链如何作规整排列？）高聚物晶态的有序程度要比小分子物质差得多高聚物晶态的有序程度要比小分子物质差得多（单晶也有链弯曲的部分）单晶也有链弯曲的部分）在非常特殊条件
26、下高聚物才能形成单晶在非常特殊条件下高聚物才能形成单晶片晶厚度片晶厚度 整链的伸直长度整链的伸直长度（高分子链必然在片晶内有规地或无规地来回折叠）高分子链必然在片晶内有规地或无规地来回折叠）不能用重结晶方法来提纯高聚物不能用重结晶方法来提纯高聚物小分子晶体与大分子晶体：小分子晶体与大分子晶体：小分子晶体小分子晶体结晶度结晶度100%的晶体的晶体各向异性各向异性重结晶重结晶(纯化方法纯化方法)高分子晶体高分子晶体大多数结晶高聚物是大多数结晶高聚物是半结晶的半结晶的一般条件下，最高结一般条件下，最高结晶度为晶度为7080高聚物晶体：由许多高聚物晶体：由许多向各个方向排列的较向各个方向排列的较细小的
27、晶体组成细小的晶体组成结晶高聚物通结晶高聚物通常是各常是各向同性的向同性的取向现象取向现象：高分子链结构悬殊的不对称性：长度是宽度的几百、几高分子链结构悬殊的不对称性：长度是宽度的几百、几千甚至几万倍千甚至几万倍 在外力作用下，很容易沿某特定方向作占优势的平行排在外力作用下，很容易沿某特定方向作占优势的平行排列列取向取向 取向态是与具有一定程度的一维或二维有序性相关（纤取向态是与具有一定程度的一维或二维有序性相关（纤维或薄膜）维或薄膜）结晶态则是三维有序的结晶态则是三维有序的 纤维材料多采用结晶高聚物（？）纤维材料多采用结晶高聚物（？）战斗机机舱罩战斗机机舱罩安全帽安全帽防弹玻璃防弹玻璃手电筒
28、手电筒（高强度尼龙纤维制成的筒身）（高强度尼龙纤维制成的筒身）supermileage比赛冠军比赛冠军（碳纤维材料的轻骑兵（碳纤维材料的轻骑兵）间位聚芳酰胺间位聚芳酰胺F1 赛车服赛车服仿生可植入仿生可植入装置装置这种装置是一种粗糙的内部绷这种装置是一种粗糙的内部绷带带看起来象是一张精致的小型装看起来象是一张精致的小型装饰桌布饰桌布该装置还有绣花图案，模仿的该装置还有绣花图案，模仿的是人体的腱组织的强度和弹性是人体的腱组织的强度和弹性.用标准的外科聚酯手术线制成用标准的外科聚酯手术线制成一旦被植入肌肉和骨骼之间，一旦被植入肌肉和骨骼之间，该装置就永远不会移位。它作该装置就永远不会移位。它作为人
29、体细胞的一部分一起生长为人体细胞的一部分一起生长.聚合物纤维：聚合物纤维：纤维材料纤维材料抗拉模量抗拉模量(GPa)抗拉强度抗拉强度(GPa)密度密度(g/cm3)芳香族聚芳香族聚酰酰胺胺1253.51.45聚聚对对苯苯并二苯苯并二噻唑噻唑3264.11.58聚聚对对苯苯并二苯苯并二嗡唑嗡唑3605.71.58尼尼龙龙61.01.14伸直伸直链链聚乙聚乙烯纤维烯纤维17231.0钢钢2002.87.8铝铝合金合金710.62.7蜘蛛丝蜘蛛丝人造蜘蛛丝人造蜘蛛丝生物钢丝生物钢丝蜘蛛丝的弹性与韧性为什么都好？蜘蛛丝的弹性与韧性为什么都好？蜘蛛丝虽细，但承受的张力可达蜘蛛丝虽细，但承受的张力可达3克
30、重克重即使拉伸即使拉伸10倍以上也不会断掉倍以上也不会断掉它的强度是同样粗细的钢丝的它的强度是同样粗细的钢丝的5倍倍是强度最大的天然高分子化合物是强度最大的天然高分子化合物主要成份是氨基酸组成的蛋白质类高分子化合物主要成份是氨基酸组成的蛋白质类高分子化合物由于它呈酸性而且含有杀菌物质，故不易发霉由于它呈酸性而且含有杀菌物质，故不易发霉蜘蛛丝含有吸湿的吡咯烷酮，尽管在自然界免不了遭蜘蛛丝含有吸湿的吡咯烷酮，尽管在自然界免不了遭受风吹、雨打和日晒，却仍然保持一定的粘着力受风吹、雨打和日晒，却仍然保持一定的粘着力蜘蛛网还具有优美的对称性，怎么看都是生物建筑学蜘蛛网还具有优美的对称性，怎么看都是生物建
31、筑学上的重要成果上的重要成果在纳米尺度上蜘蛛丝结构形同一根极细的螺旋在纳米尺度上蜘蛛丝结构形同一根极细的螺旋线线看上去像长长的浸泡过某种液体的看上去像长长的浸泡过某种液体的“弹簧弹簧”当它被拉伸时，像当它被拉伸时，像“弹簧弹簧”一样会竭力返回原一样会竭力返回原来的长度来的长度而当它缩短时，本身又会吸收振动能量并转变而当它缩短时，本身又会吸收振动能量并转变为热能为热能奥妙被揭开：奥妙被揭开：蜘蛛和蚕不同，很难进行大规模的人蜘蛛和蚕不同，很难进行大规模的人工饲养工饲养要在化工厂中造出有蛛丝特性的人造要在化工厂中造出有蛛丝特性的人造纤维，人类目前的技术与工艺均无可能纤维，人类目前的技术与工艺均无可能
32、采用基因工程的办法，将蜘蛛的基因采用基因工程的办法，将蜘蛛的基因植进入山羊细胞的植进入山羊细胞的DNA中，培育出了能中，培育出了能在乳汁中分泌蜘蛛丝蛋白的新品种山羊在乳汁中分泌蜘蛛丝蛋白的新品种山羊使使“生物钢材生物钢材”的大规模生产成为可的大规模生产成为可能能用其组合成牢固的复合材料用于宇航用其组合成牢固的复合材料用于宇航和汽车工业和汽车工业制造外科手术缝合线和防弹背心的理制造外科手术缝合线和防弹背心的理想材料想材料基因工程让我们基因工程让我们“种豆得瓜种豆得瓜”了了种豆得瓜种豆得瓜能在乳汁中分泌丝蛋白的新品种山羊能在乳汁中分泌丝蛋白的新品种山羊单根高分子链单根高分子链 凝聚态：凝聚态：凝聚
33、态：许多分子聚集在一起凝聚态：许多分子聚集在一起一个孤立的小分子不存在分子间的相互作用，当一个孤立的小分子不存在分子间的相互作用，当然没有分子凝聚态然没有分子凝聚态一个高分子链有成千上万个单体单元，存在链单一个高分子链有成千上万个单体单元，存在链单元间的相互作用元间的相互作用 单链凝聚态（液态、高弹态、晶态）单链凝聚态（液态、高弹态、晶态）单个高分子链以一种凝聚态存在是高分子单个高分子链以一种凝聚态存在是高分子特有特有的的单链试样的制备：单链试样的制备：极稀溶液喷雾极稀溶液喷雾液面扩展液面扩展冷冻萃取、冷冻干燥冷冻萃取、冷冻干燥 例如：例如：单个高分子链：相当于单个高分子链：相当于104个单体
34、单元体系个单体单元体系 的凝聚态的凝聚态假如：密度为假如：密度为1g/cm3单链球形颗粒的半径单链球形颗粒的半径7.4nm单链单链高分子：高分子：纳纳米尺度的高聚物米尺度的高聚物颗颗粒粒左：打圈链（分子动力学模拟从完全伸直链在左：打圈链（分子动力学模拟从完全伸直链在 300K弛豫后的线团）弛豫后的线团）右：高斯链（右：高斯链（Monte Carlo模拟）模拟）单根高分子链的拉伸行为单根高分子链的拉伸行为右旋糖酐（右旋糖酐（dextran）上无规地接上几个）上无规地接上几个streptavidin（一种抗生物素蛋白）（一种抗生物素蛋白）原子力扫描针尖用生物素（原子力扫描针尖用生物素（biotin
35、）修饰）修饰用化学方法使用化学方法使Dextran链端与金表面结合链端与金表面结合利用利用streptavidin与与biotin的结合，拉起从金表面的结合，拉起从金表面到针尖结合处这段链到针尖结合处这段链Dextran单链拉伸示意图（单链拉伸示意图（）拉力伸长作图拉力伸长作图伸长归一化后的拉伸曲线伸长归一化后的拉伸曲线单根高分子链的拉伸行为单根高分子链的拉伸行为80处：一个台阶处：一个台阶80：低拉力区，符合橡胶链的熵弹性：低拉力区，符合橡胶链的熵弹性 80%：斜率：斜率1700pN/A几十根链相互几十根链相互穿透在一起穿透在一起形态：高斯链形态：高斯链多链凝聚态与单链凝聚态的根本差异：多链
36、凝聚态与单链凝聚态的根本差异：没有相邻分子链的穿透，分没有相邻分子链的穿透，分子链的堆砌比通常的多链凝子链的堆砌比通常的多链凝聚态要松散些聚态要松散些形态：打圈链形态：打圈链（分子动力学模拟结果，（分子动力学模拟结果，g/tg/t构象比值显著增大）构象比值显著增大）PS:高斯链高斯链:nm 链纳米球链纳米球:nm多链凝聚态：多链凝聚态：单链单链凝聚态：凝聚态：高聚物可能具有最多种凝聚态结构高聚物可能具有最多种凝聚态结构并导致丰富的物理行为和性能并导致丰富的物理行为和性能玻璃态玻璃态高弹态高弹态晶态晶态取向态取向态液晶态液晶态单链凝聚态单链凝聚态参考文献参考文献1.HEPing-sheng,YA
37、NGHai-yang,ZHUPing-ping.Whatarethecharactersofpolymers,comparingwithlowmolecularweightcompounds?International Journal of Engineering Education.:Theory and Practice,2003,12(8):66692.朱平平,何平笙,杨海洋.高分子中的整体与局部.化学通报,2003,66(2):w47.3.何平笙.关于高聚物的结构与性能课的教学主线.高分子通报,1997,(2):122124.4.何平笙,朱平平,杨海洋.在“高聚物的结构与性能”课程中讲透高聚物的特点.高分子通报,2001,(5):7479.