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1、第04讲高分子链的构象第1页，本讲稿共41页主要内容 远程结构是指整个高分子链的结构,是高分子链结构的第二个层次。远程结构包括高分子链的大小(质量)和形态(构象)两个方面。高分子链的大小:相对分子质量(分子量)相对分子质量分布(分子量分布)高分子链的形态:构象第2页，本讲稿共41页高分子链的大小 聚合度X(DP):可以用来表示高分子的大小 对于一根高分子链,其聚合度或相对分子质量是确定的,但对于全部高分子而言,其聚合度或相对分子质量是非均一的，具有某种分布的。即聚合物的相对分子质量具有多分散性，每个聚合物试样都有其相对分子质量分布，其相对分子质量只具有统计平均的意义。第3页，本讲稿共41页高分
2、子链的形态 高分子链的形态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：指整个高分子链的形态 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？第4页，本讲稿共41页2.2.1 高分子链的内旋转构象C1C2C3C4Cn第5页，本讲稿共41页形成不同构象的原因：内旋高分子的构象：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第6页，本讲稿共41页中间位置用旋转角定义交错位置（最稳定）重叠位置（最
3、不稳定）F乙烷：两种特征构象：反式与顺式第7页，本讲稿共41页-120 60 0+60+120EnergyAngle,11.8kJ/mol乙烷内旋能量变化图室温下分子平均动能(RT=8.31 300J/mol=2.5kJ/mol)第8页，本讲稿共41页-180-120 60 0+60+120+180EnergyGubutg丁烷内旋能量变化图G+T第9页，本讲稿共41页-180-120 60 0+60+120+180Energyub聚乙烯内旋能量变化图utgGG+T第10页，本讲稿共41页近程作用近程作用远程作用远程作用只考虑近程作用而忽略远程作用第11页，本讲稿共41页远程作用近程作用远程的意
4、义是沿主链远远程作用第12页，本讲稿共41页聚合物分子的每个链节只能处于三个能量极小值的状态忽略了无数中间非稳态的存在所谓构象只是T 或G的状态Flory内旋异构近似EnergyGTG+ub第13页，本讲稿共41页构象一词的双重含义：1）单键两侧原子的相对位置（G+，G，T）2）分子链中全部原子的相对位置（G和T的组合）,分子链的空间形状第14页，本讲稿共41页简化后仍有天文数字的构象每个单键各有T，G+，G三种可能性3500个单键的聚乙烯链可有33500=101670个构象如果自由旋转，高分子链可在这些构象间不停地变换第15页，本讲稿共41页EnergyGTG+ub构象的变换不是自由的近程作
5、用造就了G与T间的能垒ub两个后果：一定能量条件下：1.任一时刻，只有部分单键可超越能垒2.G构象与T构象有一个固定的比例第16页，本讲稿共41页后果一：任一时刻，只有部分单键可超越能垒两旋转的单键之间的一段链僵硬地协同运动高分子链被旋转单键划分为链段第17页，本讲稿共41页链段(segment)单个化学键能否独立运动(旋转)？不能。因为高分子的链式结构，一个键运动必然要带动附近其它键一起运动。也就是说，一个键在空间的取向与相连的其它键有关。假设，高分子链中第(i+1)个键的取向与第1个键的取向无关，那么由这 i 个化学键组成的一段链就可以看成是一个独立的运动单元，称为“链段”第18页，本讲稿
6、共41页链段：高分子链中作协同运动的一段链，是高分子链中的独立运动单元链段的组成是随机的，长度是随机的，是一个统计平均值但：一定的ub、温度条件下，链段的平均长度是确定的固定温度，ub越大，链段平均长度越？固定ub，温度越低，链段平均长度越？第19页，本讲稿共41页后果二：一部分链节处于G构象G构象引入了弯曲第20页，本讲稿共41页常将无规线团作为分子链的代名词无规线团是高分子链的自然状态只要有一定比例的构象为G，链就处于线团形状单键构象在变，G构象比例不变第21页，本讲稿共41页2.2.2 高分子链的柔顺性(flexibility)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
7、性。这是高聚物许多性能不同于小分子物质的主要原因。高分子链能形成的构象数越多，柔顺性越大。或者说，高分子链的单键内旋转越容易，链的柔顺性越好。高分子链的柔顺性可以从静态和动态两个方面来理解。第22页，本讲稿共41页静态柔顺性 Flexibility at equilibrium state 平衡态柔性是指热力学平衡条件下的柔性，取决于T与G构象之间的能量差b。当b/kT1时，阻力大，呈刚性。tg增加，柔性降低。b为T与G构象能之差，kT为热能。第23页，本讲稿共41页动态柔顺性pFlexibility at dynamic statep动态柔性指在外界条件作用下，分子链从一种平衡态构象向另一种
8、平衡态转变的难易程度，取决于位能曲线上T与G构象之间转变的位垒b。b小，T与G间的转变快，分子链柔性好。第24页，本讲稿共41页ub越低 内旋越容易 链段越短 链越卷曲柔性 越高温度越高 内旋越容易 链段越短 链越卷曲固定ub固定温度第25页，本讲稿共41页柔性 高分子链中单键内旋的能力 高分子链改变构象的能力高分子链中链段的运动能力 高分子链自由状态下的卷曲程度第26页，本讲稿共41页柔性的影响因素 内因是近程作用,即单键两侧基团的作用基团的体积、极性、数量、距离、对称性第27页，本讲稿共41页主链键长、键角-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-O Si O Si O Si O CH3C
9、H3CH3CH3CH3CH3聚乙烯聚二甲基硅氧烷O142110 OSi(CH3)20.164nmSi(CH3)2CH2109.50.154nmCH2CH2主链杂原子使柔性增大，原因是键长键角增大，以及杂原子上无取代基或少取代基。第28页，本讲稿共41页CH2CH2CHCH CH2CH2CHCHCH2CH2CH2CHCHCHCH120聚丁二烯孤立双键即使柔性大为增加，因为相邻的单键键角较大（120），且双键上的取代基较少 第29页，本讲稿共41页CH2CHClCH2CHClCH2CHClCH2CHClCH2CHCl-CH2-CH=C-CH2-CH2-CH=C-CH2-CH2-CH=C-CH2-C
10、l ClCl聚氯丁二烯，柔性高聚氯乙烯，柔性差第30页，本讲稿共41页CH CH=CH CH=CH CH=CH CH=CH CH聚乙炔聚苯共轭双键使柔性丧失第31页，本讲稿共41页主链芳环降低柔性：体积、共轭CH3OCH3CO OC 聚碳酸酯SO2nCH3CH3CO O聚砜第32页，本讲稿共41页主链杂环降低柔性全梯形吡隆OCH2OHOHOHOCH2OHOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOOO纤维素 CelluloseOCNNNNCOn第33页，本讲稿共41页侧基尺寸大，柔性低(CH2 CH)n(CH2 CH)nH(CH2 CH)nN(CH2 CH)nCH3第34页，本讲稿共4
11、1页侧基极性大柔性低(CH2 CH)nCl(CH2 CH)nH(CH2 CH)nCH3(CH2 CH)nCN第35页，本讲稿共41页对称取代柔性高CH2CHClCH2CHClCH2CHClCH2CHClCH2CHClCH2CClCH2CClCH2CClCH2CClCH2CClClClCl ClCl聚氯乙烯聚偏氯乙烯第36页，本讲稿共41页对称取代柔性高CH2CHCH3CH2CHCH3CH2CHCH3CH2CHCH3CH2CHCH3CH2CCH3CH2CCH3CH2CCH3CH2CCH3CH2CCH3CH3CH3CH3CH3CH3聚丙烯聚异丁烯第37页，本讲稿共41页（1）温度高提高柔性（2）溶剂稀释提高柔性（3）外力作用的速率太快时,分子链来不及 通过内旋转而改变构象,表现出刚性外部因素第38页，本讲稿共41页其它结构因素 支化与交联 高分子链的长度 分子间作用力 聚集态结构(如结晶等)第39页，本讲稿共41页聚乙烯 聚二甲基硅氧烷 聚甲醛尼龙聚丁二烯聚氯丁二烯聚乙炔聚苯聚丙烯 聚苯乙烯 聚碳酸酯聚砜 聚丙烯腈聚异丁烯聚偏氯乙烯作业：柔性大排行第40页，本讲稿共41页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。第41页，本讲稿共41页