《高分子物理重点难点释疑》学习笔记2:高分子链的构象、形态及尺寸

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从分子链的柔性来看高聚物的高弹形变:

高弹形变是高分子链特有的柔性展现。高分子的“大”而产生了一般小分子化合物所不具备的另一结构层次—高分子链的远程结构。

自由能F=内能U – T*熵S

高分子链在不受外力作用时,呈蜷曲形态,使构象熵极大。施加外力,链尺寸发生变化。而链尺寸的变化只是通过改变链的构象来实现,即由蜷曲形态通过主链内旋转,逐渐伸展开,构象熵减少。

体系必然同时产生回复力对抗熵减,与固体(如金属)键力不同,此时熵力所需克服的仅仅是内旋转位垒,比键力弱很多,且形变量大。

高弹形变发生时,原子间距离并没有受到影响,并不需要外力对键力做功,内能几乎不变。

高分子链的刚性(rigity)

刚性高分子通常主链不能内旋转,或链单元间有强烈相互作用的高分子。

如聚乙炔分子,因共轭结构不能内旋转,使得分子链呈刚性。

又如聚亚苯分子,虽可能有一定的内旋转自由度,但不能改变形态,转了个寂寞。故分子链呈棒形。

再如PPTA(聚对苯二甲酰对苯二胺)分子,酰胺键之间形成氢键,链单元间强烈的相互作用,限制了主链的内旋转,故此,也是刚性的。

参考另一篇公众号。

《长碳链聚酰胺制备、改性及关键技术》笔记摘抄2:耐热聚酰胺

天然高分子,如纤维素,蛋白质,氨基酸多都有基团间的强氢键相互作用。

小结:

1)柔性与刚性没有明确界限。柔性高分子链由于存在内旋转自由度,其形态主要由具有最大构象熵所决定,其链段分布可用高斯函数来描述。刚性高分子链的形态主要由最低内能所决定,链单元间的相互作用或空间位阻,使得分子链呈棒状,或螺旋形等低内能状态。

2)化学结构如主链、侧基,链长等对柔性,刚性的影响大。

3)聚苯醚PPE(2,6-二甲基对苯醚)有柔性的C-O键,也有刚性的芳杂环。但,整体还是偏刚性的。

4)高聚物先溶胀,后溶解,这是由于溶剂不能一次完全克服分子间的相互作用,需逐步克服链单元间的相互作用,直至拆散凝聚在一起的高分子链。若柔性链,则其溶解现象如同字某一表明剥取胶布(剥洋葱),可从某一端逐步撕离而无需一次克服全部黏附力。若为刚性,需同时拆散高分子链间的大部分或全部作用力,其溶解度必然很小或不溶。

(此段文字须细想,可以深度理解工程塑料常见的化学溶剂应力开裂问题)

例如纤维素和聚乙烯醇所含碳和羟基数的比例相同,但由于刚柔不同。在水中时,聚乙烯醇能逐步溶解,而纤维素则不溶。

玻璃化温度Tg

链段从不能运动(冻结)到能运动或反之的转变就是高聚物的玻璃化转变,它对应于高聚物从玻璃态到高弹态(或反之)的转变,其中温度指标即为Tg.链段是主链上划分出来的最小的独立运动单元,其运动是通过主链的单键内旋转来实现的。

链段越小,表明链就越柔顺,激发其运动所需的温度也越低,也就是Tg低。故此,可用比较Tg,来参考。更重要是链内旋转位垒决定的动力学柔顺性。

如聚二甲基硅氧烷(Tg-123C),聚甲醛(Tg-83C),聚乙烯(Tg-68C),柔性降低;

又如,聚丙烯腈(Tg 104C),聚氯乙烯(Tg 87C),聚丙烯 (Tg -20C). 越来越柔;

再如,聚辛二酸丁二酯(Tg -57C),聚己二酰己二胺(Tg 50C),聚对苯二甲酰对苯二胺 (Tg 375C),越来越刚。

柔性高分子链的凝聚态结构:

可以是蜷曲的,如非晶态聚苯乙烯中的高分子链;

也可以是折叠的,如Keller从聚乙烯极稀溶液培育出的单晶片;

也可以是伸直的,如聚乙烯在225C,486MPa下结晶8小时形成的伸直链晶体中;

也可以是螺旋形的,如全同聚苯乙烯分子在晶区中采取的反式旁式交替出现的构象序列。

通常,高聚物是部分结晶的,在结晶区域才有相应的形态。

延伸阅读:

南京大学胡教授以PS聚苯乙烯为例 ,将高分子链结构分为4个层次来理解。大道至简,寥寥几笔,画出苍生图案。

参考图如下。

补充术语:

末端距h: 高分子链两个末端的直线距离。

自由联结键(freely jointed chain)

自由旋转链(freely rotating chain)

等效自由联结键(equivalent freely jointed chain)

θ温度

θ溶剂

(原文参见微信公众号 《大塑聚》)