《高分子物理重点难点释疑》学习笔记3:高分子链的凝聚过程及凝聚态结构

高分子链结构分为高分子链的近程结构与远程结构,它们是决定高聚物基本性质的主要因素。同时,高分子链的凝聚态结构是决定高聚物本体性质的主要因素。

对于高聚物材料或制品(如注塑件),在加工成形中的凝聚状态、堆积方式决定其使用性能。

高分子链间的相互作用力:

其实非常大,这是与小分子的主要区别;也就是在凝聚态结构和性能上明显区别于小分子物质。

分子间的范德华力包括偶极力、诱导力、色散力。其没有方向性和饱和性。

偶极力存在于极性分子间的作用力 (13-21kJ/mol);

诱导力是极性分子的永久偶极与其他分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力(6-13kJ/mol);

色散力存在于分子瞬时偶极之间(0.8-8kJ/mol),非极性分子间的作用力主要是色散力。

氢键 X-H…Y(<40kJ/mol).如聚酰胺、聚乙烯醇分子间和纤维素分子内。

都比共价键小很多(100-900kJ/mol)。

因为分子量大(链单元),故高分子间总的范德华力和氢键明显强于化学键。

(大力出奇迹)

高分子科学似乎更偏重物理模式,思考问题本源是应归宿到高分子的最初特性与具体聚合物的分子构成与形貌)

凝聚可以发生在不同高分子链的链单元之间(链间凝聚),也可以发生在同一高分子链的链单元之间(链内凝聚)

一个孤立的高分子链在一定条件下能形成凝聚态,这也是高分子的特征,也是高分子间相互力的一个特点。单链的凝聚态中,链是紧缩的,不存在链间的几何缠结,自然也没有多链凝聚态所展示的相互穿透。

高分子链的凝聚缠结,实际上就是高聚物凝聚态中链内或链间临近链段间的局部向列型相互作用,局部的尺寸可能很小。

拓扑缠结与凝聚缠结:

拓扑缠结:指高分子链间相互穿越、勾缠,链之间不能横穿移动,由高分子长链特点所决定。

凝聚缠结:是一种相邻高分子链间的局部的向列相互作用,如链上的双键和芳环电子云的相互作用,使局部链段接近平行堆砌而形成的一种物流交联点,其密度要明显大于拓扑缠结点,两个缠结点之间相隔几十个单体单元。凝聚缠结只是相邻链间的局部相互作用,作用能很小,容易形成与解开。DSC升温扫描时,在Tg跃迁突变处出现一个类似于熔融的吸热峰现象就是凝聚缠结的证明。

高聚物的多种凝聚态结构:

1)玻璃态实质上是一种过冷液体,可以通过对液体进行快速冷却并避免结晶而获得的一种特殊的非晶态,即在结构上保留了液体的无序性,但实现了原子非定域性(如液体)向定域性(如晶体)的转变。

如把PET熔体直接放入冰水中,即可制得非晶态试样。因为若要整条分子链很好的排入晶格,须有足够的动能和时间。(它一不留神就成了非晶态。)

(想想注塑时的模温和退火。)

2)由结构无序的黏流态(液体)转变为结构无序的玻璃态(固体)过程中,必要经过一个高弹态,即整链不能运动但链段可以运动的状态。

3)通常高聚物是晶区和非晶区两相共存,并且晶区的完善程度还可能较低。其晶体大都是以片晶作为基本单元的结晶形态,如球晶、树枝状晶体等,很难形成伸直链晶体(热力学最稳定)。结晶高聚物中还存在不同有序程度的晶体,将在不同温度熔融,(想想PPS的模温设置135C。)故此,不能通过熔点来测定其纯度。也没有重结晶的说法。

4)在外力场(机械、电、磁)的作用下,材料的结构单元沿外力场方向作较为规整的排列的过程,其形成的凝聚态结构为取向态。

(参考:

BOPP,BOPA,煤矿网珊。

结晶高聚物如PA6和非晶高聚物如PPE在挤出管材时的表现。

涤纶、锦纶等纤维的取向和解取向。)

取向后,高聚物的Tg升高,同时易诱导高聚物结晶,因此密度、结晶度也增加,使用温度也提高。

高聚物熔体是一种典型的弹性液体,且为非牛顿流体,在黏性流动时会产生可回复的形变。在流动式有法向应力,在流线收敛时,也有速度梯度(流动方向),因而还有拉伸应力。

(参考:挤出时的挤出胀大,shark skin。)

高聚物非晶态结构:

非晶体结构是普遍存在的,其表现出整体无序(>10nm)而局部有序(1~2nm)。非晶态固体中通常在一根链的空间有几十根无规线团(高斯链)相互穿透。

高聚物的多种结晶形态:

1)单晶:从0.001%~0.01%极稀溶液中结晶,可得微米级的单晶片,分子链垂直于晶面。

2)树枝状多晶:从0.01%~0.1%溶液中,可得到。

3)球晶:在无应力和流动的情况下,从高聚物浓溶液或其熔体中直接冷却可能。为高聚物最典型的一种结晶形态。在偏光显微镜下呈Maltese Cross消光图样。

4)伸直链与折叠链共存晶体:在高压下,熔体直接结晶。

5)串晶:在强烈搅拌或高速挤出淬火时,结晶与取向同时发生,能形成串晶,其具有伸直链结构的中心线,并在中心线周围间隔地生长有折叠链的片晶。

高分子链如何有序堆砌和结晶:

先聚合、还是先结晶:

(二呆感觉,随着先进光源的建立和更进一步的AI,高分子物理教材很可能要重新写一遍。目前的不少结论,或可认为是“亚稳态”结论,多在某些特定的实验环境下得出以点带面的推论,这不是究竟的。)

高聚物的取向态结构:

取向方式可以是单向,或双向取向。

取向态是一维或二维有序,而结晶态是三维有序。

取向是高分子链伸长取向,同时由无序到有序的过程,是熵减,需在外力场下实现,为非平衡态;而结晶态是自发形成的,稳定的。

在取向后发生显著变化的力学、热、光等性质,可用来评定其取向度。

强度与弹性平衡的纤维:

如涤纶在纺丝牵伸处理后,4倍的拉伸比可得到6倍的抗张强度,10余倍的结晶度,但断裂伸长率下降10余倍,纤维呈脆性。

因整链的松弛时间比链段的松弛时间长很多,故此,可先对纤维进行缓慢牵伸,获得整个分子链的取向,再用热空气(蒸汽)迅速处理,是链段解取向,从而获得适当的弹性。

合成纤维多为结晶高聚物,其取向态的稳定性是靠晶态结构来实现,也就是在熔点下降低了分子的活动能力;而单纯的非晶体高聚物无论刚性或柔性分子都不能解决这个平衡。(试想PPE热水管的开裂模式,一个讨论了6年的问题)

采用增塑剂或混入橡胶成分都可增加高聚物(如塑料)的韧性:

如PVC,可加入大量的增塑剂(如邻苯二甲酸二丁酯),降低PVC的黏度,使其便于加工,且与PVC形成均相体系,也降低了Tg和强度。

又如HiPS,虽引入Tg很低的橡胶组分,而形成两相体系,但连续相仍为PS,故Tg无大变化,强度和刚性也变化很小。

高聚物常处于亚稳态。

补充术语:

Flory-Huggins似晶格模型

Kargin”链束模型“

Hosemann”准晶模型“

Yeh和Geil用电镜发现非晶高聚物中存在“球径”

钱人元“凝聚缠结”概念