1、第 2 章 聚合物的凝聚态结构凝聚态指物质的物理状态，通常包括固态、液态和气态。(0 注意与相态的区别。 )高分子的凝聚态是指高分子链之间的几何排列和堆砌状态。对于柔性聚合物：包括晶态、非晶态。刚性聚合物：包括晶态、液晶态、非晶态。分子间作用力强弱的表征：内聚能密度。内聚能：克服分子间作用力，1mol 的凝聚体汽化时所需的能量。EHV RT式中：HV：摩尔蒸发热， RT：汽化时所做的膨胀功。内聚能密度(cohesive energy density ,CED)：单位体积凝聚体汽化时所需要的能量。式中：Vm摩尔体积。聚合物的 CED 的测定：（1）最大溶胀比法；（2）最大特性粘度法。一般 CED
2、 300J/cm3 以下，橡胶；300400 J/cm3，塑料；400 J/cm3 以上，纤维、工程塑料。2.1 晶态结构空间点阵、晶胞和晶系：在结晶学中，把组成晶体的质点抽象成为几何点，由这些等同点集合而成的点阵，称为空间点阵，或将这些集合所形成的格子叫做空间格子。在空间格子中，可找出一个具有周期性排列的，大小与形状相等的，体积最小的平行六面体，这个最小单位格子用以表示晶体结构的基本单元，称为晶胞。描述晶胞结构的六个参数：a，b，c ， ， (平行六面体的三边的长度及它们之间的夹角)。晶体七种类型：立方，四方，斜方(正交) ，单斜，三斜，六方，三方(菱形)。图 21 晶面指数晶面的标记密勒(
3、Miller)指数或晶面指数。一晶面与晶轴 a，b，c 分别相交于 M1，M2，M3 三点，相应的截距为OM13a，OM2 2b，OM31c，全为单位向量的整数倍。如取三个截距的倒数 1/3，1/2，1/1，通分后则得 2/6，3/6，6/6，弃去共分母，取 2，3，6 作为 M1，M2，M3 晶面的指标，则(2，3，6)即为该晶面的密勒指数。晶体：物质的重复单元在空间呈三维有序的周期性排列。 重复单元：原子、分子、离子、链节。2.1.2 聚合物的晶体结构几种典型的聚合物晶体结构：（一）平面锯齿形结构、聚乙烯聚乙烯分子链具有锯齿形的反式构象。聚乙烯在分子链方向的等同周期 C=2.534反式构象
4、聚乙烯链上最近邻的非键合氢原子的最近距离 D=2.5。晶胞密度的计算：式中：z单位晶胞中单体数目；V晶胞的体积；M单体相对分子质量；NA阿佛加德罗常数；例：PE，斜方晶系，体心结构。a0.74nm，b0.793nm ，c 0.253nm，z 2对 PE 如以代入上式可得1.00g/ml ，而实测的聚乙烯密度，二者颇为一致。聚乙烯分子链在晶格中排布的情况，晶格角上每一个锯齿形主链的平面和 bc 平面呈的夹角，而中央那个分子链和格子角上的每个分子链主轴平面成。、聚酯脂肪族聚酯：分子链中的 -COO- 部分是 T 型结构，其它部分是平面锯齿结构。聚壬二酸乙二酯：碳原子为奇数，有对称中心；聚癸二酸乙二
5、酯：分子链中碳原子数为偶数，无对称中心。含偶数碳原子聚酯中每个等同周期中只含有一个单位链节，而奇数碳原子的聚酯则含有两个单位链节。含芳环的聚酯：聚对苯二甲酸乙二酯苯环和锯齿平面在同一平面内，分子链相互间以范德华距离相互平行排列。的纤维周期为 10.75，分子链轴和纤维轴偏离。、聚酰胺聚酰胺分子的主链中含有酰胺键，其中碳氮键的距离约为 1.32，呈 T 型排列。在脂肪族聚酰胺中，分子链多呈平面锯齿型结构。分子链间以氢键(键长 2.8)相连，在 ac 轴平面内呈层状，形成氢键层，而层与层之间是以范德华力相连，所以从 b 轴方向上看去体结构呈帘子状。根据氢键排列位置不同，还可形成 ， 两种不同的晶型
6、。在 型中氢键位置的高度相等，呈三斜晶体； 型中氢键高度不等，上下交错排列，其晶型属单斜晶系。尼龙 66 和尼龙 6：平面锯齿结构尼龙 66：分子链具有对称中心，分子上下顺反排列是不可识别的；尼龙 6：分子无对称中心，分子链向上和向下排列是不同的。如果上下交替排列，所有氢键全部 有效；如果完全向上或完全向下，则氢键不能全部形成。一般前者称为 型，后者称为 型。由于氢键不能在任何情况下全部有效，因此在作用力、热、水分的影响下会形成不同的晶体结构，这种不同的晶体称为结晶变体。（二）螺旋结构等规聚丙烯：X 射线衍射：等规聚丙烯的等同周期为 6.5，每个等同周期内含有三个单体单元。不是锯齿型构象的等同
7、周期 2.5 的简单整数倍，由此可推测分子链不呈锯齿状结构。由于聚丙烯分子链上甲基间的范德华距离为 4.04.3 ，为了避免侧基的空间障碍，宜采取和平面锯齿形不同的稳定的螺旋构象。由于等规聚丙烯分子链中有不对称碳原子，因而可能有四种不同的螺旋结构，随着结晶条件的不同，等规聚丙烯尚可形成 ， 和 四种不同的结晶变体；其中最常见的是 和 变体，前者属单斜晶系，后者属六方晶系， 和 均系拟六方晶系。2.1.3 聚合物的结晶形态聚合物的晶体形态取决晶体生成的外部条件和晶体的内部结构。外部条件包括结晶温度、结晶的时间、作用力、溶液的成分等等。、单晶一般在极稀溶液中，以极缓慢速度降温，可以得到单晶。195
8、7 年，Keller 首次制得 PE 单晶。(0.050.06%的 PE 二甲苯溶液中)贡献：单晶的厚度仅有 10nm 左右，电子衍射证明晶体内分子链有折迭。(电子衍 射证明分子链垂直于晶面)影响片晶厚度的因素结晶温度，l。结晶时间，l。压力，l。例：PE 在 30006000 个大气压下，l10m，可形成伸直链晶片。、球晶最常见的是球晶形态。从浓溶液中析出或从熔体冷却结晶，在不存在应力或流动的情况下生成。球晶的观察：偏光显微镜，Maltese 黑字小角激光光散射，四叶瓣 HV 散射图形。球晶的生成：Maltese 黑字证明晶片从中心向四周生长而成，且发生扭曲。 球晶对性能的影响： 尺寸大，透
9、明性差，冲击强度小，拉伸强度大。、树枝状晶： 从溶液中析出时，当结晶温度较低，或溶液浓度较大，或分子量过大时。、纤维晶： 存在流动场时。 出现在纤维中。、串晶： 溶液温度较低时边搅拌边结晶。、柱晶： 熔体在应力作用下冷却结晶。、伸直链晶： 极高压力下结晶。2.1.4 晶态聚合物的结构模型、缨状胶束模型(fringedmicelle model)聚合物的分子链长度比晶区的尺寸大，在晶态聚合物中分子链如何排列呢？缨状胶束模型的基本特点是：一个分子链可以同时穿越若干个晶区和非晶区，在晶区中分子链互相平行排列，在非晶区中分子链互相缠结呈卷曲无规排列。这是一个两相结构模型，即具有规则堆砌的微晶(或胶束)
10、 分布在无序的非晶区基体内。这一模型解释了聚合物性能中的许多特点，如晶区部分具有较高的强度，而非晶部分降低了聚合物的密度，提供了形变的自由度等。图 2-3 缨状胶束模型、折迭链模型：Keller 提出：在晶体中高分子可以很规则地进行折叠。折叠链结构不仅存在于单晶体中，在通常情况下从聚合物溶液或熔体冷却结晶的球晶结构中，其基本结构单元也为折叠链的片晶，分子链以垂直晶片的平面而折叠。对于不同条件下所形成的折叠情况有三种方式，即(a)规整折叠、 (b)无规折叠和(c)松散环近邻折叠。在多层片晶中，分子链可跨层折叠，层片之间存在联结链。图 24 高分子链三种可能的折叠情况图 2-4 高分子的链三种可能
11、的折叠情况(a)规整折叠 (b)无规折叠 (c)松散近临折叠、插线板模型(Switchboard model)：图 25 插线板模型示意图Flory 等于 60 年代初提出的：一种非邻位无规折叠模型。组成片晶的杆(stems)是无规连接的，即从一个片晶出来的分子链并不在其邻位处回折到同一片晶，而是在进入非晶区后在非邻位以无规方式再回到同一片晶或者进入另一个晶片。在形成多层片晶时，一个分子链可以从一个晶片通过非晶区进入到另一晶片中去。折叠链模型适用于解释单晶的结构，而另两个模型更适合于解释快速结晶得到的晶体结构2.1.5 结晶度结晶性高聚物与结晶高聚物是两个不同的概念，有能力结晶的高聚物称为结晶
12、性高聚物，但由于条件所限(比如淬火 )，结晶性高聚物可能还不是结晶高聚物，而是非晶高聚物，但在一定条件下它可以形成结晶高聚物。2.1.5.1 结晶度定义高分子结晶总是不完全的，因而结晶高分子实际上只是半结晶聚合物(semi-crystallinepolymer)。用结晶度来描述这种状态，其定义是：式中： 和 分别是重量结晶度和体积结晶度， 、 、 分别为试样、非晶部分和结晶部分的密度。2.1.5.2. 结晶度的测定、密度法依据：分子链在晶区规整堆砌，故晶区密度( )大于 非晶区密度( )，由公式计算基即得结晶度，试样密度 可用密度梯度管进行实测， 、 可从手册或文献中查到。、X 光衍射：该法测
13、定晶态聚合物结晶度的依据为： 总的相干散射强度等于晶区和非晶区相关散射强度之和，即：式中：AC：衍射峰面积( 晶区) Aa：非晶区散射峰面积 k：校正因子。、DSC 法式中， 和 分别为式样的熔融热和 100%结晶式样的熔融热。注意各种方法的测定结果存在较大的差别。2.2 非晶态结构又称无定形态和玻璃态。非晶态聚合物指完全不结晶的聚合物。 包括(1)由于链结构不规整，不结晶。(2)由于结晶速度缓慢，来不及结晶。非晶态聚合物的结构模型：、无规线团模型把非晶态聚合物看成是分子链无规地缠结在一起的一团毛线，聚合物在结构上应是均相的。 、折叠链缨状胶束粒子模型两相球粒模型非晶态聚合物存在着具有一定程度
14、局部有序的球粒结构。球粒由两个主要单元组成，即粒子相(G 相)和粒间相(IG 相)所组成，而 G 相又包含有序区(OD 区)和粒界区(GB 区)。有序区：内分子链相互平行排列，具有比近晶型还要好的有序性。粒界区：围绕着有序区为核心形成明显的粒界，由折叠链弯曲部分，链端，缠结点以及由一个有序区伸展到另一个粒间相。粒间相：在 15nm，主要由无规线团，低相对分子质量物质，缠结点，分子链末端，连结链以及由一个“粒子”的部分链节所组成。用这个模型可以解释一些实验事实：聚合物从熔体冷却快速结晶时可形成较规则由折叠片晶组成球晶。非晶态聚合物的密度要比分子链按无规线团计算的密度高。2.3 液晶态结构晶体：三
15、维有序同期性排列。 液体：无序流体。 液晶：兼具晶体的光学性质和液晶流动性质，是某些物质在熔融态或在溶液状态下所形成的有序流体的总称。 历史：1888 年，奥地利植物学家 Reninitzer，发现胆甾醇苯甲酯固体物质在 145熔融后，变成浑浊的各向异性液体，直到温度高于 179后，才成为各向同性的透明液体，寄样给德国物理学家Lehamnn。1950 年：Elliott 和 Ambrose 合成第一个高分子液晶。聚-L-谷氨酸-苄酯(PBLG)氯仿溶液制膜的过程中，发现它的溶液具有双折射现象。七十年代初：杜邦公司的 Kwolek 聚对苯二甲酰对苯二胺的硫酸溶液经液晶态纺丝制得了超高强度和模量的
16、“Kevlar”纤维。2.3.1 液晶分子的结构特征大多数的小分子液晶是长棒状，其基本结构表示如下：由三部分组成：(1) 由两个或更多芳香族环组成“核心” ，最常见的是苯环，也可以是杂环或脂环； (2)有一两个桥键 A-B，将环连接起来；(3)在分子长轴两端含有极性基团 X 和 Y。另一种常见的液晶结构是盘状，其基本结构表示如下：2.3.2 液晶的晶型液晶的物理结构主要是指分子在空间的排列状态。高分子液晶与小分子液晶一样，也可以呈现三种不同的聚集状态，即向列型、近晶型和胆甾型液晶态。、向列型液晶向列型液晶：棒状分子链在长轴方向上，倾向于平行于一个共同的主轴，呈现一维有序性。但棒状分子链的重心位
17、置是无序的，相邻分子链重心之间的关系和小分子液晶相似。PPTA 和 PBA 的浓硫酸溶液在常温下即表现为向列型液晶的特性。向列型液晶在正交偏光显微镜下，可以观察到细丝状和纹影状的织态结构。图 26 向列型液晶、近晶型液晶近晶型液晶：棒状分子链之间以层片状排列着，这些层片不是严格刚性的，而是形成柔性的分子二维有序的薄片，各层中的分子只能在本层的平面上活动而不能来往于相邻两层之间。近晶型液晶在正交偏光显微镜下可以观察到典型的扇状织态结构特征。另外，由于近晶型液晶具有较高的有序态，用 DSC 方法可测得它的热焓值约在 1.55.0Kcal/mol 要较向列型液晶高。后者仅为0.30.85Kcal/m
18、ol 。图 27 近晶型液晶、胆甾型液晶胆甾型液晶：中介相是由许多分子链排列的方向依次规则地扭转一定角度，因此多层分子链排列后，形成了螺旋结构。图 28 胆甾型液晶2.3.3 液晶的分类（一）按液晶形成的方式和性能分类、溶致性液晶：在溶液中当达到某一临界浓度以上时呈现液晶性能。聚对苯二甲酰对苯二胺(poly-p-phenyloene Terephthalamide，即 PPTA)聚对苯酰胺(poly-p-benzamide，即 PBA)聚对苯撑苯并噻唑(poly-p-phenylene benzobisthiazole，即 PBZT 或 PBT)、热致性液晶：聚合物加热至熔点以上某一个温度范围
19、呈现液晶性能。40mol%PET 与 60mol%对羟基苯甲酸的共聚酯，即 60PHB/PET对羟基苯甲酸(PHB)与对羟基萘甲酸(PNA) 的共聚酯，Vectra A900（二）按形成液晶聚合物的单体结构分类分成两亲的(amphiphilic)和非两亲的(nonamphiphilic) 两类分子。两亲分子是指兼具疏水和亲水作用的单体；非两亲分子则是一些几何形状不对称的刚性或半刚性的棒状或碟状单体分子。（三）按介晶基团的位置分类主链型液晶高分子：棒状介晶基团分布于主链上。侧链型液晶高分子：棒状介晶基团分布于侧链上。2.3.4 液晶的表征、偏光显微镜： 织构：纹影织构：向列相，板块结构。焦锥织构：近晶相。 边缘织构：向错造成，向列相。、X 光衍射2.3.5 液晶的主要用途、液晶纺丝液晶态溶液体系粘度浓度一般规律：、浓度很小时，刚性高分子在溶液中均匀分散，无规取向形成均匀的各向同性溶液，此时该溶液的粘度浓度关系与一般体系相同。、随着浓度的增加，粘度迅速增大，当达到 C1*时 ，体系开始建立起一定的有序区域结构，形成
