第0607讲聚合物的非晶态ppt课件.ppt
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1、凝聚态(聚集态)与相态,凝聚态:物质的物理状态,是根据物质的分子运动在宏观力学性能上的表现来区分的,通常包括固、液、气体(态),称为物质三态相态:物质的热力学状态,是根据物质的结构特征和热力学性质来区分的,包括晶相、液相和气相(或态)一般而言,气体为气相,液体为液相,但固体并不都是晶相。如玻璃(固体、液相),高分子凝聚态,高分子链之间的几何排列和堆砌状态,液晶态,取向态,织态结构,高分子链结构,高分子凝聚态结构,聚合物的基本性能特点,直接决定材料的性能,高分子材料的成型条件,分子间作用力,范德华力和氢键表征分子间作用力大小的物理量内聚能或内聚能密度内聚能:为克服分子间作用力,将1mol凝聚体汽
2、化时所需要的能量DE,物质为什么会形成凝聚态?,DE=DHv-RT,摩尔汽化热或摩尔升华热,汽化时所作的膨胀功,3.1 非晶态聚合物的结构模型,非晶态聚合物通常指完全不结晶的聚合物.包括玻璃体,高弹体和熔体.从分子结构上讲,非晶态聚合物包括:链结构规整性差的高分子,如a-PP,PS等链结构具有一定的规整性,但结晶速率极慢,如PC等常温为高弹态,如PB等,3.1.1 无规线团模型:Flory在非晶态聚合物的本体中,分子链的构象与在溶液中一样,呈无规线团状(见图),线团的尺寸与在状态下高分子的尺寸相当,线团分子之间是任意相互贯穿和无规缠结的,链段的堆砌不存在任何有序的结构,因而非晶态聚合物在凝聚态
3、结构上是均相的。,证据一:橡胶弹性模量不随稀释剂的加入而变化,3.1.2 局部有序模型:Yeh等,认为非晶聚合物中具有310nm范围的局部有序性。SANS测量的分子尺寸一般大于10nm,而对小于10nm的区域不敏感密度比完全无序模型计算的要高某些聚合物结晶速度极快TEM直接观察的结果,聚合物物理性质与温度的关系,Rubber 在低温下变硬,PMMA,T100C,变软,尽管结构无变化,但对于不同温度或外力,分子运动是不同的,物理性质也不同,3.2 非晶态聚合物的力学状态和热转变,3.2.1 聚合物分子运动的特点,分子运动的多样性(Varieties of molecular movements)
4、分子运动与时间有关(The relationship with time)分子运动与温度有关(The relationship with temperature),(1)分子运动的多样性,具有多种运动模式由于高分子的长链结构,分子量不仅高,还具有多分散性,此外,它还可以带有不同的侧基,加上支化,交联,结晶,取向,共聚等,使得高分子的运动单元具有多重性,或者说高聚物的分子运动有多重模式具有多种运动单元如侧基、支链、链节、链段、整个分子链等,各种运动单元的运动方式,链段的运动:主链中碳-碳单键的内旋转,使得高分子链有可能在整个分子不动,即分子链质量中心不变的情况下,一部分链段相对于另一部分链段而运
5、动链节的运动:比链段还小的运动单元侧基的运动:侧基运动是多种多样的,如转动,内旋转,端基的运动等高分子的整体运动:高分子作为整体呈现质量中心的移动晶区内的运动:晶型转变,晶区缺陷的运动,晶区中的局部松弛模式等,(2)分子运动的时间依赖性,在一定的温度和外力作用下,高聚物分子从一种平衡态过渡到另一种平衡态需要一定的时间;因为各种运动单元的运动都需克服内摩擦阻力,不可能瞬时完成,拉伸橡皮的回缩曲线,Relaxation time:形变量恢复到原长度的1/e时所需的时间,低分子,=10-810-10s,“瞬时过程”,高分子,=10-110+4 s,“松弛过程”,(3)分子运动的温度依赖性,温度升高,
6、使分子的内能增加运动单元做某一模式的运动需要一定的能量,当温度升高到运动单元的能量足以克服的能垒时,这一模式的运动被激发温度升高使聚合物的体积增加分子运动需要一定的空间,当温度升高到使自由空间达到某种运动模式所需要的尺寸后,这一运动就可方便地进行,从活化能的角度来看分子运动,Arrhenius Equation 阿累尼乌斯方程,Time-Temperature superposition 时温等效,E-松弛所需的活化能 activation energy,3.2.2 聚合物的力学状态和热转变,高分子不同的运动机制在宏观上表现为不同的力学状态对于典型的非晶态聚合物试样,在一定的时间内对其施加一恒
7、定的外力,其形状将发生变化.逐渐升高温度,重复上述实验,可以观察到聚合物的形变与温度的关系曲线,该曲线称为温度形变曲线或热机械曲线,温度形变曲线,Tg,Tf,玻璃态,高弹态橡胶态,粘流态,非晶态聚合物,Tg 玻璃化转变温度,Tf 粘流温度,“三态两区”的特点,玻璃态:分子链几乎无运动,聚合物类似玻璃,通常为脆性的,模量为1041011Pa玻璃化转变:整个大分子链还无法运动,但链段开始发生运动,模量下降34个数量级,聚合物行为与皮革类似高弹态:链段运动激化,但分子链间无滑移.受力后能产生可以回复的大形变,称之为高弹态,为聚合物特有的力学状态.模量进一步降低,聚合物表现出橡胶行为,“三态两区”的特
8、点,粘流转变:分子链重心开始出现相对位移.模量再次急速下降.聚合物既呈现橡胶弹性,又呈现流动性.对应的转温度Tf称为粘流温度粘流态:大分子链受外力作用时发生位移,且无法回复。行为与小分子液体类似,Applications of the three states,3.3.1 Meaning of Tg,某些液体在温度迅速下降时被固化成为玻璃态而不发生结晶作用,这就叫做玻璃化转变。发生玻璃化转变的温度叫做玻璃化温度,记作Tg对非晶聚合物,从高温降温时,聚合物从橡胶态变为玻璃态;从低温升温时,聚合物从玻璃态变为橡胶态的温度,3.3 非晶态聚合物的玻璃化转变,Tg的工艺意义,是非晶热塑性塑料(如PS,
9、PMMA和硬质PVC聚氯乙烯等)使用温度的上限是非晶性橡胶(如NR天然橡胶,BSR Rubber丁苯橡胶等)使用温度的下限,Tg的学术意义,聚合物分子链柔性表征高聚物的特征指标,高聚物刚性因子越大,玻璃化转变温度越高,玻璃化转变的现象,聚合物在玻璃化转变时,很多物理性质都会出现突变或不连续变化,如:体积、比容等热力学性质:比热、导热系数等力学性能:模量、形变等电磁性能:介电常数等,热分析法热膨胀法;差热分析法DTA和示差扫描量热法DSC动态力学方法扭摆法和扭辫法;振簧法;粘弹谱仪NMR核磁共振松弛法介电松弛法,3.3.2 高聚物分子运动的研究方法,(1)膨胀计法 Dilatometer mea
10、surement,Tg,在Tg以下,链段运动被冻结,热膨胀系数小;在Tg以上,链段开始运动,分子链本身也发生膨胀,膨胀系数大。,(2)量热法-DSC,Tg,结晶,熔融,氧化,(3)粘弹谱(动态力学分析)Dynamic Mechanical Analysis,tand,Tg,(4)Other Methods,比热-温度关系折光率-温度关系扩散系数-温度关系膨胀率-温度关系NMR线宽-温度关系介电常数-温度关系,3.3.3 玻璃化转变理论The theories of glass transition,等自由体积理论(Fox&Flory)热力学理论(Aklonis&Kovacs)动力学理论(Gib
11、bs&Dimarzia),玻璃化转变的等自由体积理论,固体和液体总的宏观体积由两部分组成:占有体积和自由体积占有体积Occupied volume:分子或原子实际占有的体积.是指外推至0 K而不发生相变时分子实际占有的体积V0自由体积Free volume:分子间的间隙Vf,它以大小不等的空穴无规分散在基体中,体积随温度的变化趋势,自由体积理论认为,玻璃化温度以下时,链段运动被冻结,空穴的尺寸和分布基本不变.即Tg以下,聚合物的Vf几乎是不变的.高聚物体积随温度升高而发生的膨胀是由于固有体积的膨胀在Tg以上时,链段运动被激发,高聚物体积随温度升高而发生的膨胀就包括两部分:固有体积的膨胀和自由体
12、积的膨胀.因此,体积膨胀率比Tg以下时要大,V0,V0+Vf,Tg,Vg,Glassy state,Rubbery state,Tr,Vr,自由体积理论示意图,Tg以上膨胀率,Tg以下膨胀率,When T=Tg,When T Tg,Vr The volume at temperature higher than Tg,自由体积膨胀率,在Tg上下,体积膨胀率的变化是由于自由体积在Tg以上温度时也发生了膨胀,自由体积膨胀率,因此在Tg以上某温度时的自由体积Vhf为:,膨胀系数Coefficient of expansion,膨胀系数a-单位体积的膨胀率,Tg以下的膨胀系数(玻璃态),Tg以上的膨胀
13、系数(高弹态),Tg上下膨胀系数之差,自由体积分数 f,f=Vf/V,Tg 以下温度的自由体积分数:,Tg 以上温度的自由体积分数:,WLF方程定义自由体积,WLF方程:Williams,Landel和Ferry提出的一个半经验方程,可以定量描述时间和温度对于聚合物松驰特性的等效影响。,WLF方程适用于非晶态聚合物的各种松驰特性,利用WLF方程可以将某温度下测定的力学性质与时间的关系曲线,沿时间轴平移一定距离lgaT,即可以得到在另一温度下的关系曲线,Doolittle方程:,WLF定义自由体积:,因此:,通常B近似为1,则得,聚合物链堆砌是松散的,存在一部分空隙,称为自由体积。Tg以上时自由
14、体积较大,链段能够通过向自由体积转动或位移而改变构象。当温度降至临界温度Tg时,自由体积达到最低值,并被冻结,再降温也保持恒定值。即聚合物发生玻璃化转变时,其自由体积分数fg都等于2.5%。自由体积分数值与聚合物的种类无关。,自由体积理论,3.3.4 影响Tg的因素,结构因素高分子链的柔顺性高分子链的几何结构高分子链的相互作用实验条件外力温度,一、影响Tg的结构因素,Tg是表征聚合物性能的一个重要指标,从分子运动的角度看,它是链段开始“冻结”的温度,因此:凡是导致链段的活动能力增加的因素均使Tg下降,而导致链段活动能力下降的因素均使Tg上升。,主链结构为-C-C-、-C-N-、-Si-O-、-
15、C-O-等单键的非晶态聚合物,由于分子链可以绕单键内旋转,链的柔性大,所以Tg较低。当主链中含有苯环、萘环等芳杂环时,使链中可内旋转的单键数目减少,链的柔顺性下降,因而Tg升高。例如PET的Tg=69,PC的Tg=150。,主链结构的影响,The flexibility of main chain,-Si-O-C-O-C-C-,Tg=-123oC,Tg=-83oC,PE Tg=-68oC,主链柔性,Tg,侧基的影响,当侧基-X为极性基团时,由于使内旋转活化能及分子间作用力增加,因此Tg升高。若-X是非极性侧基,其影响主要是空间阻碍效应。侧基体积愈大,对单键内旋转阻碍愈大,链的柔性下降,所以Tg
16、升高。,Side group,(A)极性取代基:极性越大,内旋转受阻程度及分子间相互作用越大,Tg也随之升高。,PE Tg=-68oC,PP Tg=-10oC,PVC Tg=87oC,PVA Tg=85oC,PAN Tg=104oC,-H,-CH3,-OH,-Cl,-CN,取代基极性,Tg,非极性取代基团,对Tg 的影响主要表现为空间位阻效应,侧基体积越大,位阻越明显,Tg 升高。,PE Tg=-68C,PP Tg=-10C,PS Tg=100C,-H,-CH3,-C6H5,对称性取代基,由于对称性使极性部分相互抵消,柔性增加,Tg 下降。,PVC Tg=87oC,聚偏二氯乙烯PVDC Tg=
17、-19oC,PP Tg=-10oC,聚异丁烯 PIB Tg=-70oC,Conformation 构型,全同Tg 间同Tg,顺式Tg 反式Tg,Poly(1,4-butadiene),Cis-顺式,Tg=-102oC,Trans-反式,Tg=-48oC,Isotactic,Tg=45oC,Syndiotactic,Tg=115oC,PMMA,分子间作用力,极性:极性越大,Tg越高。氢键:氢键使Tg增加。离子键:使Tg增加。,离子间作用力(聚丙烯酸盐)(金属离子Na+、Ba2+、Al3+),聚丙烯酸,Tg=106C,聚丙烯酸铜,Tg500C,聚丙烯酸钠,Tg280C,通过聚合物的Tm估计Tg,对
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