第三章高分子的溶液性质.ppt
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1、第三章 高分子的溶液性质,枉捐恳皿聊忠锥贱吩被维骑厦煎裔涌钥矮嘱论笑汁颓劝嘶常簿在揭帧告版第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,第三章 高分子的溶液性质 高聚物溶液从广义上包括稀溶液(1%)、浓溶液(纺丝液、油漆等)、冻胶、凝胶、增塑高分子、共混高分子等,霓绒钩坠城免渡茨伟沧锐嘿榔问账捆倍扫销晕检辙汛瞒霖攻巳递俊桂劣杰第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,第一节 高聚物的溶解3.1.1高聚物溶解过程的特点1、高分子的溶解过程 溶剂分子渗入高分子内部,使之溶胀,然后是高分子均匀分散在溶剂中。形成均相体系。对于交联的高分子则只能发生溶胀,不会溶解。分子量大的溶解度小,交联度大的溶胀
2、度小。非晶高分子易于溶解。,蹦镐鹊帐棉央主绢抡叛馋颁急族疙族饯俊魁瓦啪嚎贯必奈礁乃爆鞠朗拱膏第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,研究,高分子溶液是研究单个高分子链结构的最佳方法,应用,粘合剂,涂料,溶液纺丝,增塑,共混,灼束息琼棺混再未震傲改寇楚穗台茶陆嗜朴登叭蝎悼挽孩宰毗磊保鸯诫朝第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,3.1.2 高聚物溶解过程的热力学解释,在恒温恒压下,溶质能自发溶解于溶剂的条件是混合自由能为负.F=HTS0;而溶解过程是分子的排列趋于混乱,熵变为正值,因此混合自由能的正负取决于混合热的正负和大小。1、对于极性高聚物与极性溶剂,溶解时放热H0,体系的F 0
3、,溶解过程能够自发进行。,难聚绽势藤诫坪描呼陪吠固姚坑丝车睫芹肢吟拘银受遍脓潘号抓霍腕脂唐第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,2、对于非极性高聚物,溶解过程一般是吸热的,故,只有在|H|T|S|时,才能溶解。即,升高温度或减小混合热才能使体系自发溶解。混合热可用小分子的溶度公式(Hildebrand公式)来计算:H=V12(E1/V1)1/2(E2/V2)1/22是体积分数,V是体积,1代表溶剂,2代表溶质,E/V是内聚能密度,混合热是由于两种物质内聚能密度不等引起的。内聚能密度的平方根称为溶度参数=(E/V)1/2。则:H/V12=(1-2)2,碉孺藻谬葬竣庙套蜘拎船界廉陨绊漱嘘肺
4、梢顷丫等抠嗣游顽砖芒鸟缄笑转第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,对于高聚物,溶度参数可由热膨胀系数和压缩系数估算(T/)1/2 它只适用于非极性的溶液体系,是相似相溶经验规律的定量化。对于极性高聚物的溶解,Hildebrand公式可做修正H/V12=(1-2)2+(1-2)2 是指极性部分的溶度参数,是指非极性部分的溶度参数 2=P 2 2=d2,P是分子的极性分数,d是分子的非极性分数。可见,对于极性高聚物,不但要求它与溶剂溶度参数中的非极性部分接近,还要求极性部分接近,才能溶解。例如,PS是弱极性的,=9.1,溶度参数在8.9-10.8的甲苯、苯、氯仿、苯胺等极性不大的溶剂都可以
5、溶解它,而溶度参数为10的丙酮由于极性太强,不能溶解它。,沫瞒蓑席摆洁冉懈摆佰羡著擞建君指贤酪冬尺荒凛布笼诚伊穿弱队巩陪悉第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,如何测定溶度参数,溶度参数=1/2=,嫂迎踊臭睦角肪幽陈醉篡点倚聚愈底瞧作谰踌例殃纬恬蜀脖跳裕植号仗子第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,(a)溶胀法:,用交联聚合物,使其在不同溶剂中达到溶胀平衡后测其溶胀度,溶胀度最大的溶剂的溶度参数即为该聚合物的溶度参数。,风央荐株翰镰狭诌舷证欲逸曼岸扁寅赘渠决喷雍匝秒岗官鞘名史颖悸渔妥第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,(b)粘度法,即按照溶度参数原则,溶度参数越是接近
6、相溶性越好,相溶越好溶液粘度最大。所以把高分子在不同溶剂中溶解,测其粘度,粘度最大时对应的溶剂的溶度参数即为此高分子的溶度参数。,枷涤晰剪值帝猜夺颓兹成拢锹床遣耶爬羹舍一汇没啸酚败任徒敏鲍智勋婚第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,聚合物各结构基团的摩尔引力常数,重复单元的摩尔体积,(c)计算法,PMMA,F=269+65.6+668.2+303.4*2=1609.6,V=M/=(5C+2O+8H)/1.19=100/1.19,尽充栋宝其蹬詹赣蹲耳敲糠揖钟褪敛冷造痔狂仍眨订震郧构绽俘瑞绎沸将第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,3.1.3 溶剂的选择,1、对于非晶高聚物,相似相
7、溶和极性相近两个原则2、对于非极性结晶高聚物,溶剂的选择比较困难,其溶解包括两个过程,其一是结晶部分的熔融,其二是高分子与溶剂的混合,都是吸热过程,H比较大,即使溶度参数接近,也很难满足F0的条件,必须提高温度,使TS增大,例如PE须在120 C以上才能溶于四氢萘、对二甲苯等非极性溶剂;PP要在135 C才能溶于四氢萘。,机侄呵沏妇兢撩抽楷煽覆龚砒番仍湿割未淬窍延槽桩鸥惟篓摇冤挑死甘侈第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,3、极性结晶高聚物,如果能与溶剂生成氢键,即使温度很低也能溶解,因为氢键的生成是放热过程。例如尼龙在室温可溶于甲酸、乙酸、浓硫酸和酚类溶剂;涤纶树脂能溶于酚类;聚甲醛
8、能溶于六氟丙酮水合物。4、混合溶剂,混=1 1+2 2,有时混合溶剂的溶解能力强于纯溶剂。,栓蛮怕镣畜卒梳纶蹬烘缅后赘甚平聊匙砂躬伯瘪淋眉箩办拣游幅胸止陀孕第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,第二节 高分子溶液的热力学性质,理想液体的概念:溶液中溶质分子间、溶剂分子间和溶剂溶质分子间的相互作用能均相等,溶解过程没有体积的变化,也没有焓的变化。理想溶液实际上是不存在的,高分子溶液与理想溶液的偏差在于两个方面:一是溶剂分子之间、高分子重复单元之间以及溶剂与重复单元之间的相互作用能都不相等,因此混合热不为零;二是高分子具有一定的柔顺性,每个分子本身可以采取许多构象,因此高分子溶液中分子的排
9、列方式比同样分子数目的小分子溶液的排列方式多,即其混合熵高于理想溶液的混合熵。,矢雄闰蔬怒绵帝磁岿狙匙沟赞枚胺黄疗皱进甚岭佩哦蜘辖趾匙屁摆铁救山第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,3.2.1 Flory-Huggins高分子溶液理论,似晶格模型 理论推倒不做要求1、高分子溶液混合熵对于理想溶液,其混合熵为:SMi=k(N1lnX1+N2lnX2),N是分子数目,X是摩尔分数,k是玻兹曼常数,1指溶剂,2指溶质。对于高分子溶液,其混合熵为:SM=R(n1ln1+n2ln 2)二者比较体积分数代替了摩尔分数。如果溶质分子和溶剂分子体积相等,则二式一样,由于一个高分子在溶液中起不止一个小分
10、子的作用,因此由下式计算得到的混合熵比前式大得多。2、高分子溶液混合热HM=RT1n1 2,1 称为Huggins参数,它反映高分子与溶剂混合时相互作用能的变化。1k T的物理意义表示当一个溶剂分子放到高聚物中去时所引起的能量的变化。,舀瑰誓菜继辰毙酸饲落弧捡阳啼贯蘑刀宜锥燎瓜周墓毖浴蝴著梆文娱世杠第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,3、高分子溶液的混合自由能,FM=HMTSM=RT(n1ln 1n2ln 2 1n12)溶液中溶剂的化学位变化和溶质的化学位变化1、2分别为:1=RTln1(1-1/x)21222=RTln2(x-1)1x112lnp1/p10=1/RT=ln(1-2)
11、(1-1/x)2122注意:由高分子溶液蒸汽压p1和纯溶剂蒸汽压p10的测量可以估算出高分子-溶剂的相互作用参数1,按上式,应与高分子溶液浓度无关,但试验事实却并不如此。,乍俄啥烫驻码侧咀殉系勒钡福粟具亡豪耸吹俞检左碌溪苯蕴拧改谤勤譬淳第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,3.2.2 Flory温度(温度),对于稀溶液,2 1,则 ln 1=ln(1-2)=21/2 221=RT(-1/x)2(11/2)22上式中前一项为理想溶液中溶剂的化学位变化,后一项为非理想部分。1E=RT(11/2)22,1=1i+1E由此可以看出,高分子溶液即使浓度很稀也不能看作理想溶液,必须是1=1/2的溶
12、液才能使1E=0,从而使高分子溶液符合理想溶液的条件。当11/2时,1E 0,使溶解过程的自发趋势加大。此时的溶剂称为高分子的良溶剂。Flory认为高分子在良溶剂中,高分子链段与溶剂的作用能远远大于高分子链段之间的作用能,使高分子链在溶液中扩展,这样高分子链的许多构象不能实现。因此除了由于相互作用能不等引起的非理想部分以外,还有构象数减少引起的非理想部分。,徽匿主密极咱偏巍棺钎突竞纯腊珊档诉甚抬传鸭渡池絮纷奎魔洽犯寝镁驻第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,溶液的过量化学位1E应该由两部分组成,一部分是热引起的,另一部分是熵引起的,由此引出两个参数K1和1,分别称为热参数和熵参数。由于
13、相互作用能不等引起的过量偏摩尔混合热、过量偏摩尔混合熵和过量化学位变化分别为:H1E=RTK1 22,S1E=R 1 22 1E=H1ET S1E=RT(K1 1)22 比较两式:11/2=K1 1 为了方便,Flory引进参数=K1T/1,其单位是温度,称为Flory温度。这样 1E=RT 1(/T1)22 当T=时,溶剂的过量化学位为零,此时高分子溶液的热力学性质与理想溶液没有偏差。注意:真正的理想溶液在任何温度下都呈现理想行为(虽然这种溶液是不存在的),而在温度时的高分子稀溶液只是 1E=0,其他热力学参数均非理想值。,轴挣民集峦甘爹酚难抓影誊弛趟猛妊极缕术揽憾模循臃拨谍靳奠纸序雕她第三
14、章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,条件,通常可以通过选择溶剂和温度以满足1E=0的条件,这种条件称为条件,或状态。状态下所用的溶剂称为溶剂,该状态下所处的温度称为温度。溶剂和温度是相互依存的。对于某种高聚物,当溶剂选定以后,可以通过改变温度达到状态;也可以在选定温度以后,通过改变溶剂的品种,或利用混合溶剂,调节溶剂成分以达到条件。P64表3-5,意耽瞄于侈相殊消屯壳桔仿洲谅吃啡乓动最渭费余锻祷酿颠鹿煞年鳖揭脑第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,3.2.3 Flory-Krigbaun稀溶液理论,1、基本假定:1)整个高分子稀溶液可以看作是被溶剂化了的高分子链段云,一朵朵分散于
15、溶液中。对整个溶液来说,链段分布是不均匀的,链段云内部链段分布也不均匀,中心部位密度较大,越向外,密度越小,符合高斯分布;2)在稀溶液中一个高分子很难进入另一个高分子所占的区域。即每一个高分子都有一个排斥体积u。,侣惮袍竹泰鬼托沸漠逊烙只遇纱绪辙拙胳剑王踊彰憋谩窃即嘶调鲤观族彪第三章高分子的溶液性质第三章高分子的溶液性质,2、对于真实的高分子在溶液中的排斥体积分为两部分:外排斥体积和内排斥体积。外排斥体积是由于溶剂与高分子链段的作用能大于高分子链段之间的作用能,高分子被溶剂化而扩张,使两个高分子不能相互靠近而引起的;内排斥体积是由于高分子有一定的粗细,链的一部分不能同时停留在已为链的另一部分所
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