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聚合物(塑料、彈性體)的分子結(jié)構(gòu)!
第一節(jié) 聚合物的分子結(jié)構(gòu)
塑料是以高分子合成樹脂為基本原料,加入一定量的添加劑而組成,在一定的溫度壓力下可塑制成具有一定結(jié)構(gòu)形狀,能在常溫下保持其形狀不變的材料。
合成樹脂是由一種或幾種簡單化合物通過聚合反應(yīng)而生成的一種高分子化合物,也叫聚合物,這些簡單的化合物也叫單體。塑料的主要成分是樹脂,而樹脂又是一種聚合物,所以分析塑料的分子結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是分析聚合物的分子結(jié)構(gòu)。
一、聚合物的高分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)低分子所含原子數(shù)都很少,而一個高分子中含有幾千個、幾萬個、甚至幾百萬個原子。
(2)從相對分子質(zhì)量來看,如水的相對分子質(zhì)量為18,石灰石為100,酒精為46,蔗糖為324,這些低分子化合物其相對分子質(zhì)量只有幾十或幾百,而高分子化合物的分子量比低分子高得多,一般可自幾萬至幾十萬、幾百萬甚至上千萬。例如尼龍分子的分子量為二萬三千左右,天然橡膠的為四十萬。
(3)從分子長度來看,例如低分子乙烯的長度約為0.0005μm,而高分子聚乙烯的長度則為6.8μm,后者是前者的13600倍。
二、聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)示意圖
如果聚合物的分子鏈呈不規(guī)則的線狀(或者團(tuán)狀),聚合物是一根根的分子鏈組成的,則稱為線型聚合物,如圖a所示。如果在大分子的鏈之間還有一些短鏈把它們連接起來,成為立體結(jié)構(gòu),則稱為體型聚合物,如圖c所示。此外,還有一些聚合物的大分子主鏈上帶有一些或長或短的小支鏈,整個分子鏈呈枝狀,如圖b所示,稱為帶有支鏈的線型聚合物。
三、聚合物的性質(zhì)
聚合物的分子結(jié)構(gòu)不同,其性質(zhì)也不同。
(1)線性聚合物的物理特性為具有彈性和塑性,在適當(dāng)?shù)娜軇┲锌扇芙?,?dāng)溫度升高時(shí),則軟化至熔化狀態(tài)而流動,可以反復(fù)成型,這樣的聚合物具有熱塑性。
(2)體型聚合物的物理特性是脆性大、彈性較高和塑性很低,成型前是可溶和可熔的,而一經(jīng)硬化成型(化學(xué)交聯(lián)反應(yīng))后,就成為不溶不熔的固體,即便在更高的溫度下(甚至被燒焦碳化)也不會軟化,因此,又稱這種材料具有熱固性。
四、聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及其性能
聚合物由于分子特別大且分子間引力也較大,容易聚集為液態(tài)或固體,而不形成氣態(tài)。固體聚合物的結(jié)構(gòu)按照分子排列的幾何特征,可分為結(jié)晶型和非結(jié)晶型(或無定形)兩種。
(1)結(jié)晶型聚合物
結(jié)晶型聚合物由“晶區(qū)”(分子作有規(guī)則緊密排列的區(qū)域)和“非晶區(qū)”(分子處于無序狀態(tài)的區(qū)域)所組成,如圖所示。晶區(qū)所占的重量百分?jǐn)?shù)稱為結(jié)晶度,例如低壓聚乙烯在室溫時(shí)的結(jié)晶度為85%~90%。通常聚合物的分子結(jié)構(gòu)簡單,主鏈上帶有的側(cè)基體積小、對稱性高,分子間作用力大,則有利于結(jié)晶;反之,則對結(jié)晶不利或不能形成結(jié)晶區(qū)。結(jié)晶只發(fā)生在線性聚合物和含交聯(lián)不多的體型聚合物中。
結(jié)晶對聚合物的性能有較大影響。由于結(jié)晶造成了分子緊密聚集狀態(tài),增強(qiáng)了分子間的作用力,所以使聚合物的強(qiáng)度、硬度、剛度及熔點(diǎn)、耐熱性和耐化學(xué)性等性能有所提高,但與鏈運(yùn)動有關(guān)的性能如彈性、伸長率和沖擊強(qiáng)度等則有所降低。
(2)非結(jié)晶型聚合物
對于非結(jié)晶聚合物的結(jié)構(gòu),過去一直認(rèn)為其分子排列是雜亂無章的、相互穿插交纏的。但在電子顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)無定形聚合物的質(zhì)點(diǎn)排列不是完全無序的,而是大距離范圍內(nèi)無序,小距離范圍內(nèi)有序,即"遠(yuǎn)程無序,進(jìn)程有序"。體型聚合物由于分子鏈間存在大量交聯(lián),分子鏈難以作有序排列,所以絕大部分是無定形聚合物。