03-4 FH3-4节 高分子材料结构.pptx

第1页：高分子晶态结构

• 0绪论
• 第1章原子结构与结合键Atomic Structure and binding bond
• 第2章晶体学基础Basis of Crystallography
• 第3章晶体结构Crystal Structure
• 第4章晶体缺陷Crystal defects
• 第5章非晶体与准晶结构Amorphous andQuasicrystalStructure
• 第6章相图Phase Diagram
• 第7章固体扩散Solid Diffusion
• 第8章凝固与结晶Solidification and Crystallization
• 第9章烧结与聚合Sintering and Polymerization
• 第10章固态相变Solid Phase Transformation

第2页：晶体结构

第3章晶体结构Crystal Structure3.1晶体化学（Crystal chemical）3.1.1原子半径与离子半径3.1.2球体紧密堆积与间隙3.1.3配位数与配位多面体3.2金属的晶体结构（Crystal structure of metals）3.2.1单质金属的晶体结构3.2.2金属合金的晶体结构3.3无机非金属材料结构(Crystal structure of inorganic non-metallic materials）3.3.1离子晶体的结构规则3.3.2典型的离子晶体结构3.3.3硅酸盐晶体结构(Silicate crystal structure)3.4高分子的晶态结构(Crystalline structure of polymers)

第3页：高分子

• 高分子是由一种或者多种单体，通过聚合反应形成的相对分子质量很大的有机化合物，它是相对于低分子而言。3.4高分子的晶态结构Crystalline structure of polymers一、高分子材料概述
• 高分子化合物是塑料、橡胶、胶粘剂等非金属材料的总称。

第4页：高分子·多种多样的高分子材料

多种多样的高分子材料

第5页：多种多样的高分子材料

高分子材料形成过程

第6页：

第7页：

第8页：多种多样的高分子材料

链节的化学组成、链接方式、立体构型等分子链的长短、形状与构象晶态、非晶态、取向态结构、液晶态结构、织态结构等高分子材料结构高分子链结构近程结构远程结构聚集态结构

第9页：多种多样的高分子材料

由C、H、O、N、P、S等以共价键组成大分子链。一、高分子链结构1.高分子链的近程结构1.1高分子链结构单元的化学组成H HC CH RR－官能团或侧基。官能团不同，聚合物也不同。（1）碳链聚合物R--Cl，氯乙烯；R--OH（羟基），乙烯醇；R--CH3，丙烯。

第10页：

第11页：杂链聚合物

（2）杂链聚合物O—C—O—主链除碳外，还有O、N、P、S等其它元素。如：—C—C—O—C—，—C—C—H—C——C—C—S—C—聚酯（聚醚、聚酰胺）

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第13页：元素有机聚合物

（3）元素有机聚合物

• 主链是由Si、Ti、Al、B等原子和O原子构成，侧基一般为有机基团：—O—Si—O—Si—O
• 如有机硅树脂、有机硅橡胶等。
• 主链纯粹由其它元素构成。
• 成链能力较弱，分子量低，易水解.(4)无机高分子二硫化硅聚二氯一氮化磷

第14页：均聚物结构单元顺序

（1）均聚物结构单元顺序：1.2高分子链结构单元的键接方式头-尾连接结构最规整、强度最高。

第15页：均聚物结构单元顺序

尾-尾头-头头-尾

第16页：均聚物结构单元顺序

二元共聚物单体的连接方式（2）共聚物结构单元顺序：

第17页：高分子链的几何形状

1.3高分子链的几何形状（1）线型高分子（2）支链型高分子（3）交联高分子(网状)

第18页：高分子链的几何形状·线型高分子

（1）线型高分子由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。特点：弹性、塑性好，硬度低，是热塑性高聚物。聚乙烯、聚氯乙烯等烯类。

第19页：支链型高分子

（2）支链型高分子

• 在主链上带有支链。
• 性能和加工都接近于线型高分子，属于热塑性高聚物。
• 高压聚乙烯(PEF)在溶剂中溶解，加热溶解，密度降低，结晶度降低，硬度低，耐热性降低。

第20页：体型(网状)高分子

（3）体型(网状)高分子

• 链节交联，呈三维网状结构。
• 硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性高聚物。
• 酚醛树脂、环氧树脂等。

第21页：体型(网状)高分子

1.4空间构型原子在空间的几何排列。1）全同立构：取代基R在主链的同一侧。动画

第22页：体型(网状)高分子·间同立构

）间同立构：取代基R相间地分布在主链的两侧。动画

第23页：间同立构·有规立构

有规立构（全同立构、间同立构）聚合物的结晶度和熔点较高，不易溶解。3）无规立构：取代基R在主链的两侧不规则的分布。动画

第24页：有规立构·高分子的分子量

• 1)分子量大
• 大分子链中的重复结构单元称之为“链节”。
• 组成大分子链时，链节的数目（n）叫聚合度。
• 高分子的分子量：M=m×nM----高分子的分子量n----高分子的聚合度m----链节的分子量2.1高分子的大小2、高分子链的远程结构

第25页：高分子的分子量

分子量10万的聚乙烯，可能是由分子量2万－20万大小不同的聚乙烯分子组成的。2)多分散性各种分子量的大分子链的重量是不同的。

第26页：高分子的分子量

常用统计平均分子量的表示（1）数均分子量按分子数的统计平均，定义为：3)平均分子量（2）重均分子量按重量的统计平均，定义为：式中：Mi：第i组分子的单分子质量；Ni：第i组分子的分子数。式中：Wi：第i组分子的总质量。

第27页：高分子的分子量·高分子链

2.2高分子链的构象单键内旋转引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象，称为高分子链的构象。

第28页：高分子链·柔顺性取决于分子内旋

柔顺性取决于分子内旋转的受阻程度。

第29页：高分子链的柔顺性

2.3高分子链的柔顺性

• 高分子链能改变其构象、获得不同卷曲程度的特性，称为高分子链的柔顺性。
• 高分子链的柔顺性与单键内旋转难易程度有关。柔性大分子链末端距和链段示意图末端矩h:越短，卷曲越厉害。动画

第30页：高分子链的柔顺性·①柔顺性以

①柔顺性以Si-O键最好，C-O键次之，C-C键最差。④取代基的极性强弱/体积/分布对柔顺性有影响。极性取代基使分子间作用力增大，内旋受阻，柔顺性降低。③主链中含有孤立双键时，双键本身不能自旋，但两C原子各减少一个侧基或氢原子，使非键合基团或原子间距增大，单键内旋阻力减小，柔顺性增大。②主链中含有芳香环时，它不能自旋，柔顺性很低，刚性较好，能耐高温。在常见的三大类主链结构中：

第31页：①柔顺性以·高分子链之间

高分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构，是在加工成型过程中形成的。二、高分子材料的聚集态结构（超分子结构）非晶态结构晶态结构：三维有序液晶态结构取向结构共混物（织态）结构分子链在一维或二维有序排列的结构高聚物在液态下分子有序排列

第32页：高分子链之间·无定形高聚物结构

无定形高聚物结构和晶态高聚物示意图（1）无定形聚合物是很普遍的。结晶高聚物→ →包含有非晶区。1、无定形高聚物的结构(非晶态)（2）结构模型：大分子无规线团+大分子链规整折叠区。

第33页：无定形高聚物结构·高分子材料

2.高分子材料的晶态结构晶区单元：片状、球状、串晶、树枝状等。晶区：折叠链和伸直链。

第34页：高分子材料·晶区单元

• 晶区单元：片状、球状、串晶、树枝状等。
• 串晶

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第37页：晶区单元·球晶中的晶片螺旋形周

球晶中的晶片螺旋形周期性扭转，正交偏光显微镜下出现一系列消光同心圆。从熔体中结晶的聚酯结晶形貌

第38页：

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第40页：球晶中的晶片螺旋形周

• 动画行星高分子
• 动画梳形高分子

第41页：球晶中的晶片螺旋形周

C—C单键内旋转形成的八种构象

第42页：球晶中的晶片螺旋形周

• (c)插线板模型
• 三种晶态聚合物结构模型(a)缨状微束模型(b)折叠链模型

第43页：球晶中的晶片螺旋形周

高分子主要结晶形态的形状结构和形成条件

第44页：球晶中的晶片螺旋形周·部分高聚物

• 部分高聚物的结晶结构参数
• 高分子链----各向异性
• 高分子晶体只有六个晶系；
• 无立方晶系；
• 属于高级晶系的也很少。

第45页：部分高聚物·Ethylene聚乙

• Ethylene聚乙烯-晶体正交晶系
• Butadiene丁二烯
• 单斜晶系

第46页：Ethylene聚乙·原子或分子

• 知识点小结：晶体与非晶体材料
• 1、晶体：
• 原子或分子在空间按一定规律周期性重复排列。–晶态是一种稳态，该状态下系统自由能最低。–晶体具有均匀性、各向异性、固定熔点、规则外形和对称性。–根据对称性的高低，晶体结构可分为3大晶族、7大晶系、14种布拉菲点阵、32种点群和230种空间群。

第47页：亚稳态

• 、非晶体
• 原子不规则排列的固体材料的总称。
• （1）外观上不具有特定的形状，远程无序，近程有序。短程有序为15埃（1.5nm）。
• （2）亚稳态。自由能高，有向平衡态转变的趋势。从亚稳态转变到平衡态须克服一定的势垒，因此非晶态具有相对的稳定性。
• （3）非晶态物质包括玻璃、凝胶、非晶态金属和合金、非晶态半导体、无定型碳及某些聚合物等。

第48页：相同

• 、材料是晶态或非晶态与化学组成无关。
• 相同(近)化学组成的物质由于制备条件的不同可以形成晶态材料，也可以形成非晶态材料。
• 高分子：
• 无机材料：
• 金属材料：
• 晶体：
• 非晶体：
• 准晶

第49页：相同

• 、材料是晶态或非晶态与化学组成无关。
• 金属材料----晶体结构比较简单，熔融时的粘度小，冷却时很难阻止结晶过程的发生，–固态下的金属大多为晶体；–冷速很快时，能阻止某些合金的结晶过程，保留过冷液态原子排列方式至固态，获得非晶态金属。–随着现代材料制备技术的发展，蒸镀、溅射、激光、溶胶凝胶法和化学镀法也可以获得玻璃相和非晶薄膜金属材料。

第50页：相同·陶瓷材料晶体-般比较

• 、材料是晶态或非晶态与化学组成无关。
• 陶瓷材料晶体-般比较复杂。–大多数陶瓷材料可进行结晶，–也有一些是非晶体----玻璃和硅酸盐结构。
• 高聚物也有晶态和非晶态之分。–大多数聚合物容易得到非晶结构，–结晶只起次要作用。

第51页：陶瓷材料晶体-般比较·X射线衍射

• 、晶体与非晶态的鉴别方法
• X射线衍射(X-RayDiffraction)、中子散射、电子衍射；
• 在透射电子显微镜（TEM）下直接观察和鉴别。

第52页：结束页

谢谢！