高分子结构与性能的关系

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　　高分子的结构 高分子链结构包括链节的化学结构、链节与链节连接的化学异构和立体化学异构、共聚物的链节序列、分子量及分子量分布，以及分子链的分支和交联结构。

　　在适当情况下，这些结构相同的链节，正如许多相同的小分子可以整齐地排列起来成为晶体一样，也可以局部折叠起来成为片状结晶态，称为片晶。片晶又可以堆砌成球状,称为球晶。在高分子的分子与分子之间,相同的链节也可排列成为片晶，片晶再堆砌成为球晶或其他晶态；那些未折叠起来的一部分分子是非晶态的。非晶态部分也有一定的结构。小分子化合物，要么是结晶的，要么是非晶态的；而高分子化合物，则可以一部分是晶态结构，另一部分是非晶态结构。

　　高分子链结构是一级结构；孤立高分子链，即稀溶液中高分子的形态，如无规线团、螺旋、双螺旋、刚性棒或椭球等是二级结构；三级结构指高聚物分子聚集态结构，即分子链与分子链之间的堆砌。聚集态结构随着加工成型方法的不同而有所不同。具有聚集态结构的高分子，称为高聚物（见高分子结构）。

　　高分子溶液 多数线型高分子，可以在相应的溶剂中溶解，形成溶液。高分子溶液是真溶液，而不是以前所认为的胶体溶液。高分子是长链结构，在流动时能相互阻滞，因此高分子溶液是粘稠的。一般情况下，分子链愈长，粘度愈大。当光束通过高分子溶液时，由于高分子比较大，可以发生光的散射。分子愈大，散射愈强。高分子远比溶剂分子重。在超高速离心下，高分子的移动比溶剂分子快，扩散比溶剂分子慢。分子量愈大，这些区别愈明显。利用这些高分子溶液性能，可以测定高分子的分子量。研究高分子溶液，除了能测定分子量及其分布以外，还可从溶液的各种性质推测高分子的形态、结构等。

　　高分子性能 高分子与小分子不同，具有强度、模量,以及粘弹、疲劳、松弛等力学性能,还具有透光、保温、隔音、电阻等光学、热学、声学、电学等物理性能。由于具有这些性能，高聚物可作为多种材料应用。高聚物的结构与加工成型的方法有关。因此，要取得高聚物的优良性能，必须采用适当的加工成型方式，使它形成适当的结构。例如，成纤的高聚物，在纺丝以后必须在特定温度下进行牵伸取向，才能达到较高强度。

　　高聚物加工成型 高聚物作为材料使用，主要可分塑料、纤维和橡胶等，都需要加工成一定的形状方可使用。此外，用做分离、分析材料的离子交换树脂，在聚合过程中就可制成可使用的球形颗粒；用做油漆涂料的高聚物，只须溶在适当溶剂中，就可使用，无须加工成型。

　　塑料加工成型 选择塑料加工成型的方法时，首先要看树脂（就是聚合反应得到的高分子化合物，一般呈树脂状或粉状）在加热时的变化。树脂可分为热固性树脂和热塑性树脂两类。热固性树脂能在加热时进一步缩聚或加聚成为交联结构的不溶、不熔高聚物。对这类树脂的加工，一般采用模压法。将树脂和填料、添加剂等混合均匀,放在模子里加温加压,使它固化成为制品。也可以用树脂的溶液浸渍木片、纸、玻璃布等，溶剂蒸发后,覆叠成形,加压加热，成为层压塑料或增强塑料。如用玻璃纤维或碳纤维浸渍缠绕成形再固化，可得高强度、高模量，胜过钢铁的材料。热塑性树脂在加热时软化或熔化，可以注塑或挤出成各种形状的制品；吹塑成薄膜或在模中吹塑成中空容器（如瓶子等）；也可以将树脂熔融后在模子里用离心法制成器件。另外有一类泡沫塑料，是把发泡剂（能发生气体的添加剂）与树脂混合后加热，利用发泡剂发生的气泡作用而制成的多孔制品。

　　化学纤维的加工成型 成纤的高聚物可以纺丝，纺丝方法有湿纺、干纺、熔纺三种。湿纺是把原料溶于良溶剂中，从喷丝孔喷到不良溶剂中，高分子就连续沉淀成为纤维。干纺是把原料溶液从喷丝孔喷出，通过热空气将溶剂蒸发掉而成为纤维。熔纺是把原料加热到熔点以上的温度，从喷丝孔喷出，再冷却成纤维。纺丝后把丝卷绕在锭子上。卷绕和喷丝速度影响丝的性能。最后，要在适当温度下把丝牵伸到若干倍长度，使高分子晶轴和分子链能延伸到与牵伸方向一致。这样，强度与模量就比较高。

　　橡胶的加工成型 橡胶（即弹性体）的加工，主要是硫化。硫化能把机械性能差的塑性橡胶转变成强韧而有弹性的橡皮。橡胶先在一定温度下在滚筒间滚辗，使其分子量降低，得到一定的塑性（这一步骤称为塑炼）；再与硫黄粉、硫化促进剂、活化剂、炭黑、硬脂酸和防老剂等共混，并在滚筒中滚辗(这一步骤称为混炼)；混炼后，放入模中加压加热，即成固定形状的橡胶制品。

　　高分子的生产 自20世纪30年代建立多种高分子工厂以来，年产量的增长速度极快。例如，美国在1929年生产高分子 2万多吨，1980年生产2000多万吨，50年增长约千倍。世界年产量的增长速度也大致如此。很少工业品具有这种惊人的增长速度。1980年一些国家的高分子产量和塑料消耗量见表1、2。

　　从表 2可看出，塑料消耗量每五年约增加一倍，年增长率达10％～15％。1979年美国合成高分子的总产量，按体积计大大超过所有各种金属的总产量。目前，全世界合成高分子的年产量已超过 1亿吨。据R.豪温克估计，到2000年，全世界金属材料:天然材料:合成材料的消耗量比例将是19:3:78。

　　高聚物应用 高分子生产的迅速发展，说明了社会对它的需要量的迅速增加。高分子材料首先用作绝缘材料，用量至今还很大，特别是新型高绝缘材料。例如涤纶薄膜远比云母片优越；硅漆等用作电线绝缘漆，与纱包绝缘线不可相提并论。由于种种新型、优异的高分子介电材料的出现，电子工业以及计算机、遥感等新技术才能建立和发展起来。高分子作为结构材料，在代替木材、金属、陶瓷、玻璃等方面的应用日新月异。在农业、工业和日常用途上，它的优点很多，如质轻、不腐、不蚀、色彩绚丽等，用于机械零件，车船材料，工业管道容器，农用薄膜，包装用瓶、盒、纸，建筑用板材、管材、棒材等等，不但价廉物美，而且拼装方便。还可用于医疗器械，家用器具，文化、体育、娱乐用品，儿童玩具等，大大丰富和美化了人们的生活。

　　合成纤维的优越性，如轻柔、不绉、强韧、挺括、不霉等，也为天然纤维棉、毛、丝、麻等所不及。尤其重要的是它们不与粮食争地，一个工厂生产的合成纤维，可以相当上百万亩农田所能生产的天然纤维。天然橡胶的生产，受地区的限制，产量也不能适应日益增长的要求。但合成橡胶不受这种限制，而且其各个品种各有比天然橡胶优良之处。

　　一般认为高分子材料强度不高、耐热不好，这是从常见的塑料得到的印象。现在最强韧的材料,不是钢,不是钛,不是铍,而是一种用碳纤维和环氧树脂复合而成的增强塑料。耐热高分子,已经可以长期在300°C使用。特别应当提起的是,在航天技术中,火箭或人造卫星壳体从外部空间回到大气层时，速度高，表面温度可达5000～ 10000°C。没有一种天然材料或金属材料能经受这种高温，但增强塑料可以胜任，因为它遇热燃烧分解，放出大量挥发气体，吸收大量热能，使温度不致过高。同时，塑料不传热，仍可保持壳体内部的人员和仪器正常工作和生活所需要的温度。好的烧蚀材料,外层只损坏了3～4厘米，即可保全内部，完成回地任务。

　　现在塑料主要用于包装材料和建筑材料。在美国,这两种用途各占塑料总产量的四分之一左右。表3中列出美国1981年的塑料用量和2000年的估计需要量。表中2000年的需要量有两种估计，前者是1972年的估计,比较乐观；后者是1975年的估计,比较保守；实际情况可能在二者之间（见高聚物应用）。

　　研究方向 高分子材料有以下弱点，必须开展研究加以克服：①易燃烧。大量使用高分子材料时，防火是一个大问题,必须使高分子不易燃烧,才能安全使用。②易老化，不经久。用作建筑材料，要求至少有几十年的寿命；用于其他方面，也须有耐久性。③污染环境。大量使用高分子材料时，作为废物扔掉的高分子垃圾，不被水溶解和风化，不受细菌腐蚀，如不处理就会越积越多，成为严重公害。必须设法使高分子材料在使用后能适时分解消失。

　　参考书目

　王葆仁：发展中的高分子，《高分子通讯》,第1期，1979。

　F.W.毕尔梅耶著,中国科学院化学研究所七室译:《聚合物科学教程》，科学出版社，北京，1980。(F. W. Billmeyer, Jr., Textbook of Polymer Science,Interscience, New York, 1971.)

　冯新德著：《高分子合成化学》上册，科学出版社，北京，1981。

　林尚安等著：《高分子化学》，科学出版社，北京，1982。以高分子化合物为基础的材料。包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。

高分子材料按来源分为天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类应用合成高分子材料的开始。现代，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同，成为科学技术、经济建设中的重要材料。

高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域，并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。

分类 高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料。①橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力作用下可产生较大形变，除去外力后能迅速恢复原状。有天然橡胶和合成橡胶两种。②高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料，经过纺丝和后处理制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。③塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分，再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；按用途又分为通用塑料和工程塑料。④高分子胶粘剂是以合成天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。⑤高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质，添加溶剂和各种添加剂制得。根据成膜物质不同，分为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。⑥高分子基复合材料是以高分子化合物为基体，添加各种增强材料制得的一种复合材料。它综合了原有材料的性能特点，并可根据需要进行材料设计。

利用高分子材料制造的塑料制品

此外，高分子材料按用途又分为普通高分子材料和功能高分子材料。功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能。已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物降解高分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料等。

加工工艺 高分子材料的加工成型不是单纯的物理过程，而是决定高分子材料最终结构和性能的重要环节。除胶粘剂、涂料一般无需加工成形而可直接使用外、橡胶、纤维、塑料等通常须用相应的成形方法加工成制品。一般塑料制品常用的成形方法有挤出、注射、压延、吹塑、模压或传递模塑等。橡胶制品有塑炼、混炼、压延或挤出等成形工序。纤维有纺丝溶体制备、纤维成形和卷绕、后处理、初生纤维的拉伸和热定型等。

在成型过程中，聚合物有可能受温度、压强、应力及作用时间等变化的影响，导致高分子降解、交联以及其他化学反应，使聚合物的聚集态结构和化学结构发生变化。因此加工过程不仅决定高分子材料制品的外观形状和质量，而且对材料超分子结构和织态结构甚至链结构有重要影响。

作者：王葆仁

4、选择载体树脂的理论依据：

    载体树脂是一种用来作填充料（填充母粒和色母粒）的树脂，顾名思义是借助于该树脂的作用将填充料分散到塑料制品中。为此，载体树脂必须具备以下两个条件：

（1）MFR要大：

    由以上讨论所知MFR越大，树脂的分子量()越小，熔体粘度（η）也就越小，熔体的流动性越好，对无机粉表面包覆越充分，最好能使无机粉每一颗原生粒子的表面都裹上一层载体树脂膜，才能使填料均匀地分散到塑料制品中。

    载体树脂的MFR最好为10～20，不同用途的填充母粒应有所不同。用于薄膜的填充母粒尤其是流延膜，最好选MFR为16～20的树脂。选用两种不同MFR的树脂复配使用 比单一树脂的效果更好。复配后的混合树脂的MFR可以通过图-1近似求得。

图-1两种不同PE混合后MFR

    图-1是一个示意图。图中的A点表示60份MFR为20的PE与40份MFR为10.5的PE的混合物的MFR，为16。B点表示40份MFR为20的PE与60份MFR为5.6的PE的混合物的MFR，为10.8。C点表示80份MFR为14的PE与20份MFR为4的PE的混合物的MFR，为11.6。

（3)载体树脂与制品中的基体树脂相容性要好

    填充母粒中的载体树脂的功能是将无机粉运载到制品基体树脂中，并能与基体树脂形成一个均匀体系。为此，载体树脂与基体树脂必须相容性好。判断树脂间的相容性有良种方法，即溶解度参数法和内聚能（或内聚能密度）法。表-3列出常见几种聚合物的溶解度参数。表-4列出聚合物中常见基团内聚能。聚合物内聚能等于分子中各种基团内聚能总和，所以从基团内聚能大小可以判断不同聚合物之间内聚能的差异。

表-3  常见聚合物溶解度参数（δ）

表-4  聚合物中常见基团内聚能

    溶解度参数法只适用于非极性聚合物，如PE、PP、PS等。

    凡是两种聚合物溶解度参数之差的绝对值小于0.5，二者相容，否则不相容。

    内聚能法适用于所有聚合物，聚合物内聚能相同或相近的相容，即符合有机物相似相溶的基本规则。

4、选择载体树脂的理论依据：

    载体树脂是一种用来作填充料（填充母粒和色母粒）的树脂，顾名思义是借助于该树脂的作用将填充料分散到塑料制品中。为此，载体树脂必须具备以下两个条件：

（1）MFR要大：

    由以上讨论所知MFR越大，树脂的分子量()越小，熔体粘度（η）也就越小，熔体的流动性越好，对无机粉表面包覆越充分，最好能使无机粉每一颗原生粒子的表面都裹上一层载体树脂膜，才能使填料均匀地分散到塑料制品中。

    载体树脂的MFR最好为10～20，不同用途的填充母粒应有所不同。用于薄膜的填充母粒尤其是流延膜，最好选MFR为16～20的树脂。选用两种不同MFR的树脂复配使用 比单一树脂的效果更好。复配后的混合树脂的MFR可以通过图-1近似求得。

图-1两种不同PE混合后MFR

    图-1是一个示意图。图中的A点表示60份MFR为20的PE与40份MFR为10.5的PE的混合物的MFR，为16。B点表示40份MFR为20的PE与60份MFR为5.6的PE的混合物的MFR，为10.8。C点表示80份MFR为14的PE与20份MFR为4的PE的混合物的MFR，为11.6。

（3)载体树脂与制品中的基体树脂相容性要好

    填充母粒中的载体树脂的功能是将无机粉运载到制品基体树脂中，并能与基体树脂形成一个均匀体系。为此，载体树脂与基体树脂必须相容性好。判断树脂间的相容性有良种方法，即溶解度参数法和内聚能（或内聚能密度）法。表-3列出常见几种聚合物的溶解度参数。表-4列出聚合物中常见基团内聚能。聚合物内聚能等于分子中各种基团内聚能总和，所以从基团内聚能大小可以判断不同聚合物之间内聚能的差异。

表-3  常见聚合物溶解度参数（δ）

表-4  聚合物中常见基团内聚能

    溶解度参数法只适用于非极性聚合物，如PE、PP、PS等。

    凡是两种聚合物溶解度参数之差的绝对值小于0.5，二者相容，否则不相容。

    内聚能法适用于所有聚合物，聚合物内聚能相同或相近的相容，即符合有机物相似相溶的基本规则。4、选择载体树脂的理论依据：

    载体树脂是一种用来作填充料（填充母粒和色母粒）的树脂，顾名思义是借助于该树脂的作用将填充料分散到塑料制品中。为此，载体树脂必须具备以下两个条件：

（1）MFR要大：

    由以上讨论所知MFR越大，树脂的分子量()越小，熔体粘度（η）也就越小，熔体的流动性越好，对无机粉表面包覆越充分，最好能使无机粉每一颗原生粒子的表面都裹上一层载体树脂膜，才能使填料均匀地分散到塑料制品中。

    载体树脂的MFR最好为10～20，不同用途的填充母粒应有所不同。用于薄膜的填充母粒尤其是流延膜，最好选MFR为16～20的树脂。选用两种不同MFR的树脂复配使用 比单一树脂的效果更好。复配后的混合树脂的MFR可以通过图-1近似求得。

图-1两种不同PE混合后MFR

    图-1是一个示意图。图中的A点表示60份MFR为20的PE与40份MFR为10.5的PE的混合物的MFR，为16。B点表示40份MFR为20的PE与60份MFR为5.6的PE的混合物的MFR，为10.8。C点表示80份MFR为14的PE与20份MFR为4的PE的混合物的MFR，为11.6。

（3)载体树脂与制品中的基体树脂相容性要好

    填充母粒中的载体树脂的功能是将无机粉运载到制品基体树脂中，并能与基体树脂形成一个均匀体系。为此，载体树脂与基体树脂必须相容性好。判断树脂间的相容性有良种方法，即溶解度参数法和内聚能（或内聚能密度）法。表-3列出常见几种聚合物的溶解度参数。表-4列出聚合物中常见基团内聚能。聚合物内聚能等于分子中各种基团内聚能总和，所以从基团内聚能大小可以判断不同聚合物之间内聚能的差异。

表-3  常见聚合物溶解度参数（δ）

表-4  聚合物中常见基团内聚能

    溶解度参数法只适用于非极性聚合物，如PE、PP、PS等。

    凡是两种聚合物溶解度参数之差的绝对值小于0.5，二者相容，否则不相容。

    内聚能法适用于所有聚合物，聚合物内聚能相同或相近的相容，即符合有机物相似相溶的基本规则。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/53de70ee0975f46527d3e14b.html