有机磨具——聚合物结构与性能

有机磨具——聚合物结构与性能的思维导图，内容整理了聚合反应、 聚合物结构（链结构、聚集态结构（三级结构））聚合物性能（聚合物的热性能、聚合物的力学性能），快来看看吧！

聚合物结构与性能

• 聚合反应
  • 加聚反应
    • 通式：nCH2=CHX→[-CHX-CH2-]n
  • 缩聚反应
    • 逐步聚合
  • 连锁聚合反应
• 聚合物结构
  • 链结构
    • 近程结构（一级结构）
      • 线型、支化——热塑性
      • 交联体型——热固性
    • 远程结构（二级结构）
      • 内旋转
        • 高分子链中单键绕键轴旋转
      • 柔顺性
        • 定义：指高分子链能够改变其构象的性质
        • 影响因素
          • 链段：链段数越多，链段强度越小，链段越短，柔顺性越好。
          • 主链
            • 单键：主链全部由单键组成，键长越长，键角越大，柔顺性越好。
            • 双键：主链上孤立双键旁的单键内旋容易，因此链的柔顺性好；但若为共轭双键，则分子显刚性
            • 芳杂环：主链有芳杂环则分子链的柔顺性差
          • 侧基
            • 侧基的极性：侧基的极性大时，相互作用大，分子内旋转受阻，柔顺性变差。
            • 侧基的体积：基团体积越大，空间位阻越大，内旋转越困难，柔顺性越差；但基团若为柔性基团，柔性基团越多，柔顺性越好。
            • 侧基的对称性：可使分子柔顺性变好
          • 分子链的长短：分子链越长，构象数目越多，链的柔顺性越好。但当分子量增加到一定程度，则分子量对构象的影响就不存在了。
          • 支化与交联：长支链阻碍链的内旋转起主导作用时，分子柔顺性下降，反之则反。交联程度不大时，对链的柔顺性影响不大；当交联程度达到一定程度时，则大大影响链的柔顺性。
          • 分子间作用力：分子间作用力越小，链的内旋转越容易，分子的柔顺性越大。
          • 分子链的规整性：分子结构越规整，结晶能力越强，一旦结晶，链的柔顺性就表现不出来，高聚物呈现刚性。
          • 外界条件：温度升高，分子热运动能量增加，内旋越容易，柔顺性增加。
      • 分子量
        • 对单分散试样：Mn=Mη=Mw=Mz（数均=黏均=重均=Z均）
        • 实际聚合物试样：Mn<Mη<Mw<Mz（数均<黏均<重均<Z均）
  • 聚集态结构（三级结构）
    • 高聚物的结晶态
      • 结晶形态：单晶、球晶、树枝结晶、纤维结晶、串晶和伸直链晶等。
      • 晶态结构模型
        • 两相结构模型（缨状胶束模型）
        • 片晶折叠链模型
        • Flory插线板模型
      • 聚合物结晶过程的特点
        • （1）有利于链的对称性和立体规整性的因素均有利于聚合物的结晶，反之则反。
        • （2)合适的时间和温度范围是聚合物形成结晶态的充分条件。
        • （3）结晶必须在玻璃化转变温度与熔点之间的温度范围进行。
    • 高聚物的非结晶态
      • 非晶性高聚物总是非晶态的，而结晶性高聚物却并不是总是结晶的。
      • 目前主要有两种理论模型，即无规线团模型和折叠链缨状胶束粒子模型。
    • 高聚物的取向态结构
      • 取向态与结晶态的异同
        • 相同：都与高分子有序性有关
        • 不同：取向态是一维或二维有序，结晶态是三维有序。
      • 取向
        • 在某些情况下很容易沿某个特定方向占优势平行排列，这种现象就称为取向。取向聚合物材料是各向异性的。
        • 聚合物的取向现象包括分子链、链段的取向以及结晶聚合物的晶片等沿外力方向的择优排列。
        • 取向的两种方式
          • 单轴取向
          • 双轴取向
• 聚合物性能
  • 聚合物的热性能
    • 运动单元的多重性：聚合物分子运动单元具有多重性，它可以是侧基、支链、链节、链段和整个分子等
    • 分子热运动是一种松弛过程
    • 聚合物的分子运动与温度有关
    • 聚合物的温度—形变曲线
      • 温度—形变曲线示意图：
      • Tg：玻璃化转变温度，链段开始运动或被冻结的温度
      • Tf：粘流温度，大分子链开始运动的温度
      • 玻璃态：力学性质称为普弹性或虎克弹性（具有可逆性、瞬时性和平衡性)
      • 高弹态：解除外力后又能通过链段运动使之恢复到原来的状态，具有不瞬时性且大分子链仍处于冻结状态。
      • 粘流态：整链运动，是不可逆形变，外力除去后，形变不再回复。
      • 相关
    • 聚合物的耐热性
      • 热变形性
        • 受热不易变形，能保持尺寸稳定性的聚合物必然是处于玻璃态或晶态，因此改善聚合物的热变形性应提高其Tg 或 Tm ，必须使分子链内部及分子链之间具有强的相互作用
      • 热稳定性
        • 聚合物在高温下会产生两种结果—降解和交联。这两种反应均与化学键断裂有关，因此组成高分子链的化学键能越大，耐热分解能力越强。
    • 聚合物的热膨胀性
      • 指物质在加热或冷却时发生的热胀冷缩现象，是由于温度变化而引起的材料尺寸和外形的变化。膨胀系数：试样单位尺寸的膨胀率。
      • 导热性：聚合物的热导率都很小，是优良的绝热保温材料。
  • 聚合物的力学性能
    • 基本物理量
      • 弹性模量
        • 弹性模量称作杨氏模量，为E=σ/ε=N/l0
      • 剪切模量
        • 剪切模量G为G=σs/γ=F/A0tanθ
      • 体积模量
        • 体积模量K为K=PV0/ΔV
    • 高聚物材料机械强度常用指标
      • 拉伸强度及模量
      • 断裂伸长率
      • 弯曲强度
      • 冲击强度
      • 疲劳极限
      • 硬度
    • 玻璃态聚合物的屈服与断裂
      • 屈服点、屈服强度
        • 在屈服点之前，应力与应变基本成正比，过服点后，即使应力不再增大，但应变仍保持一定的伸长。材料在屈服点之前发生的断裂称为脆性断裂；在屈服点后发生的断裂称为韧性断裂。在屈服点后出现的较大应变在移去外力后是不能复原的。但是如果将试样温度升到其 Tg 附近，该形变则可完全复原，因此它在本质上仍属高弹形变，通常称为强迫高弹形变。
    • 影响聚合物实际强度的因素
      • 高分子本身结构的影响
        • 主链含有芳杂环的聚合物，其强度和模量都比脂肪族主链的高
        • 分子链支化程度增加，使分子之间的距离增加，分子间作用力减小，因而聚合物的拉伸强度会降低，但冲击强度会提高。
        • 随着交联度的增加，往往不易发生大的形变，强度增高；但过分交联并不总是有利的
        • 随分子量的增大，拉伸强度和冲击强度都会提高，但当分子量超过一定数值以后，拉伸强度变化就不大了，而冲击强度则继续增大。
      • 结晶和取向的影响
        • 结晶度增加，对提高拉伸强度、弯曲强度和弹性模量都有好处
        • 取向可以使材料的强度提高几倍甚至几十倍
      • 应力集中的影响
        • 严重降低材料的强度
      • 增塑剂的影响
        • 降低玻璃化温度
      • 填料的影响
      • 共聚和共混的影响
      • 外力作用速度和温度的影响
    • 聚合物的力学三态
      • 玻璃态
        • 温度低，链段的运动处于冻结，只有侧基、链节、链长、键角等局部运动，形变小
      • 高弹态
        • 聚合物特有的基于链段运动的一种力学状态；链段的运动充分发展，形变大，可恢复
      • 粘流态
        • 链段运动剧烈，导致分子链发生相对位移，形变不可逆
      • 相关
    • 聚合物的高弹性
      • 弹性模量很小而形变很大
      • 弹性模量随温度的升高而增加
      • 泊松比大
        • 接近0.5
      • 形变需要时间
        • 形变是松弛过程
      • 形变时有热效应
        • 热弹效应
    • 聚合物的力学松弛——粘弹性
      • 蠕变
        • 普弹形变
        • 高弹性变
        • 粘性流动
      • 应力松弛
      • 静态力学松弛
      • 滞后现象
      • 力学损耗
      • 动态力学松弛
    • 高聚物的溶解性
      • 溶解两阶段
        • 溶胀
          • 无限溶胀
          • 有限溶胀
        • 溶解
          • 升温可增大溶解度
          • 分子量越大，溶解度越小，反之则反
          • 非极性晶态聚合物比极性晶态聚合物难溶解
      • 聚合物溶剂选择三原则
        • 相似相溶规则
        • 内聚能密度或溶度参数（δ）相近规则
        • 溶剂化规则
    • 聚合物的老化和防老化
      • 聚合物的老化原因
        • 光氧化
        • 热氧化
        • 化学侵蚀
        • 生物侵蚀
      • 聚合物的防老化
        • （1)改进共聚物的化学结构引进含有稳定基团的结构；
        • （2）对活泼端基进行消活稳定处理，该法主要用于聚缩醛类聚合物；
        • （3）物理稳定化，如拉伸取向；
        • （4）加入添加剂，如抗氧剂和光稳定剂。
• 高分子防老化最通用的方法
• 两相共存是结晶聚合物最重要的特征