高分子材料结构与性质简析

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：体型分子结构是指在链与链之间又有化学键“交联”的网状结构。体型分子结构的高聚物，由于在长链分子之间被“交联”，致使其柔顺性受到限制，当高聚物受力后，变形较小。当温度高于熔点时，结晶度高或一般相对分子质量的高聚物即表现为黏流态。热固性高聚物是指经一次受热软化（或熔化）后，在热和催化剂或热和压力作用下发生化学交联而变成坚硬的体型分子结构，成为不溶的物质。

1.线型分子结构和体型分子结构

高分子的分子结构，可分为线型分子结构和体型分子结构两类。

线型分子结构是指由链节多次重复而成的长链型分子结构（有时在主链侧有支链）。体型分子结构是指在链与链之间又有化学键“交联”的网状结构。支链很大（或很多）的线型分子高聚物，具有线型分子与体型分子高聚物之间的性状。

线型分子结构的分子具有柔顺性。它在常温下呈卷曲的线团状，受到拉伸时，变形能力极大，外力去除后，又可恢复成卷曲状。这是许多高分子高聚物具有高弹性的主要原因。

在线团状的线型分子结构中，还会存在一些排列整齐的部分，称为晶体部分（晶区）。

一个长链分子可以贯穿晶区和非晶区（线团状区）。分子中晶区所占质量分数（或体积分数）称为结晶度。结晶使分子聚集紧密，分子间作用力增大。结晶度大的高聚物，其密度、强度及硬度均较大，耐热性也较高，但高弹性、伸长率及韧性较低。

体型分子结构的高聚物，由于在长链分子之间被“交联”，致使其柔顺性受到限制，当高聚物受力后，变形较小。但高聚物的机械强度较高、温度稳定性及化学稳定性较好。

2.高分子材料的力学状态

高分子材料在不同温度下会呈现出玻璃态、高弹态及黏流态等不同的物理状态。由实验我们可以得到如图1-1-1所示的温度—形变曲线，由图可以清楚地看到：根据试样的力学性能随温度的变化的特点，可以把线型非晶态高聚物按温度区域不同划分为三种力学状态。

图1-1-1 高聚物的温度—形变曲线

①玻璃态：高聚物在温度较低时所表现出的状态。此时，材料受力后只能发生微小的变形，外力除去后，变形立即消失，这种变形称为普通弹性变形。温度越低、物体越坚硬。产生这种现象的原因是由于温度较低时，线型非结晶高聚物不仅长链分子整体不具有可移动性，线型分子也去了柔顺性所致。

②高弹态：随着温度升高，高聚物从玻璃态变为高弹态。处于高弹态的高聚物，其长链分子整体虽不可移动，但长链分子本身具有柔顺性。当高聚物受力后会发生极大的可逆变形，称为高弹变形。高弹变形的弹性模量很小，应变值很大，变形的发生和消失要比普通弹性变形慢得多。

③黏流态：当温度升得更高时，高聚物呈黏流态。此时，整个长链分子具有可移动性。

高聚物中的结晶体也具有可熔融性。当温度高于熔点时，结晶度高或一般相对分子质量的高聚物即表现为黏流态。相对分子质量很大而结晶度较低的高聚物则先进入高弹态；当温度更高时，非结晶的长链分子具有可移动性，整个高聚物才变为黏流态。

当温度低于熔点而高于玻璃态温度时，具有一定结晶度的线型分子高聚物呈韧性状态。此时，非晶区具有柔顺性，晶区尚未熔融而具有刚性。韧性状态的高聚物既有较高的强度又有较大的变形性能，是合成纤维的主要特征。韧性状态存在的温度范围越宽，该高聚物的使用意义越大。体型结构的高聚物，可以表现为玻璃态或高弹态，而不会出现黏流态。

3.热塑性与热固性

根据高聚物受热后性质的不同，有热塑性高聚物和热固性高聚物两种。

热塑性高聚物在常温下是一较硬固体，受热后就会变软（甚至熔融），待它冷却，还会变硬，再加热又会变软。这类高聚物一般为线型分子结构，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

热固性高聚物是指经一次受热软化（或熔化）后，在热和催化剂或热和压力作用下发生化学交联而变成坚硬的体型分子结构，成为不溶的物质。再受热则不再变软，加热时间越长，化学变化程度越深，若受强热作用，即枯焦破坏。这种高聚物耐热性能好，但不能重复加工使用。

高分子材料结构与性质简析

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