高分子物理

百科名片

编辑本段发展历程

　　在过去的近一百年中，高分子材料工业取得了突飞猛进的发展。如今高分子材料已经不 再是金属、木、棉、麻、天然橡胶等传统材料的代用品，而是国民经济和国防建设中的基础材料之一。与此同时，高分子科学的三大组成部分——高分子化学、高分子物理和高分子工程也日趋成熟。

编辑本段研究目标

　　高分子物理是研究高分子的结构、性能及其相互关系的学科，它与高分子材料的合成、加工、改性、应用等都有非常密切的内在联系。因为只有掌握了高分子结构与性能之间的内在联系及其规律，才能有的放矢地指导高分子的设计与合成，合理地选择和改性高分子材料，并正确地加工成型各种高分子制品。高分子物理课程建立在物理化学、高分子化学、固体物理、材料力学等课程的基础之上，同时又是高分子材料、高分子成型加工等课程的基础，是高等学校高分子材料科学与工程专业最重要的专业基础课程之一。

编辑本段材料

　　近年来，具有各种特殊功能的高分子材料（包括生物医用高分子、光电磁功能高分子、高分子分离膜、吸附与分离树脂、智能凝胶等）及其器件的研究与开发得到迅速发展。这正是得益于人们对高分子结构与性能关系的深刻理解，同时也为高分子物理提供了新的内容。但是，鉴于功能高分子的基础研究还没有形成比较完整的体系。

编辑本段结构特点和内容

　　高分子与低分子的区别在于前者相对分子质量很高，通常将相对分子质量高于约1万的称为高分子，相对分子质量低于约1000的称为低分子。相对分子质量介于高分子和低分子之间的称为低聚物（又名齐聚物）。一般高聚物的相对分子质量为104~106，相对分子质量大于这个范围的又称为超高相对分子质量聚合物。

编辑本段物理的中英文

　　英文中“高分子”或“高分子化合物”主要有两个词，即polymers和Macromolecules。前者又可译作聚合物或高聚物；后者又可译作大分子。这两个词虽然常混用，但仍有一定区别，前者通常是指有一定重复单元的合成产物，一般不包括天然高分子，而后者指相对分子质量很大的一类化合物，它包括天然和合成高分子，也包括无一定重复单元的复杂大分子。

编辑本段物理与低分子相比

　　高分子化合物的主要结构特点是： 　　（1） 相对分子质量大，相对分子质量往往存在着分布； 　　（2） 分子间相互作用力大；分子链有柔顺性； 　　（3） 晶态有序性较差，但非晶态却具有一定的有序性。 　　高分子的结构是非常复杂的，整个高分子结构是由不同层次所组成的，可分为以下三个主要结构层次（见表1－1）： 　　表1-1高分子的结构层次及其研究内容（图1） 　　由于高分子结构的如上特点，使高分子具有如下基本性质： 比重小，比强度高，弹性，可塑性，耐磨性，绝缘性，耐腐蚀性，抗射线。 　　此外，高分子不能气化，常难溶，粘度大等特性也与结构特点密切相关。

编辑本段高分子结晶

形态和结构

　　聚合物的基本性质主要取决于链结构，而高分子材料或制品的使用性能则很大程度上还取决于加工成型过程中形成的聚集态结构。聚集态可分为晶态、非晶态、取向态、液晶态等，晶态与非晶态是高分子最重要的两种聚集态。 　　结晶形态主要有球晶、单晶、伸直链晶片、纤维状晶、串晶、树枝晶等。球晶是其中最常见的一种形态。各种结晶形态的形成条件列于表2－1，照片示于图2.1中。 　　表2-1 高分子主要结晶形态的形状结构和形成条件（图2） 　　以上结晶形态都是由三种基本结构单元组成，即无规线团的非晶结构、折叠链晶片和伸直链晶体。所以结晶形态中都含有非晶部分，是因为高分子结晶都不可能达到100％结晶。

典型的结晶形态

　　（a）球晶 （b）单晶 （c）其它结晶形态：树枝状晶；纤维状晶和串晶；柱晶；伸直链晶等。 　　描述晶态结构的模型主要有： 　　（1）缨状微束模型，（2）折叠链模型，（3）插线板模型。 　　折叠链模型适用于解释单晶的结构，而另两个模型更适合于解释快速结晶得到的晶体结构。

描述非晶态的模型

　　（1）无规线团模型，（2）局部有序模型。 　　总之模型的不同观点还在争论中。对非晶态，争论焦点是完全无序还是局部有序；对于晶态，焦点是有序的程度，是大量的近邻有序还是极少近邻有序。 　　高分子晶体在七个晶系中只有六个，即不会出现立方晶系（由于高分子结构的复杂性）。常见的是正交晶系（如聚乙烯）和单斜晶系（如聚丙烯），各均占30％。 　　高分子在晶胞中呈现两种构象，即平面锯齿形构象（PZ，以PE为例）和螺旋形构象（H，以PP为例）。通过晶胞参数可以计算完全结晶的密度： 　　一种高分子可能由于结晶条件不同而产生不同晶胞，称同质多晶现象。

高聚物的结晶能力与结晶过程

　　总的来说，影响结构过程的内部因素是聚合物必须具有化学结构的规则性和几何结构的规整性才能结晶。典型例子如下： 　　聚乙烯、聚偏氯乙烯、聚异丁烯、聚四氟乙烯、反式聚丁二烯、全同聚丙烯、全同聚苯乙烯等易结晶。无规聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、顺式聚丁二烯、乙烯丙烯无规共聚物等不结晶。聚氯乙烯为低结晶度。天然橡胶在高温下结晶。 　　此外柔性好和分子间作用力强也是提高结晶能力的因素，前者提高了链段向结晶扩散和排列的活动能力，后者使结晶结构稳定，从而利于结晶，典型例子是尼龙（由于强的氢键）。 　　而影响结晶过程的外界因素主要有： 　　（1）温度（理解为提供热能）； 　　（2）溶剂（提供化学能），称溶剂诱导结晶； 　　（3）应力或压力（提供机械能），称应力诱导结晶； 　　（4）杂质（成核或稀释）。 　　（图3）

结晶度

　　结晶性高聚物与结晶高聚物是两个不同的概念，有能力结晶的高聚物称为结晶性高聚物，但由于条件所限（比如淬火），结晶性高聚物可能还不是结晶高聚物，而是非晶高聚物，但在一定条件下它可以形成结晶高聚物。 　　高分子结晶总是不完全的，因而结晶高分子实际上只是半结晶聚合物（semi-crystalline polymer）。用结晶度来描述这种状态，其定义是： 　　（图4） 　　结晶度和结晶尺寸均对高聚物的性能有着重要的影响。 　　（1）力学性能： 　　结晶使塑料变脆（冲击强度下降），但使橡胶的抗张强度提高。 　　（2）光学性能 　　结晶使高聚物不透明，因为晶区与非晶区的界面会发生光散射。 　　减小球晶尺寸到一定程度，不仅提高了强度（减小了晶间缺陷）而且提高了透明性（当尺寸小于光波长时不会产生散射）。 　　（3）热性能 　　结晶使塑料的使用温度从 提高到 。 　　（4）耐溶剂性、渗透性等得到提高，因为结晶分子排列紧密。 　　淬火或添加成核剂能减小球晶尺寸，而退火用于增加结晶度，提高结晶完善程度和消除内应力。

结晶热力学

　　与小分子不同，高分子的结晶熔融发生在一个较宽的温度范围，称“熔限”。但高分子结晶化和晶体熔融仍是一个热力学相变过程，达到平衡时有： 　　（图5）

高聚物的取向态结构

　　无论结晶或非晶高聚物，在外场作用下（如拉伸力）均可发生取向（orientation），取向程度用取向函数 表示： 　　（图6）

高聚物的液晶态结构

　　高分子液晶（liquid crystal）态是在熔融态或溶液状态下所形成的有序流体的总称，这种状态是介于液态和结晶态的中间状态。 　　（1）按分子排列方式分为近晶型、向列型和胆甾型，它们存在一维至二维的有序结构。 　　（2）按生成方式分为热致性液晶和溶致性液晶，前者通过加热在一定温度范围内（从Tm到清亮点）得到有序熔体，后者在纯物质中不存在液晶相，只有在高于一定浓度的溶液中才能得到。 　　（3）按介晶元在分子链中的位置可分为主链型液晶和侧链型液晶。液晶有特殊的黏度性质，在高浓度下仍有低黏度，利用这种性质进行“液晶纺丝”，不仅极大改善了纺丝工艺，而且其产品具有超高强度和超高模量，最著名的是称为凯夫拉（kevlar）纤维的芳香尼龙。 　　高分子侧链液晶的电光效应还用于显示。

共混高聚物的织态结构

　　实际高分子材料常是多组份高分子体系或复合材料，这里只讨论高分子与高分子的混合物，通称共混高聚物（polyblend or blend），它们是通过物理方法将不同品种高分子掺混在一起的产物，由于共混高聚物与合金有许多相似之处，也被人形象地称为“高分子合金”。 　　共混的目的是为了取长补短，改善性能，最典型的用橡胶共混改性塑料的例子是高抗冲聚苯乙烯和ABS（有共混型或接枝型）。 　　高分子混合物很难达到分子水平的混合，因为根据热力学相容的条件 　　（图7）

编辑本段同名书籍介绍

简介

　　高分子物理是研究高分子的结构与性能之间关系的科学，也是研究聚合物分子运动 规律的科学，通过本科程的学习，使学生掌握有关聚合物的多层次结构、分子运动及主要物理、机械性能的基本概念、基本理论和基本研究方法，为从事高分子计、改性、加工，应用奠定基础。本课程是专业基础课，与高等数学，物理学，有机化学，物理化学， 理论力学等基础理论课联系密切，同时对后续的工艺课又有影响，所以应注意对以前所学知识的复习，并结合专业实验和实践学习。

第一章高分子链的结构

　　1.1 组成和构造 　　1.2 构象

第二章 高分子的凝聚态结构

　　2.1 晶态结构 　　2.2 非晶态结构 　　2.3 液晶态结构 　　2.4 取向态结构 　　2.5 共混高聚物的织态结构

第三章 高分子溶液

　　3.1 高聚物的溶解 　　3.2 高分子溶液的热力学性质 　　3.3 高分子的溶液相平衡 　　3.4共混聚合物的溶混性 　　3.5 高分子浓溶液

第四章 高聚物的分子量和分子量的分布

　　4.1 高聚物分子量的统计意义 　　4.2 高聚物分子量的测定 　　4.3 聚合物分子量分布的测定方法

第五章 聚合物的转变与松弛

　　5.1 聚合物分子运动的特点 　　5.2 高聚物的玻璃化转变 　　5.3 结晶行为和结晶动力学 　　5.4 结晶热力学

第六章 橡胶弹性

　　6.1 形变类型及描述力学行为的基本物理量 　　6.2 橡胶弹性的热力学分析 　　6.3 橡胶弹性的统计理论 　　6.4 唯象理论 　　6.5 影响因素 　　6.6 热塑性弹性体

第七章 高聚物的粘弹性

　　7.1 粘弹性现象 　　7.1.1 蠕变 　　7.1.2 应力松弛 　　7.1.3 滞后现象与内耗 　　7.2 粘弹性的数学描述 　　7.2.1 力学模型 　　7.2.2 Boltzmann叠加原理 　　7.2.3 分子理论 　　7.3 粘弹性的温度依赖性—时温等效原理 　　7.4 粘弹性的研究方法 　　7.5 动态力学法研究聚合物的分子结构和分子运动

第八章 高聚物的屈服和断裂

　　8.1 聚合物的塑性和屈服 　　8.1.1 应力~应交曲线 　　8.1.2 细颈 　　8.1.3 屈服判据。 　　8.1.4 剪切带的结构形态 　　8.1.5 银纹 　　8.2 聚合物的断裂与强度。 　　8.2.1 脆性断裂和韧性断裂. 　　8.2.2 聚合物的强度 　　8.2.3 断裂理论 　　8.2.4 影响聚合物强度的因素与增强 　　8.2.5 聚合物的增韧 　　8.2.6 疲劳

第九章 聚合物的流变性

　　9.1 牛顿流体和非牛顿流体 　　9.2 聚合物熔体的切粘度 　　9.2.1 测定方法 　　9.2.2 影响因素及分子解释 　　9.3 聚合物熔体的弹性表现 　　9.3.1 可回复的切形变 　　9.3.2 动态粘度 　　9.3.3 法向应力效应 　　9.3.4 挤出物胀大 　　9.3.5 不稳定流动 　　9.4 拉伸粘度

第十章 高聚物的电学性质

　　10.1 聚合物的介电性能 　　10.2 聚合物的导电性能 　　10.3 聚合物的热性能 　　10.4 聚合物的表面和界面性能

编辑本段同名书籍——何曼君版

　　

编辑本段参考教材

　　《高分子物理》 何曼君 复旦大学出版社 《高分子物理》 刘凤岐、汤心颐 高等教育出版社

编辑本段新版图书信息

　　书 名: 高分 子物理 　　作　者：王德海 　　出版社： 化学工业出版社 　　出版时间： 2010年9月1日 　　ISBN: 9787122086679 　　开本： 16开 　　定价: 25.00元

编辑本段内容简介

　　《高分子物理》以高分子结构为基础，从高分子结构运动变化规律的角度介绍高分子物理的基本概念和基本理论，揭示“聚合物结构?分子运动?性能”之间的联系，使高分子物理的原理更容易理解、掌握。全书共分8章，包括4个部分：高分子结构层次划分；高分子结构变化（运动）规律；高分子性能与结构运动的关系；高分子的表征。 　　《高分子物理》可用作高等院校高分子类专业本科及专科教材，也可供从事高分子科研、生产的技术人员参考。

编辑本段图书目录

　　第1章 绪论1 　　1.1 由小分子到高分子1 　　1.2 高分子结构的特点2 　　1.3 高分子性能的特点3 　　1.4 高分子物理的研究内容3 　　思考题4 　　第2章 高分子链的结构5 　　2.1 近程结构5 　　2.1.1 键属性5 　　2.1.2 成链元素（化学组成）8 　　2.1.3 单体的键接11 　　2.1.4 旋光异构(空间立构)12 　　2.1.5 几何异构(顺反异构)13 　　2.1.6 侧基与端基15 　　2.1.7 支化与交联15 　　2.1.8 共聚物的结构17 　　2.2 远程结构19 　　2.2.1 分子量的大小与分布19 　　2.2.2 链的形态——柔顺性23 　　思考题39 　　附录1 “无规行走”的统计计算39 　　附录2 自由旋转链的几何计算42 　　第3章 聚合物的聚集态结构(结晶)43 　　3.1 聚合物的分子间作用力43 　　3.1.1 取向力44 　　3.1.2 诱导力44 　　3.1.3 色散力44 　　3.1.4 氢键45 　　3.1.5 内聚能及内聚能密度46 　　3.2 晶体的基本概念47 　　3.2.1 空间点阵、晶胞和晶系47 　　3.2.2 晶面和晶面指数48 　　3.3 聚合物结晶结构49 　　3.3.1 高分子晶型49 　　3.3.2 晶体中分子链的构象50 　　3.3.3 聚合物的结晶形态53 　　3.3.4 聚合物晶相结构模型57 　　3.4 聚合物的结晶过程60 　　3.4.1 聚合物的结晶速率60 　　3.4.2 影响结晶的因素62 　　3.5 结晶聚合物的熔融65 　　3.5.1 聚合物的熔融特点65 　　3.5.2 结构对熔点的影响66 　　3.5.3 结晶条件对熔点的影响67 　　3.5.4 不完善结晶68 　　3.6 高分子液晶70 　　3.6.1 液晶的结构特征70 　　3.6.2 高分子液晶的应用72 　　思考题72 　　第4章 聚合物的聚集态结构(非晶及多相结构)73 　　4.1 非晶态聚合物的结构特征73 　　4.2 非晶结构模型74 　　4.2.1 无规线团模型74 　　4.2.2 折叠链缨状胶束粒子模型74 　　4.3 聚合物的取向结构76 　　4.3.1 取向机理76 　　4.3.2 取向的表征78 　　4.3.3 高分子取向的实际应用79 　　4.4 高分子溶液81 　　4.4.1 高分子?溶剂的相互作用81 　　4.4.2 高分子稀溶液83 　　4.4.3 聚电解质溶液94 　　4.4.4 高分子浓溶液94 　　思考题96 　　第5章 聚合物分子运动与结构转变97 　　5.1 聚合物的运动单元及运动特性97 　　5.1.1 运动的结构基础97 　　5.1.2 运动的外界因素99 　　5.1.3 高分子运动的动力学特性102 　　5.2 聚合物的热运动与力学状态102 　　5.3 次级弛豫与玻璃态105 　　5.4 链段解冻与玻璃化转变106 　　5.4.1 自由体积理论106 　　5.4.2 影响玻璃化温度的因素108 　　5.5 链段运动与高弹形变113 　　5.5.1 橡胶态形变的热力学分析114 　　5.5.2 橡胶弹性的统计理论116 　　5.6 分子链的相对位移与黏性流动119 　　5.6.1 聚合物黏性流动的特点119 　　5.6.2 影响黏流温度的因素120 　　5.6.3 剪切流动122 　　5.6.4 拉伸流动131 　　5.7 黏弹性?运动的弛豫本质132 　　5.7.1 流体的弹性现象132 　　5.7.2 固体的黏性134 　　5.7.3 线性黏弹性的数学描述135 　　5.7.4 影响聚合物黏弹行为的因素143 　　思考题144 　　第6章 聚合物的力学性能146 　　6.1 基本概念146 　　6.1.1 应力和应变146 　　6.1.2 弹性模量147 　　6.1.3 泊松比147 　　6.1.4 强度148 　　6.2 聚合物的拉伸行为149 　　6.3 聚合物的破坏151 　　6.3.1 聚合物的理论强度151 　　6.3.2 脆性断裂和韧性断裂152 　　6.3.3 聚合物的脆?韧转变及其影响因素153 　　6.4 聚合物力学性能的影响因素155 　　6.4.1 近程结构的影响155 　　6.4.2 分子量的影响156 　　6.4.3 结晶的影响156 　　6.4.4 共混、共聚、填充的影响156 　　6.4.5 外力作用速度和温度的影响157 　　思考题158 　　第7章 聚合物的其他性能159 　　7.1 高分子材料的电学性能159 　　7.1.1 聚合物的极化和介电性能159 　　7.1.2 聚合物的静电现象163 　　7.2 高分子材料的光学性能165 　　7.2.1 聚合物对光的吸收和透射165 　　7.2.2 聚合物对光的折射165 　　思考题167 　　第8章 聚合物分析测试技术168 　　8.1 聚合物化学结构分析169 　　8.1.1 红外光谱169 　　8.1.2 核磁共振172 　　8.1.3 X射线光电子能谱（XPS）分析174 　　8.2 聚合物凝聚态结构分析175 　　8.2.1 X射线衍射（XRD）分析176 　　8.2.2 热分析178 　　8.2.3 显微分析180 　　8.3 聚合物分子运动分析185 　　思考题186 　　参考文献187