聚合物分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)課件

1、 高 分 子 物 理 課程團(tuán)隊(duì)：李彩虹 余旺旺 栗娟 蘇珺 高 分 子 物 理 課程遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)分子運(yùn)動(dòng)性能結(jié)構(gòu) 凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)近程結(jié)構(gòu)決定了宏觀表現(xiàn)為高分子物理研究的核心內(nèi)容 聚合物分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)分子運(yùn)動(dòng)性能結(jié)構(gòu) 凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)近程結(jié)構(gòu)決定了宏觀表 高聚物有著不同于低分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，這是高聚物材料具有一系列優(yōu)異性質(zhì)的基礎(chǔ)。然而微觀結(jié)構(gòu)特征要在材料的宏觀物理性質(zhì)上表現(xiàn)出來(lái)，則必須通過(guò)材料內(nèi)部分子的運(yùn)動(dòng)。一種高聚物，結(jié)構(gòu)不變，只是由于分子運(yùn)動(dòng)的情況不同，可以表現(xiàn)出非常不同的性質(zhì)。 高聚物有著不同于低分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，這是高先看二個(gè)例子：PMMA：室溫下堅(jiān)如玻璃，俗稱有機(jī)玻璃，但在100左右成為

2、柔軟的彈性體結(jié)構(gòu)材料橡膠：室溫下是柔軟的彈性體，但在-100左右為堅(jiān)硬的玻璃體為什么有以上情況？ 外界溫度改變了，使分子運(yùn)動(dòng)的狀況不同，因而表現(xiàn)出的宏觀性能也不同。先看二個(gè)例子：PMMA：室溫下堅(jiān)如玻璃，俗稱有機(jī)玻璃，但在1為了研究高聚物的宏觀性質(zhì)（力學(xué)、電子、光子等方面性能），只了解高聚物的結(jié)構(gòu)還不行，還必須弄清高聚物分子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，才能將微觀結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)性能相結(jié)合，才能了解高聚物結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系。所以本章是聯(lián)系結(jié)構(gòu)與性能的橋梁：高聚物分子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。為了研究高聚物的宏觀性質(zhì)（力學(xué)、電子、光子等方面性能），只了 高聚物的結(jié)構(gòu)比低分子化合物要復(fù)雜得多，自然其分子運(yùn)動(dòng)也更為復(fù)雜和多樣化：一

3、、運(yùn)動(dòng)單元的多樣性高分子運(yùn)動(dòng)單元具有多重性，它可以是側(cè)基、支鏈、鏈節(jié)、鏈段乃至整個(gè)分子鏈。這些運(yùn)動(dòng)單元是受條件限制的，特別是溫度的高低。因此高分子運(yùn)動(dòng)單元的多重性是高分子熱運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)之一，具體分為如下4類： 聚合物分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) 高聚物的結(jié)構(gòu)比低分子化合物要復(fù)雜得多，自然其分子運(yùn)動(dòng)(1)整個(gè)分子鏈平移，這是分子鏈質(zhì)量中心的相對(duì)位移，通過(guò)鏈段的協(xié)同運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如宏觀熔體的流動(dòng)。(2)鏈段運(yùn)動(dòng)，這是大分子區(qū)別于小分子的特殊運(yùn)動(dòng)形 式。即在高分子鏈質(zhì)心不變的情況下，一部分鏈段通過(guò)單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)而相對(duì)于另一部分鏈段運(yùn)動(dòng)，如橡皮的拉伸和回縮。(3)鏈節(jié)、支鏈、側(cè)基等小尺寸單元的流動(dòng)，原子在平衡位置附近的振

4、動(dòng)。(4)晶區(qū)內(nèi)的分子運(yùn)動(dòng)：晶型轉(zhuǎn)變，晶區(qū)缺陷的運(yùn)動(dòng)，晶區(qū)中的局部松弛模式等。大尺寸運(yùn)動(dòng)單元小尺寸運(yùn)動(dòng)單元(1)整個(gè)分子鏈平移，這是分子鏈質(zhì)量中心的相對(duì)位移，通過(guò)鏈段二、 分子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間依賴性由于高分子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)單元之間的作用力很大，因此在一定的外場(chǎng)（力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)）與溫度下，聚合物從一種平衡態(tài)通過(guò)分子運(yùn)動(dòng)過(guò)渡到與外界條件相適應(yīng)的新的平衡狀態(tài)，這一過(guò)程是慢慢完成的。這個(gè)過(guò)程稱為松弛過(guò)程，完成這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間叫松弛時(shí)間 ，這一現(xiàn)象即為聚合物分子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間依賴性。原因：整個(gè)分子鏈平移、鏈段、鏈節(jié)等運(yùn)動(dòng)單元均需克服內(nèi)摩擦阻力，不能瞬間完成。二、 分子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間依賴性由于高分子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)

5、單元之間的例如：一根橡皮，用外力將它拉長(zhǎng)了L，外力去除后，L不是立刻為零。而是開始縮短很快，然后縮短的速度愈來(lái)愈慢，以致縮短過(guò)程可以持續(xù)幾晝夜，幾星期，并且只有很精密的儀器才能測(cè)得出。x(t)xo/exot橡皮拉伸回縮曲線例如：一根橡皮，用外力將它拉長(zhǎng)了L，外力去除后，L不是立1010 是一個(gè)表征松弛過(guò)程快慢的物理量當(dāng) 很小時(shí)： 這說(shuō)明松弛過(guò)程進(jìn)行得很快，如：小分子液體的 只有 秒。因此，通常以秒為刻度標(biāo)尺時(shí)，無(wú)法觀察到它的松弛過(guò)程的。 也就是說(shuō)覺察不到物體以一種平衡態(tài)過(guò)渡到另一平衡態(tài)的過(guò)程需要一定的時(shí)間。松弛時(shí)間的物理意義： 是一個(gè)表征松弛過(guò)程快慢的物理量松弛時(shí)間的物理當(dāng) 很大時(shí)（n星期，n

6、年） ： 如果觀察時(shí)間 （秒、分、時(shí)）很小，則可推出 也不能觀察到松弛過(guò)程。如高分子，由于分子大、分子內(nèi)和分子間作用力很強(qiáng)，所以 （n星期，n年）很大，所以在以秒或分為標(biāo)度的觀察時(shí)間內(nèi)也看不出松弛過(guò)程的發(fā)生。 古代歐洲教堂的玻璃幾個(gè)世紀(jì)后呈下厚上?。ㄖ亓ψ饔茫┧芰嫌暌麻L(zhǎng)期懸掛，會(huì)在懸掛方向出現(xiàn)蠕變（重力作用）當(dāng) 很大時(shí)（n星期，n年） ：古代歐洲教堂的玻璃幾高聚物的 不是一單一數(shù)值，運(yùn)動(dòng)單元越大，運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間越長(zhǎng)，則 大，運(yùn)動(dòng)單元越小，則 小，所以高聚物的 嚴(yán)格地講是一個(gè)分布，稱為“松弛時(shí)間譜”當(dāng)觀察時(shí)間的標(biāo)度與聚合物中某種運(yùn)動(dòng)單元（例如鏈段）的 值相當(dāng)時(shí)，我們才能觀察到這種運(yùn)動(dòng)單元的松弛過(guò)程，但仍然觀察不到其它運(yùn)動(dòng)單元的松弛過(guò)程。高聚物的 不是一單一數(shù)值，運(yùn)動(dòng)單元越大，運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間三、分子運(yùn)動(dòng)的溫度依賴性溫度變化對(duì)于高聚物分子運(yùn)動(dòng)的影響非常顯著，溫度升高：一方面運(yùn)動(dòng)單元熱運(yùn)動(dòng)能量提高，令其活化；另一方面由于體積膨脹，分子間距離增加，提供了運(yùn)動(dòng)單元可以活動(dòng)的自由空間，這兩方面的作用都使松弛過(guò)程加快，松弛時(shí)間減小。升高溫度可使松弛時(shí)間變短，我們可以在較