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塑胶材料篇:高分子的结构,影响着材料的诸多性能

塑胶材料的种类繁多,性能各异,虽然常用的材料还不算太多,但是有些材料性能差异很大,有些则比较相似,如果我们光靠记忆各材料的性能来熟悉材料,显然是比较低效的,特别是一些你不常使用的材料,即使当时你能记住它具体性能用途,但是估计也会很快忘记。所以,这个时候,理论、原理性的知识就显得尤为重要,以下内容实际上在上学时我们都学过,只是当时很难去理解,现在回过头来看,其实还是有些收获的。

高分子链的结构,其实影响着高分子塑胶材料很多性能,如强度、刚度、冲击强度等物理性能,有些材料分子结构式非常相似,但性能却各异,比如这三种材料:PE、PS、PVC。

本文为啥把它们三放在一起举例介绍呢,主要是他们名字太相似了,咋一看,一字之差,实际上它们的性能差别很大,它们都为五大通用塑胶之一,产量大,价格便宜,广泛应用于日常产品上。

PE,学名称为“聚乙烯”,是指由乙烯单体经自由基加聚反应合成的聚合物。

PS,学名称为“聚苯乙烯”,是指由苯乙烯单体经自由基加聚反应合成的聚合物。

PVC,学名称为“聚氯乙烯”,是指由氯乙烯单体经自由基加聚反应合成的聚合物。

PE、PS和PVC的单体化学结构式如下,可以看出,结构式的主要区别是,PS中苯环取代了PE(聚乙烯)中的一个氢原子,而PVC中氯原子取代了PE(聚乙烯)中的一个氢原子。

所以也统称聚乙烯类塑胶,其中把苯环、CI等称为取代基(R),它们的聚合反应如下:

由于分子结构的不同,所表现出来的性能也会不同,从上面的结构式可以看出,PE的分子结构具有对称性,而PS和PVC分子结构不对称。

那么对称或不对称的分子链结构对聚合物的性能有什么影响呢?

一、首先,需要理解高分子链内旋转

我们知道,原子之间通过共价键形成分子,而共价键又分为σ键和π键,至于什么叫σ键和π键,大家可以查找资料了解,这里就不展开讲了,这里我们只需要了解它们的区别就行。

而C-C单键属于σ键,其电子云分布具有轴对称性,即这两个C原子不管怎么绕轴旋转,都不影响其电子云的分布,所以,高分子在运动时,链中C-C单键可以绕轴旋转,称为高分子链内旋转。

高分子链C-C单键内旋转会使得高分子链中的原子或原子团形成不同的空间排布(位置、形态),所形成的空间排布,称之为构象。所以大多数长链结构中,其实会存在无穷个构象,这是造成高分子链具有柔性的原因。

高分子的柔性,指的是高分子链能够改变其构象的性质。形成构象的过程中,分子链中因单键内旋转带动附近若干个单元一起运动,这若干个单元组成一个链段,就好比一条铁链,每一节链相当一个链段。

如果高分子链越长链段越短,则链越柔顺。

高分子链形成的构象数越多,柔顺性越大,也就是说,单键内旋转越容易,链的柔顺性越好。

二、影响高分子链柔性的因素:

1、主链结构

1)如果主链全部由C-C单键组成的碳链高分子,则具有较大的柔性,如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、乙丙橡胶(EMP)等。
2)当主链中含有C-O,C-N,Si-O等键时,柔性较好,这是因为O,N原子周围的原子比C原子少,内旋转的位阻小,而Si-O-Si的键角也大于C-C-C键,因而其内旋转位阻更小,即使是在低温下也具有良好的柔顺性。。

柔性比较:Si-O>C-N>C-O>C-C

3)当主链中含有孤立双键时,键角大,双键两侧取代基少,使得孤立双键相邻的单键的内旋转位阻较小,分子链柔顺性好。如聚丁二烯橡胶:

4)当主链上含有共轭双键时,主链上的双键存在一个π键,不可旋转,为刚性链,柔顺性差。如聚乙炔、聚苯:

5)当主链含有芳环或杂环时,芳杂环不能内旋转,柔顺性较差,刚性强。如PP0、PC,可作为工程塑胶。

2、取代基
1)取代基的极性越大,非键合原子间的互相作用越强,内旋转受阻,分子链的柔性越差。如基团极性CN>CI>CH3,所以柔性PP>PVC>PAN.

2)取代基的数目越多,互相作用越强,单键内旋转越困难,分子链柔顺性越差。如柔顺性:PE>氯化PVC>PVC

3)对称性取代基分子链柔性要好于单取代的分子链。

4)取代基的体积,非极性取代基对分子链柔性的影响主要是空间位阻效应,取代基的体积增大,空间位阻增大,内旋转困难,分子链的柔性减小。

3、其他结构因素

1)支化和交联

支链长,柔性降低。交联度增加,柔性降低。

2)分子链的长短

分子链越大,构象数越多,链的柔顺性越好,但当相对分子质量增加到一定数值时,对柔性的影响可忽略。

3)分子间作用力越大,聚合物分子链所表现出的柔性越小。
4)分子链的规整性,分子结构越规整,结晶能力越强,高分子链一旦结晶,链的柔顺性就表现不出来,聚合物呈刚性。

4、外界因素

1)温度

提供克服内旋转位阻的能量, 温度升高, 内旋转容易, 柔性增大.

2)外力

外力作用的速率太快时, 分子链来不及通过内旋转而改变构象, 表现出刚性

未完待续!

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