聚合物的结构与性能

(1)聚合物的结构

研究聚合物结构的根本目的在于了解聚合物的结构与性质的关系,以便正确地选择和使用聚合物材料,更好地掌握聚合物及其复合材料的成型工艺条件。通过各种途径改变聚合物结构,有效地改进其性能,设计与合成指定性能的聚合物。聚合物的结构有以下主要特点。

① 聚合物的分子链由很大数目(10 ~10 数量级)的结构单元组成,每个结构单元相当于一个小分子。一条长链主要由两价结构基团连接而成,也可以由三价或四价基团连成。这些结构单元可以是相同的(均聚物),也可以是不同的(共聚物),它们通过共价键连成不同的结构,如线型的、支链的或网状的结构。

② 链长有限的聚合物分子含有官能团或端基,其中端基不是重复结构单元的一部分,它们与其他可反应端基团的反应及反应后的性能是非常重要的,即使在聚合物间存在程度很小的交联,也将对其物理、力学性能产生很大的影响。

③ 聚合物分子之间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理、力学性能有密切的关系。一般聚合物的主链都有一定的内旋转自由度,使大分子具有无数的构象,具有柔性。如果组成聚合物分子链的化学键不能内旋转,或结构单元间有强烈的相互作用,则形成刚性链,使高分子链具有一定的构象和构型。

综上所述,聚合物分子链结构,指的是单个聚合物分子的化学结构和立体结构,包括重复单元的本性、端基的本性、可能的支化和交联与结构顺序中缺陷的本性,以及高分子的大小和形态。聚合物分子聚集态结构指的是聚合物材料本体内部结构,包括晶态结构、非晶态结构、取向结构和组织态结构等。

(2)聚合物的性能

① 聚合物的力学性能。当人们应用聚合物基复合材料时,常常是使用它的力学性能。当然复合材料制件在实际使用中总会受到整个环境的影响,而不是仅仅受力这一因素的影响,因此还必须了解使用的时间、温度、环境等,同时考虑“温度-时间-环境-载荷”几方面因素的作用,才能真实反映材料的性能指标。聚合物的力学性能与复合材料的力学性能无疑有着密切的关系,但是,由于种种因素的影响,一般复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能并不高。决定聚合物强度的主要是分子内及分子间的作用力,聚合物材料破坏,无非是聚合物主链上化学键的断裂或是聚合物分子链间相互作用力的破坏。因此从构成聚合物分子链的化学键的强度和分子间相互作用力的强度,可以估算聚合物材料的理论强度,Morse、Fox及Martin等提出来计算公式,在此不详细介绍。

热塑性树脂与热固性树脂在分子结构上的显著差别就是前者是线型结构而后者为体型网状结构。由于分子结构上的差别,使热塑性树脂在力学性能上具有如下几个显著特点:①具有明显的力学松弛现象;②在外力作用下,形变较大,当应力应变速度不太大时,可具有相当大的断裂延伸率;③抗冲击性能较好。

② 聚合物的耐热性能。

A.聚合物的结构与耐热性。

从聚合物结构上分析,为改善材料耐热性能,聚合物需具有刚性分子链、结晶性或交联结构。

为提高耐热性,首先是选用产生交联结构的聚合物,如聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等。此外,工艺条件的选择会影响聚合物的交联密度,因而也影响耐热性。提高耐热性的第二个途径是增加高分子链的刚性。因此在高分子链中减少单键,引进共价双键、叁键或环状结构(包括脂环、芳环或杂环等),对提高聚合物的耐热性很有效果。

最后应当指出,结构规整的聚合物以及那些分子间相互作用的聚合物均具有较大的结晶能力,结晶聚合物的熔融温度大大高于相应的非结晶的聚合物。

B.聚合物的热稳定性。

聚合物的热稳定性也是一种度量耐热性能的指标。在高温下加热聚合物可以引起两类反应,即降解和交联。降解指聚合物主链的断裂,它导致相对分子质量下降,使材料的物理、力学性能变坏。交联是指某些聚合物交联使聚合物变硬、发脆,使物理、力学性能变坏。

C.聚合物的耐腐蚀性能。

③ 聚合物的介电性能。聚合物作为一种有机材料,具有良好的电绝缘性能。一般来讲,树脂大分子的极性越大,则介电常数也越大、电阻率也越小、击穿电压也越小、介质损耗角越大,材料的介电性就越差。

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