高分子物理(研究高分子物質物理性質的科學)

高分子物理是研究高分子物質物理性質的科學。其研究的主要方向包括高分子形態，高分子機械性能，高分子溶液，高分子結晶等熱力學和統計力學方向的學科，以及高分子擴散等動力學方面的學科。

基本介紹

• 中文名：高分子物理
• 性質：課本
• 內容：有關高分子材料
• 難度：較易

發展歷程

在過去的近一百年中，高分子材料工業取得了突飛猛進的發展。如今高分子材料已經不再是金屬、木、棉、麻、天然橡膠等傳統材料的代用品，而是國民經濟和國防建設中的基礎材料之一。與此同時，高分子科學的三大組成部分——高分子化學、高分子物理和高分子工程也日趨成熟。

高分子物理

研究目標

高分子物理是研究高分子的結構、性能及其相互關係的學科，它與高分子材料的合成、加工、改性、套用等都有非常密切的內在聯繫。因為只有掌握了高分子結構與性能之間的內在聯繫及其規律，才能有的放矢地指導高分子的設計與合成，合理地選擇和改性高分子材料，並正確地加工成型各種高分子製品。高分子物理課程建立在物理化學、高分子化學、固體物理、材料力學等課程的基礎之上，同時又是高分子材料、高分子成型加工等課程的基礎，是高等學校高分子材料科學與工程專業最重要的專業基礎課程之一。

材料

近年來，具有各種特殊功能的高分子材料（包括生物醫用高分子、光電磁功能高分子、高分子分離膜、吸附與分離樹脂、智慧型凝膠等）及其器件的研究與開發得到迅速發展。這正是得益於人們對高分子結構與性能關係的深刻理解，同時也為高分子物理提供了新的內容。但是，鑒於功能高分子的基礎研究還沒有形成比較完整的體系。

結構特點

高分子與低分子的區別在於前者相對分子質量很高，通常將相對分子質量高於約1萬的稱為高分子，相對分子質量低於約1000的稱為低分子。相對分子質量介於高分子和低分子之間的稱為低聚物（又名齊聚物）。一般高聚物的相對分子質量為10^4~10^6，相對分子質量大於這個範圍的又稱為超高相對分子質量聚合物。

高分子化合物的主要結構特點是：

（1） 相對分子質量大，相對分子質量往往存在著分布；

（2） 分子間相互作用力大；分子鏈有柔順性；

（3） 晶態有序性較差，但非晶態卻具有一定的有序性。

高分子的結構是非常複雜的，整個高分子結構是由不同層次所組成的，可分為三個主要結構層次。

由於高分子結構的特點，使高分子具有如下基本性質： 比重小，比強度高，彈性，可塑性，耐磨性，絕緣性，耐腐蝕性，抗射線。

此外，高分子不能氣化，常難溶，粘度大等特性也與結構特點密切相關。

中英文

英文中“高分子”或“高分子化合物”主要有兩個詞，即polymers和Macromolecules。前者又可譯作聚合物或高聚物；後者又可譯作大分子。這兩個詞雖然常混用，但仍有一定區別，前者通常是指有一定重複單元的合成產物，一般不包括天然高分子，而後者指相對分子質量很大的一類化合物，它包括天然和合成高分子，也包括無一定重複單元的複雜大分子。

結晶

形態和結構

聚合物的基本性質主要取決於鏈結構，而高分子材料或製品的使用性能則很大程度上還取決於加工成型過程中形成的聚集態結構。聚集態可分為晶態、非晶態、取向態、液晶態等，晶態與非晶態是高分子最重要的兩種聚集態。

結晶形態主要有球晶、單晶、伸直鏈晶片、纖維狀晶、串晶、樹枝晶等。球晶是其中最常見的一種形態。

結晶形態都是由三種基本結構單元組成，即無規線團的非晶結構、摺疊鏈晶片和伸直鏈晶體。所以結晶形態中都含有非晶部分，是因為高分子結晶都不可能達到100%結晶。

高分子晶體的特徵

⑴、高分子晶體本質上是分子晶體。

⑵、具各向異性。

⑶、無立方晶系。

⑷、晶體結構具有多重性。

⑸、高分子結晶的不完全性。

典型的結晶形態

（a）球晶 （b）單晶 （c）其它結晶形態：樹枝狀晶；纖維狀晶和串晶；柱晶；伸直鏈晶等。

描述晶態結構的模型主要有：

（1）纓狀微束模型，（2）摺疊鏈模型，（3）插線板模型。

摺疊鏈模型適用於解釋單晶的結構，而另兩個模型更適合於解釋快速結晶得到的晶體結構。

描述非晶態的模型

（1）無規線團模型，（2）局部有序模型。

總之模型的不同觀點還在爭論中。對非晶態，爭論焦點是完全無序還是局部有序；對於晶態，焦點是有序的程度，是大量的近鄰有序還是極少近鄰有序。

高分子晶體在七個晶系中只有六個，即不會出現立方晶系（由於高分子結構的複雜性）。常見的是正交晶系（如聚乙烯）和單斜晶系（如聚丙烯），各均占30%。

高分子在晶胞中呈現兩種構象，即平面鋸齒形構象（PZ，以PE為例）和螺旋形構象（H，以PP為例）。通過晶胞參數可以計算完全結晶的密度：

一種高分子可能由於結晶條件不同而產生不同晶胞，稱同質多晶現象。

高聚物的結晶能力與結晶過程

總的來說，影響結構過程的內部因素是聚合物必須具有化學結構的規則性和幾何結構的規整性才能結晶。典型例子如下：

聚乙烯、聚偏氯乙烯、聚異丁烯、聚四氟乙烯、反式聚丁二烯、全同聚丙烯、全同聚苯乙烯等易結晶。無規聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、順式聚丁二烯、乙烯丙烯無規共聚物等不結晶。聚氯乙烯為低結晶度。天然橡膠在高溫下結晶。

此外柔性好和分子間作用力強也是提高結晶能力的因素，前者提高了鏈段向結晶擴散和排列的活動能力，後者使結晶結構穩定，從而利於結晶，典型例子是尼龍（由於強的氫鍵）。

而影響結晶過程的外界因素主要有：

（1）溫度（理解為提供熱能）；

（2）溶劑（提供化學能），稱溶劑誘導結晶；

（3）應力或壓力（提供機械能），稱應力誘導結晶；

（4）雜質（成核或稀釋）。

結晶度

結晶性高聚物與結晶高聚物是兩個不同的概念，有能力結晶的高聚物稱為結晶性高聚物，但由於條件所限（比如淬火），結晶性高聚物可能還不是結晶高聚物，而是非晶高聚物，但在一定條件下它可以形成結晶高聚物。

高分子結晶總是不完全的，因而結晶高分子實際上只是半結晶聚合物（semi-crystalline polymer）。用結晶度來描述這種狀態，其定義是：

結晶度和結晶尺寸均對高聚物的性能有著重要的影響。

（1）力學性能：

結晶使塑膠變脆（衝擊強度下降），但使橡膠的抗張強度提高。

（2）光學性能

結晶使高聚物不透明，因為晶區與非晶區的界面會發生光散射。

減小球晶尺寸到一定程度，不僅提高了強度（減小了晶間缺陷）而且提高了透明性（當尺寸小於光波長時不會產生散射）。

（3）熱性能

結晶使塑膠的使用溫度從 提高到 。

（4）耐溶劑性、滲透性等得到提高，因為結晶分子排列緊密。

淬火或添加成核劑能減小球晶尺寸，而退火用於增加結晶度，提高結晶完善程度和消除內應力。

結晶熱力學

與小分子不同，高分子的結晶熔融發生在一個較寬的溫度範圍，稱“熔限”。但高分子結晶化和晶體熔融仍是一個熱力學相變過程，達到平衡時有：

高聚物的取向態結構

無論結晶或非晶高聚物，在外場作用下（如拉伸力）均可發生取向（orientation），取向程度用取向函式 表示。

高聚物的液晶態結構

高分子液晶（liquid crystal）態是在熔融態或溶液狀態下所形成的有序流體的總稱，這種狀態是介於液態和結晶態的中間狀態。

（1）按分子排列方式分為近晶型、向列型和膽甾型，它們存在一維至二維的有序結構。

（2）按生成方式分為熱致性液晶和溶致性液晶，前者通過加熱在一定溫度範圍內（從Tm到清亮點）得到有序熔體，後者在純物質中不存在液晶相，只有在高於一定濃度的溶液中才能得到。

（3）按介晶元在分子鏈中的位置可分為主鏈型液晶和側鏈型液晶。液晶有特殊的黏度性質，在高濃度下仍有低黏度，利用這種性質進行“液晶紡絲”，不僅極大改善了紡絲工藝，而且其產品具有超高強度和超高模量，最著名的是稱為凱夫拉（kevlar）纖維的芳香尼龍。

高分子側鏈液晶的電光效應還用於顯示。

共混高聚物的織態結構

實際高分子材料常是多組份高分子體系或複合材料，這裡只討論高分子與高分子的混合物，通稱共混高聚物（polyblend or blend），它們是通過物理方法將不同品種高分子摻混在一起的產物，由於共混高聚物與合金有許多相似之處，也被人形象地稱為“高分子合金”。

共混的目的是為了取長補短，改善性能，最典型的用橡膠共混改性塑膠的例子是高抗沖聚苯乙烯和ABS（有共混型或接枝型）。

高分子混合物很難達到分子水平的混合，因為根據熱力學相容的條件。