差不多。
例2-35讨论尼龙n结晶的熔点随n如何变化?其他还有主要的性质发生变化吗?
解:n增大,相当于稀释了尼龙的分子间氢键,从而降低了熔点。n增大到无穷大,就是线型聚乙烯了,分子无极性,分子间作用力仅是范德华力,此时熔点仅为135℃。表2-5列出尼龙n随n发生的一些性质的变化。
表2-5 尼龙n随n发生的一些性质的变化
?/g.cm-3 n Tm/℃ 抗张强度/psi 24h吸水率/% 6
11 12
?(即PE)
216 185 177 135
1.14 1.04 1.02 0.97
12,000 8,000 7,500 5,500
1.7 0.3 0.25 0
例2-36 预计由以下单体聚合而成的全同立构聚合物哪一个Tm较高. H2CCHCH3H2CCHOO
解: 的Tm大于 CH2CHOnCH2CHOn CH3
因为前者刚性大,ΔS较小,Tm较高。
例2-37 (1)一种半结晶的均聚物经精细测定发现有两个相差不远的Tg,这是什么原因? (2)PE单晶精细测定发现有三个很接近的Tm,这可能是什么原因? 解:(1)一个较低的Tg是纯非晶部分产生的,另一个较高的Tg是受邻近晶体限制的非晶部分产生的,后者随结晶度增大而升高。
(2)可能分别对应于折叠链结晶、晶区缺陷和与非晶部分相连的链或链端等。
*例2-38 柔性的高分子,结晶的融化伴随着构象的变化,例如有n?1个链相连的高分子链,各键(不考虑链两端的键)处于自由状态时有ν个等能量的回转状态。假设结晶中分子完全平行取向,在熔融时分子链完全处于自由状态,问融化时伴随的熵变?
解:自由状态时分子的构象分配系数Z结晶中熵Sc?0,熔体中Sl?S
??n ∴S?nln?
所以熔融时的熵变?S?Sl?Sc?S?nln?
即一个键增加熵变ln?,链的柔软性随?S增大而增大,但熔点却倾向降低。
例2-39均聚物A的熔点为200℃,其熔融热为8368J/mol重复单元,如果在结晶的AB无规共聚物中,单体B不能进入晶格,试预计含单体B10%mol分数的AB无规共聚物的熔点。 解:杂质使熔点降低的关系是
11R?0??XB TmTm?Hu XB——杂质的mol分数
单体B 10%,可见为杂质,∴XB?0.1
0∵纯单体A的熔点Tm?473?K
?Hu?8368Jmol重复单元 R?8.314JK?mol
11??451.8?K
1R18.314??XB??0.104738368Tm?Hu讨论:如果用ln?1?XB?代入也可,得450.8?K
∴Tm?
例2-40 如果在上题中的均聚物A中分别引入10.0%体积分数的增塑剂,假定这两种增塑剂的x1值分别为0.200和-0.200,Vu?V1,试计算这两种情况下高聚物的熔点,并与上题结果比较,讨论共聚和增塑对熔点影响的大小,以及不同增塑剂降低聚合物熔点的效应大小。 解:增塑剂使熔点降低的关系是
11RVu?0???1??1?12 TmTm?HuV1稀释剂的体积分数?1?0.1
1Tm?
1R2???1??1?1?0Tm?Hu1 ?
18.314?0.1??10.124738638当?1?0.2时,Tm?452.3?K 当?1??0.2时,Tm?451.5?K
????可见良溶剂(相容性好的增塑剂)比不良溶剂使高聚物Tm降低的效应更大。 共聚作用在降低Tm的效应方面比增塑更有效。
例2-41 实验表明,共聚物的熔点(Tm)与组分的重量分数(Wi)之间有下列关系:
00(A)Tm?Tm1W1?Tm2W200W1?W2?1,纯组成Tm1?Tm2;
(B)1W1W2?0?0TmTmTm21 试画出Tm1与W1关系的示意图,并指出在怎样的条件下, 共聚物的熔点(Tm)与W1的关系符合上述两种关系之一.
解:Tm共聚物组分1的重量W1有如图2-9的关系图。
Tm 0Tm1 A B 0Tm2
图2-9 (A)两种单体均能形成结晶均聚物;(B)两种单体相互破坏共聚物的规整性
例2-42聚对苯二甲酸乙二酯的平衡熔点T0m?280℃,熔融热?Hu?26.9千焦/摩尔重复单元,试预计相对分子质量从10,000增大到20,000时,熔点将升高多少度? 解:
11R2T?0?? mTm?HuPnM0?192, P10000n1?192?52.08 P20000n2?192?104.17Tm1?549.4?K (对M1=10000) Tm2?551.2?K (对M2=20000)
∴熔点升高1.8°。
例2-43 一个线形聚合物从熔体结晶,结晶温度Tc的范围从270?K到330?K,每个样品用DSC测定其熔点结果如下:
Tc??K? 270 280 290 300 310 320 330 Tm??K?
300.0
306.5
312.5
319.0
325.0
331.0
337.5
用图解法计算其平衡熔点T0m
解:以Tm~Tc作图,并外推到与Tm=Tc直线的交点为平衡熔点,
T0m?350?K
例2-44 根据下表列出的聚乙烯晶片厚度和熔点的实验数据,试求晶片厚度趋于无限大时的熔点T0m。如果聚乙烯结晶的单位体积熔融热为Δh=280焦耳/厘米3,问表面能是多少?
l(nm) 28.2 29.2 30.9 32.3 33.9 34.5 35.1 36.5 39.87 44.3 Tm(℃) 131.5
131.9 132.2 132.7 134.1 133.7 134.4 134.3 135.5 136.5
解:T0e?m?Tm???1?2?l?h??
以Tm对1l作图,外推到1l?0,
从截距可得到T0m?145℃
从斜率可求?e?1.28?10?5Jcm2
48.3
136.7
例2-45简要回答如何设计高Tm的高分子?
解:?Hm大,?Sm小。即分子间作用力大,刚性大的高分子,。
2.1.7 结晶速度与结晶动力学
例2-46 已知全同立构聚丙烯的Tg=-10℃,Tm=176℃,试作出-20—180℃聚丙烯结晶速度曲线示意图. 解:
Tg=-10℃ Tm=176℃ Tmax=~100℃
~100 176 -10
图2-10 全同立构聚丙烯的结晶速度曲线示意图
例2-47 为获得高结晶度的聚甲醛试样,要在适当的温度下对试样进行退火处理,试从其熔点和玻璃化温度值出发估算此最佳结晶温度。 解:查聚甲醛 Tm=180℃ (453?K) Tg=-83℃ (190?K) Tcmax?0.63Tm?0.37Tg?18.5
?0.63?453?0.37?190?18.5 ?337?K (64℃)
例2-48 已知聚乙烯、聚偏氯乙烯,全同聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化温度分别为-80℃,-18℃和45℃,其熔点分别为141℃、198℃和160℃,试用经验方法估算: (1)它们最大结晶速度时的温度Tc max;
(2)找出Tc max/Tm比例的经验规律. 解:
PE
PVDC(聚偏氯乙烯)
iPMMA
Tg/℃ -80 -18 45
Tm/℃ 141 198 160
Tcmax/℃ 314 373 372
Tcmax/ Tm 0.76 0.79 0.86
基本符合经验规律:TcmaxTm?0.8~0.85
例2-49 有一聚合物的两个样品,用示差扫描量热法(DSC)测得其比热—温度如图2-11,标出各( )处的物理意义,并说明从此图可以得到关于该聚合物结构的哪些结论?
图2-11某聚合物的两个样品的DSC谱图
解:(a)Tg (b)Tc (c)Tm (d)Tg (e)Tm
实线为淬火样品(非晶态);虚线为退火样品(已结晶)。这一种结晶性聚合物,例如PET。
例2-50将PET(商品名为Mylar或Dacron)从300℃(状态1)快速冷却到室温。产生的材料是刚性的和完全透明的(状态2)。然后将此试样加入至100℃(状态3)并维持在此温度,在此期间它逐渐变为不透明(状态4),接着冷却到室温又发现变硬,此时是不透明而不是透明体(状态5)。该聚合物的Tm=267℃,Tg=69℃。画出比容对温度的曲线草图,在图
上标出Tm和Tg,以及上述状态1到状态5所在的位置。
解:如图2-12所示,虚线代表快速冷却时得到的亚稳非晶态(状态2),在Tg到Tm之间退火会结晶化(状态3变化到状态4)。
图2-12 PET的比容对温度的曲线
2.2聚合物的取向态、液晶态和共混高分子的相态结构
例2-51区别晶态与取向态。 解:小分子晶体结晶完全,称为晶相。高聚物由于相对分子质量大,体系黏度大,活动迟缓,虽然某些高聚物可以结晶,但结晶很不完善,总是晶区伴随着非晶区,这种晶区与非晶区共存的宏观聚集态叫晶态。高聚物在外力作用下大分子链或链段沿外力方向有序排列,这样的聚集态为取向态,通常为单轴取向和双轴取向。如纤维是单轴取向,薄膜一般为双轴取向。
结晶和取向不同。结晶是分子链紧密堆积、体系能量最低的热力学稳定体系,晶体中分子间排列为三维有序;取向是熵减少的非稳定体系,一般只有一维或二维有序。
例2-52.何谓高聚物的取向?为什么有的材料(如纤维)进行单轴取向,有的材料(如薄膜),