无定形高聚物(amorphous polymer)又称非晶高聚物。不结晶的高聚物。它是和结晶性高聚物相对而言的一类高聚物。自由基聚合得到的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等是典型的例子。1
简介高聚物根据其分子在空间排列的规整性可分为结晶型和无定形(非结晶)两类。
线型高聚物同时具有上述两种类型。当其内部分子排列规整有序时,称为线型结晶型高聚物,如若分子排列杂乱无规,则称为线型无定形高聚物。
线型高聚物的大分子链是很长的,当高聚物开始固化时,粘度逐渐增加,要使长链间每一部分都作规整有序的排列是非常困难的。所以线型高聚物在通常条件下,都是属于部分结晶或无定形的。
物理状态无定形高聚物在不同温度范匾内,由于大分子运动的程度不同,呈现出三种不同的力学状态:玻璃态,高弹态与粘流态。聚合物的物理状态变化可以通过其热-机械曲线描述,如下图所示。
玻璃态聚合物在过冷温度下活化能很低,不足以克服主链内旋能的位能,也不足以激发起链段的运动。所有分子间的运动和链段的运动都停止了,只有那些较小的运动单元如侧基、支链节能够运动。所以,大分子链不能实现从一种构象到另一种构象的改变,也就是链段运动的松弛时间几乎是无穷大。这时,整个物质为非晶态的固体,力学性能和低分子的玻璃近似,性能很刚硬,也和无机玻璃一样,受外力时变形很小,叫玻璃态。处于玻璃态的线型无定形聚合物受力时的形变符合虎克定律,具有普弹性,即应变与应力成正比,并且瞬间达到平衡。
高弹态当温度升高到玻璃化温度时,大分子的动能逐渐增加,这时分子热运动的能量已经足以克服主链内旋能的位能,链段运动被激发,链段可以通过C—C键的内旋转不断改变构象,不仅各个链节可以自由转动了,甚至包括几个乃至几十个链节的链段都发生了运动。这是因为,温度升高,分子的动能增大了,振动的频率增高了,振幅也增大了。同时,物体发生膨胀,提供了足够大的分子活动的自由体积,这就为实现链段的“扩散”一位移提供了空间。
因此,链段运动是在玻璃化温度以上时大分子运动的形丸链段的运动是基于链的自由旋转,还不是整个大分子的运动。
高聚物不受外力作用时,分子链总是呈蜷曲状。当受到外力作用时,通过分子链单键的内旋转和链段运动改变构象以适应外力的作用,分子链在某种程度上被拉直。一旦外力消失,由于被拉伸的分子链的内旋能和链段运动,分子链又回复到原来的最大蜷曲状。这种受外力后变形很大,外力去除后形变叉可以回复的性质称为高弹性。无定形高聚物处于具有高弹性的状态称为高弹态。高弹态的主要特征是形变率较大,模量值较低,而且外力去除后松弛的时间较长,形变恢复比普通弹性慢。低分子物不存在链段与链段运动的现象,因而也就不具有高弹态与高弹性。
粘弹态如果温度继续升高,当达到Tf时,链段运动的松弛耐问继续减少,整个大分子移动的时间也减少,分子的动能加大到可能实现许多链段同时或相继运动,形成整个大分子链的相对位移,高聚物也就变成为流动的粘稠液体,同低分子液体类似,称为粘流态。由高弹态向粘流态转变的温度Tf叫做粘流化温度。这时,内部的分子运动形式采取整个大分子链的位移,进行方式仍然可能通过一个链段、一个链段地进行。
这时,如果受到外力作用,分子链的重心会位移,发生分子问相互滑动而产生形变。而当外力去除以后,不能恢复原状。形变是不可逆的。如果再冷却到Tf以下,形状就被固定下来,这就是利用高聚物的这种特性对其进行塑造成型。因而Tf的高低有十分重要的意义。2
特点一般来说,分子具有支化、交联、无规立构、无规共聚和带有较大侧基等结构时往往得到无定形高聚物。它们可显示明显的玻璃化转变,并常有较好的光学透明性。严格地说无定形高聚物指在任何条件下都不会结晶的高聚物,在实际中也常把结晶性很低的高聚物算入其中。
本词条内容贡献者为:
张静 - 副教授 - 西南大学