包装材料学二教案.docx
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包装材料学二教案
包装材料学
(二)
教案
第一章塑料概述
教学基本内容:
介绍塑料包装的特点及其产品,简要回顾高分子材料的基础知识,重点介绍高分子材料的分类和命名。
重点:
1.塑料包装的特点及其产品
2.高聚物的结构与性能的关系
3.高分子材料的分类和命名。
难点:
高聚物的结构与性能的关系
本章节主要教学要求:
学生应了解塑料包装的特点及其产品,重点要掌握高分子材料结构与性能的关系,以及高分子材料的分类和命名。
第一章 概述
第一节塑料包装的特点及其产品
一、塑料的特点
塑料包装材料之所以发展迅速,是由于与其他包装材料相比,塑料有很多优点:
1.质轻、机械性能好
塑料的相对密度一般为0.9~2.0g/cm3,只有钢的1/8~1/4,铝的1/3~2/3,玻璃的1/3~2/3,按材料单位重量计算的强度比较高。
制成同样容积的包装,使用塑料材料将比使用玻璃、金属材料轻得多,这对长途运输将起到节省运输费用、增加实际运输能力的作用。
塑料包装材料在其拉伸强度、刚性、冲击韧性、耐穿刺性等机械性能中,某些强度指标上较之金属、玻璃等包装材料差一些,但较纸材要高得多;且在包装行业中应用的塑料材料,某些特性可以满足包装的不同要求,如塑料良好的抗冲性优于玻璃,能承受挤压;可以制成泡沫塑料,起到缓冲作用,保护易碎物品。
2.适宜的阻隔性与渗透性
选择合适的塑料材料可以制成阻隔性适宜的包装,包括阻气包装、防潮包装、防水包装、保香包装等,用来包装易因氧气、水分作用而氧化变质、发霉腐败的食品等包装材料。
对某些蔬菜水果类生鲜食品,对包装要求有一定的气体和水分的透过性,以满足蔬菜水果的呼吸作用,用塑料制得的保鲜包装能满足上述要求。
3.化学稳定性好
塑料对一般的酸、碱、盐等介质均有良好的抗耐能力,足以抗耐来自被包装物(如食品中的酸性成份、油脂等)和包装外部环境的水、氧气、二氧化碳及各种化学介质的腐蚀,这一点较之金属有很强的优势。
4.光学性能优良
许多塑料包装材料具有良好的透明性,制成包装容器可以清楚地看清内装物,起到良好的展示、促销效果。
5.卫生性良好
纯的聚合物树脂几乎是没有毒性的,可以放心地用于食品包装。
但个别树脂的单体(如聚氯乙烯的单体氯乙烯等)如果在用做食品包装容器时含量过高,超过一定浓度时,容易迁移到被包装的食品中,经食品进入人体后有一定的危害作用,如果在树脂聚合过程中尽量将单体控制在一定数量之下,则可确保其卫生性。
6.良好的加工性能和装饰性
塑料包装制品可以用挤出、注射、吸塑等方法成型,还能很容易地染上美丽的颜色或印刷上装潢图案。
塑料薄膜还可以很方便地在高速自动包装机上自动成型、灌装、热封,生产效率高。
塑料材料虽然有上述优点,但同时也有许多缺点,如强度和硬度不如金属材料高,耐热性和耐寒性比较差,材料容易老化等,这些缺点使得它们的使用范围受到限制。
二、二、 塑料在包装方面的主要应用
1、薄膜
包括单层薄膜、复合薄膜和薄片,这类材料做成的包装也称软包装,主要用于包装食品、药品等。
单层薄膜的用量最大,约占薄膜的2/3,其余的则为复合薄膜及薄片。
制造单膜最主要的塑料品种是低密度聚乙烯,其次是高密度聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等。
薄膜经电晕处理、印刷、裁切、制袋、充填商品、封口等工序来完成商品包装。
有的还需要在封口前,抽成真空或再充入氮气(或二氧化碳),以提高商品的货架寿命。
薄膜经双轴拉伸热定型,制成收缩薄膜,这种膜有较大的内应力,包装商品后迅速加热到接近树脂的粘弹态,则薄膜会产生30%~70%的收缩,把商品包紧。
厚度为0.15~0.4mm的透明塑料薄片,经热成型制成吸塑包装,又称泡罩包装,在包装药片、药丸、食品或其他小商品方面已普遍应用。
2.容器
(1)塑料瓶、桶、罐及软管容器
使用的材料以LDPE、HDPE和PP为主,也有用PVC、PA、PS、PET、PC等树脂的。
这类容器容量可小至几毫升,大至几千升。
耐化学性、气密性及抗冲击性好,自重轻,运输方便,破损率低。
如PET吹塑薄壁瓶,透气性低,能承受压力,已普遍用来盛饮用水、汽水等充气饮料。
(2)杯、盒、盘、箱等容器
以HDPE、LDPE、PP以及PS的发泡或不发泡片材,通过热成型方法制成,用于包装食品。
塑料包装箱的性能比纸箱或木箱好得多,用低发泡钙塑材作包装箱可降低包装商品的成本。
用高密度聚乙烯制成的各种周转箱,比木箱容易清洗、消毒,使用寿命长。
3.防震缓冲包装材料
用PS、LDPE、PU和PVC制成的泡沫塑料。
泡沫塑料按发泡程度和交联与否,分硬质和软质两类;按泡沫结构,分闭孔和开孔两种,密度0.02~0.06g/cm3,具有良好的隔热和防震性,主要用作包装箱内衬。
在两层LDPE薄膜之间充以气泡制成的薄膜,称为气泡塑料薄膜或气垫薄膜,密度为0.008~0.03g/cm3,适用于包装食品、医药品、化妆品和小型精密仪器。
将PS或LDPE在挤出机内通入加压易于汽化的气体,经挤出吹塑而成低发泡薄片,称为泡沫纸,再用热成型方法,可制成食品包装托盘、餐盘、蛋盒及快餐食品包装盒等。
4.密封材料
包括密封剂和瓶盖衬、垫片等,是一类具有粘合性和密封性的液体稠状糊或弹性体,以PU或EVA树脂为主要成分,用作桶、瓶、罐的封口材料。
橡胶或无毒软PVC片材,可作瓶盖、罐盖的密封垫片。
5.带状材料
包括打包带、撕裂膜、胶粘带、绳索等。
塑料打包带是用PP、HDPE或PVC的带坯,经单轴拉伸取向、压花而成宽13~16mm的带,单根抗拉强度在130kg以上,较铁皮或纸质打包带捆扎方便、结实。
PP薄片经单轴拉伸后,大分子沿轴向高度定向,强度增加;横向大分子失去结合力,易撕裂成带状,称撕裂膜,普遍用于捆扎零售商品。
PP经适当单轴拉伸剖成2~3mm宽的扁丝,可织成编织袋,强度高,质轻,耐腐蚀,不霉变,性能超过麻袋及牛皮纸袋,现已广泛用于水泥、化肥等重包装。
胶粘带是一种压敏胶带,将压敏胶涂于薄膜带基或牛皮纸带基上,带的背面有防粘层。
如果用玻璃纤维顺轴向增强胶粘带,可提高拉伸强度,作捆扎材料使用极为方便。
将压敏胶涂于纸质或铝箔彩色标贴背面,俗称不干胶标贴。
热熔胶和乙烯-醋酸乙烯酯树脂乳液是包装箱盒封口的主要胶粘剂,消耗量占包装用胶粘剂的80%以上。
第二节高分子材料基础知识
高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。
根据有机化合物分子量的大小,可将它们分为低分子有机化合物和高分子有机化合物两类。
通常,高分子的分子量在5000以上。
分子量大是高分子化合物最基本的特性。
分子量介于1000至5000之间的物质属于低分子还是高分子,这要由它们的物理机械性能来决定。
一般说来,高分子化合物具有较好的强度和弹性,而低分子化合物则没有。
一、高分子材料的合成
1.单体、聚合度、平均分子量
高分子化合物的分子量虽然很大,但它的化学组成一般并不复杂。
它们都是由一种或几种简单的低分子化合物重复连接而成。
高分子化合物又称为高聚物,物质由低分子化合物到高分子化合物的转变过程,称为聚合。
聚合以前的低分子化合物称为单体。
聚乙烯树脂的聚合可表示如下:
nCH2=CH2→—[—CH2—CH2—]n—
由此可见,高分子化合物是由特定的结构单位多次重复组成的。
其中特定的结构单位,称为链节;特定结构单位的重复个数,称为聚合度。
上例中聚乙烯的链节为-CH2-CH2-,聚合度为n。
高分子化合物中每个链节好象一条长链条里的每一个环节,聚合度即链上环节的数目。
要使同一种高分子化合物的各个分子所含链节数相等是很困难的,因此各个高分子的分子量也就不同,这样高分子化合物都是由许多化学结构组成相同、分子链链节数不等的同系高分子组成的混合物,我们把这称做高分子分子量的多分散性。
高分子化合物的分子量=链节分子量×聚合度
由于每个分子的聚合度不同,因此其分子量常在一定范围内变动因此,高分子化合物的分子量,指的是平均分子量。
平均分子量的大小及分布情况,对于高分子化合物的性质有很大影响,是高分子化合物的一项重要技术指标。
例如,当聚乙烯分子量增加时,它的拉伸强度及刚性增加,但流动性下降。
而对同一分子量的聚乙烯,当分子量的分布范围增加时,它的抗蠕变能力增加,耐低温脆性及耐应力开裂性提高,但它的冲击韧性下降。
因此,在工业生产上需控制分子量的大小及其分布情况以得到预期性能的高聚物。
平均分子量的大小及分布情况决定于制备高聚物的反应机理和反应条件等因素。
可作单体的化合物很多,常见的烯烃单体有乙烯、丙烯、苯乙烯、氯乙烯、四氟乙烯、丙烯腈、丁二烯、异戊二烯、二甲基丁二烯等等。
这些单体都具有双键。
此外,一些复杂的环状化合物和一些含有特殊官能团的化合物也可以作单体。
例如,聚甲醛的单体是三聚甲醛,合成聚碳酸酯的单体是双酚A。
2.聚合反应类型
高聚物是由一种或几种简单化合物聚合而成。
由低分子物质合成为高聚物的基本方法有两个:
加成聚合反应(简称加聚反应)和缩合聚合反应(简称缩聚反应)。
(1)加聚反应
加聚反应的单体一般都是含有双键的有机化合物,例如烯烃和二烯烃等。
高聚物的原子是以共价键相连接的。
共价键就是原子的价电子自旋配对所形成的键,它可以有两类:
一类是σ键,它的电子云分布在键的方向,具有对称性。
σ键比较牢固、稳定。
另一类是π键,它的电子云分布没有对称轴。
π键比较活泼。
因此,高聚物经过光照,加热或用催化剂处理等引发作用,就可以把双键打开,使π键断裂,第一个分子便和第二个分子连结起来,第二个分子又和第三个分子连结,一直连成一条大分子链。
这样的化学作用就象分子和分子一个一个相加起来成为一个大分子,所以称为加聚反应。
例如,乙烯在引发剂的作用下,打开双键,逐个地连接起来便成为聚乙烯。
参加加聚反应的单体可以是一种,也可能是两种或多种。
前者称为均聚,得到的产物是均聚物;后者称为共聚,生成的是共聚物。
共聚物的多种单体的键接形式有以下几种:
①无规共聚AB两种结构单元无规排列;
------ABBBBAAABBBBBABAB-------
② 交替共聚AB两种结构单元有规律地键接;
------ABABABABABABABABAB------
③ 嵌段共聚AB两种不同成分的均聚链段彼此无规键接;
------AAAABBBBBAAAAAABBBBBBAAAAAABBBBBB----
④ 接枝共聚在一种高聚物主链上键接另一种成分的侧链。
加聚反应有以下特点:
a.反应一旦开始,就进行得很快,直到形成最后产物为止,中间不能停留在某阶段上,也得不到中间产物。
b.链节的化学组成和单体的化学组成相同。
c.反应中没有小分子副产物生成。
一般说来,凡是带有双键的有机化合物,原则上都可以发生加聚反应。
加聚反应是目前高分子合成工业的基础,约有80%的高分子材料是由加聚反应得到的,例如聚烯烃塑料、合成橡胶等。
(2)缩聚反应
缩聚反应是由相同或不同的低分子物质聚合,在生成高聚物的同时常有H2O、NH3、卤化氢、醇等低分子物质的析出。
所得到的高聚物,其组成与原料物质的组成不同。
例如,二元酸和二元醇的酯化作用,得到聚酯。
根据所用单体的不同,缩聚反应可分为均缩聚和共缩聚两种。
①均缩聚反应
含有两种或两种以上官能团的一种单体进行的缩聚反应称为均缩聚反应。
例如,氨基酸均缩聚得到聚酰胺。
②共缩聚反应
含有不同官能团的两种(及两种以上)单体进行的缩聚反应称为共缩聚反应。
例如,己二胺和己二酸经共缩聚反应生成尼龙66。
缩聚反应的特点如下:
a.缩聚反应是由若干个聚合反应构成的。
因此它是逐步进行的,也就是缩聚反应可以停留在某阶段上,可以得到中间产物。
b.缩聚产物链节的化学结构和单体的化学结构不完全相同。
c.在缩聚过程中总有小分子副产物析出。
缩聚反应有很大的实用价值,酚醛树脂、环氧树脂、聚酰胺、有机硅树脂以及许多其它塑料等都是用缩聚反应合成的。
通过缩聚反应和加聚反应,可以得到各种品种的高聚物,随着生产的发展人们对材料提出更高的要求,因此还需要通过物理或化学的方法,来提高现有高聚物的综合性能。
这个措施称为高分子化合物的改性。
这是人们在对聚合物研究和加工中经常采用的方法。
二、高分子链的结构和性质
高分子是由原子以共价键相结合而成的很长的长链大分子,它不一定是伸展着的直链,而是具有各种不同的形状。
由高分子链组成的高聚物,它的性质取决于它的化学结构、分子量的大小、链的形状和柔性以及结合力大小等因素。
1.高分子链的组成与形态
按照高分子链的几何形状,可以分成线型和体型两种结构。
前面已提到的聚乙烯就属于线型。
这种结构是由许多链节联成一个长链,其分子直径与长度之比可达1:
1000以上。
这样长而细的结构,如果没有外力拉直,是不可能成为直线状的,因此通常它们蜷曲成不规则的线团状。
有一些高分子化合物的大分子链可以带有一些小的支链,但是这两种都是属于线型结构。
具有线型结构的高分子化合物,它们的物理特性是具有弹性和塑性,在适当的溶剂中可以溶胀或溶解,升高温度时则软化、流动。
如果分子链和分子链之间有许多链节相互交联起来,成为立体结构,则称为体型结构。
体型结构的高分子的形成是按三维空间进行的,象一张不规则的网,因此也称为网状结构。
具有体型结构的高分子化合物,主要特点是无弹性和塑性,脆性大,不溶于任何溶剂(有的会有一些溶胀),分解温度低于熔化温度,因此也不能熔融。
如果将高分子的结构再分的细一些,除了线型和体型大分子外,还有支链大分子、星型高分子、接枝共聚高分子、梯形高分子等,
一个高分子通常含不同的取代基。
根据取代基所处位置的不同,高分子又有不同的立体构型。
如乙烯类高分子链常有以下三种构型(见图2-2):
a、a、 全同立构取代基R全部处于主链的一侧。
b、b、 间同立构取代基R相间地分布在主链的二侧。
c、c、 无规立构取代基R在主链两侧作不规则的分布。
立体构型的不同对高分子化合物的物理、机械性能影响很大。
例如,无规立构的PS由于结构规整性差而不能结晶,耐热性较差,80℃即开始软化,但是它的透明性好,易于加工应用比较广泛。
全同立构的PS,结构规整,结晶度高,熔点高,综合性能较好,目前正在推广使用。
2.高分子间的作用力
(1)化学键力
高聚物的大分子中各原子是由共价键结合起来的,称之为主价键。
分子中两原子核间的位置决定了主价键的键长,分子形成能和离解能就是主价键的键能。
键长和键能对高聚物的性能,特别是熔点、强度有着重要影响。
表2-2为几种常见的共价键的键能。
一切物质的分子间都存在着相互作用力,虽然分子间力比分子内原子间化学键力要小得多,一般只有化学键力的十分之一到百分之一,但是分子间的作用力对物质的性能(熔点、沸点、气化热、熔融热、溶解度、粘度等)有着很大影响。
尽管物质分子中正、负电荷的总值是相等呈中性,但由于正负电荷的分布中心不一定重合,就有极性、非极性之分。
(2)次价力
分子之间的作用力主要有范德华力和氢键。
范德华力是存在于分子间或分子内的非键结合的力,它是一种相互吸引的作用力,包括静电力、诱导力和色散力。
静电力是极性分子间的相互作用力,是由极性分子永久偶极之间的静电作用所引起的;当极性分子与非极性分子相互作用时,非极性分子中产生了诱导偶极,这种诱导偶极与极性分子因有偶极间的作用称为诱导力,诱导力的作用通常比较小;色散力存在于一切分子之中,对非极性分子更为重要,在一般的非极性高聚物中,可占分子间相互作用力总值的80~100%。
色散力的产生是因为分子中某些电子的运动与原子核间发生了瞬时的相对位移,使分子具有瞬时偶极矩,因而导致分子间引力的产生。
氢键是氢原子在分子中与一个原子A键合时,还能形成与另一个原子B的附加键。
氢键的产生主要是由于氢与A原子形成共价键时,共有电子对向A原子强烈偏离。
这样氢原子几乎变成一个半径很小的带正电荷的核,因此这个氢原子还可以和B原子相吸引形成这个附加键,如若A、B均是负电性很强的原子(如F、O、N等原子)则能形成极性很强的氢健。
上述这些分子间的作用力都是一些物理吸引力,称为次价力。
它与发生化学作用而结合的力(主价键力)相比较要小得多。
次价力虽小,但在高分子中却起相当大的作用。
因为组成聚合物的分子非常大,若大分子链上每个结构单元产生的次价力等于一个单体分子的次价力,则10~100个结构单元连成的大分子,其全部次价力就等于甚至大于其主链键力的主价力了。
通常聚合物的聚合度高达几千到几万,因此高分子的次价力常常超过主价力。
所以在聚合物拉伸时,常常是先发生分子链断裂,而不是先发生分子链之间的滑脱。
(3)分子间作用力对聚合物性能影响
高分子间的作用力影响聚合物的许多物理和化学性能。
1① 极性较小的碳氢化合物,由于分子间力小(聚乙烯、聚异戊二烯等)有良好柔性。
②如果在分子链上没有大的侧基,运动就比较自由,显示出较好的弹性。
③带有极性基团则分子间力大,如果又有大的侧基,影响了链的运动,因
此就具有一定的硬度和强度。
④如果带有强极性基团则分子间力更大(如氢键),再加上分子结构比较规整,就使这样的聚合物具有很高的强度和其它力学性能。
目前应用很广的尼龙就是这一类的高聚物。
三、聚集态结构与性质
高聚物在组成与结构上都与低分子化合物有很大差异,所以它具有许多与低分子化合物不同的特殊性质。
这些性质与高聚物的聚集态结构有着密切的关系。
按照大分子排列是否有序,高聚物可分为结晶型与无定形两类。
结晶聚合物分子排列规整有序;无定形聚合物分子排列杂乱不规则。
1.结晶聚合物的结构
高聚物的结晶作用,只发生在线型高聚物或支链型高聚物和含交联键不多的网状高聚物内。
结晶聚合物由“晶区”(分子作有规则紧密排列的区域)和“非晶区”(分子处于无序状态的区域)所组成,晶区所占的重量百分数,称为结晶度。
例如低压聚乙烯在室温时的结晶度约为85~95%。
高聚物的结晶性与它的结构有如下的关系:
(1)高聚物的化学结构越简单,就越容易结晶。
例如聚乙烯和聚氯乙烯相比,聚乙烯的化学结构较为简单,因此它的结晶性较聚氯乙烯(有取代基Cl)为好。
(2)如果在主链上带有侧基,侧基体积小、对称性高,就容易形成结晶。
例如聚四氟乙烯是一种典型的结晶聚合物,因为C—F键的键能高,又是对称分布。
(3)在主链上带有庞大的侧基,或对称性差,就不容易结晶;例如聚苯乙烯的侧基是苯环,体积大,又不对称,因此结晶性很差。
又例如,聚甲基丙烯酸甲酯的侧基对称性低,结晶性也很差。
除非在特殊条件下,例如拉伸这一类高聚物,才能使它们的大分子出现一定程度有顺序的排列,即出现一些晶区。
(4)分子链间的作用力的大小,对结晶性也有很大影响。
分子间力大,使分子链相互之间容易接近,有利于结晶的形成。
例如,聚酰胺的结构并不对称,也不简单,它却是一个典型的结晶聚合物。
这是由于它的分子中存在很多的氢键,使分子间的作用力大大增加,因此它的结晶性很强。
(5)两种或两种以上的单体组成的无规共聚物,由于其组成不均一,一般难于结晶,如在乙烯中引入少量丙烯进行共聚,则大大地破坏了乙烯的结晶性。
对同一种聚合物来说,结晶度的大小对聚合物的机械性能有着重大影响。
结晶性还与分子链中的化学键、分子链间引力、分子链的柔顺性等因素有关。
结晶使大分子呈现规整有序的排列。
结晶度愈大,晶区范围愈大,分子间的作用力愈强,因此强度、硬度、刚度愈高(熔点愈高、耐热性和耐化学性愈好),而与链运动有关的性能如弹性、伸长率、冲击强度等则降低。
2.无定形聚合物的结构
无定形聚合物的结构过去一直认为其大分子排列是杂乱无章的,相互穿插交缠的。
近来研究发现,无定形聚合物的结构只是大距离范围内无序,小距离范围内是有序的,即远程无序,近程有序。
3.聚合物的取向态结构
高聚物在成型加工和使用时,在外力的作用下,高分子链会发生取向,即高分子链沿外力作用的方向排列。
取向后的高聚物在力学性能、热性能和光学性能等方面都与未取向时有很大不同。
正确地利用取向,可以提高高聚物的使用性能。
非晶态高聚物的取向是分子取向。
即分子链或链段沿作用力方向占优势排列。
如图2-4(a)、(b)。
结晶高聚物的取向可分为非晶区中的分子取向和晶区中的晶粒取向两部分。
在外力作用下,首先发生的是非晶区中的分子取向,然后是晶区中的晶粒取向,原有的晶体被破坏,而沿外力作用的方向重新形成新的晶态取向结构。
分子取向分力单轴取向和双轴取向。
单轴取向是在单向拉伸或单向流动的情况下形成的,分子链或链段倾向于沿作用力方向排列,如图2-4(a)。
单轴取向的薄膜和纤维平行于轴向和垂直于轴向的性能各异。
双轴取向是沿互相垂直的两个方向对薄膜(或薄片)进行拉伸,薄膜(或薄片)的厚度减小,面积增大,高分子链或链段趋向于与薄膜的平面平行地排列,但在该平面内的方向是无规律的,如图2-4(b)。
取向态在热力学上是一个不平衡体系。
分子的热运动总是要求处于紊乱无序的状态,所以非晶态高聚物的取向态在外力除去后,或在Tg温度以上时会发生解取向。
取向快的,解取向也快,收缩薄膜就是利用高聚物具有解取向的特点而成为特种功能的包装材料。
和非晶态高聚物不同,结晶高聚物的取向态比较稳定。
这是因为只有在熔点以上才能破坏原有的晶相结构使之解取向。
高聚物经取向后,力学性能各向异性,沿取向方向的机械强度增加。
如单轴拉伸薄膜在拉伸方向上的抗拉强度要大于垂直于拉伸方向的抗拉强度,这是因为与取向轴方向平行的应力σ∥作用在高分子链的化学键上,与取向轴垂直的应力σ⊥作用于高分子链间。
高分子链间的范德华力小于化学键力,故σ∥>σ⊥。
双轴拉伸后的薄膜(或薄片)在取向轴方向上都具有单轴取向的优点,与未取向高聚物相比,在抗拉强度和抗冲强度方面都有明显的提高。
四、高分子材料的柔顺性
1.高分子链节的柔顺性
高分子化合物具有大分子链,这是它与低分子化合物的主要区别。
它的另一特点,就是大分子链一般并不是伸直的,而是呈卷曲状态的,而且其形态可以随外界条件和环境的变化而变化。
高分子链卷曲的原因与单键的内旋有关。
在大多数的高分子主链中,都存在着许多的单键,例如聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯等,主链完全由C—C单键组成,在聚丁二烯和聚异戊二烯的主链中也有四分之三是单键。
单键是由σ电子组成,电子云分布是轴性对称的,因此高分子在运动时C—C单键可以绕轴旋转,称为内旋转。
当碳键上不带有任何其它原子或基团的时候,C—C键的内旋转应该是完全自由的,就是说在旋转过程中没有位阻效应。
当然各个键之间的键角将保持不变。
C—C键的键角为109º28′,如图2-5所示。
如果将高分子链中第一个碳—碳键(σ1)固定在Z轴上,则第二个碳—碳键(σ2)只要保持键角不变,可以有很多位置。
即由于σ1的内旋转(自转),带动σ2跟着旋转(公转),σ2的轨迹将形成一个圆锥面,以致σ3可以出现在圆锥体底面圆周的任何位置上。
当σl键和σ2键的位置固定以后,由于σ2的自旋又会带动σ3绕σ2公转,形成另一个圆锥,使σ4出现在另一个圆周的任何一个位置上。
当σ2键和σ3键同时内旋转时,σ4活动的余地就更大了。
一个高分子链中有许多单键,每个单键都能内旋转,因此很容易想象,高分子在空间的形态可以有无穷多个。
一个大分子链有许多个C—C键,因而使大分子的形状具有无数的可能性;同时,大分子的末端距也是无数的,每一瞬间都不相同。
这样,分子的形态和末端距的大小,随时都在不断地变化。
我们把由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为构象。
把大分子链的这个特性称为高分子材料的柔顺性。
由于热运动,分子的构象在时刻改变着,因此高分子链的构象是统计性的。
由统计规律可知,分子链呈伸直构象的几率是极小的,
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