高分子物理是一门研究聚合物分子结构与性质之间关系的科学,其核心内容包括聚合物的链结构和聚集态结构,其中链结构又分为近程结构和远程结构,而聚集态结构则包含了晶态、非晶态、取向态、液晶态和织态等不同形态。
在高分子的链结构中,近程结构主要涉及分子的构造与构型。构造是指分子链中原子种类和排列、取代基和端基的种类、单体单元的排列顺序、支链的类型和长度等,而构型则是指原子取代基在空间的几何排列。例如,聚异戊二稀就存在多种构型,包括全同立构、间同立构和无规立构等。不同的聚合方式(如头-尾键接)会导致不同的构型产生,从而影响材料的物理和化学性质。
远程结构则关注分子的大小与形态、链的柔顺性以及分子在各种环境中的构象。构象的变化通常通过分子链内部单键的旋转来实现,这种旋转不会改变化学结构,却能极大地影响聚合物的物理性质,例如柔顺性和结晶能力。
对于聚集态结构,其包括了晶态、非晶态、取向态、液晶态和织态等不同的堆砌形式。晶态结构指的是高分子以有序的晶体形式存在;非晶态结构则是指分子链排列无序的结构;取向态结构是指分子链在一定方向上有序排列;液晶态结构是介于晶态和非晶态之间的一种流动有序的状态;织态结构则是更高层次的有序排列结构。
此外,聚乙烯链在特定条件下可以看作是自由旋转链,并且可以应用高斯链模型来描述其末端距。高斯链模型假设链的柔顺性是由高斯分布描述的,即链段的末端距符合高斯分布。
在高分子物理的练习题中,对于高分子的构型和构象,两者是有明确区分的。构型是指分子中由化学键固定的原子在空间的几何排列,而构象是指分子由于单键旋转而产生的不同空间形态。因此,构型属于一级结构,而构象属于二级结构。
等规聚丙烯晶体中的螺旋链属于构象范畴,因为它是由单键内旋转产生的,且能够在热循环中可逆地改变,而不改变构型。对于规整度不高的聚丙烯,通过单键内旋转来改变构象并不能提高其规整度,因为规整度是由构型决定的。要改变规整度,需要通过化学键的断裂和重组来实现。
高分子链的柔顺性可通过末端距和分子量的比值来评估,分子量越大,链越柔顺。通过特定的数学关系可以计算出分子量分布指数,以及不同分子量分布情况下的均方末端距。
在实际应用中,如需处理含有不同分子量组分的聚合物试样,可通过数学方法计算出不同分子量组分的质量平均分子量(Mw)和数平均分子量(Mn),进而求得分子量分布指数PDI。这个指数能反映聚合物的分子量分布情况,对于理解材料的加工特性和性能具有重要意义。