聚合物物理学教案（完全版）

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1、什么是物理?按亚里士多德的定义：“物理是运动着的物质与物质的运动”。那么高分子物理就是运动着的高分子物质与高分子物质的运动，更确切一些，就是高分子物质的结构、结构演变与各层次结构单元的运动。为什么在学习过普通物理之后还要学习高分子物理？高分子物理有什么特殊之处？我们说，高分子的特殊之处在于高分子物质结构的特殊性，以及结构所带来的运动的特殊性。特殊性何在？高分子一词不可顾名思义，高分子物质结构的特殊性不在其分子量高，而在其特殊的长链状结构。原子或者小分子可视作球状粒子，即使不是球状，偏离程度也不大

2、，作为球状粒子处理也不会产生太大的误差。高分子物质则不然。高分子只能看作是一连串珠子串成的长链，每串珠子的数目少则数百，多则数百万，几何形状严重不对称。且每个珠子各有运动方式，不仅是简单的平动与转动。正是这一特殊性使高分子物理显著不同于传统的普通物理。长链结构是这种特殊性的根源。长链在空间可取任意形状，且不断变化，但由于熵的作用，出现几率最多的形状是无规线团。在外力作用下，形状会发生改变，但一旦外力消失，高分子链会自动回到线团形状。这样高分子链就表现出一种弹性，称为熵弹性。高分子的运动过程中熵弹

3、性无处不在，我们可将其戏称为高分子物理第一定律：熵弹性定律。除了在极稀的溶液中，这些线团都是相互缠结在一起的。相互缠绕，穿透，这种现象称为缠结。缠结影响着高分子的几乎全部运动，我们可戏称为高分子物理第二定律：缠结定律。由于长链间相互缠结，分子链只能像蛇穿行于草丛一样沿自身的轮廓线运动，加上分子链间巨大的分子间力，高分子链的运动往往表现出强烈的时间依赖性，即对外界刺激的响应很难是瞬时的，会表现出显著的时间延迟。这种性质称为松弛。高分子物质几乎一切运动过程都是松弛过程。我们可戏称为高分子物理第三定律

4、。这三个定律是高分子物理中最基本的三个运动规律，也是本书介绍高分子物理的主线。本书的目的，就是试图阐明由于结构特殊性导致的运动特殊性，掌握了这些特殊性，就为高分子材料的设计、开发、加工奠定理论基础。也是高分子材料结构与性能关系的基础。高分子材料的性质与性能不仅由其化学组成决定，而且在很大程度上由原子的相对位置，即所谓结构所决定，高分子物理就成为高分子材料结构与性能之间的桥梁。由于这个原因，人们把高分子材料的结构与性能关系也视作高分子物理科学的一部分重要研究内容。这样做有鲜明的实际意义，但容易给人

5、一种误解，即把结构与性能关系当作了高分子物理的主要研究内容，甚至把结构与性能关系当作了高分子物理本身。这样的理解就有失于本末倒置了。在高分子物理这门科学中，结构、结构的转变、结构单元的运动规律是核心与基础，结构与性能的关系则是基本概念的应用。作为结语，我们引用卢瑟福的一句名言：“科学有两类，一类是物理，另一类是集邮”。在高分子物理这个科学领域中，结构、转变与运动是物理，而结构与性能关系则是集邮。这个本与末的关系是读者在学习过程中应当注意的。第一单元聚合物化学结构1.1引言历史的长河流过了石器时代

6、，流过了青铜时代和铁器时代，终于在二十世纪的门口进入了五光十色的高分子时代。尽管高分子材料作为“时代”姗姗来迟，却已在不知不觉中伴随人类走过了几千年的路程。蚕丝、棉、麻等高分子材料早在公元前就进入了人类的生活，而材料骄子—橡胶的“发现”，更为人类自觉开发和使用高分子材料开启了大门。虽然哥伦布从美洲带回欧洲的只是一时被认为没有使用价值的原胶，但从这些既能流动又具弹性的奇特物质中已经透露出材料新世纪的曙光。1839年，Goodyear发现与硫磺共同加热时，原胶就会变成一种从未见过的高弹性材料，这就是

7、我们今天仍在使用的汽车轮胎材料。在此笔者无意为高分子材料撰写编年史，但橡胶硫化的发现无疑是高分子材料现代史上的第一个里程碑。从那时起到二十世纪初，高分子新材料不断涌现，部分来自天然材料的改性，部分则完全出自人工合成。高分子材料为人类带来了新的享受，但却给科学家们增添了新的苦恼。硫磺与原胶共热的过程中究竟发生了什么？液态的苯乙烯转变为固态的聚苯乙烯的过程究竟是什么过程？苯酚与甲醛怎样结合就成为了酚醛树脂？在此问题面前科学家们百思不得其解，发展了数百年的物理学和化学在这类新材料面前显得那样地苍白无力

8、。一个似是而非的解释为当时的学术界普遍接受，那就是胶体学说，即由小分子的凝聚形成了我们面前的高分子物质。由于胶体学说不能自圆其说，有心的科学家仍不断地在探究高分子物质的本原。1920年，德国的Staudinger发表了题名“论聚合”的论文，提出高分子乃是由共价键相连的长链分子。一门新的科学—高分子科学从此诞生，以此为标志，人类进入理性地开发应用高分子材料的时期。”高分子(macromolecule)”一词至此才真正诞生。我们在前面提前使用了这个词，但只有讲到这里，高分子的概念才被“正名”。也正是