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高分子物理(第二版)(国家精品课程“高分子物理”主讲教材、高分子材料与工程专业系列教材)
本教材主要讲述高分子的物理,即研究抽象高分子的物理。所有高分子都可以抽象成一般高分子,高分子的运动规律代表了所有分子的一般规律,这就是高分子物理这门学科的意义所在。本书主要包括化学结构、单链、溶液、橡胶态、玻璃态与玻璃化转变、半晶态、取向态、线性黏弹性、流变学、运动学、电学性质。
本书是一本有深度的高分子物理教程。一般内容适合大学本科教材,深度内容可供研究生学习参考,也能为业内人士的知识深化提供帮助。
励杭泉北京化工大学教授,博导。主要研究领域:浓乳液聚合、树脂基复合材料、高分子材料的制备与改性。是《材料导论(第二版)》和高分子物理主编。
第1 章 化学结构……………………………………………………………………………………………… 1
1.. 1 组成与构造 …………………………………………………………………………………………… 2 1.. 2 构型……………………………………………………………………………………………………… 5 1.. 3 平均相对分子质量…………………………………………………………………………………… 9 1.. 4 相对分子质量分布 ………………………………………………………………………………… 12 1.. 5 化学结构与物理状态 ……………………………………………………………………………… 16 思考题 ………………………………………………………………………………………………………… 18 参考文献……………………………………………………………………………………………………… 18 第2 章 单链…………………………………………………………………………………………………… 19 2.. 1 构象与柔性…………………………………………………………………………………………… 19 2.. 2 理想链 ………………………………………………………………………………………………… 23 2.. 2.. 1 理想链的尺寸 ……………………………………………………………………………………… 23 2.. 2.. 2 蠕虫状链 …………………………………………………………………………………………… 27 2.. 2.. 3 持续长度与 Kuhn 长度 …………………………………………………………………………… 31 2.. 2.. 4 末端距分布 ………………………………………………………………………………………… 33 2.. 2.. 5 理想链的拉伸 ……………………………………………………………………………………… 36 2.. 3 真实链 ………………………………………………………………………………………………… 38 2.. 3.. 1 排除体积 …………………………………………………………………………………………… 38 2.. 3.. 2 膨胀链的尺寸 ……………………………………………………………………………………… 42 2.. 3.. 3 重叠浓度与熔体尺寸 ……………………………………………………………………………… 45 2.. 4 串珠概念 ……………………………………………………………………………………………… 48 2.. 4.. 1 拉伸串珠 …………………………………………………………………………………………… 48 2.. 4.. 2 浓度串珠 …………………………………………………………………………………………… 49 2.. 4.. 3 热串珠 ……………………………………………………………………………………………… 51 2.. 5 坍缩链--—球团 …………………………………………………………………………………… 52 2.. 5.. 1 球团的自由能 ……………………………………………………………………………………… 53 2.. 5.. 2 膨胀因子 α ………………………………………………………………………………………… 54 2.. 5.. 3 线团-球团转变……………………………………………………………………………………… 55 思考题 ………………………………………………………………………………………………………… 57 参考文献……………………………………………………………………………………………………… 57 第3 章 溶液…………………………………………………………………………………………………… 59 3.. 1 混合热力学…………………………………………………………………………………………… 59 3.. 1.. 1 混合熵 ……………………………………………………………………………………………… 60 3.. 1.. 2 混合热 ……………………………………………………………………………………………… 61 3.. 1.. 3 溶度参数 …………………………………………………………………………………………… 62 3.. 1.. 4 混合自由能 ………………………………………………………………………………………… 64 3.. 2 渗透压 ………………………………………………………………………………………………… 65 3.. 2.. 1 数均相对分子质量与第二 virial 系数 …………………………………………………………… 66 3.. 2.. 2 渗透压的标度 ……………………………………………………………………………………… 68 3.. 3 光散射 ………………………………………………………………………………………………… 70 3.. 4 相平衡与相分离 …………………………………………………………………………………… 73 3.. 5 相图 …………………………………………………………………………………………………… 76 3.. 6 聚合物合金…………………………………………………………………………………………… 80 3.. 6.. 1 热力学处理 ………………………………………………………………………………………… 80 3.. 6.. 2 相分离机理 ………………………………………………………………………………………… 83 3.. 6.. 3 嵌段共聚物 ………………………………………………………………………………………… 86 思考题 ………………………………………………………………………………………………………… 90 参考文献……………………………………………………………………………………………………… 90 第4 章 橡胶态 ……………………………………………………………………………………………… 91 4.. 1 弹性与网络…………………………………………………………………………………………… 91 4.. 2 相似模型 ……………………………………………………………………………………………… 95 4.. 3 内能与热效应………………………………………………………………………………………… 99 4.. 4 非相似模型 ………………………………………………………………………………………… 101 4.. 4.. 1 幻影模型…………………………………………………………………………………………… 101 4.. 4.. 2 现象学模型………………………………………………………………………………………… 103 4.. 5 高倍拉伸 …………………………………………………………………………………………… 105 4.. 6 溶胀网络 …………………………………………………………………………………………… 107 4.. 6.. 1 溶胀平衡…………………………………………………………………………………………… 108 4.. 6.. 2 单向拉伸…………………………………………………………………………………………… 109 4.. 6.. 3 网络的坍缩………………………………………………………………………………………… 110 思考题 ……………………………………………………………………………………………………… 111 参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 111 第5 章 玻璃态与玻璃化转变 …………………………………………………………………………… 112 5.. 1 玻璃化转变现象 …………………………………………………………………………………… 112 5.. 2 玻璃态的非平衡性………………………………………………………………………………… 115 5.. 3 玻璃化转变的动力学本质 ……………………………………………………………………… 118 5.. 4 玻璃化转变理论 …………………………………………………………………………………… 122 5.. 4.. 1 自由体积理论……………………………………………………………………………………… 122 5.. 4.. 2 熵模型……………………………………………………………………………………………… 124 5.. 4.. 3 Kauzmann 悖论 …………………………………………………………………………………… 125 5.. 4.. 4 Gibbs-DiMarzio 理论 ……………………………………………………………………………… 126 5.. 5 玻璃化温度的影响因素 ………………………………………………………………………… 127 5.. 5.. 1 相对分子质量……………………………………………………………………………………… 127 5.. 5.. 2 压力………………………………………………………………………………………………… 128 5.. 5.. 3 柔性侧基…………………………………………………………………………………………… 129 5.. 5.. 4 共聚与共混………………………………………………………………………………………… 130 5.. 5.. 5 交联………………………………………………………………………………………………… 131 5.. 5.. 6 薄膜厚度…………………………………………………………………………………………… 132 思考题 ……………………………………………………………………………………………………… 132 参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 132 第6 章 半晶态 ……………………………………………………………………………………………… 134 6.. 1 聚合物晶体结构 …………………………………………………………………………………… 134 6.. 2 X 光衍射 …………………………………………………………………………………………… 139 6.. 3 聚合物结晶模型 …………………………………………………………………………………… 142 6.. 4 结晶与熔融热力学………………………………………………………………………………… 147 6.. 4.. 1 平衡熔点…………………………………………………………………………………………… 147 6.. 4.. 2 熔点降低…………………………………………………………………………………………… 148 6.. 4.. 3 晶体形状的平衡…………………………………………………………………………………… 149 6.. 4.. 4 晶片厚度与熔点的关系…………………………………………………………………………… 150 6.. 4.. 5 最低晶片厚度……………………………………………………………………………………… 151 6.. 4.. 6 晶片增厚…………………………………………………………………………………………… 151 6.. 4.. 7 结晶温度…………………………………………………………………………………………… 152 6.. 5 成核…………………………………………………………………………………………………… 153 6.. 5.. 1 成核的分类………………………………………………………………………………………… 153 6.. 5.. 2 临界晶核…………………………………………………………………………………………… 154 6.. 6 生长动力学 ………………………………………………………………………………………… 156 6.. 7 总体结晶动力学 …………………………………………………………………………………… 159 6.. 7.. 1 总体结晶速率……………………………………………………………………………………… 159 6.. 7.. 2 Avrami 方程………………………………………………………………………………………… 161 思考题 ……………………………………………………………………………………………………… 164 参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 164 第7 章 取向态 ……………………………………………………………………………………………… 166 7.. 1 取向度………………………………………………………………………………………………… 166 7.. 2 拉伸与纤维晶 ……………………………………………………………………………………… 170 7.. 2.. 1 拉伸………………………………………………………………………………………………… 171 7.. 2.. 2 纤维晶……………………………………………………………………………………………… 173 7.. 3? 应变诱导结晶 ……………………………………………………………………………………… 176 7.. 3.. 1 熵效应……………………………………………………………………………………………… 177 7.. 3.. 2 伸直链晶的熔点…………………………………………………………………………………… 177 7.. 3.. 3 卷曲-伸直转变 …………………………………………………………………………………… 178 7.. 4 串晶…………………………………………………………………………………………………… 180 7.. 4.. 1 Shish-kebab 现象 ………………………………………………………………………………… 180 7.. 4.. 2 Shish-kebab 生成的分子机理 …………………………………………………………………… 180 7.. 4.. 3 新发现与新解释…………………………………………………………………………………… 182 7.. 5 液晶态………………………………………………………………………………………………… 183 7.. 5.. 1 液晶基础…………………………………………………………………………………………… 183 7.. 5.. 2 大分子液晶………………………………………………………………………………………… 187 7.. 5.. 3 液晶理论…………………………………………………………………………………………… 190 思考题 ……………………………………………………………………………………………………… 193 参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 194 第8 章 线性黏弹性………………………………………………………………………………………… 195 8.. 1 基本概念 …………………………………………………………………………………………… 195 8.. 2 静态黏弹响应 ……………………………………………………………………………………… 199 8.. 2.. 1 应力松弛…………………………………………………………………………………………… 200 8.. 2.. 2 蠕变与回复………………………………………………………………………………………… 203 8.. 3 Boltzmann 叠加原理 ……………………………………………………………………………… 206 8.. 4 动态力学响应 ……………………………………………………………………………………… 210 8.. 5 损耗与阻尼 ………………………………………………………………………………………… 215 8.. 6 介电响应 …………………………………………………………………………………………… 219 8.. 7 时温等效原理 ……………………………………………………………………………………… 225 思考题 ……………………………………………………………………………………………………… 229 参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 229 第9 章 流变学 ……………………………………………………………………………………………… 231 9.. 1 概述…………………………………………………………………………………………………… 231 9.. 2 广义牛顿流体 ……………………………………………………………………………………… 233 9.. 2.. 1 剪切变稀流体……………………………………………………………………………………… 233 9.. 2.. 2 黏塑性流体………………………………………………………………………………………… 235 9.. 2.. 3 依时流体…………………………………………………………………………………………… 236 9.. 3 剪切增稠 …………………………………………………………………………………………… 237 9.. 4 流体弹性 …………………………………………………………………………………………… 239 9.. 5 拉伸流………………………………………………………………………………………………… 242 9.. 6 化学流变 …………………………………………………………………………………………… 245 9.. 6.. 1 固化………………………………………………………………………………………………… 245 9.. 6.. 2 黏度公式…………………………………………………………………………………………… 246 9.. 6.. 3 转变点与 TTT 图 ………………………………………………………………………………… 248 9.. 7 黏度测量 ??……………………………………………………………………………………… 250 9.. 7.. 1 同心转筒流变仪…………………………………………………………………………………… 250 9.. 7.. 2 锥板流变仪………………………………………………………………………………………… 251 9.. 7.. 3 平板流变仪………………………………………………………………………………………… 252 9.. 7.. 4 毛细管流变仪……………………………………………………………………………………… 254 9.. 8 黏度影响因素 ……………………………………………………………………………………… 256 9.. 8.. 1 相对分子质量与相对分子质量分布……………………………………………………………… 256 9.. 8.. 2 支化………………………………………………………………………………………………… 258 9.. 8.. 3 填料………………………………………………………………………………………………… 259 思考题 ……………………………………………………………………………………………………… 260 参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 261 第10 章 运动学 …………………………………………………………………………………………… 262 10.. 1 布朗运动 …………………………………………………………………………………………… 262 10.. 2 扩散系数 …………………………………………………………………………………………… 264 10.. 3 经典黏度公式 …………………………………………………………………………………… 268 10.. 3.. 1 Eyring 黏度公式 ………………………………………………………………………………… 268 10.. 3.. 2 Debye 黏度公式 ………………………………………………………………………………… 270 10.. 3.. 3 Bueche 理论 ……………………………………………………………………………………… 272 10.. 4 特性黏度 …………………………………………………………………………………………… 274 10.. 5 摩擦因数 …………………………………………………………………………………………… 278 10.. 6 Rouse 模型 ………………………………………………………………………………………… 281 10.. 7 爬行模型 …………………………………………………………………………………………… 285 10.. 7.. 1 基本模型 ………………………………………………………………………………………… 285 10.. 7.. 2 支化链 …………………………………………………………………………………………… 289 10.. 8 凝胶渗透色谱 …………………………………………………………………………………… 291 思考题 ……………………………………………………………………………………………………… 295 参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 296 第11 章 电学性质 ………………………………………………………………………………………… 297 11.. 1 聚电解质 …………………………………………………………………………………………… 297 11.. 1.. 1 聚电解质溶液的基本标尺 ……………………………………………………………………… 297 11.. 1.. 2 反离子的凝聚 …………………………………………………………………………………… 300 11.. 1.. 3 聚电解质在溶液中的尺寸 ……………………………………………………………………… 303 11.. 1.. 4 聚电解质溶液的渗透压 ………………………………………………………………………… 305 11.. 2 导电聚合物………………………………………………………………………………………… 307 11.. 2.. 1 共轭聚合物与半导体 …………………………………………………………………………… 307 11.. 2.. 2 掺杂 ……………………………………………………………………………………………… 310 11.. 2.. 3 载荷子的本质 …………………………………………………………………………………… 313 11.. 2.. 4 导电性的影响因素 ……………………………………………………………………………… 317 11.. 3 电致发光 …………………………………………………………………………………………… 320 1?.. 4 太阳能电池………………………………………………………………………………………… 323 思考题 ……………………………………………………………………………………………………… 328 参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 328
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