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高分子物理(第二版)(國家精品課程“高分子物理”主講教材、高分子材料與工程專業(yè)系列教材)
本教材主要講述高分子的物理,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,高分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律代表了所有分子的一般規(guī)律,這就是高分子物理這門學(xué)科的意義所在。本書主要包括化學(xué)結(jié)構(gòu)、單鏈、溶液、橡膠態(tài)、玻璃態(tài)與玻璃化轉(zhuǎn)變、半晶態(tài)、取向態(tài)、線性黏彈性、流變學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、電學(xué)性質(zhì)。
本書是一本有深度的高分子物理教程。一般內(nèi)容適合大學(xué)本科教材,深度內(nèi)容可供研究生學(xué)習(xí)參考,也能為業(yè)內(nèi)人士的知識深化提供幫助。
勵(lì)杭泉北京化工大學(xué)教授,博導(dǎo)。主要研究領(lǐng)域:濃乳液聚合、樹脂基復(fù)合材料、高分子材料的制備與改性。是《材料導(dǎo)論(第二版)》和高分子物理主編。
第1 章 化學(xué)結(jié)構(gòu)……………………………………………………………………………………………… 1
1.. 1 組成與構(gòu)造 …………………………………………………………………………………………… 2 1.. 2 構(gòu)型……………………………………………………………………………………………………… 5 1.. 3 平均相對分子質(zhì)量…………………………………………………………………………………… 9 1.. 4 相對分子質(zhì)量分布 ………………………………………………………………………………… 12 1.. 5 化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理狀態(tài) ……………………………………………………………………………… 16 思考題 ………………………………………………………………………………………………………… 18 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………………… 18 第2 章 單鏈…………………………………………………………………………………………………… 19 2.. 1 構(gòu)象與柔性…………………………………………………………………………………………… 19 2.. 2 理想鏈 ………………………………………………………………………………………………… 23 2.. 2.. 1 理想鏈的尺寸 ……………………………………………………………………………………… 23 2.. 2.. 2 蠕蟲狀鏈 …………………………………………………………………………………………… 27 2.. 2.. 3 持續(xù)長度與 Kuhn 長度 …………………………………………………………………………… 31 2.. 2.. 4 末端距分布 ………………………………………………………………………………………… 33 2.. 2.. 5 理想鏈的拉伸 ……………………………………………………………………………………… 36 2.. 3 真實(shí)鏈 ………………………………………………………………………………………………… 38 2.. 3.. 1 排除體積 …………………………………………………………………………………………… 38 2.. 3.. 2 膨脹鏈的尺寸 ……………………………………………………………………………………… 42 2.. 3.. 3 重疊濃度與熔體尺寸 ……………………………………………………………………………… 45 2.. 4 串珠概念 ……………………………………………………………………………………………… 48 2.. 4.. 1 拉伸串珠 …………………………………………………………………………………………… 48 2.. 4.. 2 濃度串珠 …………………………………………………………………………………………… 49 2.. 4.. 3 熱串珠 ……………………………………………………………………………………………… 51 2.. 5 坍縮鏈--—球團(tuán) …………………………………………………………………………………… 52 2.. 5.. 1 球團(tuán)的自由能 ……………………………………………………………………………………… 53 2.. 5.. 2 膨脹因子 α ………………………………………………………………………………………… 54 2.. 5.. 3 線團(tuán)-球團(tuán)轉(zhuǎn)變……………………………………………………………………………………… 55 思考題 ………………………………………………………………………………………………………… 57 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………………… 57 第3 章 溶液…………………………………………………………………………………………………… 59 3.. 1 混合熱力學(xué)…………………………………………………………………………………………… 59 3.. 1.. 1 混合熵 ……………………………………………………………………………………………… 60 3.. 1.. 2 混合熱 ……………………………………………………………………………………………… 61 3.. 1.. 3 溶度參數(shù) …………………………………………………………………………………………… 62 3.. 1.. 4 混合自由能 ………………………………………………………………………………………… 64 3.. 2 滲透壓 ………………………………………………………………………………………………… 65 。.. 2.. 1 數(shù)均相對分子質(zhì)量與第二 virial 系數(shù) …………………………………………………………… 66 3.. 2.. 2 滲透壓的標(biāo)度 ……………………………………………………………………………………… 68 3.. 3 光散射 ………………………………………………………………………………………………… 70 3.. 4 相平衡與相分離 …………………………………………………………………………………… 73 3.. 5 相圖 …………………………………………………………………………………………………… 76 3.. 6 聚合物合金…………………………………………………………………………………………… 80 3.. 6.. 1 熱力學(xué)處理 ………………………………………………………………………………………… 80 3.. 6.. 2 相分離機(jī)理 ………………………………………………………………………………………… 83 3.. 6.. 3 嵌段共聚物 ………………………………………………………………………………………… 86 思考題 ………………………………………………………………………………………………………… 90 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………………… 90 第4 章 橡膠態(tài) ……………………………………………………………………………………………… 91 4.. 1 彈性與網(wǎng)絡(luò)…………………………………………………………………………………………… 91 4.. 2 相似模型 ……………………………………………………………………………………………… 95 4.. 3 內(nèi)能與熱效應(yīng)………………………………………………………………………………………… 99 4.. 4 非相似模型 ………………………………………………………………………………………… 101 4.. 4.. 1 幻影模型…………………………………………………………………………………………… 101 4.. 4.. 2 現(xiàn)象學(xué)模型………………………………………………………………………………………… 103 4.. 5 高倍拉伸 …………………………………………………………………………………………… 105 4.. 6 溶脹網(wǎng)絡(luò) …………………………………………………………………………………………… 107 4.. 6.. 1 溶脹平衡…………………………………………………………………………………………… 108 4.. 6.. 2 單向拉伸…………………………………………………………………………………………… 109 4.. 6.. 3 網(wǎng)絡(luò)的坍縮………………………………………………………………………………………… 110 思考題 ……………………………………………………………………………………………………… 111 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………………… 111 第5 章 玻璃態(tài)與玻璃化轉(zhuǎn)變 …………………………………………………………………………… 112 5.. 1 玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象 …………………………………………………………………………………… 112 5.. 2 玻璃態(tài)的非平衡性………………………………………………………………………………… 115 5.. 3 玻璃化轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)本質(zhì) ……………………………………………………………………… 118 5.. 4 玻璃化轉(zhuǎn)變理論 …………………………………………………………………………………… 122 5.. 4.. 1 自由體積理論……………………………………………………………………………………… 122 5.. 4.. 2 熵模型……………………………………………………………………………………………… 124 5.. 4.. 3 Kauzmann 悖論 …………………………………………………………………………………… 125 5.. 4.. 4 Gibbs-DiMarzio 理論 ……………………………………………………………………………… 126 5.. 5 玻璃化溫度的影響因素 ………………………………………………………………………… 127 5.. 5.. 1 相對分子質(zhì)量……………………………………………………………………………………… 127 5.. 5.. 2 壓力………………………………………………………………………………………………… 128 5.. 5.. 3 柔性側(cè)基…………………………………………………………………………………………… 129 5.. 5.. 4 共聚與共混………………………………………………………………………………………… 130 5.. 5.. 5 交聯(lián)………………………………………………………………………………………………… 131 5.. 5.. 6 薄膜厚度…………………………………………………………………………………………… 132 思考題 ……………………………………………………………………………………………………… 132 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………………… 132 第6 章 半晶態(tài) ……………………………………………………………………………………………… 134 6.. 1 聚合物晶體結(jié)構(gòu) …………………………………………………………………………………… 134 6.. 2 X 光衍射 …………………………………………………………………………………………… 139 6.. 3 聚合物結(jié)晶模型 …………………………………………………………………………………… 142 6.. 4 結(jié)晶與熔融熱力學(xué)………………………………………………………………………………… 147 6.. 4.. 1 平衡熔點(diǎn)…………………………………………………………………………………………… 147 6.. 4.. 2 熔點(diǎn)降低…………………………………………………………………………………………… 148 6.. 4.. 3 晶體形狀的平衡…………………………………………………………………………………… 149 6.. 4.. 4 晶片厚度與熔點(diǎn)的關(guān)系…………………………………………………………………………… 150 6.. 4.. 5 最低晶片厚度……………………………………………………………………………………… 151 6.. 4.. 6 晶片增厚…………………………………………………………………………………………… 151 6.. 4.. 7 結(jié)晶溫度…………………………………………………………………………………………… 152 6.. 5 成核…………………………………………………………………………………………………… 153 6.. 5.. 1 成核的分類………………………………………………………………………………………… 153 6.. 5.. 2 臨界晶核…………………………………………………………………………………………… 154 6.. 6 生長動(dòng)力學(xué) ………………………………………………………………………………………… 156 6.. 7 總體結(jié)晶動(dòng)力學(xué) …………………………………………………………………………………… 159 6.. 7.. 1 總體結(jié)晶速率……………………………………………………………………………………… 159 6.. 7.. 2 Avrami 方程………………………………………………………………………………………… 161 思考題 ……………………………………………………………………………………………………… 164 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………………… 164 第7 章 取向態(tài) ……………………………………………………………………………………………… 166 7.. 1 取向度………………………………………………………………………………………………… 166 7.. 2 拉伸與纖維晶 ……………………………………………………………………………………… 170 7.. 2.. 1 拉伸………………………………………………………………………………………………… 171 7.. 2.. 2 纖維晶……………………………………………………………………………………………… 173 7.. 3? 應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶 ……………………………………………………………………………………… 176 7.. 3.. 1 熵效應(yīng)……………………………………………………………………………………………… 177 7.. 3.. 2 伸直鏈晶的熔點(diǎn)…………………………………………………………………………………… 177 7.. 3.. 3 卷曲-伸直轉(zhuǎn)變 …………………………………………………………………………………… 178 7.. 4 串晶…………………………………………………………………………………………………… 180 7.. 4.. 1 Shish-kebab 現(xiàn)象 ………………………………………………………………………………… 180 7.. 4.. 2 Shish-kebab 生成的分子機(jī)理 …………………………………………………………………… 180 7.. 4.. 3 新發(fā)現(xiàn)與新解釋…………………………………………………………………………………… 182 7.. 5 液晶態(tài)………………………………………………………………………………………………… 183 7.. 5.. 1 液晶基礎(chǔ)…………………………………………………………………………………………… 183 7.. 5.. 2 大分子液晶………………………………………………………………………………………… 187 7.. 5.. 3 液晶理論…………………………………………………………………………………………… 190 思考題 ……………………………………………………………………………………………………… 193 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………………… 194 第8 章 線性黏彈性………………………………………………………………………………………… 195 8.. 1 基本概念 …………………………………………………………………………………………… 195 8.. 2 靜態(tài)黏彈響應(yīng) ……………………………………………………………………………………… 199 8.. 2.. 1 應(yīng)力松弛…………………………………………………………………………………………… 200 8.. 2.. 2 蠕變與回復(fù)………………………………………………………………………………………… 203 8.. 3 Boltzmann 疊加原理 ……………………………………………………………………………… 206 8.. 4 動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng) ……………………………………………………………………………………… 210 8.. 5 損耗與阻尼 ………………………………………………………………………………………… 215 8.. 6 介電響應(yīng) …………………………………………………………………………………………… 219 8.. 7 時(shí)溫等效原理 ……………………………………………………………………………………… 225 思考題 ……………………………………………………………………………………………………… 229 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………………… 229 第9 章 流變學(xué) ……………………………………………………………………………………………… 231 9.. 1 概述…………………………………………………………………………………………………… 231 9.. 2 廣義牛頓流體 ……………………………………………………………………………………… 233 9.. 2.. 1 剪切變稀流體……………………………………………………………………………………… 233 9.. 2.. 2 黏塑性流體………………………………………………………………………………………… 235 9.. 2.. 3 依時(shí)流體…………………………………………………………………………………………… 236 9.. 3 剪切增稠 …………………………………………………………………………………………… 237 9.. 4 流體彈性 …………………………………………………………………………………………… 239 9.. 5 拉伸流………………………………………………………………………………………………… 242 9.. 6 化學(xué)流變 …………………………………………………………………………………………… 245 9.. 6.. 1 固化………………………………………………………………………………………………… 245 9.. 6.. 2 黏度公式…………………………………………………………………………………………… 246 9.. 6.. 3 轉(zhuǎn)變點(diǎn)與 TTT 圖 ………………………………………………………………………………… 248 9.. 7 黏度測量 ??……………………………………………………………………………………… 250 9.. 7.. 1 同心轉(zhuǎn)筒流變儀…………………………………………………………………………………… 250 9.. 7.. 2 錐板流變儀………………………………………………………………………………………… 251 9.. 7.. 3 平板流變儀………………………………………………………………………………………… 252 9.. 7.. 4 毛細(xì)管流變儀……………………………………………………………………………………… 254 9.. 8 黏度影響因素 ……………………………………………………………………………………… 256 9.. 8.. 1 相對分子質(zhì)量與相對分子質(zhì)量分布……………………………………………………………… 256 9.. 8.. 2 支化………………………………………………………………………………………………… 258 9.. 8.. 3 填料………………………………………………………………………………………………… 259 思考題 ……………………………………………………………………………………………………… 260 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………………… 261 第10 章 運(yùn)動(dòng)學(xué) …………………………………………………………………………………………… 262 10.. 1 布朗運(yùn)動(dòng) …………………………………………………………………………………………… 262 10.. 2 擴(kuò)散系數(shù) …………………………………………………………………………………………… 264 10.. 3 經(jīng)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 理論 ……………………………………………………………………………………… 272 10.. 4 特性黏度 …………………………………………………………………………………………… 274 10.. 5 摩擦因數(shù) …………………………………………………………………………………………… 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 支化鏈 …………………………………………………………………………………………… 289 10.. 8 凝膠滲透色譜 …………………………………………………………………………………… 291 思考題 ……………………………………………………………………………………………………… 295 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………………… 296 第11 章 電學(xué)性質(zhì) ………………………………………………………………………………………… 297 11.. 1 聚電解質(zhì) …………………………………………………………………………………………… 297 11.. 1.. 1 聚電解質(zhì)溶液的基本標(biāo)尺 ……………………………………………………………………… 297 11.. 1.. 2 反離子的凝聚 …………………………………………………………………………………… 300 11.. 1.. 3 聚電解質(zhì)在溶液中的尺寸 ……………………………………………………………………… 303 11.. 1.. 4 聚電解質(zhì)溶液的滲透壓 ………………………………………………………………………… 305 11.. 2 導(dǎo)電聚合物………………………………………………………………………………………… 307 11.. 2.. 1 共軛聚合物與半導(dǎo)體 …………………………………………………………………………… 307 11.. 2.. 2 摻雜 ……………………………………………………………………………………………… 310 11.. 2.. 3 載荷子的本質(zhì) …………………………………………………………………………………… 313 11.. 2.. 4 導(dǎo)電性的影響因素 ……………………………………………………………………………… 317 11.. 3 電致發(fā)光 …………………………………………………………………………………………… 320 1?.. 4 太陽能電池………………………………………………………………………………………… 323 思考題 ……………………………………………………………………………………………………… 328 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………………… 328
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