“高分子物理学”中的基础理论介绍

"高分子物理学"是高分子科学中重要的组成部分,为高分子的合成工艺提供理论基础,其中包含的基础理论部分内容抽象。本文从高分子长链结构出发,依次介绍橡胶弹性理论、高分子溶液理论、玻璃化转变理论、聚合物黏弹性理论和聚合物材料的断裂理论五方面的主要观点;同时分析理解高分子溶液、玻璃-橡胶转变、黏弹特性及聚合物材料断裂的相关内容,目的是使学生掌握"高分子物理学"中关键基础理论的指导思想内涵,系统化学习这门课程。     

《高分子物理》课程中交联相关知识的模块化教学

本文以交联概念为核心,交联限制分子运动为桥梁,抓住结构通过分子运动决定性能这一主线,重构高分子物理与交联相关的知识体系,将相关的知识串联成一个知识模块进行串讲和归纳;培养学生对高分子体系的思维逻辑,指导学生更好地掌握高分子物理的重要知识。这种教学方法使学生对知识融会贯通,深入理解聚合物结构的多层次性以及结构与性能之间的内在规律,并将高分子物理的基本概念和理论用于解决实际的工程问题。     

由橡胶材料看高分子物理知识点的综合运用

高分子物理是高等院校高分子材料与工程专业的一门重要的专业基础课。橡胶是一种具有优异性能的高分子材料,橡胶材料的结构与性能在很多方面综合了高分子物理的知识。在高分子物理课程的教学过程中,我们穿插了橡胶的一些具体实例,通过向学生介绍橡胶的结构、分子运动、性能以及交联,串联与橡胶材料相关的高分子物理知识点,以增强学生对这些知识点的感性认识,加强其对高分子物理基本概念和基础理论的掌握,取得了较好的教学效果。     

形状记忆的聚乳酸/聚碳酸亚丙酯共混材料的结构与性能——针对《高分子物理》理论教学难点的综合性实验设计

“结构、性能及分子运动”三者之间制约关系是高分子物理的核心内容,其中“分子运动”的知识最为抽象,是学生学习的难点内容。针对此问题,融入教师科研成果,设计了“形状记忆的聚乳酸/聚碳酸亚丙酯共混材料的结构与性能”综合实验。通过该实验,学生系统而具体的理解“结构与分子运动”、“分子运动与力学性能”、“分子运动与形状记忆功能”的知识,掌握热分析、扫描电镜、力学性能以及形状记忆功能的实验技术,体会高分子基础理论在创造新材料中的典型应用。     

关于高分子凝聚态物理学范式的思考

每门成熟科学必然都存在一个范式,体现该门学科特殊的内在结构、基本理论框架,界定研究范围.但迄今为止,发展迅猛的高分子凝聚态物理学的范式尚未形成.本文梳理、总结了近二、三十年来高分子凝聚态物理学的重要成果,阐述并强调了软凝聚态物质、自相似、分形、标度律、关联效应、溶致凝聚、熵致相变、布朗运动、多体效应和对称破缺等基本概念及其意义,指出探究和凝练高分子凝聚态物理学的范式是摆在当前高分子物理学家面前亟待解决的问题.     

链段的讨论

无论是在聚合物的结构部分 ,还是在聚合物的性能部分 ,链段 (Ｓｅｇｍｅｎｔ)这一术语出现在《高分子物理》教科书的始终。初学者抓住这一点 ,将大有益处。1　一种特殊的运动单元　　高分子材料品种繁多 ,性能千变万化。有的柔软而富有弹性 ,可作为橡胶使用 ;有的质地坚硬 ,几何尺寸稳定 ,可作为塑料、结构材料使用 ;有的可纺丝、成膜 ,可作为纤维和薄膜使用。高分子材料之所以具有不同于低分子材料的这些独特的性能 ,是因为高分子运动的复杂性。　　高聚物多层次的微观结构影响了它的分子运动 ;而聚合物的性能 ,特别是力学性能又是高聚物分…     

聚集诱导发光：研究高分子科学的一种新方法

高分子科学在人类生活和现代社会中发挥了越来越重要的作用,深入理解高分子材料的构效关系及性能尤为重要.现代仪器表征手段受制于非原位、样品制备过程冗杂等因素,很难直接"看到"测试过程.荧光成像技术可以清楚地"看到"材料的结构及形态变化,受到广泛关注.但是,传统荧光分子易发生聚集导致发光淬灭现象,限制其应用.相反,聚集诱导发光(AIE)分子基于分子运动受限的发光机理,在聚集态具有强的发光信号,加之荧光量子效率高、对外界刺激灵敏等优点,现已成为化学和材料等领域的前沿.本专论从AIE的工作原理出发,较系统地总结了基于AIE独特的分子可视化技术如何成为原位研究高分子科学的新方法:监测聚合物的溶液性质,如聚合过程、溶度参数及构效关系等;监测聚合物的聚集体性质,如链段固态分子运动、玻璃化转变、相分离及结晶度等.最后对AIE技术在高分子科学领域的未来发展进行了展望.     

《高分子物理实验》教学中实验内容的一体化设计

在高分子物理实验教学中,为消除学生对实验内容的零碎感,提出了实验内容一体化设计的思路。以高分子"链结构与凝聚态结构"和"分子运动、结晶结构与力学性能"的相关实验为例,设计了采用同一样品串联实验内容,并利用"旧"实验知识控制"新"实验样品制备条件,实现了实验内容的前后一体化。同时,指出了目前该方法存在的问题。     

类蜘蛛丝聚合物结构及分子运动的固体核磁共振研究

运用固体核磁共振(NMR)技术研究了聚丙氨酸多肽片段(Ala)5与高分子齐聚物聚苯乙烯(PS, 分子量2000)及聚异戊二烯(PI, 分子量2210)共聚而成的类蜘蛛丝蛋白聚合物——聚苯乙烯-co-聚丙氨酸聚合物(PS-co-PAL)和聚异戊二烯-co-聚丙氨酸聚合物(PI-co-PAL)的结构及分子运动. 聚合物13C CP/MAS NMR(交叉极化/魔角旋转核磁共振)谱及其旋转坐标系中自旋-晶格弛豫时间(T1ρ(13C))的结果表明, 此两种聚合物中多肽片段(Ala)5具有相同的化学位移, 即相似的化学环境和二级结构, 并具有相近的T1ρ(13C), 即类似的聚集态结构. 聚合物的宏观力学性质明显不同: 常温下, PS-co-PAL呈硬颗粒状, PI-co-PAL呈橡胶状且易拉伸. 结果说明聚合物力学性质与高分子链段的性质密切相关. PI-co-PAL聚合物的PI链段, 其骨架—CH2CH—的T1ρ为(5.3±0.4) ms, 而PS-co-PAL聚合物的PS链段, 其骨架—CH2CH—的T1ρ为(47.0±5.5) ms, 说明二聚合物中PI链段较PS链段更为柔软. 另外, 基于密度泛函理论(DFT)的化学位移计算证明, 聚合物PS-co-PAL和PI-co-PAL中多肽片段(Ala)5的二面角均为(-131°, 142°), 说明它们以β-折叠构象存在.     

聚合物薄膜玻璃化转变及其分子松弛行为的研究进展

随着纳米技术的发展,受限聚合物的玻璃化转变以及分子松弛行为受到了高分子物理学家的关注.由于纳米尺度效应,高分子薄膜的玻璃化转变以及分子松弛行为偏离于本体,呈现出尺寸依赖性.研究聚合物薄膜的玻璃化转变及其相关分子松弛行为对聚合物纳米材料的结构设计,进一步理解聚合物玻璃化转变的物理本质具有重要意义.本文总结了近20年来聚合物薄膜玻璃化转变行为的研究成果,介绍了薄膜分子松弛行为偏离本体的主要物理机制、聚合物薄膜分子运动能力的深度分布特征以及薄膜分子松弛行为的相关理论模型,并对该领域研究进行了展望.     

说“弛豫”

"弛豫"是高分子物理课程中最重要的概念之一。作为"弛豫"的同义语,"松弛"一词应用更为普遍。与"弛豫"或"松弛"相关的术语有多个,如弛豫过程、松弛时间谱、力学松弛、介电松弛、应力松弛和次级松弛等。本文将这些术语集中在一起,分别阐释了其内涵。通过辨析,学习者就可以很好地理解这些概念,从而不会因其名称相近而造成混淆。弛豫现象是物质内部的分子运动在宏观上的一种表现,从绝对的意义上来说,任何物质都存在弛豫现象。但是,在所有的物质中,聚合物的弛豫现象表现最为突出。文章最后揭示了聚合物弛豫现象的分子机理。     

嵌段共聚物增容剂对不相容均聚物共混体系相行为和界面性质的影响

聚合物共混体系(又称聚合物合金)兼具其相应组分的均聚物和共聚物的多种特征,甚至具有新的理想性能,从而成为了一种具有极高经济价值的新材料.该材料的研发极大地丰富了高分子物理学、高分子化学和材料学的研究内容,拓宽了聚合物材料在现代工业中的应用,同时把聚合物材料研究推向了交叉科学的前沿.均聚物/嵌段共聚物/均聚物体系作为经典的三元聚合物共混体系,对其进行深入地研究,不仅可以促进人们对高分子科学中重要问题的理解,而且可为新型嵌段共聚物增容剂的改良和设计提供理论依据.近年来,有关聚合物共混体系的实验、理论和计算机模拟工作很多,并且取得了较大的进展,但是相关综述较少.本文以均聚物/嵌段共聚物/均聚物体系为例,综述该领域的基本概念和发展历史,并着重介绍两嵌段共聚物增容剂对该三元共混体系相行为和界面性质的影响.此外,还介绍了这一领域的关键科学问题、发展前景和研究方向.     

“高分子物理”课程教学中的整体性思路初探

在"高分子物理"课程教学中,主要难点是教学内容比较繁杂,所涉及的概念很多且较抽象,各种高分子材料的结构和性能差异性大,不易把握其共性。以高分子结构、性能和分子运动的中间态,即高分子链的远程结构中分子链的形态、高聚物性能的高弹性和链段运动为基础,避开繁杂抽象的具体概念,以简洁的方式来呈现高分子物理的教学内容,帮助学生在渐进的教学过程之初便建立一个形象化的整体性思路,以此作为后续教学的指导性思路,在整个教学过程中进一步展开和强化,教学效果很好。     

聚合物拓扑结构的分类及正名探讨

聚合物的拓扑结构具有多样性,主要包括有线形、环形、星形、梯形、H形、接枝以及超支化等。本文首先梳理了聚合物拓扑结构的分类,例举了各拓扑结构聚合物的简单示意图,介绍了柱状聚合物刷和梳形聚合物之间的异同。随后对于高分子专业名词中的"形"、"型"和"性"三个字的用法以及"枝"和"支"两个字的用法进行了辨析,指出了教科书和文献中一些错用的例子。希望通过这篇文章能够引起更多科研工作者和学生们对正确使用和辨析这些相近的字词的重视,促进中文高分子专业术语的规范化。     

位点特异、拓扑结构明确的蛋白质-聚氨基酸偶联物的简洁合成

发展位点特异且具有明确拓扑结构的蛋白质-高分子偶联物是高分子和化学生物学领域共同面对的挑战之一.在聚合物末端精确引入一个或多个具有特殊反应活性的生物正交官能团是实现"位点特异"生物偶联的关键前提.这一过程通常比较低效、需要多步骤的官能团转化、聚合后修饰以及保护脱保护,费时且繁琐.最近,通过在聚合过程中原位生成官能团,以一锅-两步的过程得到可直接用于蛋白质偶联的异遥爪聚合物,从而实现了多种不同拓扑结构的蛋白质-聚氨基酸偶联物的快速构筑.这一简洁的合成路线实现了以前尚未获得的头-尾相接的环状偶联物的制备,使这些偶联物表现出了很强的体外酶稳定性以及热稳定性.该工作是蛋白质-高分子偶联化学的一次创新的尝试;同时,利用该方法所制备的偶联物在蛋白质药物领域具有广阔的应用前景.     

聚丙烯锂离子电池隔膜制备技术在《高分子物理》课程的案例教学

干法单向拉伸制备聚丙烯锂离子电池隔膜技术涉及《高分子物理》课程中高分子的链结构、凝聚态结构、分子运动和转变、粘弹性、屈服和断裂、流变性、表面和界面等章节的内容,非常适合作为教学案例.本文探讨如何将生产过程涉及的高分子物理知识点与课程教学相结合进行案例教学,重点分析每步工序对应的聚丙烯凝聚态结构和工艺参数变化对结构及性能...     

聚合物接枝纳米颗粒及其相容性共混物流变学

聚合物接枝纳米颗粒(Polymer grafted nanoparticles,PGNPs)是一类重要的聚合物改性填料。由于表面聚合物链的存在,在一定条件下,PGNPs可以均匀地分散在聚合物基体中,形成"完全相容性"聚合物纳米复合材料。近年来,PGNPs填充聚合物体系的结构-性能关系研究已成为高分子学科的研究热点。本文主要概述了PGNPs的制备及其填充聚合物体系的结构-性能关系。从PGNPs的设计制备、PGNPs在聚合物基体中的分散行为、PGNPs纳米复合体系流变行为和纳米复合材料力学性能4个方面介绍了该领域已经取得的研究进展和现状,并展望该领域今后的发展前景和研究方向。     

固体核磁共振技术在高分子表征研究中的应用

基于核自旋探针的核磁共振(NMR)波谱技术可以在非常宽广的时间和空间尺度上提供重要的微观结构和动力学信息.固体NMR已成为阐明高分子中化学键变化、链间相互作用、多尺度结构与动力学演化,及其与宏观物理化学性质关系的有力工具.本文从基础原理、实验方法与技巧、典型应用与研究进展等几方面进行简要综述.在基础原理部分介绍了化学位移各向异性和偶极相互作用等检测不同尺度信息的核自旋相互作用及其实验调控方法,魔角旋转、交叉极化和多脉冲去耦等高分辨技术,以及自旋扩散测定相区结构及复杂分子运动检测方法的原理等;在实验方法与技巧上,着重仪器精确校准、关键脉冲参数设置及仪器背景信号压制等;典型应用将聚焦于天然高分子及其复合材料的结构-性能关系、水与生物大分子间相互作用、多相高分子材料的微相分离结构、高分子中氢键相互作用和导电高分子材料等问题,介绍了固体NMR技术在上述领域的最新应用与进展.     

端不饱和羧基环氧丙烷聚醚与苯乙烯共聚物的微相分离

用端乙烯基液体聚合物作单体可制得各种多嵌段多相聚合物.本文在端不饱和羧基环氧丙烷液体聚醚与苯乙烯共聚物互溶性研究的基础上,对分子运动进行了进一步的研究.用膨胀仪、红外、应力-应变和DSC确定和测定其中的组分分离运动,阐述组分分离对互溶性的影响.     

凝炼“高分子物理”本科教学内容的核

要较为深刻地认识聚合物,学习并掌握"高分子物理"课程是十分必要的。那么,在打基础的本科阶段,"高分子物理"究竟要教些什么?对此,本文提出"高分子物理"课程本科教学内容有其核心部分,即结构单元形成的长链因各种相互作用所呈现的不同微观结构和形态、外场作用下聚合物微观结构和形态的变化、宏观响应行为及其之间的关系。作者以为,采用涵盖基本内容的统编经典教材,授予学生一个基本的核和不断地自我学习的有效方法,可由此臻于对"高分子物理"较为深入的理解、恰当运用乃至于发扬光大。