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高分子溶液（屬均相分散系的膠體）

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高分子溶液

屬均相分散系的膠體

高分子溶液（macromolecular solution)是膠體的一種，在合適的介質(zhì)中高分子化合物能以分子狀態(tài)自動(dòng)分散成均勻的溶液，分子的直徑達膠粒大小。

基本信息

中文名	高分子溶液
外文名	macromolecular solution
類(lèi)別	膠體
系別	均相分散系

定義和特點(diǎn)

高分子溶液

高分子溶液（macromolecular solution/polymer solution)是一種在合適的介質(zhì)中高分子化合物能以分子狀態(tài)自動(dòng)分散成均勻的溶液的膠體，分子的直徑達膠粒大小。高分子溶液的本質(zhì)是真溶液，屬于均相分散系。高分子溶液的黏度和滲透壓較大，分散相與分散系親和力強，但丁達爾（Tyndall)現象不明顯，加入少量電解質(zhì)無(wú)影響，加入多時(shí)引起鹽析。

形成

高分子溶液

高分子化合物在形成溶液時(shí)，與低分子量的物質(zhì)明顯不同的是要經(jīng)過(guò)溶脹（swelling)的過(guò)程，即溶劑分子慢慢進(jìn)入卷曲成團的高分子化合物分子鏈空隙中去，導致高分子化合物舒展開(kāi)來(lái)，體積成倍甚至數十倍的增長(cháng)。不少高分子化合物與水分子有很強的親和力，分子周?chē)纬梢粚铀夏ぃ@是高分子化合物溶液具有穩定性的主要原因。因此高分子溶液是穩定系統。

高分子溶液

指高聚物溶解在溶劑中形成的溶液。在高分子科學(xué)發(fā)展的早期，由于溶液中高分子的尺寸大小與膠體粒子的大小相似，因此高分子溶液曾一度被錯誤地認為是一種膠體溶液，后來(lái)很多實(shí)驗證明高分子溶液是處在熱力學(xué)平衡狀態(tài)的真溶液，而且是能用熱力學(xué)函數來(lái)描述的分子分散的穩定體系。研究高分子稀溶液的性質(zhì)可以得到高分子的分子量與分子量分布、高分子在溶液中的形態(tài)和尺寸大小以及高分子與溶劑分子間相互作用等重要參數。高分子的極稀溶液的減阻作用在流體力學(xué)方面得到實(shí)際應用。

高分子濃溶液在合成纖維生產(chǎn)中的溶液紡絲、干法紡絲，片基生產(chǎn)中的溶液鑄膜，塑料的增塑等都有密切的關(guān)系。這方面的研究側重在高分子溶液的流變性能與成型工藝的關(guān)系。高分子溶液的混合熱、混合熵和混合自由能等熱力學(xué)性質(zhì)的研究和高分子在溶液中的遷移性質(zhì)（包括高分子溶液的沉降、擴散和粘度）的研究都是高分子溶液基礎研究的重要方面。

高聚物的溶解

高分子溶液

高聚物的溶解比小分子化合物慢得多。溶解過(guò)程分為兩個(gè)階段：

高聚物的溶脹

由于非晶高聚物的分子鏈段的堆砌比較松散，分子間的作用力又弱，溶劑分子比較容易滲入非晶高聚物內部，使高聚物體積膨脹；而非極性的結晶高聚物的晶區分子鏈堆砌緊密，溶劑分子不易滲入，只有將溫度升高到結晶的熔點(diǎn)附近，才能使結晶轉變?yōu)榉蔷B(tài)，溶解過(guò)程得以進(jìn)行。在室溫下，極性的結晶高聚物能溶解在極性溶劑中。

高分子分散

即以分子形式分散到溶劑中去形成均勻的高分子溶液。交聯(lián)高聚物只能溶脹，不能溶解，溶脹度隨交聯(lián)度的增加而減小。

高分子溶液

高分子溶液（特別是那些溶劑的溶解能力較差的溶液）在降低溫度時(shí)往往會(huì )發(fā)生相分離，分成兩相，一相是濃相；另一相為稀相。濃相的粘度較大但仍能流動(dòng)；稀相比分級前的濃度更低。往高分子溶液中滴加沉淀劑也能產(chǎn)生相分離，高分子的相分離有分子量依賴(lài)性，因而可以用逐步沉淀法來(lái)對高聚物進(jìn)行分子量的分級。

分子溶解判定

高分子溶液

在一定程度上仍可用極性相近原則來(lái)判定高分子的溶解度，即極性大的高聚物溶于極性大的溶劑，反之亦然。更精確一點(diǎn)的方法是通過(guò)比較高聚物和溶劑的溶度參數 δ，溶度參數δ 的定義是內聚能密度的平方根，它是物質(zhì)凝聚態(tài)分子間相互作用能的一種量度。當高聚物和溶劑的溶度參數的差值Δδ 較大時(shí)(Δδ=|δp－δS|，δp為高聚物的溶度參數，δS為溶劑的溶度參數)，高分子就不易溶于溶劑中；如果高聚物與溶劑的溶度參數極為接近，則高分子容易溶于溶劑中。粗略地從目前實(shí)驗得到的數據來(lái)看，對非極性溶劑來(lái)說(shuō)，可以發(fā)生溶解的最大允許的Δδ 值約為±0.8，對極性溶劑來(lái)說(shuō)約為±3.4。由于分子間的相互作用和溶解過(guò)程比較復雜，因此用溶度參數來(lái)判定溶解性能仍有例外情況（見(jiàn)高聚物內聚能密度）。

分子溶液理論

高分子溶液

目前比較重要的高分子溶液理論有以下幾種：

高分子溶液

弗洛里－哈金斯晶格理論尺寸和形狀都相同的小分子混合物與理想溶液的偏離常歸因于混合熱的存在；但是溶液性質(zhì)的非理想性也可由于分子尺寸有較大差別所造成。對高分子溶液而言，一個(gè)長(cháng)鏈高分子的分子體積遠大于溶劑分子體積，而且鏈段間的鍵接使鏈段在晶格上的排布有一定的相關(guān)性。1942年P(guān).J.弗洛里和M.L.哈金斯假定鏈段與溶劑分子具有相同的體積，都占有一個(gè)晶格點(diǎn)（圖1），然后各自獨立地計算了n1個(gè)溶劑分子和n2個(gè)由x個(gè)鏈段連接而成的高分子在空間格子中的可區分的構象排布數目，導得構象混合熵ΔSm： ΔSm=－k(n1lnφ1+n2lnφ2) 式中φ1和φ2分別為溶劑和高分子的體積分數；k為玻耳茲曼常數。體系的混合熱ΔHm等于形成一個(gè)鏈段－溶劑接觸點(diǎn)所需的能量Δε乘以接觸點(diǎn)的數目： ΔHm=ZΔεn1φ2=kTχn1φ2

式中Z為晶格配位數；T為絕對溫度；χ=ZΔε/kT，稱(chēng)作相互作用參數，又稱(chēng)弗洛里－哈金斯參數。由此可得到混合自由能ΔGm： ΔGm=kT(n1lnφ1+n2lnφ2+χn1φ2)

并進(jìn)一步導得各組分的偏摩爾混合自由能與各種溶液性質(zhì)的理論關(guān)系。

高分子溶液

在弗洛里－哈金斯的晶格理論中，相互作用參數χ是高分子－溶劑體系中溶劑能力的量度，溶劑愈良，χ值愈小。χ值隨溫度的降低而單調上升，降低溫度會(huì )產(chǎn)生相分離，從而能說(shuō)明上臨界溶解溫度的存在。晶格理論對臨界相分離條件和高分子在兩相中分配的分子量和濃度依賴(lài)性所作的分析與實(shí)驗事實(shí)基本相符，從而為高聚物的分級條件的選擇以及在分級數據的處理上提供了理論依據。

缺點(diǎn)

高分子溶液

雖然弗洛里－哈金斯的晶格理論在高分子科學(xué)的發(fā)展上起了重要作用，但理論本身仍存在一些缺點(diǎn)，它無(wú)法說(shuō)明在ΔHm=0的高分子溶液體系中χ值并不是零，也無(wú)法說(shuō)明從滲透壓的第二維利系數（又譯維里系數）A2得到的χ值有分子量的依賴(lài)性，式中Μ1為溶劑的分子量；ρ1、ρ2為溶劑和高聚物的密度。從量熱學(xué)測定ΔHm時(shí)得到的χ值，有高分子濃度的依賴(lài)性。另一方面，高分子溶解時(shí)常伴隨有體積的改變，還發(fā)現升高溫度也能產(chǎn)生相分離，即存在一個(gè)下臨界溶解溫度（圖2）。對于這些事實(shí)，晶格理論也都沒(méi)有預計到。高分子溶液

稀溶液理論

高分子溶液

弗洛里－哈金斯理論的晶格模型忽略了一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，即在很稀的高分子溶液中，鏈段的空間分布必然是非連續的，在高分子線(xiàn)團所在的區域鏈段的濃度很高，而在高分子線(xiàn)團之間卻為純溶劑所占據。高分子的每一個(gè)鏈段都占有一定的體積，在此體積中排除了其他鏈段進(jìn)入的可能，通常稱(chēng)為排除體積效應，它又依賴(lài)于溶劑的性質(zhì)。在良溶劑中，高分子鏈段優(yōu)先選擇溶劑分子作為近鄰，使高分子的實(shí)際尺寸和排除體積增大。相反地，在劣溶劑中排除體積卻減小。排除體積的理論計算是一個(gè)十分復雜的問(wèn)題，但可以預期它應與相互作用參數χ有關(guān)。1950年弗洛里和W.R.克里格鮑姆假定高分子線(xiàn)團在溶液中近似球形，其中鏈段密度按高斯函數的形式分布。他們計算了高分子稀溶液的熱力學(xué)函數，并提出了一個(gè)具有溫度量綱的參數θ（常稱(chēng)為弗洛里溫度）。在T=θ時(shí)，高分子溶液的熱力學(xué)性質(zhì)與理想溶液的偏差消失。θ點(diǎn)可以用改變溶液的溫度或改變溶劑的性質(zhì)而達到。高分子在θ 溶劑中的尺寸相當于高分子鏈的鏈段間沒(méi)有相斥和相吸引力時(shí)的尺寸，常稱(chēng)為無(wú)擾尺寸，此時(shí)，第二維利系數A2為零。

狀態(tài)方程理論

高分子溶液

弗洛里－哈金斯晶格理論保留了小分子正規溶液理論的主要特點(diǎn)，只是對相應的混合熵作了修正，以適應高分子的特殊性。它還假定混合時(shí)沒(méi)有體積變化，這些都與實(shí)際情況不符。

對應態(tài)原理說(shuō)明，一對分子i和j之間的位能ε(rij)與它們之間的距離rij有關(guān)，它可以用一個(gè)普遍適用的位能函數Φ表示為：式中ε*和r*是反映分子結構的特征參數，分別具有能量和長(cháng)度的量綱。從這兩個(gè)特征參數，又可以定義無(wú)量綱的對比溫度，對比體積和對比壓力這三個(gè)對比變量，將這些變量引入統計熱力學(xué)的配分函數，即可得到狀態(tài)方程，其具體形式只依賴(lài)于位能函數Φ的本質(zhì)。在二元混合物中，各不同組分間的相互作用可用六個(gè)特征參數描述。假設它們依從同一形式的位能函數 Φ，則可導得混合物的第二維利系數和混合時(shí)的體積變化。在原則上，從實(shí)驗數據可以計算相異組分間的相互作用，但在實(shí)際上直接計算ε*和r*還是困難的，需要借助于各種簡(jiǎn)化了的模型。狀態(tài)方程理論應用于混合物時(shí)，其最大的成功在于它能說(shuō)明混合時(shí)體積的改變，這一改變在兩個(gè)組分的分子尺寸和相互作用差別較大時(shí)更為顯著(zhù)，過(guò)量體積常為負值。狀態(tài)方程理論應用于高分子溶液時(shí)，可以正確地預計相互作用參數χ 的濃度依賴(lài)性并解釋下臨界溶解溫度的存在。標度理論把鐵磁體在居里點(diǎn)附近的相變理論應用于高分子鏈構象的處理。當鐵磁體冷到居里點(diǎn)溫度TC以下時(shí)，在沒(méi)有外磁場(chǎng)下，從整體說(shuō)沒(méi)有磁矩，但在局部區域也有磁矩。與原子自旋取向相關(guān)的局部磁區的大小，即相關(guān)尺寸ξ的溫度依賴(lài)性為：式中τ為對比溫度；v為一個(gè)特征冪數，此式在τ →0時(shí)成立。這個(gè)關(guān)系與一個(gè)孤立的柔性鏈高分子在良溶劑中的均方半隨聚合度N 變化的情況相似。與鐵磁體相變理論的類(lèi)比，可得出在d維晶格上的有排除體積效應的無(wú)規行走應符合v=3/(d+2)的結論。在三維時(shí)，v=3/5。標度理論只能得到兩個(gè)量之間的標度關(guān)系，即其中一個(gè)量增大一倍時(shí)另一個(gè)量應增大多少倍的問(wèn)題，也即找出冪數關(guān)系的數值。標度理論也適合于處理柔性鏈高分子濃溶液。對于良溶劑，目前已經(jīng)得出的重要結論是：濃溶液滲透，式中c 是濃度；線(xiàn)團的均方半徑隨濃度的變化應服從的規律。但這些結果還有待更多的實(shí)驗驗證。

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