1、聚合物之間的相互作用非常大:大分子之間存在的範德華力和氫鍵作用明顯強於化學鍵作用,這是因為高分子化合物的分子量很大,壹般在104-107之間,其中鏈結構單元數約為103-105,如果每個鏈單元相當於壹個小分子,每兩個鏈單元之間的相互作用相當於小分子的作用,那麽大分子之間的相互作用可謂是壹個非常重要的因素。如果每個鏈單元相當於壹個小分子,每兩個鏈單元之間的相互作用相當於小分子之間的作用,那麽大分子之間的相互作用能應該是鏈單元之間的相互作用能與鏈單元數的乘積,盡管鏈單元之間的相互作用非常微弱、雖然鏈單元間的相互作用能很弱,明顯弱於化學鍵,但由於鏈單元的數量非常多,所以這個乘積遠遠大於化學鍵的鍵能,而大分子的組成又取決於分子量,分子量越大,相互作用能越強,鍵能越強。分子量越大,相互作用越強。因此,在聚合物中分子間作用力起著特殊重要的作用,可以說離開分子間作用力來解釋聚合物的內聚狀態、堆積方式和各種物理性質是毫無意義的。聚合物的內聚狀態只有固態和液態而沒有氣態,其原因是加熱時由於聚合物的相互作用力很大,當能量不足以克服分子間的相互作用時,主鏈上的化學鍵已先被破壞,從而產生熱分解。同樣,橡膠塑化可使其分子量降低,分子量分布變寬。分子量對聚合物的機械性能也有很大影響,聚合物的分子量必須達到壹定值才能顯示出適用的機械強度,分子量越大,機械強度越大。分子間作用力的大小對聚合物的內聚結構、強度和耐熱性都有很大的影響,因此也決定了聚合物的使用性能。
2、特殊的聚合物溶解過程:加熱不能克服聚合物之間的相互作用氣化,但溶劑可以將聚合物分開,變成孤立的聚合物稀溶液。溶劑對聚合物的作用是克服大分子之間的相互作用,但由於大分子之間的相互作用非常大,所以即使是好的溶劑也不能壹次完全克服大分子之間的相互作用,而是逐漸克服鏈單元之間的相互作用,直至將內聚的聚合物解體在壹起。實際過程是聚合物在溶劑中先溶脹後溶解,這又是聚合物的特性。在聚合物與溶劑接觸之初,由於聚合物鏈很長,聚合物相互纏繞,受力很大,不易移動,所以聚合物不會擴散到溶劑中。但高分子鏈具有柔性,鏈段由於熱運動而產生空穴,這些空穴很快被從溶劑中擴散出來的溶劑小分子占據,高分子體積膨脹--溶解。此時整條聚合物鏈無法擺脫彼此的作用而擴散到溶劑分子中。但隨著溶脹的繼續,溶劑分子不斷向高分子內層擴散,必然有越來越多的鏈單元與溶劑分子混合,使高分子鏈之間的距離逐漸增大,鏈之間的作用力逐漸減小,致使越來越多的鏈單元得以松開。當整條高分子鏈上的所有鏈單元都已脫離相鄰分子間的作用時,整條鏈就松動了,可以緩慢地向溶劑中發生擴散運動,高分子與溶劑分子混合,最終完成溶解過程,形成均勻的高分子溶液。當溶劑鉆進高分子線團內部時,就好像對高分子鏈單元充當了壹個排斥力,這個排斥力把高分子鏈分開,其實這個排斥力是溶劑分子與高分子鏈單元的相互作用以及溶劑分子與高分子鏈的相互作用。顯然,聚合物的溶解度與其分子量、分子間作用力和鏈的柔韌性有關。分子量越大,分子間作用力越大,溶解度就越小。如果鏈的柔韌性大,溶解現象就像從表面剝離膠帶壹樣,可以從壹端逐漸撕開而不需要克服全部粘附力;如果鏈的柔韌性小或鏈是剛性的,由於需要同時分解聚合物鏈間的大部分或全部力,溶解度必然很小甚至不溶解。
3 馬克三角原理:充當結構材料的聚合物對性能的要求可以概括為三點,即更高的強度、更高的耐熱性和更高的耐化學藥品性,這些要求反映在聚合物的結構上,就是要加強分子內的化學鍵力和分子間的範德華力和氫鍵。壹般認為,借助以下三個主要原理可以從結構上改善聚合物材料的性能,這三個原理分別是結晶、交聯和增加聚合物鏈的剛性。結晶是增加聚合物鏈之間相互作用的有效方法,分子鏈的化學交聯可以限制鏈的運動,長期以來壹直被用於提高聚合物的強度。而交聯本身是熱固性塑料的****,具有相同的特性,熱固性塑料壹般比熱塑性塑料更耐高溫。結晶和交聯都是將柔軟易彎曲的分子鏈聚集在壹起,使分子鏈強化成壹個堅固的集合體,再將原來是剛性的分子鏈聚集在壹起,更能提高材料的硬度。要增加分子鏈的剛性,可以通過在分子鏈上帶上笨重的側基實現,最有效的方法是在聚合物骨架中引入環狀結構,甚至形成梯形聚合物。同時應用上述原理可以更有效地改善聚合物的性能,取得更好的效果。可以用壹個三角形來形象地說明上述三個原理,以三角形的每壹個角代表三個基本原理中能使聚合物堅硬和耐熱的原理之壹,這些原理的每壹條邊代表兩個兩個起作用的情況,要設計這樣壹個結構,使三個原理全部起作用,就必須落在這個三角形的中間,這就是著名的馬克(Mark)三角原理。
4、粘性流動溫度和玻璃化轉變溫度:大分子之間相互作用的大小也會對聚合物的特征溫度產生影響,如粘性流動溫度 Tf 和玻璃化轉變溫度 Tg。Tf 是整個聚合物鏈開始移動的溫度,如果分子間的相互作用越大,分子受到的內摩擦就越大,粘流溫度就越高。聚合物鏈又不能移動,聚合物之間的相互作用會阻礙主鏈的內旋轉,使 Tg 上升。
5、單鏈內聚態和多鏈內聚態:聚合物鏈可以通過分子鏈之間的相互作用形成多鏈內聚態,在壹定條件下壹條分子鏈也會由於鏈單元之間的相互作用而形成內聚態--單鏈內聚態,這是聚合物縮聚態的重要特征之壹,也可以說是大分子之間相互作用的壹個特征。凝聚態通常指許多分子凝聚在壹起的狀態。壹般高分子的無定形態是高分子線團相互誘導的多鏈凝聚態,在壹條鏈的空間中約有幾十條鏈相互滲透,這樣壹條鏈上的鏈單元受同壹條鏈上較遠的鏈單元的作用而受相鄰鏈上鏈單元的作用而相互抵消,這樣每條鏈就以隨機線團的形式呈高斯鏈狀。對於小分子來說,壹個孤立的分子是談不上分子間相互作用的,但對於壹條高分子鏈來說,由於它包含了成千上萬個鏈單元,每個鏈單元就相當於壹個小分子,所以即使是壹條孤立的高分子鏈,鏈單元之間仍然存在相互作用,仍然可以形成凝聚態,這就是單鏈凝聚態,它由於鏈單元範德華吸引,線團收緊,分子鏈的形式就不再是高斯鏈了。這是單鏈凝聚態與多鏈凝聚態最本質的區別。
6、高分子鏈的內聚纏結:從稀溶液中良好溶劑的溶脹線團到固體中的隨機線團,高分子鏈的大小在逐漸收縮為無定形固體,通常在壹個鏈的空間中幾十個隨機線團相互滲透在壹起,這種圖像是研究高分子結構和性能的根本出發點,這種圖像的理論出發點是正確的,依據是圖像和高分子鏈段。基於這種圖像和聚合物鏈段(通常是含有苯環或雙鍵 π 電子雲的鏈)之間範德華力的各向異性,進壹步提出了 "內聚糾纏 "這壹全新概念,它不同於通常所說的聚合物鏈相互纏繞(拓撲糾纏)。它是由於局部相鄰分子鏈間的列相互作用,如鏈上雙鍵和芳香環電子雲的相互作用,使局部鏈單元接近平行堆積而形成的物理交聯點。只有從聚合物鏈內聚和纏結的角度才能從本質上解釋聚合物的物理老化和相關的差示掃描量熱曲線(DSC)在 Tg 附近出現吸熱峰等現象。內聚纏結只是相鄰鏈的幾個鏈單元之間的相互作用,相互作用能非常小,容易形成和解開。它是在無定形聚合物中,在小範圍(1-2nm)內隨機線團中的幾個鏈單元由於相互作用而平行排列,是壹種局部有序,與鄰近的小分子之間的有序沒有區別,這種局部有序的存在並不影響大範圍(大於 10nm)內整個聚合物鏈的形狀,纏結的平行段點成為較長的晶元,進而形成晶核、片狀晶體和球狀晶體。在這種情況下,會形成片狀晶體和球狀晶體。相反,很難想象沒有內聚糾纏的完全隨機線團會突然形成折疊鏈片狀晶體。
7、聚合物超分子體系:分子間相互作用實現分子間識別和自組裝,形成超分子體系,其性能將明顯優於傳統分子體系。傳統側鏈液晶聚合物存在三個問題:壹是較為柔韌的主鏈的熱運動對液晶基質元素的有序排列產生幹擾,即耦合效應;二是含有硝基等官能團的單體聚合困難;三是大分子運動反應遲鈍,液晶基質元素對外界反應滯後。但氫鍵誘導側鏈液晶聚合物體系可以解決這些問題,聚合物主鏈與液晶基體之間的氫鍵連接使其具有部分解耦作用,其作用是相對於主鏈與液晶基體之間引入柔性間隔;其次,聚合困難在超分子體系中並不存在,因為超分子體系的形成只需要含硝基的功能小分子與高分子混合,通過簡單的自組裝過程即可完成;由於功能小分子與高分子本體是亞價鍵連接,功能小分子對外界的反應與單獨的小分子並無太大區別。這種超分子體系的最大特點是制備方便,適當排列氫鍵供體(或受體)聚合物和氫鍵受體(或供體)就能通過自組裝的方法獲得壹些新的分子結構,通過改變二元組成的比例或通過多元復合可以實現復合液晶的結晶度可控調節。由等摩爾氫鍵供體大分子和雙官能團氫鍵受體形成的超分子液晶網絡具有可逆交聯結構,在超分子熱塑性彈性體中也存在同樣的可逆結構。這種由多種氫鍵形成的連接區域在常溫下具有傳統熱塑性彈性體的玻璃相或結晶硬質相的功能,當溫度升高時,氫鍵被打開,然後材料就可以方便地加工。當溫度升高時,氫鍵被打開,材料可以方便地加工和成型。除了分子間氫鍵,其他亞價鍵相互作用模式也可用於制備超分子體系。
分子間相互作用的特點以及這種相互作用對高聚物結構和性質的影響還是由於高聚物分子 "大",量變引起質變,導致高聚物在結構、分子運動以及壹系列物理力學性質乃至它們的服從規律等方面,與小分子化合物有著本質的區別,形成了高聚物所特有的.差異,形成聚合物獨特的結構和性質。