普通測量學

[拼音]：gaofenzi wuli

[外文]：high polymer physics

高分子科學的一個分支學科，它論述高聚物的分子聚集態結構和本體效能以及效能和結構之間的關係。自從1920年H.施陶丁格建立高分子線鏈型學說以後，隨著高分子化學和高分子物理化學的建立和發展，高分子物理也相應地建立和發展起來，並且已經成為高分子材料科學、高分子設計和生物大分子理論的物理學基礎。

高聚物分子聚集態結構

高聚物與高分子溶液不同，是未稀釋的高分子聚集體，其物理結構取決於單個高分子的化學結構、構型和構象以及分子量和分子量分佈，而且更直接地依賴於由許多高分子堆砌和排列所形成的超分子結構，它與形成聚集體的熱歷史、製備方法等條件有關。

高聚物在分解溫度以下總是處於凝聚態，它包括固態和液態。按照高分子鏈在聚集時的堆砌和排列情況，高聚物可分為非晶態和晶態兩大類。隨著環境溫度的不同，非晶高聚物也可能處於玻璃態、橡膠態（又稱高彈態）或流動態（又稱粘流態，見非晶高聚物的轉變和鬆弛）。結晶高聚物則能處於結晶態或熔融態（見結晶高聚物的轉變和鬆弛）。在溫度升高或降低時，這些狀態可以相互轉變。

高聚物非晶態結構

一般認為它是無規線團。根據中子散射實驗證明，非晶高聚物的橡膠態或玻璃態以及結晶高聚物的熔融態，都是由無規線團狀的高分子互相穿插組成的，其中單個高分子鏈的均方末端距具有θ-尺寸（見高分子溶液）。另外，有人認為在高分子鏈間存在著旁側有序，但其有序程度迄今尚未肯定。

高聚物晶態結構

早在20世紀初，就曾用X射線衍射研究纖維素等天然產物的結構，當時用小分子結晶學觀點測定晶胞引數。自從高分子學說被公認後，對高分子晶態結構提出了兩相的纓束模型，認為長鏈高分子能在分散於非晶基質中的幾個晶區中穿越。到了50年代，製出了聚乙烯的片狀單晶並闡明它是由鏈摺疊而成的。A.凱勒提出的鏈摺疊模型是高分子晶態結構理論中的一大突破，他認為從熔融態冷卻而得到的球晶，是由摺疊鏈片晶按一定規律堆砌而成的。與摺疊鏈片晶相對應的是伸直鏈微絲晶。除柔性鏈可以摺疊或伸直外，還有剛性鏈（如蛋白質的α 螺旋鏈）能形成更復雜的結晶。上述柔性高分子鏈的構象可用圖1示意。

50年代對高聚物液晶進行了研究，這是介於高聚物液態（溶液或熔體）和晶態之間的一種中間狀態，既具有液態的流動性，又具有晶態的光學性質。形成高聚物液晶的必要條件是高分子鏈具有剛性，例如多肽和芳香族聚醯胺的溶液，熔融的芳香族聚酯。

高聚物的本體效能

高聚物的內在效能與高分子的化學結構、分子量和分子量分佈以及聚集態結構有關，它包括熱物理效能、力學和流變效能以及在光、電、磁場下的效能，還有高聚物熱學效能等。

熱物理效能

主要是轉變和鬆弛現象，這是分子運動的反映。在溫度或時間（頻率）座標上，非晶高聚物顯示了玻璃態、粘彈轉變區、橡膠態（高彈態）和流動態的轉變（圖2）。

從橡膠態轉變為玻璃態的溫度稱為玻璃化溫度，以Tg表示。Tg值隨測試頻率的增高而提高，顯示出鬆弛特徵。結晶高聚物經加熱後可以熔融，這時的轉變溫度稱為熔融溫度，以Tm表示（見高聚物的轉變和鬆弛）。這種轉變在熱力學上屬一級相變。Tg和Tm這兩個特徵溫度具有基團加和性，即高分子結構基團對Tg和Tm的貢獻可用基團的摩爾函式進行加和。

高聚物力學效能

指高聚物在外力作用下的響應，如應力和應變之間的關係。高分子材料就是根據室溫下形變時模量和伸長率的大小而分為橡膠、塑料、纖維三大類（見表）。

橡膠的高彈性與普通物體的能彈性不同，它是由熵的變化引起的，因此又稱熵彈性。30年代由W.庫恩、E.古思和L.R.G.特雷洛爾等所建立的橡膠彈性的力學理論，成功地用高分子長鏈中碳－碳鍵的內旋轉來闡明高彈性的本質。

塑料在室溫時處於玻璃態（如聚苯乙烯）或結晶態（如聚乙烯），升溫則轉變為流動態或熔融態。在外力作用下其粘性或塑性形變不可回覆，熱塑性塑料的加工成型就是利用這一效能。至於熱固性塑料(如酚醛樹脂)，為在加工成型時通過化學交聯固化的。

在室溫時，天然和合成纖維均處於結晶態。合成纖維在熔融紡絲後經冷拉伸、結晶再取向，使強度增加。當結晶中的摺疊鏈經超拉伸成為直鏈後，模量大增，使得纖維的模量和強度向理論值靠近。

高聚物的粘性和彈性相疊加時呈現粘彈效能，兩者之比具有時間的量綱，稱為鬆弛時間，這可與分子運動聯絡起來（見高聚物粘彈性）。

高聚物電學效能

與化學結構有關的電學效能，一種是在低電場強度下得到的效能，如介電常數、介電損耗因子、接觸電荷、電導率等。按照電導率的高低分類，絕大多數的高分子材料為絕緣體，極少數為半導體、導體、超導體；另一種是在極高的電場強度下得到的極限效能，如放電性、介電擊穿性、抗電弧性等，這些效能的測定值還與測試方法有關，其中只有介電常數具有基團加和性。

高聚物光學效能

光的折射、吸收和反射決定於介質的平均光學效能，散射則決定於介質內部光學效能的起伏。折射率和比折射率可用基團加和法來估算。吸收不表現出加和性，是典型的結構效能。

高分子物理的理論研究及其發展

在高分子物理的理論工作中，統計學理論一直用得比較成功。過去所用的若干理論能解釋溶液性質和熔體性質，但對於從熔融態轉變為結晶態還存在著爭論，例如對鏈如何摺疊成片晶的問題，就有近鄰再進入和無規再進入兩種模型。再如橡膠彈性，也有如何描述網路伸展極限和預計拉伸率的問題。總之，還需要一個統一的理論來解釋高聚物的熔融態、玻璃態、結晶態、橡膠態等的效能。

70年代中期值得注意的新理論是標度理論，它能從“蛇行”模型預計出熔體粘度依賴於分子量的三次方關係，可用來處理粘彈效能。

在發展特殊效能的新型高分子材料中，將面臨更多的高分子物理問題，例如，高選擇性和高效率高分子膜的膜結構與小分子擴散問題；高結晶度和高強度高分子材料的伸直鏈結晶與模量問題；碳纖維、玻璃纖維與高分子複合材料的兩相間表面接觸和分離問題。此外，還有導光高分子纖維、導電高分子材料、高分子吸振和儲能材料中的特殊物理問題，都有待高分子物理工作者去研究和發展。

參考書目

中國科技大學高分子物理教研室編著：《高聚物的結構與效能》，科學出版社，北京，1981。

D. W.範克雷維倫著，許元澤等譯：《聚合物的性質──性質的估算及其與化學結構的關係》，科學出版社，北京，1981。 (D. W. Van Krevelen，Properties of Polymers—Their Estimation and Correlation with Chemical Structure， Elsevier， Amsterdam， 1976.)

P. G. de Gennes，Scaling Concepts in Polymer Physics，Cornell Univ. Press， Ithaca and London， 1979.