高分子链结构的教学分析
摘要:高分子结构是组成高分子的不同尺度的结构单元在空间的相对排列, 涉及高分子链的近程结构、远程结构和聚集态结构。在高分子物理教学中,从不同维度讲述“三个结构”并分析其影响因素，使学生深入理解三种结构的区别和联系,从而更好地掌握高分子链结构。
关键词:高分子；结构；构象；教学研究。
引言
高分子的结构包括高分子链的近程结构、远程结构和聚集态结构。高分子长链状的分子形式使得高分子链结构非常复杂, 所涉及到的内容繁复而精深，如何理解三种结构之间的区别和联系，是掌握高分子材料的重要基础，也是授课教师在教学方法上应该思考的问题。
1.高分子的近程结构
高分子的近程结构是构成高分子的最基本微观结构，包括其组成和构型，可以理解为与链节有关的结构[1]。近程结构包括化学组成，构型，构造和共聚物的序列结构。
主链的化学组成决定了高分子的分类。比如主链的元素均为碳形成的高分子为碳链高分子；主链上除了碳还有氮、氧元素为杂链高分子；主链由碳以外的元素组成为元素高分子。高分子链的构型是指由化学键所决定的分子中的原子或基团在空间的特定几何排列。构造相同而构型不同的分子称作“构型异构体”。导致高分子存在构型异构的结构因素有两种, 其一是主链双键, 其二是主链上含有手性碳原子。若与双键的两个碳原子相连的两个主链碳原子在双键平面的同侧, 此构型为“顺式构型”；若其分别位于双键平面的异侧, 则为“反式构型”。通常人们按照费歇尔投影规则对其进行投影[2]。
2.高分子的远程结构
高分子整条链的行为决定了远程结构。包括高分子的分子的大小、构象和柔顺性。构象指分子中的原子或基团由于单键内旋转而产生的空间排列，这样的构象叫做“微构象”或“局部构象”[3]，它指的是高分子主链中一个键的构象。构象的改变并不需要化学键的断裂，只要化学键的旋转就可实现。高分子内有许多s单键，随s单键的内旋转整个分子链在空间呈现出不同形态，这种形态的多少与结构有关，与外界的条件有关。高分子链中的单键旋转时互相牵制，一个键转动，要带动附近一段链一起运动，这样每个键不能成为一个独立的运动单元[4]。
高分子柔顺性是指高分子链的各种可蜷曲的性能或者说高分子链能改变其构象的性质，是高分子的许多性能不同于低分子物质的主要原因。高分子链的柔性是因为它可以有无数的构象。高分子的近程结构决定了实现其可能构象的难易，因而直接影响高分子链柔性。其中主链的结构是影响柔性的主要因素。当主链全是单键相连或含有孤立双键时，柔性大；当主链上含共轭双键时，分子链不能内旋转，具有高度的刚性。主链上的取代基是柔顺性的另一原因。当取代基是极性的，分子间作用力会增加，单键的内旋转受到阻碍，减少高分子链的柔性；当非极性取代基的体积一方面使主链间距离增大，能增加柔性的趋势，但另一方面使空间位阻增加，又有减少柔性的趋势。取代基的位置和数量也影响柔顺性：同一C上相同的取代基，分子间距增大，易旋转，柔顺性增大；同一C上不同的取代基，空间位阻增大，难旋转，柔顺性减小。
3.高分子的聚集态结构
高分子的聚集态结构也称为三级结构，或超分子结构，它是指高分子内分子链的排列与堆砌结构，是一种群体性行为。聚集态结构包括晶体结构，非晶态结构，液晶态结构，取向态结构。高分子的晶态结构根据结晶条件不同可分为单晶、球晶、伸直链晶片，纤维状晶片和串晶。结晶过程是高分子链从无序到有序转变的过程，其晶态模型通常用两相结构模型和折叠链模型来解释[6]。高分子的非晶态结构是更为普遍存在的聚集形态，不仅有大量完全非晶态的高分子，而且即使在晶态高分子中也存在非晶区。非晶态结构包括玻璃态，橡胶态，粘流态及结晶高分子中的非晶区。目前主要存在两相球粒模型和无规线团模型，两者上存在争议无定论。
高分子的液晶态是晶态向液态转化的中间态。液晶态既有晶态的有序，又有液态的连续和流动性。高分子液晶态的形成条件包括：(1)分子链具有刚性或一定刚性，并且分子的长度与宽度之比R远大于1。即分子是棒状或者接近于棒状的构象；(2)分子链上含有苯环或者氢键等结构；(3)若形成胆甾型液晶还必须有不对称碳原子。高分子的取向是指在外力作用下，分子链沿着外力方向平行排列。高分子取向现象包括分子链、链段的取向以及结晶高分子的晶片等沿外力方向的择优排列。未取向的高分子材料是各向同性，而取向后的高分子材料在取向方向上的力学性能得到加强。
4.教学心得
结合概念和示意图，来讲解高分子的个体和聚集态相，既深入理解了三种结构的理念，又明确了三种结构的区别和联系，达到了深入浅出的教学目的，学生的学习兴趣大大提高，可以取得非常好的教学效果。
参考文献：
[1] 贺昌城.高分子通报, 2008, (5):53～56.
[2] 陆国元.有机化学.南京:南京大学出版社, 1999, 36～37, 121～123.
[3] 殷敬华, 莫志深.现代高分子物理学(上册).北京:科学出版社, 2001, 21,23.
[4] 朱善农, 等.高分子链结构.北京:科学出版社, 1996, 20, 21, 26.
[5] AN Bao-zhu, GUAN Jia-yu, Acta Polymerica Sinica, 1992, 1, 257-264.
