構(gòu)象概念主線在高分子物理課程中的實踐探討*

孫鵬飛，范曲立

(南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

高分子概念的提出只有100多年的歷史，經(jīng)過百年歷史的發(fā)展高分子學(xué)科已經(jīng)占據(jù)了化學(xué)學(xué)科的半壁江山，同時高分子材料在人們的日常生活中也占據(jù)及其重要的地位。在高分子學(xué)科的發(fā)展及建立過程中，高分子物理是極其重要的一部分。在高分子物理中主要講述高分子與其他分子或材料的本質(zhì)物理學(xué)行為的區(qū)別。同樣，由于高分子物理行為與小分子的不同也使其學(xué)習(xí)較為枯燥、困難[1-3]。前人多年的高分子物理教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)高分子物理的學(xué)習(xí)中存在一條主線，即高分子鏈的構(gòu)象。高分子物理的每一章節(jié)幾乎都與構(gòu)象概念緊密相關(guān)[4-5]。如何將構(gòu)象這條珍珠串連在高分子物理的教學(xué)過程中使用好，學(xué)習(xí)在逐步的學(xué)習(xí)及最后的復(fù)習(xí)中認識清楚是高分子物理課程能否講好的關(guān)鍵點。

1 構(gòu)象概念及在高分子物理中的串聯(lián)作用

構(gòu)象概念來源于有機化學(xué)，其表示原子或原子基團由于圍繞單鍵不斷進行內(nèi)旋而產(chǎn)生的空間分布。小分子中分子的長度較小這種單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)不會對其性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。而在高分子中分子量高達上萬甚至上百萬，這種構(gòu)象的變化就會對高分子材料的性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。因此，在高分子物理的各個章節(jié)均與構(gòu)象概念相關(guān)，如在遠程結(jié)構(gòu)部分主要討論的是理想高分子鏈中構(gòu)象行為，使理想高分子的均方末端距符合高斯分布并形成無規(guī)線團的概念；高分子的運動部分也涉及高分子鏈中鏈段和整條鏈的運動；高分子溶液中高分子的溶解過程及混合熱的推導(dǎo)也是和高分子鏈的構(gòu)象相關(guān)；在熱塑性塑料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中冷拉階段高分子鏈的構(gòu)象變化與高彈態(tài)即有關(guān)又存在區(qū)別。所以在高分子物理的教學(xué)過程中應(yīng)該緊緊抓住高分子鏈的構(gòu)象變化這條主線，并在每章節(jié)的教學(xué)過程中讓學(xué)生理解構(gòu)象行為在各個章節(jié)的異同之處。

下面筆者將以構(gòu)象主線的教學(xué)過程舉幾個實例講述在教學(xué)過程中的運用。

2 遠程結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象及柔順性

我們知道，高分子長鏈中單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)使高分子鏈的構(gòu)象及形態(tài)發(fā)生了巨大變化，雖然高分子鏈構(gòu)象的變化不會破壞化學(xué)鍵，然而其轉(zhuǎn)換需要外界能量。在高分子物理的遠程結(jié)構(gòu)章節(jié)，為表征高分子鏈的大小在高分子物理中引入了均方末端距的概念，為表征高分子鏈構(gòu)象變化的能力引入了柔順性的概念。這兩個概念即分離又相互依存，在教學(xué)過程中需要學(xué)生理解兩者之間的聯(lián)系和區(qū)別。針對理想的高分子鏈不考慮單鍵旋轉(zhuǎn)的位能差，這樣單鍵的選裝可以使高分子鏈一直處于形態(tài)的變化之中，通過幾何推導(dǎo)方法推算出理想高分子鏈的均方末端距。真實的高分子鏈單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)是存在位壘的，雖然高分子可能存在的形態(tài)會有減少，但仍是非常大的一個數(shù)目，同時真實高分子鏈構(gòu)象相對于理想高分子鏈的均方末端距就會增大[6]。

在教學(xué)中需要通過高分子鏈的形態(tài)數(shù)目來表示構(gòu)象的變化，使學(xué)生將高分子鏈的均方末端距、柔順性和外界的環(huán)境相聯(lián)系。特別是柔順性表示的真實高分子鏈的構(gòu)象變化能力，需要學(xué)生理解這種變化能力即是構(gòu)象數(shù)目的多少也是單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)能力的大小。在此次，還需要強調(diào)高分子鏈的運動是和外界條件相依存的，當(dāng)外界熱量比較高的時候高分子鏈容易運動，這樣高分子鏈的柔順性就好，高分子鏈可以形成的構(gòu)象數(shù)也就越多。在此外特別需要向?qū)W生強調(diào)是末端距更多的是從整條高分子鏈的角度出發(fā)看待問題，而討論高分子鏈的化學(xué)機構(gòu)對柔順性影響的時候則更多是從高分子鏈的內(nèi)部出發(fā)看待問題。

3 不同狀態(tài)的下的高分子鏈構(gòu)象

在高分子的遠程章節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)了高分子的構(gòu)象，但此次的構(gòu)象更多的是針對理想高分子鏈，在真實的各種物理狀態(tài)中高分子鏈的構(gòu)象則更加復(fù)雜，并且又相互依存。高分子溶液的章節(jié)，高分子溶液中高分子處于外界的溶劑分子的包圍中，雖然在教學(xué)過程中主要講述高分子鏈的溶解過程及溶解過程的熱力學(xué)變化。筆者認為，在此章節(jié)也必須向?qū)W生強調(diào)高分子溶液中的構(gòu)象行為，如在理想溶液中高分子鏈的構(gòu)象和理想的高分子鏈形式是一致的，也可以說是接近理想高分子鏈的無規(guī)線團形式，當(dāng)在不良溶劑中高分子鏈則更傾向于收縮狀態(tài)，量溶劑是高分子鏈則是擴展?fàn)顟B(tài)，這里看待高分子鏈的時候不應(yīng)該過渡的考慮分子鏈的運動，而應(yīng)該關(guān)注整個高分子鏈的大小。與高分子溶液相反，在結(jié)晶高分子中構(gòu)象則關(guān)注的是高分子鏈的局部狀態(tài)，結(jié)晶高分子中高分子鏈的各個連接或者鏈段是固定的(以鋸齒狀態(tài)或螺旋鏈存在)，是高分子鏈中單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)被阻止。如果從高分子鏈的整體看待，高分子則不是全部卷曲在一起，而是保持高分子溶液或熔融狀態(tài)的無規(guī)線團狀態(tài)。

4 高分子運動及力學(xué)狀態(tài)中的構(gòu)象

高分子材料之所以能夠應(yīng)用到我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N場所，根源就來自隨著高分子的種類不同和高分子隨外界環(huán)境如溫度、外力的改變，其能夠表現(xiàn)出不同的微觀構(gòu)象的變化，并表現(xiàn)出宏觀的行為狀態(tài)及行為的變化。在高分子物理中主要有兩個章節(jié)設(shè)計設(shè)計高分子鏈與溫度和外力因素的關(guān)系。在高分子鏈的運動章節(jié)(形變-溫度曲線)中高分子力學(xué)特征即會隨外界溫度的不斷升高，高分子的狀態(tài)依次經(jīng)歷玻璃態(tài)-橡膠態(tài)-粘流態(tài)。如何讓學(xué)生理解三種狀態(tài)的本質(zhì)區(qū)別是學(xué)生理解的關(guān)鍵。在玻璃態(tài)的高分子材料主要可以作為塑料使用，這種狀態(tài)高分子鏈的運動以側(cè)基等小運動單位為主，所以材料表現(xiàn)為虎克彈性形變，表現(xiàn)為堅硬的材料。當(dāng)?shù)竭_高彈態(tài)時，高分子鏈中的鏈段可以運動，這樣高分子構(gòu)象的變化就越為劇烈，材料就變得柔軟可以作為橡膠使用。溫度繼續(xù)升高到粘流態(tài)使整個高分子鏈都可以發(fā)生運動，高分子鏈的構(gòu)象變化就更為活躍、同樣也變得更為復(fù)雜，高分子材料表現(xiàn)為可以流動的液體狀態(tài)。

高分子鏈的構(gòu)象變化在單獨的章節(jié)內(nèi)需要講述，同樣也需要跨章節(jié)進行講述。和應(yīng)變-溫度曲線相對于的是塑料的斷裂-屈服章節(jié)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在應(yīng)變較小時高分子材料表現(xiàn)為虎克彈性行為，表觀為熱塑性的塑料，在這個狀態(tài)高分子鏈的運動單元為側(cè)基等小運動單元。但高分子材料發(fā)生屈服以后高分子材料進入冷拉階段，這個時候高分子鏈的運動單元也變成了鏈段，這個和高彈態(tài)是一樣的，并有專業(yè)的名稱叫強迫高彈態(tài)。在教學(xué)中應(yīng)該給學(xué)生同時講述兩個章節(jié)的兩個曲線變化。這樣學(xué)生就能夠理解同樣的高分子鏈的運動和構(gòu)象的變化是來源于溫度的升高和外界的拉力。

5 高分子流動狀態(tài)的構(gòu)象

前面部分討論的是高分子鏈在靜止?fàn)顟B(tài)的構(gòu)象，當(dāng)高分子鏈在溶液狀態(tài)或者熔融狀態(tài)整體高分子鏈開始發(fā)生運動，所以看待高分子鏈的構(gòu)象時應(yīng)該把高分子鏈看成一個整條，但又不能因為高分子鏈整體是運動的而忽略高分子鏈內(nèi)部的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)。如高分子溶體屬于非牛頓流體，在外力作用下流動時會發(fā)生可回復(fù)的彈性形變也能發(fā)生永久的粘性形變。這部分對學(xué)生講述時需要強調(diào)把高分子鏈看成一條線，拉伸后發(fā)生了類似于液體的粘性流動，但高分子鏈不是單純的一條線，高分子鏈內(nèi)部還存在單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，高分子還是傾向與回縮，這樣就給高分子熔體或溶體帶來了彈性。同樣在高分子的粘彈性行為是也需要給學(xué)生強調(diào)高分子鏈構(gòu)象的變化。

6 結(jié) 語

高分子鏈的構(gòu)象來源于單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而高分子鏈的構(gòu)象又不局限于單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，更多的是表現(xiàn)為這種旋轉(zhuǎn)對整體高分子鏈的運動及整體的狀態(tài)的影響。所以在高分子物理的教學(xué)過程中不能把各個章節(jié)的內(nèi)容孤立開來，應(yīng)該在講述的過程中緊緊抓住高分子鏈的構(gòu)象概念及變化展開。在學(xué)生對高分子物理進行復(fù)習(xí)時不要只是通過死記硬背各個孤立的知識點，也需要通過構(gòu)象把整本書串起來。