高分子化学与物理第1章绪论全解.ppt

1,聚乙烯丙纶高分子防水胶复合防水卷材,人类正进入合成材料时代,新时代，新生活,新工艺，新产品,2,我被高分子包围了呀！,酚醛塑料,涤纶,聚氯乙烯,有机玻璃,聚苯乙烯,聚四氟乙烯,3,四大塑料“四烯”聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯合成纤维“六纶”涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶合成橡胶“四胶”顺丁橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、异戊橡胶以及聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯、有机玻璃等都是经过聚合反应得到的高分子化合物。,4,5,6,ETFE,7,阿斯匹林(Aspirin)是一个“古老”的解热镇痛药物，而缓释长效阿斯匹林又使阿斯匹林焕发了青春。近年，科学家通过乙二醇的桥梁作用把阿斯匹林连接在高聚物上，制成缓释长效阿斯匹林，用于关节炎和冠心病的辅助治疗，缓释长效阿斯匹林可分为三部分：高分子载体（聚甲基丙烯酸）；低分子药物（阿斯匹林）；作为桥梁作用的乙二醇。肠胃中水解变为阿斯匹林。,【高分子药物】现代医药发展方向之一：合成药物长效化和低毒化，其有效途径是低分子药物高分子化。例如可将药物分子连在安全无毒的高分子链上。缓释长效阿斯匹林的结构简式如下：,8,缓释长效阿斯匹林在体内的分解过程,人造器官组织,人造器官组织,人造器官组织,9,人造器官组织,人造器官组织,人造器官组织,人造器官组织,【人造器官组织】由于某些合成高分子材料（如：有机硅聚合物、有机氟聚合物、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、醋酸纤维素等）与生物体中的天然高分子有极其相似的化学结构，生物相容性较好，较少受到排斥，安全无毒，可用于制作医用组织和人造器官的高分子材料。从皮肤到内脏，从血液到五官都有用医用高分子材料制成的人造器官组织，如人造血管、人造心脏、人造肾脏、人造皮肤、人造骨髓等，最早应用的医用高分子材料是代替手术缝合线的聚乳酸。使聚乳酸作为外科手术的缝合线，因聚乳酸极易水解、缝合伤口愈合后，不需拆线，缝合线经体液水解为乳酸，由代谢循环排出体外水解.,10,人造器官组织,人造器官组织,人造器官组织,【光致变色高分子】螺苯并吡喃类衍生物是一类典型的光致变色化合物，将其引入纤维素类聚合物分子链上，用这种聚合物仿制的纤维就具有光致变色功能。变色反应式如下：,共轭链变化引起颜色变化,通过上述反应实现了人们的服装可以随光线强弱变化而变化。,11,Chapter1绪论,12,高分子科学的发展,13,高分子科学的发展,高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。1839年，美国人Goodyear发明硫化橡胶。,14,1868年，英国科学家Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。1893年，法国人DeChardonnet发明粘胶纤维。1906年，第一个合成高分子酚醛树脂诞生。1920年，德国人Staudinger发表了“论聚合”的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。1953年获诺贝尔化学奖。,15,对高分子学科作出卓越贡献的斯陶丁格,16,1935年，Carothes发明尼龙66，1938年工业化。30年代，许多烯烃类加聚物被开发出来，PVC（19271937）,PMMA（19271931）,PS（19341937）,PVAc（1936）,LDPE（1939）。自由基聚合发展。高分子溶液理论在30年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。Flory为此于1974年获得诺贝尔奖。40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（1937）,丁腈橡胶（1937）,丁基橡胶（1940）,有机氟材料（1943）,涤纶树脂（19401950）,ABS（1947）。,高分子科学的发展,17,18,50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂，制得高密度PE和有规PP，低级烯烃得到利用。1963年，Ziegler和Natta分享诺贝尔化学奖。1956年，美国人Szwarc发明活性阴离子聚合，开创了高分子结构设计的先河。50年后期至60年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚（1964），聚酰亚胺（1962）。,高分子科学的发展,19,20,高分子科学的发展,60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。特种高分子：高模量高强度、耐高低温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。为表彰在导电高分子的发展方面所作的贡献，2000年，日本科学家白川英树（H.Shirakawa）、美国科学家黑格（A.J.Heeger）和麦克迪尔米德（A.G.MacDiarmid）分享诺贝尔化学奖。,21,22,高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机物。常用高分子材料分子量在一万到几百万之间，高分子量对化合物性质的影响就是使它具有一定强度，从而可作材料使用。这也是高分子不同于一般化合物之处。又因高分子一般具有长链结构，每个分子好像一条长长的线，许多分子纠集在一起，就成了一个扯不开的线团，这就是高分子化合物具有较高强度，可以作为结构材料使用的根本原因。另一方面，还可以通过各种手段，用物理的或化学的方法，或者使高分子与其他物质相互作用后产生物理或化学变化，从而使高分子成为能完成特殊功能的功能高分子材料。,高分子化合物简介,23,高分子具有许多优良性能，高分子材料是当今世界发展最迅速的产业之一，目前世界上合成高分子材料的年产量已经超过1.4亿吨。塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂几大类高分子材料己广泛应用到电子信息、生物医药、航天航空、汽车工业、包装、建筑等各个领域。功能高分子材料：导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等近年发展迅速，具有特殊功能。,高分子材料De应用,24,高分子科学是当代发展最迅速的学科之一；它既是一门应用科学，又是一门基础科学.它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。目前，已经发展成四个主要分支.高分子化学继“四大化学”之后被称为“第五大化学”。,1.1高分子科学研究对象,25,提高产量、增加品种、改进性能、处理三废、拓宽应用领域；研制新型引发剂，降低能源和材料消耗，使得合成方便易行；采用新的聚合方法获得新性能、新品种、新用途的高聚物；开发功能高分子材料和生物工程高分子材料。,1.1高分子科学研究对象,发展方向,26,1.2高分子的基本概念,（*）,27,1.2高分子的基本概念,聚合物分子结构必须是由多个重复单元所组成，并且这些重复单元是由相应的小分子衍生而来。,28,1.2高分子的基本概念,29,1.2高分子的基本概念,30,1.2高分子的基本概念高分子的三种组成情况,31,1.由一种结构单元组成的高分子,1.2高分子的基本概念高分子的三种组成情况,例如：聚苯乙烯,说明：n表示重复单元数，也称为链节数,在此等于聚合度。,32,1.2高分子的基本概念,33,1.2高分子的基本概念,34,1.2高分子的基本概念,2.由两种结构单元组成的高分子合成尼龙-66的特征：,其重复单元由两种结构单元组成，且结构单元与单体的组成不尽相同，所以，不能称为单体单元。,35,1.2高分子的基本概念,36,1.2高分子的基本概念,例1：以氯乙烯单体为原料，聚合得到的聚氯乙烯的分子量，根据其用途不同可在5万至15万之间，其结构单元的分子量为62.5，计算其聚合度。,解：=50000-150000/62.5=800-2400通过计算可知，聚氯乙烯的平均聚合度应在800-2400聚氯乙烯分子约由800-2400个氯乙烯单元组成。,37,1.2高分子的基本概念,例2：以对苯二甲酸与乙二醇为原料，经缩聚制得聚对苯二甲酸乙二醇酯，其分子量一般在2万左右，计算及。,解：已知-O(CH2)2O-结构单元分子量为60，-OC-C6H5-CO-结构单元分子量为132。由=（M+M）/2得：2000=（60+132）/2则=208=/2=104,38,1.2高分子的基本概念,39,1.3高分子化合物的分类和命名,40,1.3高分子化合物的分类和命名,41,1.3高分子化合物的分类和命名,42,上节课内容回顾,1、基本概念高分子、单体、重复单元、结构单元、聚合度2、聚合物的分类按主链分、按用途分,43,44,1.3高分子化合物的分类和命名,45,1.3高分子化合物的分类和命名,46,(1)根据单体来命名：“聚”+单体名称如聚氯乙烯、聚乙烯等如果单体有取代基，单体的名称较长，要在“聚”和单体名称之间加括号。以单体名称来命名时，单体可能是假想的。,1.3高分子化合物的分类和命名,47,1.3高分子化合物的分类和命名,（2）根据聚合物的结构来命名“聚”+高分子主链结构中的特征功能团：指的是一类高分子，而非单种高分子，如：,48,1.3高分子化合物的分类和命名,（3）由两种单体通过链式聚合反应合成的共聚物：两单体名称或简称之间+“-”+“共聚物”：如乙烯和乙酸乙烯酯的共聚产物叫“乙烯-乙酸乙烯酯共聚物”（4）非正式命名（俗名）天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶苯酚和甲醛的缩聚产物叫“酚醛树脂”尿素和甲醛的缩聚产物叫“脲醛树脂”甘油（丙三醇）和邻苯二甲酸酐产物叫“醇酸树脂”,49,1.3高分子化合物的分类和命名,50,1.3高分子化合物的分类和命名,51,1.3高分子化合物的分类和命名,52,1.3高分子化合物的分类和命名,53,1.3高分子化合物的分类和命名,54,聚甲基丙烯酸甲酯聚1-(甲氧基羰基)-1-甲基乙烯Poly1-(methoxycarbonyl)-1-methylethylene,1.3高分子化合物的分类和命名,55,1.3高分子化合物的分类和命名,56,1.3高分子化合物的分类和命名,57,1.4聚合物平均分子量及其分布,58,1.4聚合物平均分子量及其分布,59,1.4聚合物平均分子量及其分布,60,1.4聚合物平均分子量及其分布,61,1.4聚合物平均分子量及其分布,62,1.4聚合物平均分子量及其分布,说明：1.粘均相对分子质量用粘度法测得。粘度法测定聚合物相对分子质量是实验室和工业上常用的方法。2.对于相对分子质量均一的聚合物，数均分子量=质均分子量；而对于相对分子质量不均一的聚合物，一般，质均分子量数均分子量，粘均分子量介于两者之间更接近于质均分子量。,63,1.4聚合物平均分子量及其分布,64,1.4聚合物平均分子量及其分布,65,高分子不是由单一分子量的化合物所组成，即使是一种“纯粹”的高分子，也是由化学组成相同、分子量不等、结构不同的同系聚合物的混合物所组成。这种高分子的分子量不均一(即分子量大小不一、参差不齐）的特性，就称为分子量的多分散性。因此应注意：一般测得的高分子的分子量都是平均分子量；聚合物的平均分子量相同，但分散性不一定相同。,不同分子量的分子所占的比例不同，所以高分子化合物存在一个分子量分布的问题。分子量分布表征聚合物的多分散程度。,1.4聚合物平均分子量及其分布,相对分子质量的多分散性，Polydispersity,分子量分布（molecularweightdistribution,MWD),66,1.4聚合物平均分子量及其分布,67,1.4聚合物平均分子量及其分布,68,1.4聚合物平均分子量及其分布,69,1.5聚合物物理状态及转变,70,1.5聚合物物理状态及转变,71,1.5聚合物物理状态及转变,72,1.5聚合物物理状态及转变,73,1.5聚合物物理状态及转变,74,1.5聚合物物理状态及转变,75,1.5聚合物物理状态及转变,76,1.5聚合物物理状态及转变,77,1.5聚合物物理状态及转变,78,1.5聚合物物理状态及转变,高分子的聚集态结构，是指高聚物材料整体的内部结构，即高分子链与链之间的排列和堆砌结构。,高分子的聚集态结构,79,1.5聚合物物理状态及转变,非晶态结构高聚物可以是完全的非晶态；非晶态高聚物的分子链处于无规线团状态；非晶态高分子没有熔点，在比体积-温度曲线上有一转折点，此点对应的温度称为玻璃化转变温度，用Tg表示；在Tg以下，聚合物处玻璃态，其质硬，性脆，无弹性，类似玻璃，体积粘度大，链段运动受限，比体积随温度变化率较小。温度升高到Tg以上，聚合物转变为橡胶态（高弹态），质软而有弹性，链段能较自由地转动，比体积随温度变化率较大。玻璃态和高弹态均为固体。当升温到Tf（粘流温度）时，链段运动强烈，有明显分子间位移，物料熔融达到象液体一样的流动状态，即粘流态。,80,1.5聚合物物理状态及转变,81,晶态结构高聚物可以高度结晶，但不能达到100，即结晶高聚物可处于晶态和非晶态两相共存的状态结晶熔融温度，Tm，是结晶高聚物的主要热转变温度。由于晶格的束缚，在熔点Tm以下时，结晶高聚物只能处于玻璃态。如分子量不大，加热到Tm后直接产生流动而进入粘流态；分子量大时，则要经过一个小的高弹形变区，最后进入粘流态。Tm和Tg是结晶高聚物和无定型高聚物的主要热转变温度，也是衡量聚合物耐热性的重要指标。液晶态结构某类晶体受热熔融（热致性）或被溶剂溶解（溶致性）后，失去固体的刚性，转变成液体，但仍然保留有晶态分子的有序排列，呈各向异性，形成兼有晶体和液体性质的过渡态，称为液晶态，处于这种状态的物质成为液晶。,1.5聚合物物理状态及转变,82,1.5聚合物物理状态及转变,83,1.5聚合物物理状态及转变,84,1.5聚合物物理状态及转变,3.强度,高分子材料的强度一般都比较大。如果分别把10Kg