高分子物理和化学.ppt

材料 天然或人造的 用于满足人类某种使用要求 并在储存或使用过程中保持形状相对不变的物质 材料是人类文明的里程碑 是人类赖以生存和发展的物质基础 材料的地位与作用 石器 石器 陶 玉 砖瓦 旧石器时代250万年前 新石器时代1万年前 高分子时代 新材料时代 铁器时代2500年前 青铜器时代5000年前 Organicpolymer Metal InorganicNon metal composite 小汽车原材料构成 钢 铸铁70 有色金属10 有机高分子14 玻璃3 其它3 金属材料 黑色金属 铸 生 铁 含炭量 2 1 钢 含炭量0 04 2 1 纯铁 含炭量 0 04 碳素钢 合金钢 有色金属 重金属 铜 锌 镍 铅 锡等 轻金属 铝 镁 钛等 贵金属 金 银 铂等 稀有金属 钨 钼 钽 钛 铀 锗 稀土等 特殊合金 非晶合金 形状记忆合金 储氢合金 超导合金 高强高模铝锂合金 高温合金 稀土永磁合金 无机非金属材料 硅酸盐材料 玻璃 陶瓷 耐火材料 硅酸盐 氧化物 碳 石墨 特种陶瓷 结构陶瓷 Al2O3 SiC Si3N4 ZrO2 BN 搪瓷 功能陶瓷 铁电陶瓷 敏感陶瓷 磁性陶瓷超导陶瓷 巨磁阻陶瓷 生物陶瓷 水泥 其它 单晶 人造金刚石 1 1什么是高分子 高分子也称高聚物 聚合物 英文 Polymer Macromolecule 定义 高分子是由一种或几种结构单元以共价键重复连接而成的 分子量很大 一般数千到数百万 的一类分子 分子量很大 有基本的结构单元 除少数蛋白质外 高分子化合物是一种组成相同 链长不等的同系物组成的混合物 单体 monomer 能形成高分子中的结构单元的小分子化合物 聚合 Polymerization 由单体经化学反应形成聚合物的过程 重复 结构 单元 链节 repeatunit 能通过自身的重复连接而形成高分子的结构单元或结构单元组合 单体单元 Monomerunit 元素组成与单体相同的结构单元 大部分加聚物的结构单元都为单体单元 1 几个基本概念 单体与结构单元可以相同 也可以不同 聚合度Xn 高分子中含有结构单元的数目 平均聚合度Xn 高分子化合物中平均含有结构单元的数目 平均分子量Mn nM0 XnM0 重复结构单元分子量 结构单元平均分子量 1 几个基本概念 一种高分子一定有结构单元 但它们不一定是单体单元 但不一定有重复结构单元 加聚物均聚 结构单元 单体单元 有重复单元无规共聚 结构单元 单体单元 无重复单元 缩聚物均聚 结构单元 单体单元 有重复单元无规共聚 结构单元 单体单元 无重复单元 2 汽油与PE 量变到质变 CH4C4H10C6H14汽油蜡 高分子的性质很大程度上由其巨大的分子量所决定 聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯 麦牙糖 蔗糖淀粉纤维素 葡萄糖果糖 3 高分子与金属 陶瓷 基本性质高分子金属陶瓷元素组成 非金属金属金属 非金属结构特征分子 共价键原子 金属键原子 共价键范德华力离子键密度0 9 1 5 2 73 5绝缘 X 隔热 X 耐腐蚀 X 耐热室温几百上千耐老化X 燃烧性易燃不燃不燃硬度低高高制造合成冶炼烧结加工塑造机加X 1 2为什么要学 1 高分子材料是材料大家庭中不可或缺的重要成员之一 高分子是人类生活不可或缺的材料 高分子是高技术 国防现代化不可或缺的材料 衣 食 住 行 用 航空 航天 卫星 导弹 信息 电子 化学 化工 文体 2 高分子与生命现象息息相关 蛋白质 Protein DNA RNA 生命的基础纤维素 Cellulose 植物的主体 3 高分子科学是年轻而充满活力的学科 4 高分子的研究与应用已经渗透到材料科学与工程的各个领域 中国合成树脂产量 1949200吨 赛璐珞 电木粉 1958第一套PVC装置 辽宁锦州 19625000吨 年乙烯工程 兰州石化 197630万吨 年乙烯工程投产 燕山石化 1990227万吨2008合成树脂3130万吨世界第一 2亿吨 合成纤维2241万吨世界第一 4000万吨 合成橡胶222万吨世界第二 1200万吨 涂料600万吨世界第二 2800万吨 中国 生产大国 消费大国 生物材料 人工骨 人工脏器 电子材料 光致抗蚀剂 投影屏 复合材料 有机 无机复合材料 压电 磁电 摩擦 耐磨 有机 金属复合材料 导电浆料 塑料磁铁 新型陶瓷制备 浇注 注射 挤出 流延 能源材料 聚合物固态电解质 锂离子电池 固态离子交换膜 燃料电池 材料系 1 3高分子科学的发展历史 1 高分子合成工业的发展 高分子远在人类诞生以前就存在 人类在认识高分子之前就一直在使用高分子材料 棉 麻 丝 毛皮 木 竹 大漆 1839年 橡胶硫化 美Goodyear 1846年 硝化纤维素 瑞士Schonbein 1868年 赛璐珞 Celluloid 美Hyatt 1870年赛璐珞的工业化标志着塑料时代的开始 1865年 醋酸纤维素 Celluloseacetate 1924年制成塑料 纤维 1889年 Regeneratedcellulosefibers 铜氨纤维 1892年 Viscoserayonfibers 粘胶纤维 1912年 celluphane 赛璐玢 玻璃纸 天然或天然改型高分子 1872年 拜耳 德 后来克莱贝格 Phenol formaldehyde树脂状物冷硬物 1907年 Backland 美 控制反应条件 配比和加工条件 制得塑料 1909年工业化 称Bakelite 是第一种合成塑料 1909年酚醛树脂的工业化标志着高分子时代的开始 20 30 s 合成一大批高分子 45 60 s高分子合成工业迅速发展 2 高分子科学的诞生 1877年F A Kekuler 指出 绝大多数与生命直接联系在一起的天然有机物 蛋白质 淀粉 纤维素 可以由很长的链组成 并且这种特殊的结构决定了它们具有特殊的性质 有机和胶体化学传统否认 1893年E Fischer设想 Cellulose是由葡萄糖连成的长链 未得到证明 合成了聚合度为30的单分散度肽 1920年 H Staudinger 德 提出大分子理论 第一次用 大分子 macromolecule 概念 受到胶体缔合论的强力反对 至1930年获普遍接受 1953年Nobel化学奖 1929年Carothers Dupont 高分子合成系统研究 开发聚酯 聚酰胺 30 s初 50 s初高分子科学迅速发展和完善高分子化学与物理的基本理论初步建立和形成一大批新型高分子开发成功 PMMA PS PVC PVAc UF EP ABS 50 s后期 K Ziegler 德 G Natta 意 发明配位 定向 聚合方法 开发HDPE PP 1963年Nobel化学奖 同期 MSwarc 美 发明活性聚合方法开发出POM PC 顺式聚异戊二烯 顺丁橡胶 EPR PI PPO等 P J Flory 美 在高分子物理化学方面贡献杰出 1974年Nobel化学奖 AlanJ Heeger 美 AlanG MacDiarmid 美 白川英树 日 导电高分子领域贡献杰出 2000年Nobel化学奖 施陶丁格尔小传 HermannStaudinger 1881 1965 1881年3月23日生于德国莱因兰 法耳次州的沃尔姆斯 1907年毕业于施特拉斯堡大学 获博士学位 同年聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授 1912年于苏黎世工业大学任为化学教授 1920年 发表 论聚合反应 的论文 提出高分子的概念 1932年 出版划时代的巨著 高分子有机化合物 1953年获诺贝尔化学奖 1965年9月8日在弗赖堡逝世 终年84岁 3 中国的高分子研究 1950年 长春应化所 合成橡胶与纤维素化学研究 1951年 唐敖庆首篇论文 橡胶尺寸计算 中国化学会誌 在吉林大学开展高分子统计理论研究 50 s初 王葆仁 52 中科院上海有机所建立有机玻璃和尼龙6研究组 冯新德在北大开设高分子化学专业 何炳林在南开大学开展离子交换树脂研究 钱人元 52 在长春应化所 53年在上海有机所分别建立高分子物理化学研究组 开展高分子溶液性质研究 56年迁京入北化所 钱保功在长春应化所开展高聚物粘弹性及辐射化学研究 徐僖在成都工学院 现川大 开设塑料工程专业 开展塑料成型加工研究 高分子科学 追踪 学习的过程中成长 壮大和提高 高分子工业 引进 消化 再引进 中国高分子科学的发展对中国高分子工业推动多用的潜力远未发挥出来 总体 追踪 仿效国外科学前沿 难以产生在国际上有创新意义的重大成果 与国际水平有相当大的差距 1 4高分子的分类和命名 1 4 1命名1 习惯命名 均聚加聚物 对应单体前加 聚 聚乙烯 聚丁二烯 聚甲醛 特例 聚乙烯醇 共聚加聚物 共聚物乙烯 醋酸乙烯酯共聚物 EVA 乙丙共聚物 线型缩聚物 以官能团类型命名聚酯 聚氨酯 聚碳酸酯 聚醚 聚酰胺 聚酰亚胺 体型缩聚物 树脂酚醛树脂 环氧树脂 醇酸树脂 商业名称 纤维 纶涤纶 氰纶 锦纶 氨纶 橡胶 橡胶丁苯橡胶 顺丁橡胶 尼龙 Nylon 特富龙 Teflon 1 4 2分类 1 按用途 2按来源 5按主链元素组成 3 按热行为 7 按合成路线 6 按分子形态 从不同侧面描述高分子 4 按力学行为 化学功能 分离功能 电功能 光功能 医用 其它 塑料Plastics 橡胶Rubbers 纤维Fibers 涂料Coatings 粘合剂Adhesives 通用高分子 功能高分子 1 按用途 2按来源 天然高分子 Protein Cellulose NR半合成高分子 改性纤维素 改性淀粉合成高分子 PE PP 3 按热行为 热塑性高分子 热固性高分子 可多次加热熔融而无明显物理化学变化 如PE PVC 加热后发生化学反应生成具有三维网状结构的不熔不溶产物 如PF EP 4 按力学行为 弹性体非弹性体 5按主链元素组成 有机高分子 有机 无机高分子 无机高分子 碳链高分子 主链仅由C元素组成 如Polyolefin PVC 杂链高分子 主链中除C外 还含有O N S P 等有机物中常见元素 如PA Polyester Polyether 主链中主要含Si B Al Ti等元素 与氧连接 侧基为有机基团 如聚硅氧烷 高分子中无含碳有机基团 如玻璃 石棉 7 按分子形态 线形 linear 枝形 branched 梳形 Comb 星形 star 梯形 Ladder 网状 network Cross linking 超枝化 6 按合成路线 加聚物 PE PP PS 缩聚物 PA PET 1 5高分子的分子量和分子量分布Molecularweight Molecularweightdistribution 除少数几种蛋白质外 无论是天然的还是合成的高分子 其分子量都是不均一的 称高分子分子量的多分散性 Polydispersity 故聚合物的分子量只有统计意义 实验测定的分子量只是具有统计意义的平均值 测定聚合物分子量的方法有许多 如端基分析 沸点升高 光散射 小角X 射线衍射 粘度法等 它们有各自优缺点和适用的分子量范围 其结果表达的分子量意义和数值也不相同 1数均分子量 Number averagemolecularweight 按物质的数量统计 Firstmoment 2重数均分子量 weight averagemolecularweight 按物质的重量统计 SecondmomentorSecondpoweraverage 通常由光散射法测定 通常由渗透压 蒸汽压 沸点升高等依数法测定 Z均分子量 Z averagemolecularweight 由超速离心 ultracentrifugation 方法测定 ThirdmomentorThirdpoweraverage 按Z量 miMi 进行统计 4粘均分子量 Viscosity averagemolecularweight 0 5 1 为Mark Houwink方程中的参数 由稀溶液粘度