高分子科学导论绪论

2020/6/12,四川大学化学学院,1,高分子科学导论IntroductiontoPolymerScience,主讲：陈思翀,四川大学化学学院,2020/6/12,四川大学化学学院,2,为什么把“高分子科学导论”作为化学学科本科生的基础课？,化学一级学科的五个二级学科无机、分析、物化、有机、高分子,高分子科学与其他学科的关系,1972的诺贝尔化学奖获得者P.J.Flory说，高分子科学既是一门基础科学，又是一门应用科学。在美国，从事化学研究的人当中，有1/2到2/3的人从事与高分子科学有关的研究。,3,高分子科学的重要性,“衣、食、住、行”衣,2020/6/12,四川大学化学学院,4,高分子科学的重要性,“衣、食、住、行”食,2020/6/12,四川大学化学学院,5,高分子科学的重要性,“衣、食、住、行”住,2020/6/12,四川大学化学学院,6,高分子科学的重要性,“衣、食、住、行”行,HyundaiQarmaQLexan（PC）XenoyiQ（PBT）Noryl（PPO）,BayerAll-plastic-carMakrolon（PC）Desmopan（TPU）,2020/6/12,四川大学化学学院,7,2007年中国塑料制品产量及构成,2020/6/12,四川大学化学学院,8,高分子科学的基本内涵,高分子化学（PolymerChemistry）高分子的合成和化学反应：聚合反应理论，新的聚合方法及改性方法，高分子的基团反应，高分子的降解、老化与交联等；高分子物理（PolymerPhysics）高分子的结构与性能：高分子链的构型与构象，高分子的聚集态及分子运动、固态与液态聚合物的物性（热学、力学、电学、光学、磁学、流变学等性能）,高分子溶液与分子量等；高分子工程（PolymerEngineering）高分子成型加工与聚合反应工程：高分子成形加工的理论基础及方法，塑性、弹性等力学性能，流变学理论；高分子化合物工业规模合成中的尺度效应及工艺特点。,2020/6/12,四川大学化学学院,9,高分子科学的基本概念高分子化学与物理基础高分子材料的性能与应用高分子科学的研究与应用前沿,教学内容,2020/6/12,四川大学化学学院,10,1、绪论（2学时）2、高分子和合成与化学性质（4学时）3、高分子的结构与性能关系（2学时）4、高分子的表征与分析（2学时）5、热塑性高分子（2学时）6、工程塑料（2学时）7、热固性树脂（2学时）,教学大纲,8、橡胶（2学时）9、纤维（2学时）10、涂料与粘合剂（2学时）11、功能高分子材料（2学时）12、高分子复合材料（2学时）13、天然高分子（2学时）14、超分子（2学时）15、高分子材料的添加剂（2学时）,2020/6/12,四川大学化学学院,11,Referencebook,JoelRFried,PolymerScienceandTechnology,2ndEd.2003，PearsonEducation,Inc.聚合物科学与工程，第二版（英文影印版），2005，化学工业出版社CharlesECharraher,GiantMolecules,2ndEd.2003,JohnWileythedimermayreactwithathirdmonomertoyieldatrimer,andsoon.Dimersareusuallylinearmolecules,buttrimers,tetramers,pentamers,andsoon,canbelinearorcyclic.areknownasoligomers.Generally,moleculeswithfewerthan10repeatingunitsaretermedoligomers.,L-lactideDimerofL-lacticacid,MelamineTrimerofcyanamide,2020/6/12,四川大学化学学院,15,DefinitionandFoundation,Thedegreeofpolymerization,orDP,isthenumberofrepeatunitsinanaveragepolymerchain.EndgroupORterminalgroup,Terminalgroup,Terminalgroup,Terminalgroup,Terminalgroup,2020/6/12,四川大学化学学院,16,高分子与超分子（Supramolecule）的区别高分子：由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量很大（如10000以上）的化合物。超分子：通过分子间的弱相互作用组装形成的一类非共价键键合“高聚物”。Supramolecule：Asystemoftwoormoremolecularentitiesheldtogetherandorganizedbymeansofintermolecular(noncovalent)bindinginteractions,DefinitionandFoundation,2020/6/12,四川大学化学学院,17,根据高分子的加工特性分类：热塑性聚合物（Thermoplastics）Thosepolymersthatcanbeheat-softenedinordertoprocessintoadesiredformarecalledthermoplastics.热固性聚合物（Thermosets）Theyarepolymerswhoseindividualchainshavebeenchemicallylinkedbycovalentbondsduringpolymerizationorbysubsequentchemicalorthermaltreatmentduringfabrication.,ClassificationofPolymers,2020/6/12,四川大学化学学院,18,根据高分子的使用用途划分：塑料（Plastics）橡胶（Rubbers）纤维（Fiber）涂料（Coating）粘合剂（Adhesive）功能高分子（Functionalpolymer）,ClassificationofPolymers,2020/6/12,四川大学化学学院,19,ClassificationofPolymers,按聚合物主链结构划分：碳链聚合物：主链上的原子均为碳原子的聚合物。PolyolefinanditsderivativesCC、C=C杂链聚合物：聚合物主链中不仅含有碳原子还含有氮、氧、硫、磷等杂原子。元素有机聚合物：大分子主链中没有碳原子，而是由硅、硼等无机原子和氮、氧、硫、磷构成。PolysiloxaneSiO,PolyetherOPolyesterOCOPolyamideNHCOPolyurethaneNHOCO,PolyureaNHCONHPolysulfoneSO2PolythioetherSPolyphospahteOPOO,2020/6/12,四川大学化学学院,20,按聚合物的结构单元类型划分：均聚物（Homopolymer）：只含有一种重复单元的聚合物。共聚物（Copolymer）：含有两种以上重复单元的聚合物。无规共聚物（Randomcopolymer）交替共聚物（Alternativecopolymer）嵌段共聚物（Blockpolymer）接枝共聚物（Graftcopolymer）,ClassificationofPolymers,2020/6/12,四川大学化学学院,21,最常用的简单命名法一般参照聚合物单体命名，对于一种单体聚合得到的聚合物直接在其单体名字前面加前缀“聚”（Poly）即可。,PolymerNomenclature,聚乙烯（polyethylene）,乙烯（ethylene）,对于由两种单体经过缩聚反应得到的均聚物按其结构单元命名，并在名字前加前缀“聚”。,+,己二胺（hexamethylenediamine）,聚已二酰己二胺（polyhexamethyleneadipamide）,己二酸（adipicacid）,2020/6/12,四川大学化学学院,22,PolymerNomenclature,国际纯粹化学和应用化学联合会（InternationalUnionofPureandAppliedChemistry,IUPAC）于1972年首次提出了聚合物的系统命名法。系统命名法基于聚合物的结构，遵循以下程序原则：首先确定聚合物重复单元的结构；然后按有机化合物标准命名法排好重复单元中次级单元（Subunit）的次序后重复单元命名；最后在重复单元前加上前缀“聚”，就成为聚合物的名称。,p-dioxanone对二氧环己酮,poly1,4-dioxan-2-oneIUPAC：聚1,4-二氧杂己烷-2-酮普通命名法：聚对二氧环己酮,2020/6/12,四川大学化学学院,23,HistoryofPolymerScience,Stoneage,Bronzeage,Ironage,Steelage,Polymerage,B.C.8000B.C.4000,B.C.4000B.C.1000,B.C.1000A.D.1800,A.D.1800A.D.1900,A.D.1900Now,2020/6/12,四川大学化学学院,24,HistoryofPolymerScience,前期：天然高分子阶段早在人类社会发展的最初阶段，人类已经开始利用各种天然高分子。来源于植物：淀粉、纤维素（谷物、草木、果壳、胶漆）来源于动物：蛋白质、壳聚糖（皮毛、角质、丝、虫壳）,2020/6/12,四川大学化学学院,25,HistoryofPolymerScience,第一阶段：第一世界大战爆发前，人工合成聚合物的出现,C.Shnbein,1846：第一种人造纤维-硝化纤维素,J.W.Hyatt,1868：第一种热塑性塑料-赛璐珞,1830：第一种硫化橡胶,C.Goodyear,1907：第一种热固性塑料-Bakelite,L.Baekeland,2020/6/12,四川大学化学学院,26,第二阶段：1914-1942高分子科学的经典阶段主要代表人物：Staudinger,Mark,Meyer,Carothers,Schultz,Kuhn,Flory等产生了存在长链分子的概念；结晶学为某些大分子提供了详细的结构信息；聚合的机理和动力学被阐明；在试图分析长链分子结构的物理序列结果的同时，提出了柔性“分子线团”概念。第三阶段：1942-1960经典高分子科学达到充分成熟的阶段Flory和Huggins似晶格模型导出高分子溶液热力学性质;Debeye和Zimm发展光散射法研究高分子溶液性质；Flory和Fox把热力学和流体力学联系起来，使高分子溶液的粘度、扩散、沉降等宏观性质与分子的微观结构有了联系；Williams,Landel,Ferry,Tobolsky,Rouse,Bueche,Zimm等在高分子聚集态的粘弹性质的研究取得了重要的成果；Watson和Crick用X射线衍射法研究高分子晶态结构，于1953年确定了DNA的双螺旋结构。,HistoryofPolymerScience,2020/6/12,四川大学化学学院,27,TheNobelPrizeinChemistry1953,UniversityofFreiburg;StaatlichesInstitutfrmakromolekulareChemie(StateResearchInstituteforMacromolecularChemistry),FreiburgBreisgau,FederalRepublicofGermanyb.1881d.1965,20世纪20年代首次提出“高分子”的概念，建立了高分子学说。高分子科学的奠基人。,HermannStaudinger,forhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry,2020/6/12,四川大学化学学院,28,早在1861年，胶体化学的奠基人，英国化学家格雷阿姆并从高分子溶液具有胶体性质着眼，提出了高分子的胶体理论。这一理论在一定程度上解释了某些高分子的特性，得到许多化学家的支持。20世纪初，人们已经通过分解产物确认了一些天然聚合物的分子式，如淀粉和天然橡胶，但并不清楚其分子结构如何连接，因此套用胶体理论认为这些分子是小分子单体的缔合胶体。,Staudinger并不认同胶体理论，经过多年研究发表了具有划时代意义的论文“berPolymerisation”（论聚合），认为聚合不同于缔合，它是分子靠正常的化学键结合起来。天然橡胶、聚苯乙烯等聚合物应该具有线性链式的价键结构式。,2020/6/12,四川大学化学学院,29,Staudinger的观点一提出就遭到胶体论者的激烈反对，争论持续了10年，但这一新观点一开始并不为主流所认同。诺贝尔奖化学奖获得者HeinrichWieland曾劝告Staudinger说：Dearcolleague,leavetheconceptoflargemoleculeswellalone:organicmoleculeswithamolecularweightabove5000donotexist.Purifyyourproducts,suchasrubber,thentheywillcrystallizeandprovetobelowermolecularsubstances.”,1926年瑞典化学家T.Svedberg等人设计并用超离心机测定出蛋白质的分子量。1928年K.H.Meyer和H.F.Mark用X射线技术测定纤维素和天然橡胶中大分子的晶区尺寸。1935年W.H.Carothers在Staudinger的理论基础上合成出了尼龙。,2020/6/12,四川大学化学学院,30,HedeservesadoublecreditinthehistoryofpolymerssincenotonlydidhisteamatDuPontdevelopthefirstcommercialsyntheticelastomer(polychloroprene),whichisstillcommerciallyandtechnicallyimportanttoday,butalso,afewyearslater,hewasresponsibleforthediscoveryofarguablyoneofthegreatestfamiliesofplastics(NylonandPolyesters)evercommercialized.Hewasthepioneerofcondensationpolymerization;Hisworkledtonylonfibersandmodernmeltspinningtechnology.,18961937,WallaceH.Carothers,2020/6/12,四川大学化学学院,31,TheNobelPrizeinChemistry1963,“Fortheirdiscoveriesinthefieldofthechemistryandtechnologyofhighpolymers,KarlZieglerMax-Planck-InstituteforCarbonResearch,Mlheim/Ruhr,FederalRepublicofGermanyb.1898d.1973,GiulioNattaInstituteofTechnologyMilan,Italyb.1903d.1979,20世纪50年代发现和发展了Ziegler-Natta催化剂,第一章绪论,2020/6/12,四川大学化学学院,32,USA,StanfordUniversity,Stanford,CA,USAb.1910d.1985,TheNobelPrizeinChemistry1974,“Forhisfundamentalachievements,boththeoreticalandexperimental,inthephysicalchemistryofthemacromolecules,Flory在大分子物理化学实验和理论两方面做出了根本性贡献。,PaulJ.Flory,2020/6/12,四川大学化学学院,33,RockefellerUniversity,NewYork,NY,USAb.1921d.2006,forhisdevelopmentofmethodologyforchemicalsynthesisonasolidmatrix,1974年将功能化的聚苯乙烯用于多肽和蛋白质的合成，大大提高了涉及生命物质合成的效率并缩短了合成时间。,RobertBruceMerrifieldTheNobelPrizeinChemistry1984,2020/6/12,四川大学化学学院,34,Pierre-GillesdeGennes，TheNobelPrizeinPhysics1991,France,CollgedeFrance,Paris,Franceb.1932.d.2007,提出“软物质”的概念，建立高分子物理的现代理论，如蛇行理论等,fordiscoveringthatmethodsdevelopedforstudyingorderphenomenainsimplesystemscanbeg