chaper1_高分子的链结构——第01讲_绪论

1、高分子物理高分子物理Polymer Physics主讲教师主讲教师: 赵亚奇赵亚奇 Office：化工学院楼化工学院楼9#C407Tel加微信可加微信qq：81765176教教 学学 目目 的的o本课程是高分子材料科学与工本课程是高分子材料科学与工程系本科生的程系本科生的专业基础课专业基础课，是，是学生学习专业课和从事本专业学生学习专业课和从事本专业的科研、生产工作必备的理论的科研、生产工作必备的理论基础。基础。o通过本课程的学习，使学生通过本课程的学习，使学生掌掌握高分子物理的基本概念和基握高分子物理的基本概念和基本规律本规律，正确地理解和掌握高正确地理解和掌握高聚

2、物结构和性能之间的关系聚物结构和性能之间的关系，为分析和解决高分子材料的科为分析和解决高分子材料的科研和生产中的问题提供坚实的研和生产中的问题提供坚实的理论基础。理论基础。o本课程的教学与学习要侧重于本课程的教学与学习要侧重于准确理解准确理解高分子物理的高分子物理的基本概基本概念和基本规律念和基本规律；o掌握高聚物结构和性能之间的掌握高聚物结构和性能之间的关系关系；o对对重要的公式重要的公式要会推导，要会推导，明确明确这些公式的这些公式的物理意义物理意义，结合课，结合课后的后的习题练习习题练习和和专专业实验业实验加深加深对高分子物理的理解。对高分子物理的理解。o使学生能顺利学习后续的专业使学生

3、能顺利学习后续的专业课，提高自学与更新本专业知课，提高自学与更新本专业知识的能力。识的能力。教教 学学 要要 求求请同学们例举日常生活中用到或看到的请同学们例举日常生活中用到或看到的高分子材料，并说说它们的优缺点。高分子材料，并说说它们的优缺点。高分子的种类高分子的种类塑塑 料料高分子的种类高分子的种类橡橡 胶胶高分子的种类高分子的种类合成纤维合成纤维高分子的种类高分子的种类涂涂 料料高分子的种类高分子的种类胶黏剂胶黏剂塑塑 料料合成纤维合成纤维橡橡 胶胶胶胶 黏黏 剂剂涂涂 料料天然高分子天然高分子生物物质生物物质POLYMER高分子家族高分子家族MACROMOLECULEBIO-MACRO

4、MOLECULE橡橡 胶：胶：约占整车重的约占整车重的3 3-6-6，其中轮胎约占橡胶件总重的其中轮胎约占橡胶件总重的7070，此外，此外，还有各种橡胶配件如胶管、胶带、密封件、减振垫等约还有各种橡胶配件如胶管、胶带、密封件、减振垫等约300300多件。多件。塑塑 料：料：约占整车重的约占整车重的9 9左右左右，主要应用在汽车，主要应用在汽车结构件和内外装件结构件和内外装件，满足，满足轿车轻量化、提高安全性、节约能源消耗、降低生产成本等要求轿车轻量化、提高安全性、节约能源消耗、降低生产成本等要求车胎：丁苯橡胶，顺丁橡胶，异戊橡胶，天然橡胶车胎：丁苯橡胶，顺丁橡胶，异戊橡胶，天然橡胶车用玻璃：车

5、用玻璃：PC，PMMA保险杠：保险杠：PP，PC，PU，PA车用涂料：聚酯，车用涂料：聚酯，PAA，环氧，环氧车内座椅，靠枕：聚氨酯泡沫，车内座椅，靠枕：聚氨酯泡沫，PVC仪表盘：仪表盘：ABS转向盘：转向盘：PP，PU窗贴膜窗贴膜什么是高分子？什么是高分子？高分子：高分子：由由多多个个单元单元体通过聚合反应连接而成的体通过聚合反应连接而成的链状分子。链状分子。讨论：讨论：高分子高分子与小分子与小分子在结构上在结构上有什么差异？有什么差异？高分子量高分子量链状结构链状结构高分子结构的多层次性高分子结构的多层次性分子量的多分散性，不均一性分子量的多分散性，不均一性高聚物结构复杂的原因高聚物结构复

6、杂的原因高分子的链式结构：高分子的链式结构：高分子是由成千上万个（高分子是由成千上万个（10103 310105 5 数数量级）相当于小分子的结构单元组成的。量级）相当于小分子的结构单元组成的。高分子链的柔顺性：高分子链的柔顺性：高分子链中单键的内旋转，可以使主高分子链中单键的内旋转，可以使主链弯曲而具有柔性。链弯曲而具有柔性。高分子链之间的作用力很大，互相之间可以发生交联。高分子链之间的作用力很大，互相之间可以发生交联。高分子凝聚态结构的复杂性：高分子凝聚态结构的复杂性：晶态、非晶态，球晶、串晶晶态、非晶态，球晶、串晶、单晶、伸直链晶等。其聚集态结构对高分子材料的物、单晶、伸直链晶等。其聚集

7、态结构对高分子材料的物理性能有很重要的影响。理性能有很重要的影响。高分子材料中常有一些添加剂，使分子结构复杂化。高分子材料中常有一些添加剂，使分子结构复杂化。绪绪 论论从小分子到大分子从小分子到大分子From little molecules to large molecules正烷烃同系物正烷烃同系物CHHHHCCHHHHHHCCHHHCHHHHH1 4气体气体罐装液化气罐装液化气5 11液体液体汽油汽油9 16中黏度液体中黏度液体柴油柴油16 25高黏度液体高黏度液体润滑油和润滑脂润滑油和润滑脂25 50结晶固体结晶固体石蜡和蜡烛石蜡和蜡烛50 1000半结晶固体半结晶固体纸板用胶黏剂或涂

8、料纸板用胶黏剂或涂料1000 5000韧性塑料固体韧性塑料固体各种瓶或容器各种瓶或容器3 6105纤维纤维外科手套、防弹衣外科手套、防弹衣碳原子数碳原子数n物质状态物质状态应用应用石蜡与聚乙烯结构上的不同石蜡与聚乙烯结构上的不同分子量增加分子量增加范德华力范德华力范德华力范德华力缠结缠结Entanglements 强度高强度高韧性好韧性好高分子链间的缠结高分子链间的缠结小分子小分子大分子大分子由小分子到大分子是由小分子到大分子是本质上的变化！本质上的变化！结构上的改变，使大分子的性能发生了结构上的改变，使大分子的性能发生了巨大的变化巨大的变化1. 大分子的合成与结构大分子的合成与结构1.1 自

9、由基聚合自由基聚合COOOCO COO2RR+H2C CH2H2CCH2RH2CCH2RCH2CH2CH2CH2RCH2CH2CH2CH2nRCH2CH2CH2CH2nRCH2CH2CH2CH3nimpurityRCH2CH2CH2CH2nRCH2CH2R2n+22CH2CH2n结构单元或结构单元或单体单元或单体单元或重复单元或重复单元或链节链节n 聚合度聚合度CH2HCnRR =HPolyethylene, PE, 聚乙烯聚乙烯R =CH3Polypropylene, PP, 聚丙烯聚丙烯R =ClPoly(vinyl chloride), PVC, 聚氯乙烯聚氯乙烯R =Polystyre

10、ne，PS，聚苯乙烯聚苯乙烯R =OCOCH3Poly(vinyl acetate), 聚醋酸乙烯聚醋酸乙烯R =OHPoly(vinyl alcohol)，PVA，聚乙烯醇聚乙烯醇OCH2CH2OCOCOOHnH(2n-1)H2O+1.2 逐步聚合逐步聚合H3CCH2OHH3CCOOH+H3CCH2OCOCH3+H2OHOCH2CH2OHHOOCCOOH+nnHOCH2CH2OCOCOOH结构单元结构单元重复单元重复单元OCH2CH2OCOCOnOCH2CH2OCOCOnPoly(ethylene terephthalate), Dacron聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET

11、的确良的确良HNCOCH25nPolycaprolactam, Polyamide 6Nylon 6, 尼龙尼龙6, 尼龙尼龙-6，PA6H2CHNCOnO4mPolyurethane聚氨酯，聚氨酯，PUH2CHNCOCH2C4nHN6OPolyamide 6,6 Nylon 6,6尼龙尼龙66, 尼龙尼龙-66，PA66基本术语基本术语聚合物聚合物 polymer高聚物高聚物 high polymer高分子高分子 macromolecule大分子大分子 macromolecule聚合物分子聚合物分子 分子链分子链 高分子链高分子链高分子链结构的基本特点高分子链结构的基本特点o具有链状结构具有

12、链状结构o高分子的分子量是不均一的！高分子的分子量是不均一的！(多分散性多分散性)n高分子可以看成是由许多同系物组成的混合物高分子可以看成是由许多同系物组成的混合物n只能对高分子的分子量进行统计而得到其只能对高分子的分子量进行统计而得到其统计统计平均值平均值2. History of Polymerso15世纪，天然橡胶，世纪，天然橡胶，Mayano1839年，天然橡胶的硫化，年，天然橡胶的硫化，C. Goodyearo1869年，赛璐珞年，赛璐珞(Celluloid), J. W. Hyatto1907年，酚醛塑料年，酚醛塑料(Bakelite), Leo Baekelando1920年，论

13、聚合反应，年，论聚合反应，Hermann Staudingero PVC，Teflon(PTFE), PS，PE, 丁钠橡胶和丁苯橡胶丁钠橡胶和丁苯橡胶o1938年，尼龙，年，尼龙，W. Carothers; 聚酯纤维聚酯纤维(1940)o1950s, 低压低压PE和和PP，Ziegler-Natta Catalysto 各种功能高分子材料各种功能高分子材料1869年年31岁的印岁的印刷工人约翰刷工人约翰海阿海阿特发明赛璐珞特发明赛璐珞1909年贝克兰发明年贝克兰发明酚醛树脂酚醛树脂1855年瑞士人奥蒂玛斯把纤维素放在硝酸中得到硝年瑞士人奥蒂玛斯把纤维素放在硝酸中得到硝化纤维素溶液，制得第一根

14、人造纤维；化纤维素溶液，制得第一根人造纤维；1883年查唐纳脱把硝化纤维素放在酒精和乙醚中得年查唐纳脱把硝化纤维素放在酒精和乙醚中得到溶液，得到人造丝；到溶液，得到人造丝；1839年年 美国人固特异美国人固特异(Charles Goodyear)发现天然橡胶与硫磺共发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它从热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热发黏软化、遇冷硬度较低、遇热发黏软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹性、可塑性的材料。富有弹性、可塑性的材料。GoodyearGoodyear（1800 - 18601800 - 1860） 如今，如今，Go

15、odyear（固特异）（固特异）是仅次于是仅次于Michelin（米其林）（米其林）和和Bridgestone（普利司通）（普利司通）的世界的世界第三大轮胎制造商第三大轮胎制造商 Polymer Science and Nobel Prize o1953, Hermann StaudingerH. Staudinger (1881-1965)“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”o1963， Karl Ziegler and Giulio NattaKarl Ziegler (1903-1979)Giulio

16、 Natta (1898-1973)for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers o1974, Paul J. FloryPaul J. Flory(1910-1985)for his fundamental achievements, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of the macromolecules o1991, Pierre-Gilles de Gennes for di

17、scovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers Pierre-Gilles de Gennes(1932 2007)o2000, Hideki Shirakawa, Alan J. Heeger and Alan G. MacDiarmid for the discovery and dev

18、elopment of conductive polymers Hideki Shirakawa(1936 )Alan J. Heeger(1936 )Alan G. MacDiarmid(19272007 )l l 我国我国高分子研究起步于高分子研究起步于50年代初，唐敖庆于年代初，唐敖庆于1951年，发表了年，发表了首篇高分子科学论文。首篇高分子科学论文。 l l 长春应化所长春应化所1950年年开始合成橡胶工作（王佛松，沈之荃）；开始合成橡胶工作（王佛松，沈之荃）；l l 冯新德冯新德20世纪世纪50年代年代在北京大学开设高分子化学专业。在北京大学开设高分子化学专业。l l 何炳林何炳林

19、20世纪世纪50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。研究。l l 钱人元于钱人元于1952年在应化所建立了高分子物理研究组，开展了年在应化所建立了高分子物理研究组，开展了高分子溶液性质研究。高分子溶液性质研究。l l 钱保功钱保功20世纪世纪50年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射化学的研究。化学的研究。l l 徐僖先生徐僖先生20世纪世纪50年初成都工学院（四川大学）开创了塑料年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。工程专业。l l 王葆仁先生王葆仁先生1952年上海有机所建立了年上海有机所建立了PM

20、MA、PA6研究组研究组 我国高分子科学的发展我国高分子科学的发展中国高分子领域院士及从事的领域中国高分子领域院士及从事的领域冯新德冯新德 北大北大 高分子化学高分子化学王佛松王佛松 长应化长应化 顺丁橡胶国产化顺丁橡胶国产化沈芝荃沈芝荃 浙大浙大 高分子合成高分子合成林尚安林尚安 中山大学中山大学 高分子化学高分子化学沈家骢沈家骢 吉大吉大 功能高分子及生物大分子合成功能高分子及生物大分子合成卓仁喜卓仁喜 湖北大学湖北大学 生物高分子生物高分子 周其凤周其凤 北京大学北京大学 高分子液晶高分子液晶 高分子化学高分子化学高分子物理高分子物理高分子材料高分子材料与工程与工程钱人元钱人元 中化所中

21、化所 高分子物理，凝聚态物理的研究高分子物理，凝聚态物理的研究唐敖庆唐敖庆 吉大吉大 量子物理与统计在高分子中应用量子物理与统计在高分子中应用徐僖徐僖 四川大学四川大学 聚合物的加工成型理论聚合物的加工成型理论徐端夫徐端夫 化学所化学所 高分子物理及纤维材料高分子物理及纤维材料中科院化学中科院化学所何嘉松研所何嘉松研究员获得究员获得“Paul J. Flory Polymer Research Prize” o 在在2008年年POLYCHAR 16先进先进材料世界论坛上，何嘉松研究员被材料世界论坛上，何嘉松研究员被授予授予“Paul J. Flory Polymer Research Pri

22、ze”，该奖项，该奖项2000年年由国际由国际POLYCHAR委员会为纪念委员会为纪念高分子界著名科学家、诺贝尔奖获高分子界著名科学家、诺贝尔奖获得者得者Paul J. Flory而设立，用于表而设立，用于表彰对高分子科学和工程领域的概念彰对高分子科学和工程领域的概念、模型、理论、过程或发现有原始、模型、理论、过程或发现有原始创新和突出贡献的科学家。创新和突出贡献的科学家。o 何嘉松研究员因提出何嘉松研究员因提出“原位混杂原位混杂复合材料复合材料”的概念、发现的概念、发现“流变混流变混杂效应杂效应”及其产生于填充聚合物熔及其产生于填充聚合物熔体的条件，而成为本年度该奖项的体的条件，而成为本年度

23、该奖项的唯一获奖者。唯一获奖者。 3. 高分子物理的研究内容高分子物理的研究内容o高分子科学与工程的三个基础性分支学科高分子科学与工程的三个基础性分支学科n高分子化学高分子化学 ( (合成方法与结构控制合成方法与结构控制) )n高分子物理高分子物理 ( (结构与性能关系结构与性能关系) )n高分子工程高分子工程 ( (聚合反应工程和高分子成型聚合反应工程和高分子成型) ) 高分子科学是以高分子化合物为研究对象，在有机化学、高分子科学是以高分子化合物为研究对象，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

24、科。而成的一门新兴学科。高高 分分 子子 科科 学学高高 分分 子子 化化 学学研究聚合反应基本原理，基本方法，聚研究聚合反应基本原理，基本方法，聚合物性能与聚合反应条件之间的相关性合物性能与聚合反应条件之间的相关性原理以及聚合物合成与使用过程中所涉原理以及聚合物合成与使用过程中所涉及的化学反应过程。及的化学反应过程。研究聚合物的化学组成和结构，与其各研究聚合物的化学组成和结构，与其各种物理、机械性能之间的关系，以及高种物理、机械性能之间的关系，以及高聚物中分子运动规律的科学，是沟通合聚物中分子运动规律的科学，是沟通合成与应用的桥梁。成与应用的桥梁。高高 分分 子子 物物 理理高高 分分 子子

25、 加加 工工从应用的角度研究各种类型聚合物加工从应用的角度研究各种类型聚合物加工成型的原理与工艺条件，影响因素和设成型的原理与工艺条件，影响因素和设备等。备等。功能高分子功能高分子高分子的结构高分子的结构高分子的运动高分子的运动高分子的性能高分子的性能高分子结高分子结构与性能构与性能的联系的联系物理：物理：物质的运动与运动的物质。物质的运动与运动的物质。 亚里士多德亚里士多德高分子物理：高分子物理：高分子高分子的运动与运动的的运动与运动的高分子。高分子。高分子结构的内容高分子结构的内容o高分子的链结构高分子的链结构(单个高分子链的结构单个高分子链的结构)n包括：包括：单个高分子链的构造与构型、单个高分单个高分子链的构造与构型、单个高分子链的大小、形态子链的大小、