高分子物理 第1章 绪论

1、 第1章 绪 论 （2学时） 浙江工业大学材料科学与工程学院本科教学课程高分子物理主讲教师：徐立新/马猛 叶会见；总学时：48 00 徐立新徐立新 （1973.3），教授），教授浙江大学高分子化学与物理博士：浙江大学高分子化学与物理博士：2010.03；加拿大加拿大Laurentian 大学访问学者：大学访问学者：2008.03；加拿大加拿大Laurentian 大学博士后：大学博士后：2010.09；主持主持“国家自然科学基金国家自然科学基金”等项目等项目8项；项；石墨烯制备、功能化及应用石墨烯制备、功能化及应用 ; ; 存中楼存中楼230

2、#230#；西配楼；西配楼329#329#； QQQQ：14178590191417859019 00 马猛（马猛（1984.10），讲师），讲师四川大学高分子材料博士：四川大学高分子材料博士：2013.07；主持主持“国家自然科学基金国家自然科学基金”等项目等项目5项；项；高分子材料结晶、聚合物复合材料、多相多组高分子材料结晶、聚合物复合材料、多相多组分材料的表面与界面、高分子相转变、高分子分材料的表面与界面、高分子相转变、高分子材料材料功能高性能化功能高性能化等等研究研究领域领域； ; ; 1592416496915924164969（664969664969）; ; 存中楼至真园存中楼至

3、真园Y2Y2； QQQQ：405151817405151817 00 叶会见（叶会见（1983.6），校聘副教授），校聘副教授哈尔滨工业大学材料学博士：哈尔滨工业大学材料学博士：2015.03；宾州州立大学联合培养博士生：宾州州立大学联合培养博士生：2012.10-2014.09现主持省自然科学基金等项目现主持省自然科学基金等项目4项；项；电活性高分子电活性高分子 ; ; 存中楼二楼至真园；西配楼存中楼二楼至真园；西配楼329#329# 00 01 （b） 图图1.木材木材 图图2. 竹子竹子 （b） 02 图图3. 虎皮虎皮 图图4. 蛇皮

4、二胡蛇皮二胡 （b） 03 图图5. 木船油漆木船油漆 图图6. 木盆油漆木盆油漆图图7. 油纸伞油纸伞 （b） 04 图图8. “弹棉花弹棉花”图图9. 棉花棉花图图10. 棉制品棉制品 （b） 05 图图11. 橡胶树橡胶树图图12. 胶乳胶乳 （b） 06 蚕宝宝蚕宝宝蚕茧蚕茧丝绸丝绸图图13. 蚕丝及丝绸蚕丝及丝绸 （b） 07 蕃薯蕃薯鸡蛋鸡蛋面条面条米饭米饭图图14. 各类天然食物各类天然食物 08 很久以前，各类天然高分子材料已经在人类生活和生产很久以前，各类天然高分子材料已经在人类生活和生产中存在并得到广泛应用，但人们并不知道它们的化学组成与中存在并得到广泛应用，但人们并不知道

5、它们的化学组成与结构。这是高分子学科的蒙昧时期（结构。这是高分子学科的蒙昧时期（1919世纪中叶前世纪中叶前）。）。 09 天然橡胶的硫化天然橡胶的硫化 18391839年，美国人年，美国人Charles Goodyear(Charles Goodyear(查尔查尔斯斯固特异固特异)发明了天然橡胶硫化工艺，使天然橡胶得到发明了天然橡胶硫化工艺，使天然橡胶得到广泛应用。广泛应用。图图15. Charles Goodyear图图16. Goodyear 轮胎轮胎 10 赛璐璐塑料的发明：赛璐璐塑料的发明：18691869年，美国人年，美国人John Wesley HyattJohn Wesley

6、Hyatt对纤维素进行硝化后溶解于乙醚和乙醇，并加入樟脑后蒸对纤维素进行硝化后溶解于乙醚和乙醇，并加入樟脑后蒸发获得赛璐璐塑料（也称为人造塑料）。发获得赛璐璐塑料（也称为人造塑料）。 图图17. 赛璐璐的发明人赛璐璐的发明人John Wesley Hyatt 11 酚醛树脂的合成：酚醛树脂的合成：18721872年德国化学家阿道夫年德国化学家阿道夫冯拜尔发明冯拜尔发明酚醛树脂的合成，进一步由比利时化学家贝克兰改进并实酚醛树脂的合成，进一步由比利时化学家贝克兰改进并实现工业化生产。第一个合成的高分子材料。现工业化生产。第一个合成的高分子材料。 Belgium Leo Baekeland 图图18

7、. 酚醛树脂产品酚醛树脂产品 12 高分子学科的萌芽时期：高分子学科的萌芽时期：自自1919世纪后期，直至世纪后期，直至2020世纪初期，世纪初期，化学家们开始关注羊毛、蚕丝等天然高分子的结构与组成，化学家们开始关注羊毛、蚕丝等天然高分子的结构与组成，并对其进行了人工改性，同时合成了一批新的高分子化合并对其进行了人工改性，同时合成了一批新的高分子化合物，通常以粘稠的混合物存在。物，通常以粘稠的混合物存在。 13 1925理查德理查德席格蒙德年席格蒙德年诺贝尔化学奖获得者诺贝尔化学奖获得者1926年诺贝尔化学奖获得年诺贝尔化学奖获得者西奥多者西奥多斯维德伯格斯维德伯格与胶体缔合理论的争论：与胶体

8、缔合理论的争论： 当时认为纤维素、淀粉、蛋白质、当时认为纤维素、淀粉、蛋白质、橡胶等既无明确熔点又不能蒸馏或重结晶的材料，通常都橡胶等既无明确熔点又不能蒸馏或重结晶的材料，通常都被看作是具有被看作是具有“胶体行为胶体行为”的小分子缔合体。的小分子缔合体。 14 Hermann Staudinger德国化学家德国化学家19531953年诺贝尔化学奖；年诺贝尔化学奖；19201920年年论聚合论聚合发表；发表；天然橡胶具有线型直链价键结天然橡胶具有线型直链价键结构；建议了部分聚合物的结构构；建议了部分聚合物的结构式；分子量的多分散性特点等。式；分子量的多分散性特点等。论证了聚合过程是由小分子相论证

9、了聚合过程是由小分子相互结合的过程。互结合的过程。 15 高分子这一新兴的学科有力地推动了高分子工业的生产发高分子这一新兴的学科有力地推动了高分子工业的生产发展。展。聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、丁苯橡胶、氯丁橡胶聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、丁苯橡胶、氯丁橡胶以及高压法聚乙烯以及高压法聚乙烯等合成高分子材料新品种不断投入工业等合成高分子材料新品种不断投入工业化生产，合成材料迅速进入人类的生活之中。化生产，合成材料迅速进入人类的生活之中。 16 FloryFlory（1910-19851910-1985）美国科学院院士美国科学院院士19741974年获年获NobelNobel化学奖化学奖Flory

10、Flory在高分子溶液的热力学性质和在高分子溶液的热力学性质和聚合反应动力学的统计学研究方面聚合反应动力学的统计学研究方面做了大量工作，他的科学成果包括做了大量工作，他的科学成果包括导致工业化的尼龙与合成橡胶的研导致工业化的尼龙与合成橡胶的研究和开发，以及对于聚合物形成过究和开发，以及对于聚合物形成过程及其本体和在溶液中的性质研究。程及其本体和在溶液中的性质研究。 17 ZieglerZiegler（1898-1898-19731973）, ,德国有机德国有机化学家化学家,1963,1963年获年获NobelNobel化学奖化学奖NattaNatta（1903-19791903-1979）意大

11、利高分子化学意大利高分子化学家，家，19631963年获年获NobelNobel化学奖化学奖n19531953年发明了齐格勒催年发明了齐格勒催化剂以及低压聚乙烯合成化剂以及低压聚乙烯合成方法，使聚乙烯的工业化方法，使聚乙烯的工业化生产取得了重大进展。生产取得了重大进展。n19541954年年-1956-1956年纳塔改进年纳塔改进了齐格勒催化剂，使其能了齐格勒催化剂，使其能适用于聚丙烯的生产，从适用于聚丙烯的生产，从而建立了有规立构聚丙烯而建立了有规立构聚丙烯的合成方法。的合成方法。 18 u 1930 / PS 1930 / PS聚苯乙烯聚苯乙烯 u 1934 / PMMA1934 / PM

12、MA有机玻璃、有机玻璃、PVCPVC聚氯乙烯聚氯乙烯u 1939 / PE1939 / PE聚乙烯、聚乙烯、PAPA聚酰胺聚酰胺u 1943 / PTFE1943 / PTFE聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、PURPUR聚氨酯聚氨酯u 1946 / UP1946 / UP聚酯聚酯u 1947 / EP1947 / EP环氧树酯环氧树酯u 1953 / PET1953 / PET聚酯、聚酯、ABSABS工程塑料、工程塑料、HDPEHDPE聚乙烯聚乙烯u 1957 / PP1957 / PP聚丙烯聚丙烯u 1959 / PC1959 / PC聚碳酸酯聚碳酸酯u 1960 / PI1960 / PI聚酰亚胺

13、聚酰亚胺 19 活性阴离子聚合发明人活性阴离子聚合发明人M.SzwarcM.Szwarcn 活性阴离子聚合；活性阴离子聚合；n 原子转移自由基聚合；原子转移自由基聚合；n 可逆加成可逆加成- -断裂链转移断裂链转移(RAFT)(RAFT)聚合；聚合；n 氮氧自由基聚合；氮氧自由基聚合；n “活性活性”配位聚合；配位聚合；n 。“活性活性”/ /可控聚合技术的发展可控聚合技术的发展 20 特殊环境下使用的特种高分子材料开发特殊环境下使用的特种高分子材料开发n 耐高温高分子材料；耐高温高分子材料；n 耐低温高分子材料；耐低温高分子材料；n 耐超高电场高分子；耐超高电场高分子；n 海水环境使用高分子

14、；海水环境使用高分子；。 21 各类功能高分子的合成及应用各类功能高分子的合成及应用n 导电高分子；导电高分子；n 高分子分离膜；高分子分离膜；n 液晶高分子；液晶高分子；n 聚合物锂离子电池隔膜；聚合物锂离子电池隔膜；n 太阳能电池；太阳能电池；n 生物医用高分子材料生物医用高分子材料n 能源材料能源材料。 液晶显示屏液晶显示屏 22 与生命科学紧密结合与生命科学紧密结合MerrifieldMerrifield（1921- 1921- ）美国生物化学家美国生物化学家19841984年获年获NobelNobel化学奖化学奖uR.B.MerrifieldR.B.Merrifield以交联高分子为

15、以交联高分子为载体合成聚肽，多肽的人工合成是载体合成聚肽，多肽的人工合成是高分子时代的辉煌成果。高分子时代的辉煌成果。u19651965年中国用人工合的方法制成年中国用人工合的方法制成结晶牛胰岛素，这是世界上出现的结晶牛胰岛素，这是世界上出现的第一个人工合成的蛋白质，对于揭第一个人工合成的蛋白质，对于揭开生命奥秘有着重大意义。开生命奥秘有着重大意义。 23 链中的碳原链中的碳原子数子数材料的状态和性质材料的状态和性质用途用途14511162525505010001000500030万万60万万单纯气体单纯气体单纯液体单纯液体高粘度液体高粘度液体结晶固体结晶固体半结晶固体半结晶固体韧性塑料固体韧

16、性塑料固体纤维纤维瓶装燃气瓶装燃气汽油汽油油和脂油和脂石蜡石蜡黏合剂与涂料黏合剂与涂料容器容器药用手套，防弹背心药用手套，防弹背心从小分子到大分子-建立大分子的概念 24 基本术语基本术语定义定义高分子高分子Macromolecule是指分子量很高的化合物；例如将分子量是指分子量很高的化合物；例如将分子量高于高于10000以上称为高分子，否则低分子。以上称为高分子，否则低分子。可同时包括天然高分子和人工合成高分子。可同时包括天然高分子和人工合成高分子。聚合物聚合物polymer由特定小分子重复连接而成的高分子。一由特定小分子重复连接而成的高分子。一般指人工合成的高分子，而不包括天然高般指人工合

17、成的高分子，而不包括天然高分子。分子。高聚物高聚物High polymer与聚合物定义相同与聚合物定义相同大分子大分子Macromolecule与高分子定义相同与高分子定义相同 25 基本术语基本术语定义定义 塑料塑料Plastic是指由常温下处于玻璃态的聚合物与添加助是指由常温下处于玻璃态的聚合物与添加助剂等共同组成的高分子材料。剂等共同组成的高分子材料。 橡胶橡胶Rubber是指由常温下处于高弹态的聚合物与助剂共是指由常温下处于高弹态的聚合物与助剂共同组成的高分子材料。同组成的高分子材料。 涂料涂料Paint指聚合物溶液，通常含有助剂等。指聚合物溶液，通常含有助剂等。 胶粘剂胶粘剂Adhe

18、sion agent指聚合物溶液，通常含有助剂。指聚合物溶液，通常含有助剂。纤维纤维Fiber由聚合物经熔融或溶液态纺丝而获得。由聚合物经熔融或溶液态纺丝而获得。树脂树脂Resin指聚合物。最初指天然高分子。指聚合物。最初指天然高分子。 26 （1 1）按照来源分类）按照来源分类天然高分子材料天然高分子材料Natural polymerNatural polymerq 石棉；石棉；q 石墨；石墨；q 金刚石；金刚石；q 淀粉；淀粉；q 纤维素；纤维素；q 丝；丝；q 毛；毛；q 蛋白质；蛋白质；q 天然橡胶；天然橡胶；q 遗传物质如酶、遗传物质如酶、DNADNA等；等；合成高分子材料合成高分子

19、材料Synthesized polymerSynthesized polymerq 酚醛树脂；酚醛树脂；q 聚氯乙烯；聚氯乙烯；q 聚乙烯；聚乙烯；q 聚丙烯；聚丙烯；q 聚苯乙烯；聚苯乙烯；q 尼龙尼龙6666；q 聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚对苯二甲酸乙二醇酯；q ABS ABS；q 顺丁橡胶；顺丁橡胶；q 丁基橡胶；丁基橡胶； 27 （2 2）按性能和用途分类）按性能和用途分类 传统分类：传统分类：q 塑料；塑料；q 橡胶；橡胶；q 涂料；涂料；q 油墨；油墨；q 纤维；纤维；q 薄膜；薄膜；q 粘合剂；粘合剂；。 按特殊功能分类：按特殊功能分类：q 导电高分子；导电高分子；q 发光聚合物；

20、发光聚合物；q 阻尼高分子材料；阻尼高分子材料；q 磁性高分子材料；磁性高分子材料；q 可降解高分子；可降解高分子；q 生物医用高分子；生物医用高分子；。 28 聚合物合成与化学性质聚合物合成与化学性质聚合物结构与性能表征聚合物结构与性能表征聚合物改性聚合物改性聚合物成型聚合物成型聚合物应用聚合物应用高分子化学高分子化学聚合物近代测试技术聚合物近代测试技术聚合物改性原理聚合物改性原理聚合物成型工艺聚合物成型工艺聚合物成型模具聚合物成型模具聚合物成型机械聚合物成型机械高高分分子子物物理理 如此的长链必然引起聚合物分子结构诸多特点：长链互相缠绕分子间相互作用力大-范德华力的叠加粘度高机械强度高结晶

21、不完善因此，在让聚合物为我们的生活生产服务之前，我们有必要充分了解大分子的结构。也就是学习高分子物理的目的 烷烃中的C原子数超过1000，才是我们常规意义上的聚合物（大分子）聚乙烯。化学结构如下：nCH2CH2 29 原子结构主价力分子结构分子间力凝聚态结构以聚乙烯为例：原子？主价力？分子结构？分子间力？凝聚态结构？那么高分子物理？我们学习什么呢？聚聚 合合 物物 结结 构构 与与 性性 能能 相相 互互 关关 系系学习高分子物理的主线- 30 31 加工加工不同制品不同制品相同分子相同分子串晶球晶伸直链晶体模量模量0.5-2GPa中空容器中空容器模量模量200GPa，比强度为钢比强度为钢7倍

22、的倍的高模量纤维高模量纤维模量模量0.01-0.05GPa弹性泡沫弹性泡沫聚乙烯 32 高分子物理是一门研究高分子结构、运动及外在性能三者高分子物理是一门研究高分子结构、运动及外在性能三者间关系的一门学科。间关系的一门学科。q 高分子的结构；高分子的结构；q 高分子结构的变化（运动）；高分子结构的变化（运动）；q 高分子内在结构与外在性能间的关系；高分子内在结构与外在性能间的关系；高分子物理高分子物理 ：物构物化物性结构性能的研究是合成与应用之间的桥梁中心内容： 结构大分子运动性能 微观 宏观 基础、本质 桥梁 表现 多层次 多模式 多种多样 33 第一章：绪论；第一章：绪论；第二章：高分子链结构；第二章：高分子链结构；重点重点第三章：聚合物聚集态结构（结晶）；第三章：聚合物聚集态结构（结晶）；重点重点第四章：聚合物聚集态结构（非晶）；第四章：聚合