第1章高分子化学

1、绪绪 论论材料与文明材料与文明 材料是人类用来制造有用物件的物质.材料的可用性由 形成材料的物质分子的属性所决定。 人类的文明进化史，就是一部材料使用史。人类的文明进化史，就是一部材料使用史。 新材料的发新材料的发展往往主导着社会进步潮流。展往往主导着社会进步潮流。 无机材料无机材料 陶瓷玻璃 水泥 半导体 塑料 橡胶有机材料有机材料 纤维 胶粘剂 涂料 复合材料复合材料 高分子材料高分子材料 6060陶瓷陶瓷1010金属金属3030三分天下有其一（体积比）高分子在新型飞机上的应用 信息信息能源能源左右逢源 化 学天然高分子材料 (Natural polymer) 纤维素(Cellulose)

2、、淀粉(Starch)、天然橡胶(Natural rubber)等。 人造高分子材料 (Artificial polymer) 硝化纤维素（塑料、电影胶片、炸药）、粘胶纤维等。 合成高分子材料 (Synthetic polymer) 有机玻璃、涤纶、尼龙等。 从来源从来源按按性性 质质和和用用 途途分分类类塑塑 料料纤纤 维维橡橡 胶胶涂涂 料料胶粘剂胶粘剂功能高分子功能高分子以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。具有可逆形变的高弹性材料。具有可逆形变的高弹性材料。纤细而柔软的

3、丝状物，长度至少为直径的纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。倍。高分子材料的分类涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料保护作用的聚合物材料能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料一起的聚合物材料具有特殊功能与用途但用量不大的精细具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料高分子材料有机高分子 (Organic Polymer) 主链以碳氢为主，如聚乙烯、聚丙烯等。主链以碳氢为主，如聚乙烯、聚丙烯等。无机高分子 (Inorganic Polymer) 主链由杂原子构成主链由杂原

4、子构成, , 如如SiOSiO2 2等。等。复合高分子材料 (Polymer Composite) 聚合物与无机材料复合，如玻璃钢，轮胎。聚合物与无机材料复合，如玻璃钢，轮胎。生物高分子 (Biopolymer) 具有生物功能, 如蛋白质(ProteinProtein)、核酸 (Nucleic Nucleic acidacid)等。 从组成及功能质轻：常用塑料的密度为1g/cm3，是钢铁的1/10。耐温范围宽：硅橡胶(80) 聚苯并咪唑（600) 碳纤维（4000）性能优异：高强度（Kevlar，比强度为钢的8倍） 高模量 高弹性（伸长率1000） 透明性好 抗腐蚀好 光、电、磁等功能 种类多

5、：满足不同的需求。易加工：节能、低成本。 a.a. 共价键，部分范氏键共价键，部分范氏键 b.b. 分子量大，无气态；无明显熔点，有玻璃化分子量大，无气态；无明显熔点，有玻璃化转变温度转变温度TgTg和粘流温度和粘流温度TfTf； c.c. 力学状态有三态力学状态有三态 玻璃态、高弹态、粘流态玻璃态、高弹态、粘流态 d.d. 比重小比重小 e.e. 绝缘性好绝缘性好 f.f. 优越的化学稳定性优越的化学稳定性 g. g. 成型方法多成型方法多结构材料结构材料：电视机、冰箱壳体、轴承、机械零件绝缘材料绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件建筑材料建筑材料：贴面板、地贴、各种管材、门窗包装材料包

6、装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂涂 装装：涂料粘粘 合合 剂剂：粘合剂日日 用用：织物（衣服）胶鞋运运 输：输：轮胎、飞机火车部件、游艇传送带化化 工：工：储油罐、输油管、化学药剂容器电电 子：子：电路板基材、外壳、结构件 塑料包装塑料包装 塑料薄膜塑料薄膜 PE地膜地膜泡沫塑料泡沫塑料 充电器外壳充电器外壳贴片开关拨杆贴片开关拨杆 电器类塑料电器类塑料 PE-塑料大棚、电缆护套、保鲜膜、一次性杯、饭盒、管PP- 钓鱼线、编织袋、无纺布、食品包装、汽车保险杠。PET、PC-矿泉水瓶、食用油瓶、光盘ABS- 优盘外壳、电器按键、风力发电叶片PAPVC高高 分分 子子 科科 学学高高 分分 子子

7、化化 学学研究聚合反应和高分子化学反应原理，研究聚合反应和高分子化学反应原理，选择原料、确定路线、寻找催化剂、选择原料、确定路线、寻找催化剂、制订合成工艺等。制订合成工艺等。研究聚合物的结构与性能的关系，为设研究聚合物的结构与性能的关系，为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。是沟通合成与应用的桥梁。高高 分分 子子 物物 理理高高 分分 子子 加加 工工研究聚合物加工成型的原理与工艺。研究聚合物加工成型的原理与工艺。 高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是建立在有机化学、物

8、理化学、生物化学、物理学和力是建立在有机化学、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。学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。高高 分分 子子 科科 学学 简简 介介天天 然然 高高 分分 子子的的 直直 接接 利利 用用天天 然然 高高 分分 子子的的 化化 学学 改改 性性天然橡胶的硫化天然橡胶的硫化, , 硝化纤维的合成等硝化纤维的合成等淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等高高 分分 子子 合合 成成高高 分分 子子 时时 代代高高 分分 子子 材材 料料 简

9、简 史史天然高分子利用 7000多年前，天然油漆 我国已使用天然油漆涂饰船只。中国漆(大漆)？ 1839年，天然橡胶硫化 美国人古德伊尔（Charlers Goodyear）。 1869年，第一种人工塑料 赛璐珞（ Celluloid，硝化纤维素） 美国 人海厄特（Jhon Wesley Hyatt）。 1887年，第一种人造丝 硝化纤维素，Count Hilaire de Chardonnet.合成高分子问世 1909年，第一种合成塑料 酚醛树脂，美国人酚醛树脂，美国人 贝克兰德贝克兰德（Leo Baekeland）。大分子概念提出 1920年，提出聚合反应生成高分子量化合物。 施陶丁格施陶

10、丁格（Hermann Staudinger）。奠定基础 193040年代，聚合方法及理论发展。 卡罗瑟斯卡罗瑟斯（Carothers），美国人。 弗洛里弗洛里（Paul Flory），美国人。 大发展 1950年代，配位聚合（Coordination Polymerization) 齐格勒齐格勒（Karl ZieglerKarl Ziegler），）， 德国人。德国人。 纳塔纳塔（GiulioGiulio Natta Natta），），意大利人。意大利人。 196070年代，高性能化，特种高分子合成 高强度、高模量、耐高温等。高强度、高模量、耐高温等。3040年代：丁苯橡胶，尼龙，聚四氟乙烯，

11、蜜胺树脂。50年代：高密度聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS；60年代出现了聚砜，聚苯醚和芳香聚酯；70年代出现了芳香尼龙功能、复合高分子材料 198090年代， 功能高分子：功能高分子： 导体和半导体高分子、 磁性高分子、光敏高分子、 光导高分子、生物医用高分子、液晶高分子、 高分子催化剂等等。聚芳醚酮，聚醚醚酮、聚醚砜 高分子合金：高分子合金： 不同的高分子混合。 复合高分子材料：复合高分子材料： 与玻璃纤维、碳纤维等复合，如玻璃钢等。u 起步晚：起步晚：2020世纪初世纪初u 发展迅猛发展迅猛 成就卓著成就卓著 举世瞩举世瞩目目塑料塑料 2亿吨（2003年）纤维纤维 3790万吨（

12、天然2410万吨）橡胶橡胶 1136万吨（天然775万吨）l塑料增产迅猛，过去40年，美国增长100倍。l全世界塑料产量上世纪90年代初超过钢铁。 Hermann Staudinger : 把把“高分子高分子”这个概念引进科学领域，这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系（并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系（19531953年诺年诺贝尔奖）。贝尔奖）。Carothers : 建立缩聚反应理论。建立缩聚反应理论。Karl Ziegler, Giulio Natta : 乙烯、丙烯配位聚合乙烯、丙烯配位聚合 （1963年诺年诺贝尔奖）贝尔奖）Paul J. Flor

13、y : 聚合聚合反应反应原理、高分子物理性质与结构的关系原理、高分子物理性质与结构的关系（1974年诺贝尔奖）。年诺贝尔奖）。Hideki Shirakawa, Alan G. MacDiarmid, Alan J. Heeger ：对：对导电聚合物的发现和发展（导电聚合物的发现和发展（2000年诺贝尔奖）。年诺贝尔奖）。高高 分分 子子 科科 学学 简简 史史1 1. .学习和掌握高分子化合物材料的种类、特性、在不同学习和掌握高分子化合物材料的种类、特性、在不同领域的的基本应用；学习高分子化学基础知识及基本领域的的基本应用；学习高分子化学基础知识及基本合成反应；合成反应；2.2.学习高分子的

14、结构特点；建立学习高分子的结构特点；建立“大分子大分子”的概念，理的概念，理解不同状态的高分子结构与解不同状态的高分子结构与性质性质及应用的关系。及应用的关系。3.3.掌握高分子材料的力学性能及其表征方法；了解它们掌握高分子材料的力学性能及其表征方法；了解它们在实际中的应用在实际中的应用4.4.学习了解高分子材料加工常用工艺、设备；学习了解高分子材料加工常用工艺、设备；1. 1. 期末笔试期末笔试7 70%0%；2. 2. 作业、考勤及平时成绩作业、考勤及平时成绩30% 30% 。希望大家都能取得较好成绩！希望大家都能取得较好成绩！u 高分子材料概论高分子材料概论，王慧敏等，中国石化出版，王慧

15、敏等，中国石化出版社出版社，社出版社，20102010年年9 9月月u高分子材料概论高分子材料概论，张镭，王方林主编，科学，张镭，王方林主编，科学出版社，出版社，20062006年年8 8月月 1. 高分子化合物的概念 2. 聚合反应 3. 高分子材料分类、命名 。 聚合物有其独特的分子链结构和聚集态结构，因此具有与小分子化合物、金属材料和无机非金属材料截然不同的物理和化非金属材料截然不同的物理和化学行为学行为。 高高 分分 子子也叫也叫聚合物分子聚合物分子或或大分子大分子，具有，具有高的相对分子量高的相对分子量，其，其结构必须是由多个结构必须是由多个重复单元重复单元所组成，并且这些重复单所组

16、成，并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。元实际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。Polymer molecule, Macromolecule根据根据IUPAC（国际纯化学和应用化学联合会）（国际纯化学和应用化学联合会） 1996年之建议：年之建议：Excerpt from Pure Appl. Chem. 1996, 68, 2287 - 2311CH2-CH CH2-CH CH2-CHClClCl高高 分分 子子 基基 本本 概概 念念CH2CHOH聚氯乙烯聚氯乙烯聚乙烯醇聚乙烯醇H2CCHClCH2CHOH实际上概念上Chain Atoms构成高分子主链骨架的单个原

17、子。构成高分子主链骨架的单个原子。链链 单单 元元Chain Units由链原子及其取代基组成的原子或原子团。由链原子及其取代基组成的原子或原子团。聚丙烯聚丙烯CCHHCH3HCHHCCH3HCHHCCH3H聚乙二醇聚乙二醇CHHCHHO CHHCHHO CHHCHHOCCHHCH3HCHHCCH3HCHHCCH3HCHHCHHO CHHCHHO CHHCHHO高高 分分 子子 基基 本本 概概 念念 重复结构单元 Constitutional Repeating Unit （ CRU） 也称链节 CH2CH CH3 重复重复组成高分子分子结构的组成高分子分子结构的最小最小的的 结构单元。结构

18、单元。单体（ Monomer ）：能够形成聚合物中结构单元的 小分子化合物。分为四类：分为四类：如丙烯 高高 分分 子子 基基 本本 概概 念念结构单元：组成高分子链的那些最简单的反复出现的结构式，通常与合成它们的 单体相似或相关。 Eg. 聚乙烯；聚碳酸酯不同于重复结构单元（链节） Eg. 聚碳酸酯，酚醛树脂 高高 分分 子子 基基 本本 概概 念念u用 形式表示 Eg.u有些高分子的重复单元不好找，可以用 表示。例如：乙烯与丙烯的共聚物。- -重复单元重复单元 n n- -结构单元结构单元 n n- -CH-CHCH-CH2 2 n n聚合反应：由单体合成聚合物的反应聚合度 Degree

19、of Polymerization ： 单个聚合物单个聚合物分子所含分子所含结构结构单元的数目。单元的数目。对于加聚物为n；对于缩聚物为DP分子量M=M0n 或M= M0DP高高 分分 子子 基基 本本 概概 念念由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。如：如：均均 聚聚 物物Homopolymer氯乙烯单体氯乙烯单体由对苯二甲酸和乙二醇反应由对苯二甲酸和乙二醇反应生成的生成的“隐含单体隐含单体”：HOOC-Ph-COOCH2CH2OH“假设单体假设单体”：乙烯醇：乙烯醇CH2CHClCOCOOCH2CH2OCH2CHOH高高 分分 子子 基基 本本 概概 念念生成均聚物的聚合反应称生成均聚物的聚合反应称均聚反应均聚反应 （Homopolymerization) )。由一种以上（真实的、隐含的或假设的）单体聚合由一种以上（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。生成共聚物的聚合反应称为共聚反而成的聚合物。生成共聚物的聚合反应称为共聚反应。应。ABS ABS ：（丙烯腈：（丙烯腈- -丁二烯丁二烯- -苯乙烯）共聚物苯乙烯）共聚物共共 聚聚 物物Copolymer判别均聚物判别均聚物：聚合物分子聚合物分子有且只有一种有且只有一种，并且该重复结构单元并且该重复结构单元可以只由一种（真实可以