高分子物理PPT课件 高分子物理第1讲

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高分子物理授课教师：张弘楠东

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学DONGHUAUNIVERSITY一、参考教材：主教材：《高分子物理》复旦大学出版社第三版，何曼君、张红东、陈维孝、董西侠编著辅助教材：《现代高分子物理学》（上下册）

科学出版社2001年第一版，殷敬华、莫志深主编此外还用到一些高分子物理学相关方面的书籍。东

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学DONGHUAUNIVERSITY二、课程简介：高分子物理是研究聚合物结构与性能之间关系的一门学科。主要介绍高分子物理的主要研究方法和手段。通过“高分子物理”的学习，使学生掌握有关聚合物的主要物理、机械性能的基本概念、基本理论和基本研究方法，为从事高分子改性、加工及应用奠定基础。东

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学DONGHUAUNIVERSITY三、课程任务和教学目标：高分子物理是一门专业基础课，是从事纺织材料研究或开发工作必备的基础性知识。掌握了基本的高分子物理知识，可以更好地进行纤维及纺织品的改性、加工及开发利用。东

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学DONGHUAUNIVERSITY四、作业、考核方式和成绩评定：作业：分组讨论；考核方式：撰写一篇小论文；考试成绩平时成绩和期末论文组成。考勤：5%，考试：25%，期末论文：70%。东

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学DONGHUAUNIVERSITY联系方式办公室：纺织学院4044

电话：67792830邮箱：hnzhang@东

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高分子物理概论1、高分子物理的研究对象

------------什么是高分子小分子单体相互连接而成nCH2=CH(CH2CH)nCl(CH2－CH)nCln

CH2=CH氯乙烯聚氯乙烯苯乙烯东

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学DONGHUAUNIVERSITY2.链状分子的基本形式1.由重复单元相互连接构成3.足够长聚合过程赋予高分子三个特征东

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学DONGHUAUNIVERSITY足够长：聚合物（Polymer)：多到增加或减少几个单元不会影响bulk性质（玻璃化温度、热容、密度、热胀系数、模量、拉伸强度、导热系数、折光指数...）东

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学DONGHUAUNIVERSITYNumber

ofCarbonsinChainStateandPropertiesofMaterialUse,DependentonChainLength1-4SimpleGasBottlegasforcooking5-11SimpleLiquidGasoline9-16Medium-viscosityLiquidKerosene16-25High-viscosityLiquidOilandGrease25-50SimpleSolidParaffinWaxCandle>181(1000-3000)ToughPlasticSolidPolyethyleneBottleandContainers东

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学DONGHUAUNIVERSITY高分子Macromolecule—分子量高聚合物Polymer—由小分子单元连接而成大分子Macromolecule—分子量大高聚物Highpolymer—分子量高的聚合物低聚物（齐聚物）：oligomer若未达到足够的长度：高分子的特征不在其分子量高，而在其长链状结构聚合物高分子东

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学DONGHUAUNIVERSITYCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2高分子链的长径比3500个单键，875nm0.25nm长径比1750普通聚乙烯分子量5万，3500个碳原子3500个单键头发直径0.1mm，长175mm电线直径2mm，长3500mm东

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学DONGHUAUNIVERSITY2、高分子的发展历程

19世纪中叶以前无意识地使用高分子材料体现在人类对天然高分子的利用。纤维素、蛋白质、淀粉（1）蒙昧时期东

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学DONGHUAUNIVERSITY（2）萌芽时期19世纪末期到

20世纪初期出现了化学改性与人工合成的高分子橡胶塑料东

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学DONGHUAUNIVERSITY（3）争鸣时期

20世纪初期到30年代高分子科学与传统科学的碰撞Staudinger（1920）高分子的科学概念。链状分子、分子量及其分布、聚合反应东

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学DONGHUAUNIVERSITY（4）成熟时期40年代，高分子统计性质与物理化学研究。代表性工作：Kuhn,Guth,Mark,Flory1940-60年代，高分子科学的大发展(日新月异）：塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、复合材料

Ziegler-Natta催化剂，定向聚合近代，精度、广度：

deGeens的标度理论，非平衡态理论

Carothers（30年代）缩合聚合，尼龙的发明东

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学DONGHUAUNIVERSITYDiscoveryofNylonTheDuPontCompanyisknownforitspioneeringdevelopmentofsyntheticfibers,includingrayonandnylon.Inthisphoto,DuPontchemistJulianHillreenactsthediscoveryofnylonfiberbyhiscolleague,WallaceCarothers.东

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学DONGHUAUNIVERSITY3、高分子物理的研究内容制备应用成型加工性能结构高分子物理高分子物理是研究高分子结构、性能及两者相互关系的一门学科东

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学DONGHUAUNIVERSITY长链状分子具有共同的运动规律，不再取决于小分子的结构。高分子物理的一个使命就是揭示聚合物的结构及其共性分子运动规律。东

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学DONGHUAUNIVERSITY高分子物理的内容：1.高分子的结构：包括单分子的结构和凝聚态的结构；2.高分子材料的性能：主要是粘弹态；3.分子的运动：用统计力学的方法描述高分子的运动。东

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学DONGHUAUNIVERSITY4、高分子的结构特点

高分子量（万以上）高分子的许多特殊性质都与分子量大有关，如：难溶，甚至不溶，溶解过程往往要经过溶胀阶段溶液粘度比同浓度的小分子高得多分子之间的作用力大，只有液态和固态，不能汽化固体聚合物具有一定的力学强度，可抽丝、能制膜东

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学DONGHUAUNIVERSITY分子量多大才算是高分子？-----<1000<------------<10000<-----低分子过渡区（齐聚物）高聚物一般高分子的分子量在104～106范围超高分子量的聚合物的分子量高达106以上东

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线链状结构：线形链、支化链、网络链特殊情况：热固性树脂例如环氧树脂高度交联，交联点间仅几个化学键主链支链端基侧基东

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多分散性：分子量：大小不等、长短不一分子尺寸：即使分子量一样，可有多种构象，不同尺寸东

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学DONGHUAUNIVERSITY聚合物的结构层次链结构聚集态结构（高级）近程结构（初级）远程结构（二级）

化学组成支化、交联、端基键接方式构型共聚单元序列分布

结晶态结构非晶态结构取向态结构液晶态结构纳米区结构织态结构

高分子的大小（分子量）高分子的形态（构象）

物质结构的多层次性东

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学DONGHUAUNIVERSITY5、高分子性能的特点个性

丰富多彩千差万别化学组成制备方法高弹性可塑性成纤性成膜性粘接性吸附性绝缘性导电性导光性环境敏感性生物活性东

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学DONGHUAUNIVERSITY可塑性塑料东

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学DONGHUAUNIVERSITY高弹性橡胶东

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学DONGHUAUNIVERSITY成纤性纤维东

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学DONGHUAUNIVERSITY成膜性涂料粘接性粘合剂东

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学DONGHUAUNIVERSITYEasymoldingExtremelylightweight重量轻TransparencyColorability色彩GeneralCharacteristicsHighToughness高韧性Chemicalresistance化学惰性易加工透明东

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学DONGHUAUNIVERSITY共性：由高分子的结构特点所决定强大的分子间作用力只有固态和液态---凝聚态共价键键能：100-900

KJ/mol范德华力作用能：0.8-20

KJ/mol偶极力：0.8-20

KJ/mol诱导力：6-13

KJ/mol色散力：0.8-8

KJ/mol氢键：

小于等于40

KJ/mol小分子间相互作用能<共价键键能东

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学DONGHUAUNIVERSITY高分子的特点：大其中的链单元数：103-105链单元之间的相互作用力小分子之间的相互作用力高分子间相互作用能》共价键键能东

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第一章

高分子的分子结构东

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学DONGHUAUNIVERSITY高分子物质的类型高分子物质有三类：聚合物液体、聚合物固体、聚合物液晶。1）聚合物液体聚合物液体可分为溶液和熔体两大类。聚合物溶解在溶剂中就形成了聚合物的溶液。例如地板的光亮剂，纺丝过程中配制的纺丝溶液。东

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学DONGHUAUNIVERSITY如果聚合物溶液中没有溶剂，聚合物成了一整块液体，称为聚合物熔体。在聚合物的玻璃化温度和熔融温度以上，此时的聚合物熔体是匀称的聚合物液体。例如，纺丝加工过程中所用的纺丝熔体。东

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学DONGHUAUNIVERSITY2）聚合物固体聚合物固体有多种，如半结晶性的固体，聚合物的玻璃等。半结晶的固体：将聚合物熔体慢慢地冷却到熔点Tm以下，可得到半结晶性的聚合物固体；聚合物的玻璃：将聚合物熔体在Tg以上很快地冷却下来，可以形成聚合物的玻璃。东

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学DONGHUAUNIVERSITY交联的聚合物固体：将聚合物熔体的高分子链用化学反应使它们彼此间生成交联点，这种交联的聚合物是固体的。东

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学DONGHUAUNIVERSITY高分子凝胶：交联聚合物经溶剂溶胀的产物。例如，常见的果冻也是交联聚合物，它是高分子凝胶和水的产物。东

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学DONGHUAUNIVERSITY3）聚合物液晶聚合物液晶，既非液体也不是晶体，是在结晶性固体和非晶性液体之间的一种状态。东

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学DONGHUAUNIVERSITY高分子的分子结构东

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第一节

构造东

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学DONGHUAUNIVERSITY分子构造的定义一个分子的构造是指分子中原子和键的序列而不考虑其空间排列。东

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学DONGHUAUNIVERSITY1.1高分子单体、单体单元和键接结构大多数目前在工业上应用的高分子都是从单体经过聚合而合成的，这样的单体至少是双官能团的，通常属于以下三类之一：1）具有两个（或多个）官能的末端基团，如二元醇

，氨基酸

等；东

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学DONGHUAUNIVERSITY2）具有重键的单体。例如，乙烯

，丙烯腈

等；3）在环中含杂原子的环状单体，例如：东

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学DONGHUAUNIVERSITY多数合成高分子是以聚单体命名的，这种命名属基于来源的术语。例如，由环氧乙烷（或称氧化乙烯）单体经多相催化开环聚合可制得具有单体单元和构造重复单元

的聚氧化乙烯（PEO）

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学DONGHUAUNIVERSITY1.2基于过程的高分子均聚物：从一种单体经聚合而得的聚合物；共聚物：从两种或两种以上单体合成的聚合物。由A和B两种单体单元所生成的二元共聚物，按照连接方式可分为交替共聚物、无规共聚物、嵌段共聚物与接枝共聚物等几种类型。东

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学DONGHUAUNIVERSITY按照不同单体单元在共聚物分子中的序列可将共聚物分为八种类型（见表1.1）东

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学DONGHUAUNIVERSITY1.3基于结构的高分子由一种链原子组成的高分子叫做均链高分子。例如聚乙烯(-CH2-CH2-)N

，聚苯乙烯

等碳链高分子,聚硫

等S链高分子。东

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学DONGHUAUNIVERSITY对于主链中含有硅、硫、磷、铝、锑等元素的高分子又称为元素高分子。由一种以上链原子组成的高分子称为杂链高分子。例如聚氧化乙烯

链原子有C和O。东

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学DONGHUAUNIVERSITY1.4一、二和三维大分子最简单的大分子是由一种构造重复单元以单一序列一维连接而成的线性大分子，如PE、聚α-烯烃等。东

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学DONGHUAUNIVERSITY若线性高分子的两个末端分子内连接则形成环形聚合物分子。在环形高分子合成过程中，可得称为polycatenanes的副产物；大环型分子穿入一线性高分子链生成polyrotaxane；polyrotaxane可以转化成聚合物管（polymertube）。东

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学DONGHUAUNIVERSITY1.5支化和交联高分子按照支链长度的不同可将支化高分子分为短链支化和长链支化。从主链上分出的齐聚物分支称作短链支化，高分子的支化叫作长链支化。东

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学DONGHUAUNIVERSITY例如，在乙烯自由基聚合期间的反应生成支化物：东

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按照支链连接方式的不同可将支化高分子分为无归（树状）、梳型和星型支化的高分子。东

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当体系中所有高分子链通过许多键互相联结成一个由“无限大”的分子组成的网，即为交联高分子。水凝胶吸水率可达400-1500g.g-1东

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学DONGHUAUNIVERSITYOpticalimageofhydrogel东

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学DONGHUAUNIVERSITYSEMcharacterizationofmorphologyofhydrogel东

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第二节

构型东

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学DONGHUAUNIVERSITY分子构型的定义构型是指分子中通过化学键所固定的原子的空间排列。东

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学DONGHUAUNIVERSITY2.1高分子异构体同分异构体分为两种：一种是具有同样组成的分子的原子彼此以不同的序列连接的称为构造同分异构体，简称构造异构体；另一种是具有相同原子序列但不同空间排列的原子组成的分子，称为立体同分异构体，简称立体异构体。东

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学DONGHUAUNIVERSITY1）构造异构：只分子式相同，分子中原子相互连接的顺序和方式不同。主要有以下几个方面：碳链异构，官能团异构，官能团位置异构，互变异构。东

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学DONGHUAUNIVERSITY碳链异构：东

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学DONGHUAUNIVERSITYCH3—CH2—CHO

CH2C

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—CH2OH官能团异构：东

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学DONGHUAUNIVERSITY官能团位置异构：东

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学DONGHUAUNIVERSITY互变异构：在室温下，不同官能团异构体处于动态平衡之中，能很快的相互转变，是一种特殊的官能团异构。如酮与烯醇：东

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学DONGHUAUNIVERSITY又如对亚硝基苯酚与对苯醌：东

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学DONGHUAUNIVERSITY2）立体异构：构型和构象异构统称为立体异构。构型异构体包括顺反异构和光学异构。东

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学DONGHUAUNIVERSITY立体异构体按能量势垒分为构型和构像异构体；或者按照对称性分为对映和非对映异构体，简称对映体和非对映体。对映体也叫做旋光异构体。东

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学DONGHUAUNIVERSITY2.2几何异构体聚合物如1,4—加成的双烯类聚合物，由于内双键上的的集团在双键两侧排列的方向不同而有顺式构型和反式构型之分，称为几何异构体。东

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学DONGHUAUNIVERSITY例如，用钴、镍和钛催化系统可制得顺式构型含量大于94%的顺丁橡胶，其结构式如下：东

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学DONGHUAUNIVERSITY而用钒系或醇烯催化剂所得的聚丁二烯橡胶，主要为反式构型，其结构如下：东

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学DONGHUAUNIVERSITY2.3旋光异构体具有同样化学组成的两个对映体是像左、右手一样的镜像重合体，它们使偏振光向相反方向转动，表现出不同的旋光性，所以叫做旋光异构体。东

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学DONGHUAUNIVERSITY结构单元为—CH2—CHR—型的高分子，在每一个结构单元中都有一个手性碳原子，这样每一个链节就有两种旋光异构体。它们在