高分子化学课件1

高分子化学PolymerChemistry1第一章绪论〔一〕21.高分子科学的历史和开展2.高分子的重要性和特点3.高分子化学在学科中的地位4.高分子化学的研究趋势5.高分子材料的应用和未来3何为高分子？分子量大〔≥10,000〕由重复单元链接而成长径比：103~105Polyamideimide/聚酰胺酰亚胺的立体示意图4高分子/Polymer单体/Monomer合成高分子——由单体聚合而成通过不同的聚合反响5COOCOHOCOHCHHHHCOHOCOHOCOHCHOHHHH+n带双官能团的化合物逐步聚合带双键的烯类化合物CCHHHH连锁聚合CCHHHHn6高分子科学成型、加工聚合结构性能改性高分子化学反应应用合成天然高分子分子运动高分子工程高分子物理高分子化学7学科：高分子科学高分子化合物合成结构性能高分子材料的应用成型加工根底性学科应用性学科8

历史的划分人类开展的历史证明，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步历史的划分材料人类文明9旧石器

数百万年前

新石器

数十万年前青铜器

数千年前

铁器

数千年前10高分子时代〔20世纪下半叶〕三大合成材料：塑料、橡胶、纤维其他合成材料：涂料、胶粘剂复合材料功能高分子材料

••••••〔200年不到〕——O.Vogl,G.D.Jaycox,“TrendsinPolymerScinece〞11无处不在的高分子服装、面料玩具、生活用品电气产品外壳、绝缘体包装、装饰材料涂料、粘合剂隐形眼镜

衣食住行，无处不在！12价廉轻便强度高易于加工成型性能易于控制使用安全废弃物易于处理

食品的生产和储存健康、医疗建筑能源开发和利用娱乐、体育军事、航空、航天

以塑代钢——在一定程度上，工程塑料的强度已经超过了钢铁可应用于各个领域13全世界高分子材料已超过2亿吨，虽然重量不及钢铁，但由于其比重仅为钢铁的1/7~1/8，因此，世界高分子材料总体积远远超过钢铁。兴旺国家钢铁的产量根本已经稳定了，但高分子材料的产量还在增长高分子材料具备金属和陶瓷等材料的性能特点，在几乎所有的应用领域大量地取代它们，甚至综合性能更优良。高分子材料的开展和应用，是20世纪改变人类生活、生产的20项创造之一14每年全球生产超过2亿吨聚合物材料以满足全世界的60亿人的使用需要。在这一生产过程，只消耗了全球原油年产量的4%。比较而言，全球每年采伐的木材量所等效的石油消耗却要比聚合物大一个数量级。与全球每年产生的约500亿吨生物物质相比，聚合物的产量是如此的微缺乏道。然而，聚合物材料的使用却对全球经济产生了巨大的影响，它对美国GDP的奉献到达4%。当全世界人口比现在翻一番时，聚合物的生产规模可能是现在的三倍甚至四倍。能源消耗量效比15木材棉麻丝毛漆橡胶皮革各种树脂

各种天然的高分子材料皮革的鞣制棉麻的丝光处理

改性日常生活和生产创立前——蒙昧期(不知道其化学组成和结构)高分子科学的历史(时间短却开展迅猛)16合成树脂：德国开发出酚醛树脂〔1907年〕作为绝缘材料：俗称电木醋酸纤维和塑料、醇酸树脂、聚乙烯醇

学科创立：本阶段的末期，高分子科学作为一个独立的学科初步建成天然高分子的改性：橡胶的硫化〔1839年〕，使天然橡胶实用化硝基纤维素创造推动塑料工业的开展〔1868年〕P－OH+HNO3P－ONO2+H2O第一阶段——高分子科学的创立(19世纪30年代-1930年)17高分子和聚合的概念得到普遍的接受第二阶段——重要开展阶段〔1930-1960年〕1936年，以纤维素乙酰化前后分子量变化极小的实验事实再次证实“链式大分子〞观点的正确性，终于得到化学界普遍认可H.Staudinger(1881-1965)Germany1926年，依据测定聚茚氢化前后分子量变化极小的实验事实，提出了“链式大分子〞概念〔茚：一种烃类液体[indene]C9H8，很易聚合〕高分子的链式结构，最终被确立NobelPrize,1953Staudinger十年间两次提出1920年，发表了他划时代意义的文献?论聚合?,提出了大分子是由大量的小分子聚合起来的概念18塑料和工程塑料：尼龙-66的工业化生产〔1938年〕有机玻璃〔合成聚甲基丙烯酸甲酯〕聚苯乙烯的工业化环氧树脂ABS树脂合成橡胶：丁二烯及其共聚类(如聚丁二烯、丁氰、丁苯、丁基等)

聚氨酯在材料开发及其应用方面都得到了很大的开展聚酯纤维腈纶合成纤维：19聚氯乙烯聚苯乙烯聚醋酸乙烯酯聚甲基丙烯酸甲酯高压聚乙烯丁苯橡胶丁腈橡胶氯丁橡胶聚四氟乙烯ABS树脂

科学研究链式自由基聚合反响理论工业化缩聚反响理论缩聚反响理论链式自由基聚合反响理论30到40年代工业合成20可以实现分子链立体构象的控制制备出高密度线型PE和等规PP

KarlZiegler(1898-1973)Germany烯烃聚合中的有机金属混合物催化剂高密度聚乙烯(HighdensityPolyethylene,HDPE)GiulioNatta(1903-1979)Italy立构规整聚合物等规聚丙烯(Polypropylene,PP)NobelPrize,1974Ziegler-Natta催化剂及其配位聚合〔1963〕

活性阴离子聚合可以实现分子链结构和形状的控制，开发了聚甲醛、聚氨酯等2150年代，美国化学家P.J.Flory提出了高分子溶液的格子模型，创立了高分子溶液的统计热力学和高分子构象的统计力学方面的根底理论，大大促进了高分子物理以至整个高分子科学的开展PaulJ.Flory(1910-1985),USAPrinciplesofPolymerChemistry?高分子化学原理?,1953;StatisticalMechanicsofChainMolecules?长链分子的统计力学?,1979NobelPrize,1974

高分子物理Pierre-GillesdeGennes(1932-),FranceScalingConceptsinPolymerPhysics?高分子物理学的标度概念?,1985NobelPrize,199122有机化学高分子化学物理化学物理学数学电子学各种工程学生物学医药学其它化学化工机械

高分子科学交叉渗透融合高分子物理高分子工程链结构溶液性质聚集态结构性能

成型加工合成、改性、分子设计23第三阶段——全面开展阶段〔20世纪60年代以后〕材料：新的材料不断涌现，无法列举，得到全面应用科学研究：各种聚合理论趋于成熟，体系完善

高性能化光敏性高分子、高分子半导体和导体、光导体、高分子别离膜、高分子试剂和催化剂、高分子药物等方面的研究与应用都取得巨大进展。这是功能高分子和生物医用高分子理论和材料大开展时期

多功能化24结构物性合成与改性分子设计高分子科学的更高、更新阶段高分子化学的重任

通过建立结构与性能、功能之间的关系，合成具有指定结构及性能与功能的聚合物，或者通过改性提高性能，通过修饰等手段赋予聚合物新的功能。实现聚合物的分子设计和材料设计的目标应用需求25研究趋势和前沿新型、有用的高分子化合物的分子设计新的聚合反响的研究新的聚合方法的研究26可控制反响物空间立构、聚合物相对分子质量及相对分子质量分布的所谓可控聚合活性聚合、酶催化聚合、微生物催化聚合新型功能高分子材料的设计及合成基于分子识别、分子有序组装的分子设计、组装化学和组装方法包括分子改性和外表改性在内的聚合物改性方法和原理27具有耐高温、高强度、高模量“三高〞性能的聚合物分子设计及合成医用高分子和生物大分子的改性、结构及功能化研究纳米聚合物的合成及应用各种有机－无机分子内杂化高分子材料的分子设计与合成环境问题28高分子的应用和未来高性能化合成新的高分子改性通过新聚合反响控制分子结构(如:阴离子活性聚合)通过聚合方法和聚合过程的控制、提高性能(如:齐格勒纳塔聚合)多功能化除机械性能外，高分子还具特定功能：光导性导电性光敏性光致变色性磁性生物活性液体性催化性高度选择能力的反响活性对特定金属离子的螯合性透过特定气体

29复合化高性能的结构复合材料是新材料革命的一个重要方向。如，以玻璃纤维增强材料为主的复合材料不仅在当前已进入大规模生产和应用阶段，而且在将来仍会有所开展。

30支柱先进材料能源环境结构材料军事航空、航天

三大材料金属陶瓷

高分子根底先导应用前景31防热材料有机硅聚合物处理的陶瓷纤维隔热层覆盖在神舟五号返回舱外表：有机硅聚合物良好的耐上下温性能使之在高空低温和大气层再入时的高温环境中得以延长器件的寿命外外表温度超过1000˚C,内部温度约30˚C

高比强、高比模结构材料

超低温，超高温防护材料吸收电磁波、声波的隐身材料减震、降噪的阻尼材料

航天器用高分子材料32高比强、高比模结构材料33F-22的材料组成34F-22的动力：F-119发动机F119发动机正在执行用树脂基复合材料取代钛合金制造风扇送气机区的方案，可节省结构重量6.7公斤，并正在考虑用树脂基复合材料风扇叶片取代现在的钛合金空心风扇叶片，以期减轻结构重量30％。35防弹玻璃由数层玻璃和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)胶片粘结而成的特种夹层玻璃。56式7.62mm冲锋枪，56式7.62mm普通弹(钢芯)，15米距离射击三发，弹速约750m/s，弹着点100±10mm呈正三角形，防弹玻璃背部没有飞溅物，背部玻璃外表光滑，弹伤深度≤5mm。玻璃和高分子的复合材料36——带有特异功能特种合成纤维调温纤维——能够调节自身环境温度。环境温度上升时，有储热作用；温度下降时，放出热量保温纤维——能隔绝外界雨、雪、风、霜侵入到人体皮肤，同时也能将皮肤上的汗水排放到大气中去，具备天然纤维〔棉、麻、丝等〕的功能呼吸纤维——具有防水透气性，能透过人体汗液蒸发的水蒸气，但却透不过雨水，即具有两种相逆的功能防暑纤维——具有亲水性，可防出汗、防闷热，穿着舒适记忆纤维——可永远保持形状不变弹性纤维——弹性纤维适宜动作和身体伸展。使用的聚氨酯纤维，其弹性可接近橡胶37高强纤维的代表:Kevlar抗拉强度3.4GPa模量〔59～190〕GPa断裂伸长5%蜘蛛丝强度优于Kevlar断裂伸长达30%复合材料生物医学降落伞绳索头盔、防弹背心38和体育结缘最初的台球是用象牙制成，量稀而贵，有人悬赏1万美元征求制造台球的替代材料。1869年，美国人海厄特把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，然后在常压下硬化成型制出了廉价台球，赢得了这笔奖金。这种由纤维素制得的材料就是赛璐珞39撑竿跳——器械的胜利

材质：木、竹、合金、玻纤复合材料、碳纤复合材料40

不管是遗传现象，或是酶的活动，都与高分子物质有密切的关系。在人体中，最重要的高分子物质莫如蛋白质和核酸。高分子科学家已经开始探索如何去合成或模拟天然的高分子——也就是具有生物活性的高分子，因为天然的动、植物本身就是由高分子所组成的。一旦能够合成生物高分子，就可以合成局部生物组织或器官，在解救人的生命的旅程中又可大大地向前迈一步了高分子——生命活动的根本物质生命活动是各式各样的：新陈代谢、肌肉收缩、神经传导以至于传种接代(遗传现象)等等。不管哪种活动，都需要有生物酶的参与。遗传现象那么更是十分神秘而复杂的生命活动现象41生物医用高分子材料——生命科学和材料科学的交叉生物材料是指与体液接触的异体材料，除少数金属、陶瓷和碳素外，绝大局部是橡胶、纤维、模制塑料等合成高分子材料。全世界在医学上应用的高分子材料就有90多个品种、1800余种制品。西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%-20%的速度增长人体替代和修复材料医疗器械、医护用品药用高分子

●●●●●●智能型

复合型功能型42生物相容性好，不引起刺激、炎症、致癌和过敏等反响生物活性优异生物降解性好化学稳定性和化学惰性无毒无副作用容易制备、纯化、加工和消毒有所需的物理性能(尺寸、强度、弹性、渗透性等)，并能在使用期间保持其不变，抗老化、耐疲劳对生物医用高分子材料的要求43CHEMTECH,1983,13,542-55SiliconemedicaldevicesandtheBody人造胰脏形同钮扣，Φ2.5x0.5cm,在两层高分子膜之间夹装从猪胰脏中取出的可分泌胰岛素的细胞。外部用硅包封装，减轻排异反响人工器官

人工心脏：聚酯、聚氨酯、环氧树脂

人工肺：硅橡胶半透膜

关节(肩、髋、膝):聚四氟乙烯

人工肾：透析膜

人工血管、人造血液

人工皮肤

••••••目前，从天灵盖到脚趾骨，从人体的内脏到皮肤，从血液到五官，除了脑以及大多数内分泌器官外，大都有了代用的人工器官44人造心脏聚醚型聚氨酯聚酯编织管环氧树脂聚酯硅油45人工骨Resomer®ResorbablePolyester：Polylactide,Polyglycolideorthecopolymers—BoehringerIngelheimKG46如：以乳酸为主要成分的可降解聚合物和促进骨骼生长的磷酸三钙制成薄片，敷贴在骨骼受损伤的部位，周围的骨骼细胞不久就会再生出新骨。而薄片中的可降解物质可自然分解，乳酸和磷酸三钙那么在体内进行新陈代谢乳酸是乳酸杆菌产生的一种碳水化合物，是生物体中常见的天然化合物。通过乳酸环化二聚物的化学聚合或乳酸的直接聚合可以得到高分子量的聚乳酸。聚乳酸(PLA)性能：制品具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及很好的生物降解性，并且在可降解热塑性高分子材料中PLA具有最好的抗热性原料：可从谷物中取得，其制品废弃后在土壤或海水中经微生物作用可分解为二氧化碳和水，燃烧时不会散发毒气，不会造成污染47再生骨所用的高分子材料具有良好的力学性能而作为承力替代物，同时具有良好的生物相容性和骨传导性，新生骨组织在其上以爬行方式生长，一定程度上可使骨缺损尺寸降低到可自身修复的程度。依据缺损骨头的形状，用高分子材料作成支架，在上面“种〞上成骨细胞，再植入体内。材料为细胞提供养份，当骨头渐渐长成后，支撑材料随之降解、吸收而消失48药用高分子(药物的控制释放)控制释放速度在需要的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放控制释放地点靶向控制释放体系，使药物在预定的部位按设计的剂量富集于病灶处缓释胶囊

体系不仅能提高药效，简化给药方式，大大降低了药物的毒副作用49硅橡胶医疗制品用硅橡胶制造的医疗器械—DowCorning医用硅橡胶是最早也是最成功的商品化医用