《高分子化学》课程教学大纲

-1-《高分子化学》课程教学大纲一、高分子化学基本概念与分类(1)高分子化学是一门研究高分子材料结构、性能、合成以及应用的科学。高分子化合物是由许多重复的单体单元通过化学反应连接而成的长链分子，其分子量通常在数千到数百万之间。这些高分子化合物在自然界和工业中都非常普遍，如蛋白质、纤维素、橡胶、塑料等。高分子化学的研究涉及从分子结构到宏观性能的多个层次，对于理解高分子材料的特性和开发新型高分子材料具有重要意义。(2)高分子化合物的分类可以根据不同的标准进行。首先，按来源可以分为天然高分子和合成高分子。天然高分子包括纤维素、蛋白质、核酸等，它们主要来源于生物体。合成高分子则是通过化学合成方法制得的，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。其次，按结构特点可以分为线形高分子、支链高分子和交联高分子。线形高分子是由单链分子组成的，支链高分子则在其主链上带有分支，而交联高分子则是通过化学键将多个高分子链连接在一起。最后，按应用领域可以分为通用高分子材料和特殊功能高分子材料。通用高分子材料如聚乙烯、聚丙烯等广泛应用于日常生活和工业生产中，而特殊功能高分子材料如导电高分子、智能高分子等则具有特定的功能性。(3)在高分子化学中，了解高分子链的结构对其性能的预测和控制至关重要。高分子链的结构主要包括链的长度、分子量分布、支链结构、交联结构等。链的长度和分子量分布直接影响高分子的强度、韧性、溶解性等性能。支链的存在可以提高高分子的柔韧性，而交联结构则可以提高其耐热性和耐溶剂性。此外，高分子链的立体构型也会影响其性能，如顺式和反式构型会影响分子的对称性和结晶性。因此，深入研究高分子链的结构与性能之间的关系对于高分子材料的设计与开发具有重要意义。二、高分子链结构与性能(1)高分子链的结构对其性能的影响是多方面的。以聚乙烯为例，其分子链主要由碳碳单键组成，具有线性结构。聚乙烯的密度约为0.95g/cm³，玻璃化转变温度(Tg)约为-120℃，熔点(Tm)约为130℃。通过引入支链，如聚乙烯-聚丙烯共聚物，可以显著提高其冲击强度和韧性，这是因为支链的存在减少了分子链之间的相互作用，从而降低了分子链的刚性。例如，聚乙烯-聚丙烯共聚物的冲击强度可以提高到约40kJ/m²，远高于纯聚乙烯的冲击强度。此外，通过交联反应，如使用过氧化物交联聚乙烯，可以进一步提高其耐热性和耐溶剂性，交联密度越高，这些性能也越显著。(2)高分子链的结晶度和取向对材料的性能也有显著影响。结晶度高的材料通常具有较高的强度和硬度，而较低的结晶度则赋予材料较好的柔韧性和耐冲击性。例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的结晶度可达60%以上，因此具有较高的强度和刚度，常用于饮料瓶和薄膜制造。而聚乳酸(PLA)的结晶度通常低于30%，使其具有良好的生物降解性和柔韧性，适用于包装材料和生物医学领域。在取向方面，通过拉伸等加工手段可以使高分子链沿特定方向排列，从而提高材料的力学性能。例如，聚丙烯(PP)在拉伸取向后，其强度可以提升至未取向时的数倍。(3)高分子链的构象熵和分子量分布对材料的流动性和加工性能同样重要。构象熵是高分子链在溶液中自由旋转的能力，它决定了材料的流动性和加工性。例如，聚丙烯酰胺(PAM)的构象熵较高，因此在溶液中具有良好的流动性和成膜性，常用于水处理和造纸工业。分子量分布对材料的性能也有显著影响。窄分子量分布的高分子材料通常具有更均匀的性能，而宽分子量分布则可能导致性能的不均匀。以聚苯乙烯(PS)为例，其分子量分布较宽时，材料的透明度和机械性能会受到影响。通过控制分子量分布，可以精确调控材料的性能，如通过共聚合或接枝共聚等方法，可以制备出具有特定性能的高分子材料。三、高分子合成与加工技术(1)高分子合成技术是制备高分子材料的基础。常见的合成方法包括自由基聚合、阳离子聚合、阴离子聚合和配位聚合等。自由基聚合是最常用的方法之一，如通过引发剂引发单体分子发生链式反应，形成长链高分子。例如，乙烯通过自由基聚合可以合成聚乙烯。此外，阳离子聚合在合成聚酯、聚酰胺等材料中应用广泛，其特点是聚合反应速度快，产物分子量分布窄。阴离子聚合则常用于合成聚硅氧烷、聚苯乙烯等材料。(2)高分子加工技术是将合成的高分子材料转化为最终产品的关键步骤。常见的加工方法包括热塑性加工和热固性加工。热塑性加工包括挤出、注塑、吹塑等，适用于聚乙烯、聚丙烯等材料。通过加热使高分子材料熔融，然后通过模具成型，冷却固化后得到最终产品。热固性加工则包括压制成型、模压成型等，适用于环氧树脂、酚醛树脂等材料。这些加工方法可以实现复杂形状和尺寸的制品生产。(3)高分子材料的加工过程中，表面处理技术也是至关重要的。表面处理可以改善材料的表面性能，如提高其亲水性、亲油性、耐磨性等。常见的表面处理方法包括等离子体处理、紫外线照