第一章绪论(2004)幻灯片

任课教师简介●刘志勇，1969年生，副教授，主要从事有机化学教学和科研，主持和参与省级以上课题6项，已发表相关科研论文20余篇●1992年毕业于新疆师范大学化学系，同年到原石河子医学院任教●2000年获得四川大学华西药学院“药物化学”专业硕士学位●2003年2月赴大连理工大学攻读“材料学”专业博士学位●Tel:2382304（小灵通）;2057157（实验室）

●E-mail:lzy_tea@

●Address:科技楼石河子大学生物化工重点实验室4、5楼联系方式“高分子材料”专业介绍(1)“高分子材料与工程”方向(2)“化学建材”方向“高分子科学与工程”学科简介基础性分支学科

◆

高分子化学

◆高分子物理

◆

高分子工程研究领域

◆

功能高分子

◆高分子新材料

高分子化学：高分子合成、高分子反应高分子物理：高聚物的结构、分子结构与性能关系高分子工程：高分子成型加工原理、技术、生产工程

“高分子科学与工程”学科简介功能高分子材料性能特殊、用量小、附加值高的材料高分子新材料通用高分子材料“高分子科学与工程”学科简介发展简史

“高分子材料”研究领域介绍

天然有机材料

半合成高分子材料

合成高分子材料三大合成材料：塑料、合成橡胶、合成纤维主要用途“高分子材料”研究领域介绍“高分子材料”研究领域介绍优势

◆

原料丰富

◆具有各种优异性能（密度＝1/6钢，耐腐蚀，易加工成型，性能变化范围大，……）

◆生产能耗低，投资少，周期短，利润高“高分子材料”研究领域介绍培养目标

“高分子材料”专业特色介绍

培养掌握高分子材料的合成、成型加工的基础原理，生产方法，并能从事生产、设计、开发、应用研究及经营管理的高级工程技术人才。培养要求

“高分子材料”专业特色介绍◆掌握化工单元操作、化工基础知识；◆掌握高分子材料制备、改性和成型加工原理、生产工艺;◆运用现代分析测试技术研究材料的组成；◆

了解结构与性能之间的内在联系。

“高分子材料”专业特色介绍◆高分子材料与工程◆化学建材

通用高分子材料，如塑料、橡胶及橡塑并用体系的制备，成型加工原理、方法、技术。

新型化学建材，如建筑塑料的成型加工原理、方法、技术；建筑涂料、胶粘剂的制备、生产及应用等。

教学概况知识构成：

公共基础知识、专业基础知识、专业知识主要专业课程设置：

◆

专业基础课程

材料科学基础、材料科学研究方法、化工原理、无机化学、分析化学、物理化学、有机化学等教学概况◆

专业课程▲

“高分子材料与工程”专业方向

高分子配合原理、聚合物加工成型原理、聚合物共混原理、功能高分子材料、……

▲

“化学建材”专业方向

聚合反应工程、建筑涂料树脂合成工艺学、建筑塑料成型工艺、建筑胶粘剂、无机建筑材料、……

高分子化学、高分子物理、专业英语、文献检索

实践环节

◆

实习实训◆课程设计

教学概况

认识实习、生产实习、高分子科学实验、大型专业实验、毕业论文（设计）……

工艺设计

专业实验室介绍高分子合成实验室

高分子加工实验室高分子材料性能测试实验室

高分子化合物的合成、涂料制备、……

塑料、橡胶材料，橡塑并用材料的加工、成型

（双螺杆挤出机、密炼机、开炼机、注塑机、……）

高分子材料力学性能、流变学性能、热性能表征

（万能材料试验机、拉力机、转矩流变仪、熔融指数仪、热变形温度仪、冲击实验机、涂料耐洗刷仪、光泽仪、……）

毕业生就业方向就业方向：化工厂（塑料、橡胶、涂料、胶粘剂、……）新材料开发公司高分子材料研究机构贸易公司……

职业性质：

专业技术人员：工程师、工艺师、实验师管理人员：技术主管、企业管理人员POLYMERCHEMISTRYLIUZHIYONGSHIHEZIUNIVERSITY2004.08LECTURE第一章绪论高分子化学天然高分子的直接利用天然高分子的化学改性天然橡胶的硫化,硝化纤维的合成等淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等高分子合成高分子时代1.1高分子科学简史

HermannStaudinger:把“高分子”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（1953年诺贝尔奖）。Carothers:建立缩聚反应理论。KarlZiegler,GiulioNatta:乙烯、丙烯配位聚合（1963年诺贝尔奖）PaulJ.Flory:聚合反应原理、高分子物理性质与结构的关系（1974年诺贝尔奖）。HidekiShirakawa,AlanG.MacDiarmid,AlanJ.Heeger：对导电聚合物的发现和发展（2000年诺贝尔奖）。1.1高分子科学简史高分子科学高分子化学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、制订合成工艺等。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，是沟通合成与应用的桥梁。高分子物理高分子加工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。1.1高分子科学简史制约因素解决途径（1）延长使用寿命：减少废弃（2）回收利用：低性能应用；降解（3）自然降解：自然分解回归自然：高分子制品废弃后对环境的污染“在人类历史上,几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献.”1.1高分子科学简史高分子也叫聚合物分子或大分子，具有高的相对分子量，其结构必须是由多个重复单元所组成，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。Polymermolecule,Macromolecule根据IUPAC1996年之建议：ExcerptfromPureAppl.Chem.1996,68,2287-23111.2高分子基本概念聚氯乙烯聚乙烯醇实际上概念上高分子小分子聚合反应Polymerization单体能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。高分子化合物PolymericSubstanceMonomer或称聚合物，是由许多单个高分子（聚合物分子）组成的物质。1.2高分子基本概念链原子ChainAtoms构成高分子主链骨架的单个原子。链单元ChainUnits由链原子及其取代基组成的原子或原子团。聚丙烯聚乙二醇1.2高分子基本概念构成高分子主链结构一部分的单个原子或原子团，可包含一个或多个链单元。重复组成高分子分子结构的最小的结构单元。结构单元ConstitutionalUnit重复结构单元ConstitutionalRepeatingUnit,CRU1.2高分子基本概念单个聚合物分子所含单体单元的数目。聚合度DegreeofPolymerization，DP聚合物分子结构中由单个单体分子生成的最大的结构单元。单体单元Monomer(ic)Unit,mer聚合物单体单体单元聚合度2n聚对苯二甲酸乙二酯，涤纶，PETn1.2高分子基本概念含有反应性末端基团、能进一步聚合的高分子。遥爪高分子TelechelicPolymers高分子链的末端结构单元。末端基团EndGroupsCH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH3聚乙烯：涤纶：1.2高分子基本概念由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。如：均聚物Homopolymer氯乙烯单体由对苯二甲酸和乙二醇反应生成的“隐含单体”：HOOC-Ph-COOCH2CH2OH“假设单体”：乙烯醇1.2高分子基本概念生成均聚物的聚合反应称均聚反应（Homopolymerization)。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应。共聚物Copolymer判别均聚物：聚合物分子有且只有一种CRU，并且该CRU可以只由一种（真实的、隐含的或假设的）单体衍生而来。1.2高分子基本概念HOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-隐含单体HOOC-Ph-COOCH2CH2OHHOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OHHO(CH2)3OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-(OC-Ph-COOCH2CH2CH2O)m-HO-(CH2)5COOHHOCH2COOH-[O(CH2)5CO]m-[OCH2CO]n-共聚物共聚物均聚物CH2=CH2CH2=CHCH3假设隐含单体？交替共聚物1.2高分子基本概念来源天然高分子：自然界天然存在的高分子。半天然高分子：经化学改性后的天然高分子。主链元素（链原子）组成碳链高分子：主链（链原子）完全由C原子组成。杂链高分子：链原子除C外，还含O,N,S等杂原子。元素有机高分子：链原子由Si,B,Al,O,N,S,P等杂原子组成。合成高分子：由单体聚合人工合成的高分子。1.3高分子的分类碳链高分子杂链高分子元素有机高分子聚乙烯聚丙烯聚乙二醇尼龙—6聚二甲基硅氧烷1.3高分子的分类性质和用途塑料纤维橡胶涂料胶粘剂功能高分子以聚合物为基础，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。具有可逆形变的高弹性材料。纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。1.3高分子的分类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具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料I.习惯命名法天然高分子一般有与其来源、化学性能与作用、主要用途相关的专用名称。如纤维素（来源）、核酸（来源与化学性能）、酶（化学作用）。合成高分子（1）由一种单体合成的高分子：“聚”+单体名称如聚氯乙烯、聚乙烯等1.4高分子的命名（2）由两种单体通过缩聚反应合成的高分子：表明或不表明产物类型表明产物类型：“聚”+两单体生成的产物名称，如对苯二甲酸和乙二醇的缩聚产物叫“聚对苯二甲酸乙二酯”己二酸和己二胺的缩聚产物叫“聚己二酸己二胺”不表明产物类型：两单体名称或简称加后缀“树脂”，如苯酚和甲醛的缩聚产物叫“酚醛树脂”尿素和甲醛的缩聚产物叫“脲醛树脂”1.4高分子的命名（3）由两种单体通过链式聚合反应合成的共聚物：

两单体名称或简称之间+“-”+“共聚物”：如乙烯和乙酸乙烯酯的共聚产物叫“乙烯-乙酸乙烯酯共聚物”（4）“聚”+高分子主链结构中的特征功能团：

指的是一类的高分子，而非单种高分子，如：

聚酯：聚酰胺：1.4高分子的命名II.IUPAC系统命名法(1)确定重复结构单元；(2)按规定排出重复结构单元中的二级单元循序：规定主链上带取代基的C原子写在前，含原子最少的基团先写；(3)给重复结构单元命名：按小分子有机化合物的IUPAC命名规则给重复结构单元命名；(4)给重复结构单元的命名加括弧，并冠以前缀“聚”。1.4高分子的命名括弧必不可少重复结构单元为：11-氯代撑乙基（）聚~OCH2CH2~氧化撑乙基（）聚Poly(1-chloroethylene)Ethylene:(1)CH2=CH2,乙烯；（2）-CH2-CH2-,1,2-亚乙基，撑乙基举例1.4高分子的命名线形高分子环状高分子支化高分子梳形高分子梯形高分子网状高分子星形高分子体型高分子1.5高分子链的形态I.单体单元的结构排列首-尾连接首-首连接尾-尾连接如单体CH2=CHX聚合时，所得单体单元结构如下：首尾单体单元连接方式可有如下三种：1.6高分子的化学结构若高分子中含有手性C原子,则其立体构型可有D型和L型，据其连接方式可分为如下三种：（以聚丙烯为例）（1）全同立构高分子（isotacticpolymer)：主链上的C*的立体构型全部为D型或L型,即DDDDDDDDDD或LLLLLLLLLLL；II.高分子的立体异构1.6高分子的化学结构（2）间同立构高分子（syndiotacticpolymer)：主链上的C*的立体构型各不相同,即D型与L型相间连接，LDLDLDLDLDLDLD；立构规整性高分子（tacticpolymer):C*的立体构型有规则连接，简称等规高分子。1.6高分子的化学结构（3）无规立构高分子（atacticpolymer)：主链上的C*的立体构型紊乱无规则连接。1.6高分子的化学结构III.共轭双烯聚合物的结构共轭双烯单体聚合时可形成结构不同的单体单元，如最简单的共轭双烯丁二烯可形成三种不同的单体单元：1,2-加成结构反式1,4-加成结构顺式1,4-加成结构丁二烯：CH2=CHCCH=CH21.6高分子的化学结构3,4-加成1,2-加成反式1,4-加成顺式1,4-加成而异戊二烯则可形成四种不同的单体单元：异戊二烯:1.6高分子的化学结构聚合物是由一系列分子量（或聚合度）不等的同系物高分子组成，这些同系物高分子之间的分子量差为重复结构单元分子量的倍数，这种同种聚合物分子长短不一的特征称为聚合物的多分散性。聚合物的分子量或聚合度是统计的，是一个平均值，叫平均分子量或平均聚合度。平均分子量的统计可有多种标准，其中最常见的是重均分子量和数均分子量。I.聚合物的多分散性II.平均分子量1.7聚合物的多分散性与平均分子量假设某一聚合物样品中所含聚合物分子总数为n，总质量为w，其中，分子量为Mi的分子有ni摩尔，所占分子总数的数量分数为Ni，则Ni=ni/n，其质量为wi=niMi，其质量分数为Wi=wi/w，∑ni=n,∑wi=w,∑Ni=1,∑Wi=1。数均分子量∑niMi

Mn=∑NiMi==w/n∑ni按分子数统计平均，定义为聚合物中分子量为Mi的分子的数量分数Ni与其分子量Mi乘积的总和,以Mn以表示。1.7高分子的多分散性与平均分子量重均分子量按质量统计平均，定义为聚合物中分子量为Mi的分子所占的重量分数Wi与其分子量Mi的乘积的总和。以Mw表示。∑wiMi∑niMi

2

Mw=∑WiMi==∑wi∑niMiWi=wi/w，wi=niMi1.7高分子的多分散性与平均分子量多分散系数（d）d=Mw/Mn表征聚合物的多分散程度,也叫分子量分布（molecularweightdistribution,MWD)。若d=1，即聚合物中各个聚合物分子的分子量是相同的，如果其结构也相同，这样的聚合物叫单分散性聚合物。1.7高分子的多分散性与平均分子量举例:假设某一聚合物样品中，分子量为104的M1分子有10mol，分子量为105的M2分子有5mol，分子量为5*105的M3分子有5mol,则：M1的数量分数N1=10/(10+5+5)=0.5,重量分数W1=104*10/(104*10+105*5+5*105*5)=0.032M2的N2=0.25,W2=0.161;M3的N3=0.25,W3=0.807;Mn=∑NiMi

=0.5*104+0.25*105+0.25*(5*105)=1.55*105;Mw=∑WiMi=0.032*104+0.161*105+0.807*(5*105)=4.23*105;d=Mw/Mn=4.23*105/1.55*105=2.731.7高分子的多分散性与平均分子量早期，根据单体与其生成的聚合物之间在分子组成与结构上的