聚合物基础知识(1.1).ppt

1、郭秀兰,聚合物基础知识,涂料,参考书目 1. 涂料工艺编委会编，涂料工艺（上，下），北京：化学工业出版社，1997.12 2. 倪玉德主编，涂料制造技术，北京：化学工业出版社材料科学与工程出版中心，2003 3. 马庆麟主编，涂料工业手册，北京：化学工业出版社，2001 4. 东北林学院 主编，胶粘剂与涂料，北京：中国林业出版社，1981.9 5. 姜英涛编著，涂料基础，北京：化学工业出版社，2004 6. 李兰亭 编，胶粘剂与涂料，北京：中国林业出版社，1992.2 7. 徐秉恺等编著，涂料使用手册，南京：江苏科学技术出版社，2000.04 8. (美) D.Satas, Arthur A.

2、 Tracton编；赵风清, 肖纪君等译，涂料涂装工艺应用手册，北京：中国石化出版社，2003 9. 张跃军，王新龙编著，胶粘剂新产品与新技术，南京：江苏科学技术出版社，2003.03 10. 程时远， 李盛彪， 黄世强编著，胶粘剂，北京：化学工业出版社精细化工出版中心，2001 11. 宋小平等 编著，胶粘剂制造技术，北京：科学技术文献出版社，2002,一、聚合物的基本概念 重复单元和链节 结构单元和单体单元 平均聚合度 二、聚合物的基本特征 相对分子质量方面的特征 结构方面的特征 聚集态特征 三、聚合物的分类 按聚合物的性能和用途 按合成聚合物的聚合反应类型 按聚合物主链结构的化学组成 按

3、聚合物大分子结构形态 四、聚合物的命名 一般命名法 系统命名法,聚合物,一、 聚合物的基本概念,聚合物大分子中以共价键相互连接的、 重复出现的、小而简单的结构单位。,“重复单元”似大分子链的一个环节。, 重复单元(structural repeating unit)和链节,链节:,重复结构单元:,聚苯乙烯的结构式为,聚氯乙烯的结构式为,聚乙烯的结构式为,聚合物的结构式：,聚丁二烯的结构式为,聚醋酸乙烯酯的结构式为,聚乙烯-醋酸乙烯共聚物的结构式为,聚甲基丙烯酸甲酯的结构式为,结构单元的结构与单体的结构除电子结构改变 外, 化学组成相同。 该结构单元也可称为单体单元。, 结构单元(constit

4、utional unit)和单体单元,涤纶树脂大分子的结构式为,结构单元：,单体单元：,重复单元中包括的最小的不能再分的结构单位。, 平均聚合度(average degree of polymerizition) 平均聚合度: 一个大分子中“结构单元”的(平均)数目。 记作Xn 。 对于聚氯乙烯一类大分Xn = n 对于尼龙、涤纶一类大分子 Xn = 2n 聚合物的数均相对分子质量Mn可由下式计算 Mn = M0.n= Xn.M 式中 M0重复单元的相对分子质量； M结构单元的相对分子质量的平均值； n重复单元的数目； Xn结构单元的数目,即平均聚合度。,聚合物的基本特征,分子量大是高分子的根

5、本性质 高分子的许多特殊性质都与分子量大有关，如： 高分子的溶液性质： 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。,1.相对分子质量方面的特征分子量大,分子量多大才算是高分子？ 其实，并无明确界限，一般,高分子的强度与分子量密切相关,- - - - - 1000 - - - - - - - - - - - - 10000 Mn , Mv介于Mn和Mm 之间，而接近Mm ,如图1.2所示。,图1.1 相对分子质量分布曲线 a- 典型分布曲线;b- 分布较宽的曲线, 相对分

6、子质量分布(分布曲线和分布系数 ) 相对分子质量分布曲线 把一个聚合物试样按相对分子质量大小分成若干级分,测定每一级分的相对分子质量和质量,并且计算出其质量分数。 以相对分子质量M为横坐标,质量分数w(x)为纵坐标作图,得一曲线.该曲线为相对分子质量分布曲线。 如图1.1和图1.2 所示。 相对分子质量分布系数,称为相对分子质量分布系数。 其值大于或等于1。, 结构方面的特征 聚合物存在着多重结构,即所谓一次结构、二次结构和三次结构。 一次结构 一次结构是指与聚合物的结构单元有关的结构。 结构单元的化学组成 由于结构单元的化学组成不同,才构成了品种繁多的聚合物,聚合物的种类就是以结构单元的化学

7、组成为基础而划分的。 结构单元的序列结构 指结构单元之间的键接次序。 在自由基聚合过程中,由于连接几率的关系,虽然大部分结构单元是以“头-尾” “头-尾”连接,但 也有部分结构单元是以“头-头”或“尾-尾”连接。,全同立构体、间同立构体和无规立构体。, 结构单元的构型(configuration),以聚丙烯为例,全同立构体,间同立构体,无规立构体,二烯烃聚合时,除1,2加成、3,4加成外,还有1,4加成：,1,2加成、3,4加成同样可形成全同立构体、 间同立构体、 和无规立构体。,(a),(b),1,4加成形成的大分子中有顺式和反式之分。如图1.4所示。,a-顺式-1,4聚异戊二烯立体结构;b

8、-反式-1,4聚异戊二烯立体结构 图1.4 聚异戊二烯的立体异构体, 二次结构 聚合物的二次结构是涉及单个大分子的构像(conformation)的结构。 构像和构型不同,构型属于一次结构的范畴, 构像是属于二次结构的范畴。 二次结构的运动单元不是单个重复单元,也不是整个大分子,而是由若干重复单元形成的链段。 线型大分子可以处于伸展的链、无规线团、折叠链和螺旋链；支化交联大分子可以是支化链、星型链、梳型链和交联的链。 三次结构 三次结构亦称为高次结构。在单个大分子的二次结构的基础上,许多大分子聚集成聚合物材料产生了三次结构。,P18,a-无规线团；b-伸展链；c-折叠链；d-螺旋链；e-星型链

9、； f-支化链;g-梳型链；h-轻度交联的链；i-重度交联的链 图1-5 聚合物的二次结构,至26,a-折叠链结晶;b-二重螺旋;c-无规线团微胞; d-粉条状;e-流苏状 图1.6 聚合物的三次结构,至26,由于聚合物大分子的结构不同,排列的规整性不同,可能形成结晶聚合物或无定型聚合物。 无定型聚合物 对于无定型聚合物加热到一定的温度,由硬而脆的玻璃态变为高弹态,如果继续加热则由高弹态转变为粘流态。 无定型聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态和粘流态 由玻璃态转变为高弹态的温度称为玻璃化温度,记作Tg ,由高弹态转变为粘流态的温度称为粘流温度,记作Tf。 结晶聚合物 结晶聚合物中存在着或多或少的

10、无定型区,因而其结晶度不如小分子来得高,宏观上表现出没有固定的熔点Tm,而是一个熔点范围。结晶聚合物加热到一定温度,可能直接进入粘流态。, 聚集态特征 聚合物没有气态，只有固态和液态。,三、 聚合物的分类 按聚合物的性能和用途分类 塑料用聚合物、合成纤维用聚合物、合成橡胶用聚合物和其它聚合物(涂料、合成胶粘剂和离子交换树脂等)四类。 塑料(plastics)用聚合物 塑料:以聚合物为基体材料,添加适当的助剂(增塑剂、润滑剂、填料和抗氧剂等),经过混炼、造粒所制成的可以进行塑性加工的高分子材料称为塑料。 塑料中的基体材料为塑料用聚合物。 热塑性塑料(thermo plastic) 和热固性塑料

11、(thermosettion plastic),根据塑料受热时行为的不同,将其分为热塑性塑料和热固性塑料。 热塑性塑料是可以反复进行成型加工的塑料。 热塑性塑料中的基体材料是热塑性聚合物。 热固性塑料只能进行一次成型加工的塑料。 热固性塑料中的基体材料为含有反应性基团的线型略带支链的低聚物,其经成型加工时与固化剂发生反应,变为体型交联的热固性聚合物)。 通用塑料和工程塑料 根据塑料的性能、产量、成本和使用情况将塑料分为通用塑料和工程塑料。 通用塑料产量大、成本低、应用面广、性能多样化，主要用于日用品或一般的工农业用品。,工程塑料是指可以做为工程材料的塑料，可以代替金属材料做机器的零部件。 合成

12、纤维用聚合物 合成纤维：以聚合物为基体材料加入适当的助剂(溶剂,防静电剂、柔顺剂和染料等)配制成的可以进行抽丝加工的高分子材料称为合成纤维。 合成纤维中的基体材料为合成纤维用聚合物。 合成橡胶用聚合物 合成橡胶：以聚合物为基体材料,添加适当的助剂(如硫化剂、硫化促进剂、防老剂和填料等),经过塑炼，使其具有可塑性，经加热、加压交联后成为具有高弹性的高分子材料为合成橡胶。 合成橡胶中的基体材料称为合成橡胶用聚合物。,塑料、纤维和橡胶用聚合物很难严格的区别开来。 其它 在合成树脂和塑料的基础上,又衍生出胶粘剂、涂料、离子交换树脂和特种高分子化合物等。 按合成聚合物的聚合反应类型分类 加聚高聚物(ad

13、dition polymer) 以加成聚合反应(属于连锁聚合的范畴)合成的高聚物称为加聚高聚物(简称加聚物) 。 如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等。 缩聚高聚物(condensation polymer) 以缩聚反应合成的高聚物称为缩聚物高聚物。 如聚对苯二甲酸乙二醇酯（涤纶）、聚酰胺（尼龙）、聚碳酸酯、环氧树酯和聚氨酯等。, 按聚合物主链结构的化学组成分类 碳链聚合物 聚合物大分子主链中,完全由碳原子构成,如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、 聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯等。, 杂链聚合物,聚合物大分子主链中,除了有碳原子外,还有O、S、N、P和Si及苯环等构成。如聚碳酸酯、聚酰胺、

14、对苯二甲酸乙二醇酯等。, 元素有机聚合物, 无机聚合物,聚酰胺-66,聚二甲基硅氧烷, 按聚合物的结构形态分类 线型聚合物 线型结构的聚合物称为线型聚合物:伸展链,折叠链和螺旋链。 其加热时可熔融，加入溶剂时可溶解。 线型聚合物为热塑性聚合物。 体型聚合物 体型交联结构的聚合物称为体型聚合物。 其加热时不能熔融，加入溶剂时不能溶解。 体型聚合物为热固性聚合物如酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂和聚氨酯等等。,四、聚合物的命名 一般命名法 以单体名称或假想单体名称为基础,前面冠以“聚”字 一般来讲,碳链聚合物多以此方法命名； 而聚乙烯醇是以假想单体“乙烯醇”为基础命名的。 以单体简名为基础,后面缀以“

15、树脂”或“橡胶”二字。 如以苯酚和甲醛为单体的聚合物称为“酚醛树脂”,以丁 二烯和苯乙烯为单体的聚合物称为“丁苯橡胶”。 一般来讲,杂链聚合物和橡胶用聚合物多以此法命名。, 以大分子主链中所含特征基团命名 聚酯 O 如果大分子主链中含有酯基-C-O-,这类聚合物称为聚酯。聚对苯二甲酸乙二(醇)酯；由己醇酸为单体合成的聚合物称为聚己酯。 聚酰胺 O H 如果大分子主链中含有酰胺基 -C-N- ,这类聚合物称为聚酰胺。如己二酸和己二胺为单体合成的聚合物称为聚己二酰己二胺,由氨基己酸为单体的聚合物称为聚己酰胺。 聚氨酯 H O 如果大分子主链中含有氨基甲酸酯基-N-C-O-,这类聚合物称为聚氨基甲酸

16、酯。 如甲苯-2,4-二异氰酸酯和乙二醇为单体合成的聚合物称为聚甲苯基-2,4-二氨基甲酸乙二醇酯。, 聚醚 如果大分子主链中含有醚键-O-这类聚合物称为聚醚. 商业名称 表1.7 聚合物的商业名称, 英文缩写符号 表1.8 常用聚合物英文缩写符号, 系统命名法 一般命名法容易掌握,但不严格,有时会造成混乱,为了澄清命名工作中的混乱现象, 国际纯化学和应用化学联合会(IUPAC) 曾提出以结构为基础的系统命名法。 但系统命名法比较烦琐,目前尚未普遍使用。 IUPAC并不反对继续使用一般命名, 但希望在学术交流时尽量少用俗名。,塑料,塑料的主要成分是合成树脂，在合成树脂中添加了某些特定用途的添加剂（如提高塑性的增塑剂、防止老化的防老化剂）就成了塑料。,合成纤维,利用石油、天然气、煤和农副产品作原料制成单体，再经聚合反应制成的是合成纤维。化学纤维中包括合成纤维和人造纤维。,合成橡胶,合成橡胶是以石油、天然气为原料，以二烯烃和烯烃为单体聚合而成的高分子。常用的有丁苯橡胶、顺丁