高分子化学绪论.ppt

1、第 一 章 绪 论,高 分 子 基 础,本章主要内容：,高分子的基本概念 聚合物分类和命名 聚合反应 分子量 线型、支链和体型大分子 大分子的微观结构 聚合物的物理状态和主要性能 高分子材料和机械强度,教学目的及要求：,掌握：高分子化合物的基本概念、分类和命名、分子量及分布概念； 理解：线型、支链和体型大分子以及高分子的微观结构； 了解：聚合物的物理状态和主要性能，高分子材料和机械强度以及高分子化学简史。,教学重点：分子量的计算和分类；高分子化合物的基本概念 教学难点：结构单元，重复单元和单体单元的区别 教学方法及手段：课堂学习，课堂讨论，课后提问，课下作业,高分子化学：研究高分子化合物的合成

2、和反应间的关系 高分子物理：研究高分子的结构与性能间的关系 高分子加工成型：研究高分子的性能与应用间的关系,高分子科学的研究内容,材料概况,材料,无机材料,有机高分子材料,非金属材料,金属材料,天然高分子材料,合成高分子材料,淀粉 纤维素 蛋白质 天然橡胶,合成塑料 合成橡胶 合成纤维 合成粘合剂 合成涂料 新型合成高分子材料 ,功能高分子材料,复合高分子材料,高分子化学的重要性,我们的衣食住行都离不开高分子 高分子化学是重要的基础学科 高分子化学的知识是我们认识世界，改造世界的强有力武器,高分子材料的应用,衣,食,行,住,用,科技,在科学的整体发展中：高分子科学处于多种学科的交汇点上， 为其

3、发展提供了良好的学科环境。,高分子具有许多优良性能，高分子材料是当今世界发展最迅速的产业之一，目前世界上合成高分子材料的年产量已经超过1.4亿吨。 塑料、橡胶、纤维、涂料、粘胶剂几大类高分子材料己广泛应用到电子信息、生物医药、航天航空、汽车工业、包装、建筑、纺织等各个领域。 功能高分子材料：导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等近年发展迅速，具有特殊功能。,高分子材料的应用,据统计，若人们对材料的需求是100%，其中高分子材料占60%。,下面让我们去看看常规高分子,塑料,橡胶,纤维,常规高分子,粘胶剂,涂料,高分子材料在

4、国民经济中的地位,高分子材料占飞机总重的65。 （即使采用最轻的铝/钛合金，其比重也大于2.7，而高分子材料的比重为1.5左右）,粘合 5 平方厘米的钢件，能吊起一个大铁箱。,超强粘合剂,特种高分子材料,6.2mm厚的聚碳酸酯板，受大锤砸而不断裂，还能挡住38mm子弹从 3.6m远处的射击。,室温硫化硅橡胶板耐2000的高温,医用高分子材料,由硅橡胶制作的人工心脏，能成功地移植体内。,其他还有： 隐形眼镜、人工骨、人造皮肤，自吸收手术缝线，医用胶合剂等。,有机高分子材料的分类,按产源分： 按加热时的性质分,高分子材料的主要性能及指标,一、物理力学性能 1.密度较小 2.比强度高（为轻质高强材料

5、） 3.导热性小（保温隔热性能好） 4.电绝缘性能好。 二、物理、化学性能 1具有可燃性，且在燃烧过程中会释放有毒气体. 2.耐腐蚀性能较强 3. 会老化,建筑塑料,塑料的组成 塑料的主要特点 常用建筑塑料 常用建筑塑料制品,一、塑料的特点及应用,1.塑料简介 塑料为四大材料(金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料)之一，目前世界合成树脂总产量超过2亿吨，我国近2000万吨，塑料机械10万台套，居世界第一。在三大合成材料中，塑料占80%。,(1)塑料的定义 plastics，来源于希腊语“Plastikos” (which means to form or to mold)。原意为可造

6、型的物质。塑料是高分子合成材料中凡是性能上具有可塑性变化的材料的总称，是以合成树脂为基本成份，再添加配合剂(填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等)经捏合、造粒塑制成一定形状的材料(弹性体、涂料、黏合剂除外)。 塑料：以树脂为主要成分，在一定温度和压力下可以制成一定的形状，并在常温下保持现定形状的材料。,塑料回收标志,美国工业协会(SPI)在1988年发布了一套塑料标识方案： 将三角形的回收标记附于塑料制品上，并用数字1到7和英文缩写来指代塑料所使用的树脂种类。这样一来，塑料品种的识别就变得简单而容易，回收成本得到了大幅度的削减。现今世界上的许多国家都采用了这套SPI的标识方案。,中国在1996

7、年制定了与之几乎相同的标识标准，即： 组成塑料包装制品回收标志由图形、塑料代码与对应的缩写代号组成。其中图形为带三个箭头的等边三角形；0代表材质类别为塑料，塑料代码为0与阿拉伯数字顺序号组合的号码，位于图形中央，分别代表不同的塑料；,Plastics Types,塑料缩写代号位于图形下方。 塑料名称、代码与对应的缩写代号如下所示： 聚酯 01PET 高密度聚乙烯 02HDPE 聚氯乙烯 03PVC 低密度聚乙烯 04LDPE 聚丙烯 05PP 聚苯乙烯 06PS 其他塑料代码 07Others,(2)塑料的历史,塑料的发展历史,塑料工业起源于1868年。英国Alxexander Park发明了

8、硝化纤维素CN，美国Huatt兄弟发明了硝化纤维素的加工方法，即与樟脑混合使用，改善了硝化纤维素的成型性。1872年，赛璐珞公司成立，专门生产硝化纤维素。所以，硝化纤维素又称赛璐珞。直到二战，CN 一直占据塑料第一的宝座，1924年德国发明醋酸纤维素。 然而真正的合成塑料工业开始于1907年，以酚醛树脂PF的工业化生产为标志，迄今刚刚百年的历史。,改造时期(19201950) 在这一时期，大量塑料品种相继出现，机械加工工业已能成为塑料制品部门提供多种专用设备，塑料成型加工理论的研究也已取得重大进展。 1936年，将食品生产的机器改制成单螺杆挤出机； 将金属粉末冶金技术改造为四氯乙烯等难熔塑料的

9、冷压烧结成型技术。 将金属压铸技术，改造为适合热固性塑料的“传递模塑”技术。 将搪瓷制品的传统生产技术改造为糊塑料的“搪塑成型”技术。,创新时期(1950) 这一时期，由于一大批高性能的工程塑料成型加工性能各具特点，加上工业发展对塑料制品精度、性能要求更高，这两方面都要求塑料成型技术向更高阶段发展。机械加工技术、计算机自动控制技术及成型加工理论研究三方面的进一步发展，使塑料加工技术进入创新时期成为可能： 1956年，螺杆式注射机问世，双螺杆挤出机问世，使注射和挤出成型技术进入新的时期。 滚塑成型使生产特大型中空容器成为可能。 反应注塑使生产大型注塑制品成为现实。 组合式成型技术成为发展趋势，如

10、注射拉伸吹塑，挤出模压热成型。,二、何谓成型加工,汽车防尘罩,汽车密封条,空气软管,高压阻尼线,挡泥板,车灯橡胶件,定义：将聚合物(有时加入各种添加剂、助剂或改性材料)转变为制品或实用材料的一种工程技术。,结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件 绝缘材料：电缆、绝缘版、电器零件 建筑材料：贴面板、地贴、塑料门窗、上下水管 包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料 日常用品：衣架、椅子、盆类、书架、玩具、文具、办公用品、家具 交通运输：道路交通设施、车辆部件,广泛的用途,塑料的基本组成,优点： 轻质高强 加工性能好 导热系数小，绝热性好 装饰性优异 多功能 经济,缺点 耐热性差、易燃 易老化 热

11、膨胀性大 刚度小,常用建筑塑料,常用建筑塑料制品,玻璃钢（GRP）：以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体，经成型、固化而成的固体材料。 玻璃钢制品具有良好透光性和装饰性，且强度高，重量轻，具有良好耐化学腐蚀性能和电绝缘性能，加之成型工艺简单灵活，在建筑卫生洁具上被广泛使用。,建筑塑料制品实例,建筑涂料,涂料的组成 涂料的功能 涂料的分类 有机建筑涂料 无机建筑涂料,涂料的组成,建筑涂料的功能,装饰 保护 其他功能,溶剂型建筑涂料,组成 以合成树脂或油脂为主要成膜物质，以有机溶剂为 稀释剂，再加入适量的颜料、填料及助剂，经研磨而成的涂料。 优点 涂膜细腻、光洁、坚韧，有较好的硬度、光泽，耐水性

12、、耐候性、耐酸碱性能及气密性较好。 缺点 易燃，溶剂挥发时对人体有害，施工时要求基层干燥，涂膜透气性差，价格较贵。,水溶型建筑涂料,优点 用水作为稀释剂，无毒，环保。成本较低 缺点 涂膜耐水性差，耐候性不强，耐洗刷性差，一般只能作为内墙涂料。,乳液型建筑涂料（乳胶漆）,组成 由合成树脂借助乳化剂的作用，以0.10.5m的极细微粒分散于水中构成的乳液，并以乳液作为主要成膜物质，再加入适量颜料、填料等助剂，经研磨而成的涂料。 特点 以水稀释剂，价格便宜，无毒、不燃，对人体无害，涂膜具有一定透气性，涂布时布需要基层很干燥，涂膜耐水性和耐擦洗的性能较好。 应用：室内、室外,一、定义：指具有良好的粘结性

13、能，能在两个物体 表面间形成薄膜并把他们牢固地粘结在 一起的材料。二、组成：1、粘结物质2、固化剂3、增韧剂三、分类（自学） 四、选择胶粘结材料的基本原则（自学）,建筑胶粘剂,我们使用的以上这些产品， 大都来自于这样高塔林立的,石油化工企业,功能高分子,自然界里还有多种多样的天然高分子,与数量庞大的天然高分子相比，,人工合成高分子只是冰山一角哦！,冰山全貌图 - 全世界唯一的,天然高分子,多糖类,多肽类,核酸,DNA分子的双螺旋结构 deoxyribonucleic acid,两股DNA长链像转圈的楼梯扶手 架，围绕一个中心轴盘旋，走向相反， 外侧为磷酸基团，内侧为四种碱基，通 过碱基对(30

14、亿)的氢键形成双螺旋结构。,H,O,C、N ： 在碱基中,C ：在磷酸酯键中,P,DNA and RNA,H | H2NCCOOH |,R,COOH | H-NHCH |,R,+,H COOH | | H2NCCONHCH | |,R,R,肽键,C，H，O，N，S,蛋白质Protein,蛋白质Protein,结晶牛胰岛素的晶体结构含 51个氨基酸残基的蛋白质,核糖核酸酶A (ribonuclease A),124个氨基酸残基,高分子也叫高分子化合物，是指分子量很高并由多个重复单元以共价键连接的一类化合物，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,高分子化合物、大分子化合物、高分子

15、、大分子、高聚物、聚合物 、聚合物分子 这些术语一般可以通用 Macromolecules, Polymer,常用的高分子的分子量一般高达几万、几十万，甚至上百万，范围在104106,什么是高分子？,高 分 子 基 本 概 念,常用的聚合物的分子量（万）,塑料 分子量 纤维 分子量 橡胶 分子量 聚乙烯 630 涤纶 1.82.3 天然橡胶 2040 聚氯乙烯 515 尼龙-66 1.21.8 丁苯橡胶 1520 聚苯乙烯 1030 维尼纶 67.5 顺丁烯胶 2530,聚合物的分子量及其分布,高分子化合物的基本特征之一 分子量具有多分散性,什么是分子量的多分散（Polydispersity）

16、 ？,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分子量的多分散性,聚合物的基本特征,高分子材料发展史及其发展趋势,高分子材料的发展大致经历了三个时期，即：天然高分子的利用与加工，天然高分子的改性和合成，高分子科学的建立与高分子的工业生产。 天然高分子很多，如动物体细胞内的蛋白质、毛、角、革、胶，植物细胞壁的纤维素、淀粉，橡胶植物中的橡胶，凝结的桐油等。人类很早就开始利用这些天然高分子了。,高分子材料发展史,由于工业的发展，天然高分子已远远不能满足需要，19世纪中叶以后，人们发明了

17、加工和改性天然高分子的方法。 1839年，有个名叫古德意尔的美国人，偶然发现天然橡胶与硫黄共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热发黏软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹性、可塑性的材料。,高分子材料发展史,化学家们将纤维素进行化学改性获得了第一种人造塑料赛璐珞和人造丝。 1889年法国建成了最早的人造丝工厂。 1900年英国建成了以木浆为原料的粘胶纤维工厂。这些以天然高分子为基础的塑料在19世纪末，已经具有一定的工业价值。 20世纪初，又开始了醋酯纤维的生产。后来，合成纤维工业就在天然纤维改性的基础上建立和发展起来了。,高分子材料发展史,高分子合成工业是在20世纪建立起来的。 1

18、907年，美国化学家在研究苯酚和甲醛的反应中制得了最早的合成塑料酚醛树脂。 1909年，德国化学家以热引发聚合异戊二烯获得成功。德国化学家采用与异戊二烯结构相近的二甲基丁二烯为原料，在金属钠的催化下，合成了甲基橡胶，开创了合成橡胶的工业生产。 20世纪30年代开始进入合成高分子时期。第一种热塑性高分子聚氯乙烯及继而出现的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)等，都是在这个时期相继开始进行工业生产的。 20世纪30年代到40年代，合成橡胶工业与合成纤维工业也发展起来了。 20世纪50年代到60年代高分子工业的发展突飞猛进，所有被称为大品种的高分子(包括有机硅等)都陆续投入了生产。高分子材料发展史

19、见表1-1。,高分子材料发展史,高分子材料发展史,高分子材料发展史,高分子材料发展史,高分子材料发展趋势,材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础，是现代工业和高科技发展的基础和关键。作为材料领域的后起之秀高分子材料在21世纪的发展将表现在以下方面： （1）通用高分子材料向高性能、多功能、低污染、低成本方向发展。 通用高分子材料主要是指塑料、橡胶、纤维三大类合成高分子材料及涂料、黏合剂等精细高分子材料。 高性能、多功能、低成本、低污染（环境友好）是通用合成高分子材料显著的发展趋势。 高性能工程塑料的研究方向主要集中在研究开发高性能与加工性兼备的材料。,高分子材料发展趋势,通过分子设计和材料设计，

20、研究芳香杂环聚合物材料制备中的基本化学和物理问题，研究其多层次结构及控制技术，认识结构与性能之间的本质联系，寻求在加工性能和高性能两方面都适合的材料。 合成橡胶方面，如通过研究合成方法、化学改性技术、共混改性技术等来实现橡胶的高性能化。 在合成纤维方面，特种高性能纤维、功能性、差别化、感性化纤维的研究开发仍然是重要的方向。 同时生物纤维、纳米纤维、新聚合物纤维德研究和开发也是纤维研究的重要领域。在涂料和黏合剂方面，环境友好及特殊条件下使用的高性能涂料和黏合剂是发展的两个主要方向。,高分子材料发展趋势,（2）功能高分子材料发展迅速，应用领域不断扩大，产业化前景广阔。 在有机/高分子光电信息功能材

21、料领域，光、电、磁等功能高分子材料作为新一代信息技术的重要载体，在21世纪整个信息技术的发展中将占有极其重要的地位。 非常值得关注并可能取得突破的重要方向是：有机/高分子显示材料特别是电致发光材料、超高密度高分子存储材料、高分子生物传感材料等。 此外，还有新型功能高分子材料的设计、模拟与计算、合成与组装以及分子纳米结构的构筑。高分子的组装、自组装以及在分子电子器件上的应用研究等。,高分子材料发展趋势,在生物医用材料领域，总的发展趋势是：从简单的植入发展到再生和重建有生命的组织和器官；从大面积的手术损伤发展到微创伤手术治疗；从暂时性的组织和器官修复发展到永久性的修复和替换；从药物缓释发展到控释、

22、靶向释放。 生物医用材料研究的重点是：基于生物学原理，赋予材料和植入体生物结构和生物功能的设计；可靠地试验材料生物安全性和预测材料长期寿命的科学基础；先进的工艺制造方法学。,高分子材料发展趋势,在吸附分离材料领域，分离膜的发展重点是在研究聚合物分离膜制备、成膜机理及其与聚合物结构关系基础上实现膜结构与膜分离性能的预测、调控与优化；通过分离膜与生化技术的集成，实现合成高分子膜材料的强度与可加工性能以及天然生物膜的特殊选择性与生物活性的有机组合。 对于吸附分离树脂，不直接利用生物配体，而是通过模拟亲和作用及超分子化学的多重作用（分子识别）来设计合成具有分子识别特征的高选择性吸附树脂材料。,高分子材

23、料发展趋势,（3）高分子材料科学与资源、环境的协调发展越来越受到重视。 基于石油资源的合成高分子材料已得到了大规模的应用，在带给我们方便的同时也带来了环境污染的问题，而且50年后将面临石油资源逐渐枯竭的威胁。 因此基于可再生的动物、植物和微生物资源的天然高分子将有可能成为未来高分子材料的主要化工原料。其中最丰富的资源有纤维素、木质素、甲壳素、淀粉、各种动植物蛋白质以及多糖等。,高分子材料发展趋势,为解决环境污染问题，一方面生物降解高分子材料的研究已成为研究热点。 另一方面废弃高分子材料的回收利用也成为重要研究方向。 生物降解高分子材料在20世纪末和21世纪初得到迅速的发展，特别是一些发达国家的

24、政府和企业投入巨资开展生物可降解高分子材料的研究与开发，已取得可喜的进展。 生物降解高分子材料要求具有好的成型加工性及使用性能，在完成其使用功能后容易降解，同时还应具有可接受的成本。,高分子材料发展趋势,（4）高分子材料加工领域的研究不断拓展并深化。 高分子材料的最终使用性能在很大程度上依赖于经过加工成型后所形成的材料的形态。 聚合物形态主要包括结晶、取向等，多相聚合物还包括相形态（如球、片、棒、纤维等）。 聚合物制品形态主要是在加工过程中复杂的温度场与外力场作用下形成的。,高分子材料发展趋势,因此，研究高分子材料在加工过程中外场作用下形态形成、演化、调控及最终“定构”，发展高分子材料加工与成

25、型的新方法，对高分子材料的基础理论研究和开发高性能化、复合化、多功能化、低成本化及清洁化高分子材料有重要意义。 目前这一学科前沿研究领域的主攻方向是：研究在加工成型过程中材料结构的形成与演变规律，实现对材料形态的调控；探索新型加工原理和开发新加工方法。 另外，对于功能高分子材料和自组装超分子结构材料的加工正成为新兴的研究领域。,高分子材料发展趋势,（5）高分子材料科学与其他学科的交叉不断加强。 高分子材料科学与生物科学、生物工程、化学、物理、信息科学、环境科学等的交叉既促进了高分子材料科学本身的发展，同时又使高分子材料扩大了其应用范围。 例如，仿效生物体的结构或其特定功能的仿生高分子材料，是发

26、展生物材料的重要途径。,可持续发展 高分子材料再利用 天然高分子的利用 发展新的高分子合成方法 功能、智能高分子 超分子高分子及纳米结构 软物质与 软物理,可持续发展,高分子材料再利用,聚合物的再利用 例如,聚烯烃柴油 轮胎沥青 可降解聚合物的循环利用 例如，涤纶、有机玻璃降解为单体。,天然高分子的利用,利用天然高分子生产塑料 淀粉生成塑料。 乳酸生产聚乳酸。 纤维素、甲壳素的利用 功能化，可加工化。 天然高分子生物质能源 气化、液化作为生物质油； 利用玉米生成乙醇汽油燃料等。,聚乳酸,发展新的高分子合成方法,利用生物方法 如，通过微生物或酶催化合成聚合物。 合成具有生物功能的高分子 如多糖，

27、蛋白质，核糖核酸等。 人工仿生方法 在环境友好条件下生成 聚合物。 精确控制组成与结构，如多肽等,功能、智能高分子,电致发光高分子 聚合物发光二极管（Polymer light emitting diodes, PLED) 可折叠彩色显示屏。,40 inch full colour display prototype,PLEDs can be used to provide light of almost any visible hue and beyond,功能、智能高分子,智能高分子（对环境有相应特性） 高分子凝胶 人工肌肉 形状记忆高分子 免熨衬衣、高分子绷带。 隐身高分子 医用高分子：

28、 靶向药物、药物缓释 生物活性高分子 生物组织工程，人造器官等。 光能转换高分子 太阳能电池,超分子高分子及纳米结构,超分子化学（Supramolecular Chemistry) 利用非共价键(氢键、离子建、配位键)构建高分子材料。 高分子自组装(Polymer Self-assembly) 聚合物空心球（Hollow polymer sphere) 聚合物管（Polymer tube) 分子导线（Molecular wire)等。 分子器件（Molecular device) 纳米结构(Nano Structure) 超疏水材料（荷叶的疏水原理）,荷叶托珠,高分子科学与诺贝尔奖,1953

29、施陶丁格(Hermann Staudinger) 1963 齐格勒(Karl Ziegler)和纳塔(Giulio Natta) 1974 弗洛里(Paul J. Flory) 1991:德让纳(Pierre-Gilles de Gennes) 2000:黑格(Alan J. Hegger)、马克迪尔米德(Alan G. MacDiarmid)和白川英树(Hideki Shirakawa),高分子科学Nobel奖获得者,突破有机化学的传统观念，首先提出了高分子的概念，以大量先驱性工作为高 分子化学奠基开创了高分子 学科。,“for his discoveries in the field of

30、 macromolecular chemistry”,H. Staudinger(德) 1953年化学奖,高分子科学Nobel奖获得者,K. Ziegler (德)、G.Natta(意) 1963 化学奖 1953年， Ziegler： Ziegler催化剂，低压聚乙烯合成方法； 1954年， Natta：改进Ziegler催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。,Karl Ziegler,Giulio Natta,“for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers ”,Isotactic polymer （全同立构聚合物）,Syndiotactic polymer （间同立构聚合物）,Stereoregular Polymers,高分子科学Nobel奖获得者,P.J.Flory（美) 1974 化学奖 利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高分子