高分子化学与物理-第1章-绪论-精简

1、高分子材料化学与物理高分子材料化学与物理生物医学工程系生物医学工程系敖宁建敖宁建第第1 1章章 重点重点1 1、高分子材料在生物医学工程中应用实例、高分子材料在生物医学工程中应用实例序序应用范围应用范围材料名称材料名称序序应用范围应用范围材料名称材料名称1导尿管导尿管天然橡胶、硅橡胶天然橡胶、硅橡胶9人工气管人工气管聚乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡胶、硅橡胶、聚乙烯聚乙烯醇醇2手术手套手术手套天然橡胶、聚氨酯橡胶天然橡胶、聚氨酯橡胶10人工输尿人工输尿管管聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、硅橡胶、硅橡胶、水凝胶水凝胶3输血胶管输血胶管天然橡胶天然橡胶11人工膀胱人工膀胱硅橡胶硅橡胶4人工心脏

2、人工心脏聚氨酯橡胶、硅橡胶、天然橡聚氨酯橡胶、硅橡胶、天然橡胶、胶、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚四氟乙烯、涤纶聚四氟乙烯、涤纶12人工食道人工食道聚乙烯醇、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、硅硅橡胶橡胶5人造血管人造血管人造丝、尼龙、腈纶，人造丝、尼龙、腈纶，硅橡胶硅橡胶、聚四氟乙烯聚四氟乙烯13人工头盖人工头盖骨骨聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、碳纤聚碳酸酯、碳纤维维6人工心脏人工心脏瓣膜瓣膜聚氨酯橡胶、硅橡胶聚氨酯橡胶、硅橡胶、聚四氟乙、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯14人工血浆人工血浆右旋糖肝、聚乙烯醇

3、、右旋糖肝、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮聚乙烯吡咯酮7心脏起搏心脏起搏器器硅橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶聚氨酯橡胶15人工眼球人工眼球泡沫硅橡胶泡沫硅橡胶8人工喉人工喉硅橡胶、硅橡胶、聚乙烯聚乙烯16避孕套避孕套天然橡胶、聚氨酯橡天然橡胶、聚氨酯橡胶胶2、大分子链的形状、大分子链的形状3、高分子材料类型高分子材料类型 按用途按用途分塑料、橡胶、纤维、胶分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。粘剂、涂料等。 按聚合物反应类型按聚合物反应类型分为加聚物和分为加聚物和缩聚物。缩聚物。 按聚合物的热行为按聚合物的热行为分为热塑性聚分为热塑性聚合物和热固性聚合物合物和热固性聚合物 按主链上的化学组成按主链上的化学组成

4、分为碳链聚分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物合物、杂链聚合物和元素有机聚合物 根据高分子的用途分类根据高分子的用途分类 塑料、橡胶、化学纤维、涂料、粘合剂和功能高分塑料、橡胶、化学纤维、涂料、粘合剂和功能高分子六大类。子六大类。 橡胶：橡胶：具有良好的延伸性和回弹性，弹性模量较低。具有良好的延伸性和回弹性，弹性模量较低。大多为热固性高分子。近年来也发展了热塑性弹性体，例如大多为热固性高分子。近年来也发展了热塑性弹性体，例如SBS、TPO、TPU等。等。 化学纤维：化学纤维：在外观上为纤维状，弹性模量很高。对温在外观上为纤维状，弹性模量很高。对温度的敏感性较低，尺寸稳定性良好。重要的化学

5、纤维高分子度的敏感性较低，尺寸稳定性良好。重要的化学纤维高分子有涤纶树脂、尼龙、聚丙烯腈、聚氨酯等。有涤纶树脂、尼龙、聚丙烯腈、聚氨酯等。 塑料：塑料：的性能一般介于橡胶和化学纤维之间。的性能一般介于橡胶和化学纤维之间。 涂料：涂料：在一定条件下能成膜，对基材起到装饰和保护作在一定条件下能成膜，对基材起到装饰和保护作用。大部分高分子均可用作涂料。重要的涂料高分子有：用。大部分高分子均可用作涂料。重要的涂料高分子有：聚丙烯酸酯、聚酯树脂、氨基树脂、聚氨酯、醇酸树脂、酚聚丙烯酸酯、聚酯树脂、氨基树脂、聚氨酯、醇酸树脂、酚醛树脂有机硅树脂等。醛树脂有机硅树脂等。 粘合剂：粘合剂：对基材有很高的粘结性

6、，通过其可将不同材质对基材有很高的粘结性，通过其可将不同材质的材料粘合在一起。重要的粘结剂高分子有：环氧树脂、聚的材料粘合在一起。重要的粘结剂高分子有：环氧树脂、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚氨酯、醋酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚氨酯、 聚乙烯醇等。聚乙烯醇等。 功能高分子：功能高分子：是一些具有特殊功能的高分子，如导电性、是一些具有特殊功能的高分子，如导电性、感光性、高吸水性、高选择吸附性、药理功能、医疗功能等。感光性、高吸水性、高选择吸附性、药理功能、医疗功能等。是近年来高分子研究中最活跃的领域。是近年来高分子研究中最活跃的领域。 4 、聚合度的表示方法：、聚合度的表示方法： 可用重复单元的数量表

7、示，即：可用重复单元的数量表示，即： DP = n 也可用结构单元的数量表示，记为也可用结构单元的数量表示，记为Xn，则：，则： Xn = 2 DP = 2 n 5、常见高分子英文缩写、常见高分子英文缩写 当聚合物结构较复杂时，聚合物名称往往较长，使用当聚合物结构较复杂时，聚合物名称往往较长，使用不方便，因此常用英文缩写表示。例如：不方便，因此常用英文缩写表示。例如：PE：polyethylene； PP：polypropylenePVC：poly（vinyl chloride）；）； PS：polystyrene；PVA：poly（vinyl alcohol）；）； PC：polycarbo

8、natePMMA：poly（methyl methacrylate）PET：poly（ethylene terephthalate）PA：polyamide；PUR： polyurethane6、聚合反应分类、聚合反应分类 A. 按单体和聚合物的组成和结构变化分类按单体和聚合物的组成和结构变化分类 早期的分类方法：早期的分类方法：加聚反应加聚反应和和缩聚反应。缩聚反应。 B. 按聚合机理分类按聚合机理分类 20世纪世纪50年代开始，按聚合机理和动力学过年代开始，按聚合机理和动力学过程，将聚合反应分：程，将聚合反应分：链式聚合链式聚合和和逐步聚合逐步聚合两大类。两大类。7、高分子的相对分子质量及

9、其分布、高分子的相对分子质量及其分布 A. 分子量与性能关系：分子量与性能关系： 小分子化合物没有机械强度，而高分子通常具有较高小分子化合物没有机械强度，而高分子通常具有较高的机械强度。显然，材料的机械性能随着相对分子质量的的机械强度。显然，材料的机械性能随着相对分子质量的增加逐渐提高。图增加逐渐提高。图1为高分子的机械性能与相对分子质为高分子的机械性能与相对分子质量间的一般关系。量间的一般关系。0100200300400500600700020406080100120140160DP = 400DP = 30机机械械性性能能聚聚 合合 度度图图1 高分子聚合度与机械性能之间的关系高分子聚合度

10、与机械性能之间的关系B. 高分子的平均相对分子质量高分子的平均相对分子质量 聚合物是由相对分子质量不等的同系物组成的混合聚合物是由相对分子质量不等的同系物组成的混合物，存在物，存在多分散性。多分散性。因此常用因此常用平均相对分子质量平均相对分子质量来表示。来表示。 根据统计方法不同，平均相对分子质量可分根据统计方法不同，平均相对分子质量可分为数均分为数均分子量、质均分子量、子量、质均分子量、Z均分子量、粘均分子量均分子量、粘均分子量。其中尤以。其中尤以数均分子量最为常用。数均分子量最为常用。 以上几种平均分子量之间的大小关系为：以上几种平均分子量之间的大小关系为： 非常容易记忆的关系非常容易记

11、忆的关系!010iiiiiiiinMnMnMmMmM1201iiiiiiiiwMnMnMmMmM232iiiiiiiizMnMnMmMmM MnMzM wM C. 高分子的分子量分布高分子的分子量分布 由于高分子材料的多分散性，平均分子量并不能完全表由于高分子材料的多分散性，平均分子量并不能完全表征其中各种分子的数量，因此还有征其中各种分子的数量，因此还有分子量分布分子量分布的概念。的概念。 目前有三种表示分子量分布的方法：目前有三种表示分子量分布的方法： 分子量分布指数分子量分布指数D D值越大，表示分布越宽。天然高分子的值越大，表示分布越宽。天然高分子的D值可达值可达1，完，完全均一，合成

12、高分子的全均一，合成高分子的D值一般在值一般在1.550之间。之间。 nwMMD8、高分子化学发展简史、高分子化学发展简史 高分子的概念始于高分子的概念始于20世纪世纪20年代，但应用更早。年代，但应用更早。 1839年，美国人年，美国人Goodyear发明发明硫化橡胶。硫化橡胶。 1868年，英国科学家年，英国科学家Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得用硝化纤维素与樟脑混合制得 赛璐珞。赛璐珞。 1893年，法国人年，法国人De Chardonnet发明发明粘胶纤维粘胶纤维。 1907年，第一个合成高分子年，第一个合成高分子酚醛树脂酚醛树脂诞生。诞生。 1920年，德国人年，德国人Staud

13、inger发表了发表了“论聚合论聚合”的论文，的论文，提提 出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。酸甲酯等聚合物的结构。1953年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖。 1935年，年，Carothes发明发明尼龙尼龙66，1938年工业化。年工业化。 30年代，许多烯烃类加聚物被开发出来，年代，许多烯烃类加聚物被开发出来，PVC（19271937）, PMMA（19271931）, PS（19341937）, PVAc（1936）, LDPE（1939）。）。自由基聚合发展。自由基聚合发展。 高分子溶液理论高分子溶液理论在

14、在30年代建立，并成功测定了聚合物的年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。分子量。Flory为此于为此于1974年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。 40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重重要的橡胶和塑料要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（被合成出来。丁苯橡胶（1937）, 丁腈橡胶丁腈橡胶（1937）, 丁基橡胶（丁基橡胶（1940）, 有机氟材料（有机氟材料（1943）, 涤纶涤纶树脂（树脂（19401950）, ABS（1947）。）。 50年代，年代，Ziegler和和Natta发明发明配位聚合催化剂配位聚合催化剂，制得高，制得高密度

15、密度PE和有规和有规PP，低级烯烃得到利用，低级烯烃得到利用。1963年，年， Ziegler和和Natta分享诺贝尔化学奖。分享诺贝尔化学奖。 1956年，美国人年，美国人Szwarc发明发明活性阴离子聚合活性阴离子聚合，开创了，开创了高分高分子结构设计子结构设计的先河。的先河。 50年后期至年后期至60年代，大量年代，大量高分子工程材料高分子工程材料问世。聚甲问世。聚甲醛醛（1956），聚碳酸酯（），聚碳酸酯（1957），聚砜（），聚砜（1965），聚苯醚），聚苯醚（1964），聚酰亚胺（），聚酰亚胺（1962）。）。 60年代以后，年代以后，特种高分子和功能高分子特种高分子和功能高分子得

16、到发展。得到发展。 特种高分子：特种高分子：高模量高强度、耐高低温、耐辐射、高频绝高模量高强度、耐高低温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。缘、半导体等。 功能高分子：功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜等）、导分离材料（离子交换树脂、分离膜等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。用高分子、药用高分子、高分子液晶等。 为表彰在导电高分子的发展方面所作的贡献，为表彰在导电高分子的发展方面所作的贡献， 2000年，日本科学家年，日本科学家白川英树（白川英树（H.Shirakawa）、美国科学

17、家）、美国科学家黑格（黑格（A.J.Heeger）和麦克迪尔米德（）和麦克迪尔米德（A.G.MacDiarmid）分享诺贝尔化学奖。分享诺贝尔化学奖。 80年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现和发展。和发展。 新的聚合方法：新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、活性阳离子活性聚合、基团转移聚合、活性自由基聚合、等离子聚合等等；自由基聚合、等离子聚合等等； 新结构的聚合物：新结构的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含富勒烯星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含富勒烯(C60)聚合物等等。聚合物等等。人类活动是高分子科学发展的动力。人类活动是高分子科学发展的动力。第第1章章 问题问题1 、为什么说高分子科学既是一门基础科学，也是一门应用科学？、为什么说高分子科学既是一门基础科学，也是一门应用科学？2 、天然高分子有什么优点和缺点？为什么要发展合成高分子？、天然高分子有什么优点和缺点？为什么要发展合成高分子？3 、合成高分子的研究是经历一个怎么样的过程？、