高分子化学--第一章绪论

1、高分子楼205室主讲人：陈华杰手机主要内容：主要内容：1 18 8章；章；v考试形式：闭卷考试形式：闭卷; ;v成绩：考试成绩（成绩：考试成绩（7070）+ + 平时成绩（平时成绩（3030）Polymer is a synthetic or natural material consisting of molecules stringing together to form a long chain.Polymer etymology “高分子”词源The word comes from Greek: poly means many and mer comes fr

2、om merous which roughly means parts. The word polymeric comes directly from the Greek polumeres which simply means having many parts. 高分子与有机小分子的差别：有机小分子化合物：有机小分子化合物： 高分子化合物：高分子化合物：1、分子量小；、分子量小； 1、分子量大；、分子量大；2、分子量固定；、分子量固定； 2、分子量是平均值；、分子量是平均值；3、纯净物；、纯净物； 3、同系物的混合物；、同系物的混合物； 4、具有气、固、液三态；、具有气、固、液三态； 4、

3、仅具有固、液两态；、仅具有固、液两态；5、有固定熔点、沸点；、有固定熔点、沸点； 5、熔融温度为一个范围；、熔融温度为一个范围；6、性质单一；、性质单一； 6、性质与分子量、分子量、性质与分子量、分子量 分布、聚集态结构有关；分布、聚集态结构有关；二、高分子结构的特点三、三大高分子材料发展史人造高分子人造高分子RubberPlasticFiberNature Rubber天然橡胶天然橡胶Celluloid赛璐咯赛璐咯Nitrocellulose硝化纤维硝化纤维First OneNature Rubber19世纪中期一家欧洲橡胶制品厂的情景世纪中期一家欧洲橡胶制品厂的情景1839年，硫化作用（年

4、，硫化作用（Sulfurization）橡胶园女工在割胶橡胶园女工在割胶Celluloid 赛璐咯,1869年低氮含量的硝化纤维低氮含量的硝化纤维原始的赛璐咯生产车间原始的赛璐咯生产车间 赛璐咯的发明家：赛璐咯的发明家： John Wesley Hyatt(1837-1920)在纤维素中的部分羟根(氢氧根)被硝化后会得到焦木素。焦木素溶得到一种物质，它受热后变软，冷却后变硬，这种物质被称为“赛璐璐”。它就是于1865年问世的首批人造塑料。1）1869年，美国的海厄特利用“赛璐璐”制出了廉价台球，替代象牙台球；2）儿童玩具，衣领衬件；胶片；底片等Nitrocellulose 硝化纤维素英国女工正

5、在生产硝化纤维英国女工正在生产硝化纤维硝化纤维素的故事：1846年，瑞士巴塞尔大学的年，瑞士巴塞尔大学的化学教授拜恩（化学教授拜恩（Schonbein）之后，英国冶金学家、化学之后，英国冶金学家、化学家帕克斯家帕克斯1870年，美国的印刷工人、年，美国的印刷工人、化学业余爱好者化学业余爱好者海厄特海厄特（Hyatt）第一种合成的高分子树脂-酚醛树脂Phenol formaldehyde resin (1907)Trade name: BakeliteBelgium Leo Baekeland (1863-1944)美国科学家贝克兰德美国科学家贝克兰德从前人研究过但没有从前人研究过但没有引起重视

6、的物质中发引起重视的物质中发现金子的精采实现金子的精采实例例 ！四、高分子理论的形成理论认识理论认识矛盾与冲突矛盾与冲突萌芽时期萌芽时期实际应用实际应用与加工与加工：1919世纪世纪3030年代年代-20-20世纪世纪2020年代，是高分子年代，是高分子科学的萌芽时期也是高分子科学理论的蒙昧时期科学的萌芽时期也是高分子科学理论的蒙昧时期（在（在StaudingerStaudinger提出提出“大分子线链形结构大分子线链形结构”概念之前）概念之前）天然改性“胶体行为胶体行为”实际应用于加工方面n当时虽没有高分子的概念，但天然高分子材料（木材、当时虽没有高分子的概念，但天然高分子材料（木材、棉、麻

7、、丝、漆、橡胶、皮革和各种树脂等）已经在棉、麻、丝、漆、橡胶、皮革和各种树脂等）已经在人们的生活和生产中得到了广泛的应用。人们的生活和生产中得到了广泛的应用。n人们还采用各种化学反应对天然高分子进行改性。例人们还采用各种化学反应对天然高分子进行改性。例如：如：l18391839年，年，GoodyearGoodyear发明了开然橡胶的硫化发明了开然橡胶的硫化l18551855年，年，ParksParks由硝化纤维素和樟脑制得赛璐珞塑料由硝化纤维素和樟脑制得赛璐珞塑料l18831883年，年，de Chardonnetde Chardonnet把天然纤维制成人造丝把天然纤维制成人造丝l190719

8、07年，年，BackelandBackeland对酚醛树脂对酚醛树脂“加压、加热加压、加热”固化固化的专利，从而人类开始将纯净的合成高分子化合物作的专利，从而人类开始将纯净的合成高分子化合物作为工业原料而开始工业化生产。为工业原料而开始工业化生产。n这些前期的应用和研究为高分子科学的萌芽创造了良这些前期的应用和研究为高分子科学的萌芽创造了良好的环境。好的环境。理论认识方面n当时人们对高分子的认识受到当时学术界权威的当时人们对高分子的认识受到当时学术界权威的“胶体胶体”概念的影响概念的影响n在在2020世纪世纪2020年代，是胶体化学研究最为活跃的时期。年代，是胶体化学研究最为活跃的时期。n在在

9、19251925年和年和19261926年，连续两年的年，连续两年的NobelNobel化学奖分别由化学奖分别由从事胶体溶液研究的从事胶体溶液研究的德国人德国人R.A.R.A.席格蒙迪席格蒙迪和从事胶体和从事胶体化学中分散系统研究的化学中分散系统研究的瑞典人瑞典人T.T.斯韦德贝里斯韦德贝里获得。获得。n当时许多著名的科学家都坚持认为，对于纤维素、淀当时许多著名的科学家都坚持认为，对于纤维素、淀粉、蛋白质、橡胶等这些既没有明确的熔点又不能蒸粉、蛋白质、橡胶等这些既没有明确的熔点又不能蒸馏或重结晶纯化的材料，馏或重结晶纯化的材料，通常都被看作是具有通常都被看作是具有“胶体行胶体行为为”的小分子的

10、缔合体。的小分子的缔合体。1877,F.A.Kekule(1829-1896)1893，Hermann Emil Fischer(1852-1919)GermanyThe Nobel prize in Chemistry, 1902.Thomas Graham(1805-1869)Britain绝大多数与生命联系在一起的天绝大多数与生命联系在一起的天然有机物然有机物-蛋白质、淀粉等可蛋白质、淀粉等可以由很长的链组成，并且这种特以由很长的链组成，并且这种特殊结构决定了它们具有特殊的性殊结构决定了它们具有特殊的性质。质。观点观点认为高分子是由一些小的认为高分子是由一些小的结晶分子形成结晶分子形成设

11、想设想纤维素是一种葡萄纤维素是一种葡萄糖单元连结而成的糖单元连结而成的长链，但没有证明长链，但没有证明首次首次提出提出：2020世纪世纪2020年代年代-40-40年代。是高分年代。是高分子学说兴起和建立的重要时期。子学说兴起和建立的重要时期。创造性的提出创造性的提出Hermann Staudinger(1881-1965)GermanyThe Nobel prize in Chemistry, 1953.“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry ”FloryFlory（1910-19851910-1985）美国

12、科学院院士美国科学院院士19741974年获年获NobelNobel化学奖化学奖n五六十年代，美国科学家五六十年代，美国科学家FloryFlory出版了出版了高分子化学原理高分子化学原理一书。一书。nFloryFlory在高分子在高分子溶液的热力学溶液的热力学性质和聚合反应动力学的统计性质和聚合反应动力学的统计学研究方面学研究方面做了大量工作，他做了大量工作，他的科学成果包括导致工业化的的科学成果包括导致工业化的尼龙与合成橡胶的尼龙与合成橡胶的研究和开发，研究和开发，以及对于聚合物形成过程及其以及对于聚合物形成过程及其本体和在溶液中的性质研究。本体和在溶液中的性质研究。：2020世纪世纪50-

13、6050-60年代，由链到片的发展年代，由链到片的发展ZieglerZiegler（1898-1898-19731973）, ,德国有机德国有机化学家化学家,1963,1963年获年获NobelNobel化学奖化学奖NattaNatta（1903-19791903-1979）意大利高分子化学家意大利高分子化学家19631963年获年获NobelNobel化学奖化学奖n19531953年发明了齐格勒催化剂以及低压聚年发明了齐格勒催化剂以及低压聚乙烯合成方法，使聚乙烯的工业化生产取乙烯合成方法，使聚乙烯的工业化生产取得了重大进展得了重大进展n19541954年年-1956-1956年纳塔改进了齐格

14、勒催化年纳塔改进了齐格勒催化剂，使其能适用于聚丙烯的生产，从而建剂，使其能适用于聚丙烯的生产，从而建立了有规立构聚丙烯的合成方法立了有规立构聚丙烯的合成方法Ziegler-NattaZiegler-Natta催化剂催化剂uZieglerZiegler催化剂：三乙基铝催化剂：三乙基铝- -四氯化钛混合四氯化钛混合物物uNattaNatta催化剂：三氯化钛代替四氯化钛催化剂：三氯化钛代替四氯化钛发现聚丙烯聚合法发现聚丙烯聚合法形成假说形成假说：物理性质与高分子链的立体规：物理性质与高分子链的立体规整性相关整性相关创造性地提出创造性地提出：有规立构高分子的概念：有规立构高分子的概念高分子大事记n19

15、361936年，用几率方法得到缩聚产物的分子量分布，现称年，用几率方法得到缩聚产物的分子量分布，现称为为FloryFlory分布。分布。n19421942年，对柔性链高分子溶液的热力学性质，提出混合年，对柔性链高分子溶液的热力学性质，提出混合熵公式，即著名的熵公式，即著名的Flory-HugginsFlory-Huggins晶格理论。晶格理论。n19491949年，找到了溶液中高分子形态符合高斯链形态，溶年，找到了溶液中高分子形态符合高斯链形态，溶液热力学性质符合理想溶液性质的温度液热力学性质符合理想溶液性质的温度- -溶剂条件。溶剂条件。n19511951年，得出特性粘数方程式。年，得出特性

16、粘数方程式。n19531953年，就从理论上推断聚合物非晶态固体中柔性链高年，就从理论上推断聚合物非晶态固体中柔性链高分子的形态应与分子的形态应与溶剂中的高斯线团相同，十几年后为中溶剂中的高斯线团相同，十几年后为中子散射实验所证实。子散射实验所证实。n19561956年，提出刚性链高分子溶液的临界轴比和临界浓度，年，提出刚性链高分子溶液的临界轴比和临界浓度，在此浓度以上将出现线列型液晶相。在此浓度以上将出现线列型液晶相。 n19651965年，提出溶液热力学的对应态理论，可适用于从小年，提出溶液热力学的对应态理论，可适用于从小分子溶液到高分子溶液的热力学性质。分子溶液到高分子溶液的热力学性质。

17、n19561956年，年，M.SzwarcM.Szwarc发现了在阴离子聚合反应过发现了在阴离子聚合反应过程中可使链终止反应停止进行，从而得到活的高程中可使链终止反应停止进行，从而得到活的高分子阴离子。用此方法可制得多种嵌段共聚物、分子阴离子。用此方法可制得多种嵌段共聚物、其他其他“分子设计分子设计”成的高分子，以及单分散高分子成的高分子，以及单分散高分子等。等。n同时以聚碳酸酯为代表的多种工程塑料在不断同时以聚碳酸酯为代表的多种工程塑料在不断问世。问世。n至此，高分子科学日趋完善。至此，高分子科学日趋完善。n随后，伴随石油化学工业的迅速发展，以塑料、随后，伴随石油化学工业的迅速发展，以塑料、

18、合成橡胶、合成纤维这主的高分子合成材料工业合成橡胶、合成纤维这主的高分子合成材料工业形成了一个新兴的工业体系，在整个社会生产和形成了一个新兴的工业体系，在整个社会生产和生活中发挥越来越大的作用。生活中发挥越来越大的作用。高分子大事记u 1930 / PS1930 / PS聚苯乙烯聚苯乙烯 u 1934 / PMMA 1934 / PMMA有机玻璃、有机玻璃、PVCPVC聚氯乙烯聚氯乙烯u 1939 / PE 1939 / PE聚乙烯、聚乙烯、PAPA聚酰胺聚酰胺u 1943 / PTFE 1943 / PTFE聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、PURPUR聚氨酯聚氨酯u 1946 / PU 1946 /

19、 PU聚酯聚酯u 1947 / PE 1947 / PE环氧树酯环氧树酯u 1953 / PET 1953 / PET聚酯、聚酯、ABSABS工程塑料、工程塑料、HDPEHDPE聚乙烯聚乙烯u 1957 / PP 1957 / PP聚丙烯聚丙烯u 1959 / PC 1959 / PC聚碳酸酯聚碳酸酯u 1960 / PI 1960 / PI聚酰亚胺聚酰亚胺高分子大事记u高分子时代高分子时代-高分子工业体系在整个经济高分子工业体系在整个经济中占有举足轻重的地位，在人类文明发展史上，中占有举足轻重的地位，在人类文明发展史上，科技史学家称人类进入了高分子时代。科技史学家称人类进入了高分子时代。u高

20、分子材料以高分子材料以多功能化多功能化的面貌出现。的面貌出现。u高分子材料与其它学科出现了高分子材料与其它学科出现了多重的交叉与多重的交叉与渗透。渗透。：2020世纪世纪7070年代以后，高分子的发展年代以后，高分子的发展进入了一个三维立体式发展的阶段。进入了一个三维立体式发展的阶段。u能耐受更严酷条件的高分子材料能耐受更严酷条件的高分子材料（耐超高温、超低温、超高电场等）u具有特定功能性的高分子材料具有特定功能性的高分子材料（导电功能、超导性能、分离功能、隐身功能以及各种能量转换功能等）u生物高分子领域的应用与研究生物高分子领域的应用与研究（生物高分子结构的研究及其人工合成、效仿自然界天然高

21、分子物质的形成过程等）n传统的研究方法传统的研究方法1 1 高分子材料的合成高分子材料的合成2 2 性能与结构研究性能与结构研究3 3 加工方法和技术开发加工方法和技术开发4 4 寻找应用场合寻找应用场合 n高分子分子设计高分子分子设计1 1 确定使用场合确定使用场合2 2 要求的使用性能要求的使用性能3 3 分子结构的设计分子结构的设计4 4 合成条件与方法研究合成条件与方法研究5 5 高分子材料的合成高分子材料的合成u光功能高分子材料光功能高分子材料 光学塑料与光纤、有机非线性材料、光敏高分子材料、光致变色高分子u电磁功能高分子材料电磁功能高分子材料 导电高分子材料、电致发光聚合物、光电导

22、高分子、高分子压电材料、高分子磁性材料分离功能高分子材料分离功能高分子材料 离子交换树脂、高分子分离膜、高吸水性树脂、高分子絮凝剂生物医用高分子材料生物医用高分子材料 人工脏器、整型与修复材料、药用高分子n例1:光敏高分子材料u感光树脂（光刻胶）感光树脂（光刻胶）-集成电路和微电子领域的一项关键集成电路和微电子领域的一项关键材料材料工作原理工作原理：n高分子分子结构中引入具有光敏性的基团高分子分子结构中引入具有光敏性的基团n 在受到光（紫外光）照射时，这些基团会在受到光（紫外光）照射时，这些基团会n 发生化学反应（聚合或交联；分解）发生化学反应（聚合或交联；分解）n选用特定的溶剂使聚合或交联的

23、部分留下选用特定的溶剂使聚合或交联的部分留下 n 未照射的部分溶解去除（或使分解的部分未照射的部分溶解去除（或使分解的部分n 去去 除，未照射的部分留下）除，未照射的部分留下）光刻胶的成形过程 10210-10半导体绝缘体导体电导率电导率(cm)-1 酚醛树脂第一个合成高分子室温电导率最高达103 (cm)-1 白川英树白川英树 19701970年代初年代初Alan J. HeegerMacDiarmid：在电场作用下产生电流载流子，如：大共轭结构的高分子Nobel Prize, 2000n例2：导电性高分子材料长程共轭结长程共轭结构的高分子构的高分子轻、薄、安全、可变形(PLED)高分子光电

24、功能材料的应用领域n例3：生物医用高分子材料 生物医用材料基本的性能要求生物医用材料基本的性能要求u化学稳定性化学稳定性u组织相容性组织相容性u血液相容性血液相容性u力学稳定性力学稳定性u不会致癌不会致癌u易消毒处理易消毒处理u优良的加工成型性优良的加工成型性生物医用高分子材料应用概况生物医用高分子材料应用概况功能功能 材料材料 高分子材料高分子材料1.血液循环系统 瓣膜功能 人工瓣膜 PUR、PTFE、PE 导血功能 人工血管 PET、PTFE 收缩功能 人工心筋 尼龙、PET2.骨骼运动系统 结构支持功能 人工骨 PMMA、PC、复合材料 关节功能 人工关节 PET、UHMPE、复电材料3

25、.代谢功能 解毒功能 人工肾、肝 PP、PC、尼龙 选择透过功能 人工透析膜 PP、PC、尼龙4.其它 眼科整形 人工角膜、眼球 PMMA、SR 齿科整形 修补材料 PMMA、PC 整容功能 整容材料 SR、PE 创伤覆盖 人工皮肤 PET、PP织物 分解吸收功能 缝合线 聚乳酸、壳聚糖 导管功能 人工器官食道 SR、PE、PTFENobel prizes in Polymer Feild19532000六、我国高分子科学发展现状u我国高分子研究起步于20世纪50年代初。唐敖庆先生于1951年在中国化学学会志上发表了关于香蕉分子尺寸计算的我国首篇高分子科学论文。u1965年人工合成结晶牛胰岛素

26、注：中国科学院生物化学研究所，科学通报，17（6），241，1966 u1998年，我国高分子材料的消耗总量为1446万吨u占世界总消耗量的1/10u其中803万吨为进口，人均消耗量仅为发达国家的1/7 u1995年，我国高分子材料进口总量： 塑料塑料 合成纤维合成纤维 橡胶橡胶 370 370万吨万吨 207207万吨万吨 3131万吨万吨占国内消耗量的50%，需花费100亿美元世界塑料工业 PE 34% PP 19% PVC 17% 中国中国1400万吨万吨 （2002年）世界人均消耗：世界人均消耗：26kg 比利时 172kg 德国 160kg 美国 155kg 中国 12kg 七、高分

27、子材料的缺点u易燃u易老化u白色污染 国内及湘大高分子学科现状国内及湘大高分子学科现状1、评价高分子学科建设的衡量标准：、评价高分子学科建设的衡量标准：（1）国家重点学科：）国家重点学科： 北京大学北京大学 复旦大学复旦大学 吉林大学吉林大学 南京大学南京大学 南开大学南开大学 浙江大学浙江大学 中山大学中山大学 湘大高分子从湘大高分子从1986年起被列入湖南省年起被列入湖南省“八五八五”、“十五十五”、“十一五十一五”重点建设学科。重点建设学科。北京大学高分子学科简介北京大学高分子学科简介中科院院士中科院院士1人，教授人，教授7人，副教授人，副教授5人。人。学术带头人及其专业方向：学术带头人

28、及其专业方向：周其凤（院士）液晶高分子；周其凤（院士）液晶高分子；陈尔强陈尔强 高分子凝聚态物理；高分子凝聚态物理；范星河功能性液晶聚合物，非线性光学聚合物；范星河功能性液晶聚合物，非线性光学聚合物；邹德春邹德春 有机发光功能材料的结构与物性有机发光功能材料的结构与物性宛新华宛新华 具有控制结构与形状的高分子的合成及功具有控制结构与形状的高分子的合成及功能化能化 吉林大学高分子学科简介吉林大学高分子学科简介中科院院士中科院院士1人，教授人，教授28人，副教授人，副教授7人，讲师人，讲师11人。人。 （长江特聘教授（长江特聘教授2人）人）学术带头人及其专业方向：学术带头人及其专业方向：沈家骢（院

29、士）大分子的纳米结构与组装；沈家骢（院士）大分子的纳米结构与组装；杨柏杨柏纳、微尺度有序结构的组装与功能化；纳、微尺度有序结构的组装与功能化；马於光马於光 有机有机/高分子共轭半导体材料的设计与合成高分子共轭半导体材料的设计与合成研究；研究； 王策多相纳米复合材料和一维有机纳米功能材料；王策多相纳米复合材料和一维有机纳米功能材料； 田文晶有机高分子光电功能材料的设计合成及性能田文晶有机高分子光电功能材料的设计合成及性能研究研究 ；复旦大学高分子学科简介复旦大学高分子学科简介中科院院士中科院院士2人，教授人，教授19人，副教授人，副教授11人。（长江特人。（长江特聘教授聘教授2人）人）学术带头人

30、及其专业方向：学术带头人及其专业方向：杨玉良杨玉良 （院士）高分子凝聚态物理及聚合反应新（院士）高分子凝聚态物理及聚合反应新方法；方法； 江明江明 （院士）（院士） 高分子间的相互作用和分子组装；高分子间的相互作用和分子组装；邵正中邵正中 天然高分子（蚕丝和蜘蛛丝）研究；天然高分子（蚕丝和蜘蛛丝）研究；丁建东生物医用高分子材料丁建东生物医用高分子材料 ；南京大学高分子学科简介南京大学高分子学科简介中科院院士中科院院士1人，教授人，教授7人，副教授人，副教授12人，讲师人，讲师5人。人。学术带头人及其专业方向：学术带头人及其专业方向：程镕时（院士）高分子物理（程镕时公式）；程镕时（院士）高分子物

31、理（程镕时公式）；薛奇功能导电聚合物和高分子的构象及相行为；薛奇功能导电聚合物和高分子的构象及相行为；陈庆民多相高分子材料结构与性能；陈庆民多相高分子材料结构与性能；陆云导电复合材料；陆云导电复合材料；南开大学高分子学科简介南开大学高分子学科简介中科院院士中科院院士0人，教授人，教授27人，副教授人，副教授12人。人。学术带头人及其专业方向：学术带头人及其专业方向：陈永胜陈永胜有机高分子功能材料及器件有机高分子功能材料及器件袁直袁直 吸附分离功能高分子材料；吸附分离功能高分子材料；张会旗可控活性聚合；张会旗可控活性聚合；张拥军生物医用高分子材料；张拥军生物医用高分子材料；赵汉英赵汉英 功能性聚合物；功能性聚合物；浙江大学高分子学科简介浙江大学高分子学科简介中科院院士中科院院士1人，教授人，教授19人，副教授人，副教授21人。人。学术带头人及其专业方向：学术带头人及其专业方向：沈之荃（院士）沈之荃（院士）可控催化聚合（过渡金属和稀土可控催化聚合（过渡金属和稀土络合催化聚合）；络合催化聚合）；郑强郑强 复合材料；复合材料；陈红征陈红征 光电磁功能高分子光电