绪论高分子物理课件

1、高分子物理广东工业大学材料与能源学院. 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。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.l1839年美国人Goodyear发明了天然橡胶的硫化。l1855年英国人Parks制得赛璐璐塑料（硝化纤维+樟脑）。l 18

2、83年法国人de Chardonnet发明了人造丝。l高分子（Macromolecular，Polymer）概念的形成和高分子科学的出现始于20世纪20年代。l1920年德国Staudinger发表了他的划时代的文献“论聚合”，提出高分子长链结构的概念。 一、高分子科学的发展.1909年贝克兰合成酚醛树脂1911年英国马修斯合成聚苯乙烯1912年聚氯乙烯被合成1927年合成出聚甲基丙烯酸甲酯1933年高压聚乙烯问世1938年四氟乙烯被聚合1953年齐格勒在低压条件下合成聚乙烯，随后纳塔合成出聚丙烯，1963齐格勒、纳塔获得诺贝尔化学奖。聚合产生的奇迹 .塑料的发现1869年31岁的印刷工人约翰

3、海阿特发明赛璐珞1909年贝克兰发明酚醛树脂.现代生活中的高分子材料塑料.现代生活中的高分子材料工程塑料.橡胶的发展橡树之泪丑却受宠的合成橡胶.现代生活中的高分子材料橡胶.1855年瑞士人奥蒂玛斯把纤维素放在硝酸中得到硝化纤维素溶液，制得第一根人造纤维；1884年查唐纳脱把硝化纤维素放在酒精和乙醚中得到溶液，得到人造丝；纤维的发展.功能高分子材料的发展功能高分子材料于20世纪60年代末开始得到发展。 功能高分子是指具有化学反应活性、催化性、光敏性、导电性、磁性、生物相容性、药理性、选择分离性，或具有转换或贮存物质、能量和信息作用等功能的高分子及其复合材料。目前已达到实用化的功能高分子有：离子交

4、换树脂、分离功能膜、光刻胶、感光树脂、高分子缓释药物、人工脏器等等。高分子敏感元件、高导电高分子、高分辨能力分离膜、高感光性高分子、高分子太阳能电池等功能高分子材料，即将达到实用化阶段。.功能高分子材料高吸水性树脂高吸水性树脂就是一种功能高分子材料，它具有优异的吸水、保水功能，可吸收自身重量几百倍、上千倍，被冠予“超级吸附剂”的桂冠。主要类型有聚丙烯酸酯类、聚乙烯醇类、醋酸乙烯共聚物类、聚氨酯类、淀粉接校共聚物类等。聚丙烯酸酯类以丙烯酸和烧碱为主要原料，采用逆向聚合法而制得。可以做成妇女卫生巾、婴幼儿纸尿布以及纸餐巾等，此外还可用作室内空气芳香剂，蔬菜、水果的保鲜剂、防霉剂、阻燃剂、防潮剂以及

5、吸水后体积膨胀的儿童玩具等。目前，全世界总生产能力已经超过130万吨/年，其中日本触媒化学公司是目前世界上最大的生产公司，生产能力达到25万吨/年。. 高分子膜是指那些由具有特殊分离功能的高分子材料制成的薄膜，能有选择地分离物质。目前应用于海水淡化、反渗透、膜萃取、膜蒸馏等技术领域。 建于沙特阿拉伯的基塔自来水厂，是世界上最大的海水淡化厂，日供应淡水12000吨，主要使用醋酸纤维素分离膜装置。.光敏高分子材料以光敏树脂为代表，主要用于照相、印刷制版、印刷集成电路等。印刷工业应用聚乙烯醇酸酯，光照时交联而不溶而保留下来，得到凸版。光解性的光刻胶，重氮醌接到酚醛树脂上，光作用下重氮醌分解，图像被保

6、留，分辨率达10纳米。光敏高分子材料. 1950年人们逐渐开始配戴材质是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的隐形眼镜，具有优越的光学特性，又能矫正角膜性散光。1960年捷克学者利用十年的时间发明了软性隐形眼镜的材料，就是一直延用至今的聚甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）。功能高分子材料隐形眼镜. 在塑料中加入蓄光型发光材料经加工就可制成发光塑料。发光塑料是近年来兴起的一种高附加值新型功能材料。其产品如：交通领域通道标识、楼梯标识、标志线；发光涂料、发光开光、发光壁纸、工艺品、玩具、体育休闲用品。功能高分子材料发光材料.导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。目前，它已成为一门新型的多学科交叉的研究

7、领域，并在世界范围内吸引了一大批材料设计专家。功能高分子材料导电高分子材料.液晶高分子作为一类新型的高性能材料，极大地引起了科学界和工业界的关注，得到了广泛的应用，并发展为高分子科学中最活跃的领域之一。液晶高分子.竹子地板地毯则可以选择耐久的羊毛制品或者PET地毯主要采用水性涂料、粉末涂料和辐射固化涂料等用于户外美化环境的产品：可以回收的塑料做成长椅、桌子和交通标志牌。. 生物降解高分子材料 目前自然界的污染存在“白色”（塑料）和“黑色”（橡胶）垃圾。发展可生物降解的产品是必要而且急需的，但许多具体问题不能解决。 1、可降解塑料袋承重能力低； 2、可降解塑料袋色泽暗淡发黄，透明度低；3、是价格

8、偏高，成本难以接受。.一次性医疗用品如输液管、药品瓶、医用胶粘剂等。诊断仪器如听疹器、内窥镜及各种其他诊断仪器。体外装置如人工假肢、血液透析或灌注装置等。 人体器官如心脏导管、心脏补片、人工心脏泵材料、气管导管、人工膀胱、人工脑膜、动脉补片、人工血管及人工关节等。整形外科手术材料如面部整形植入物等。生物降解材料是指那些可由体液、酶或微生物的作用而引起分解的材料，用于缝线、人体植入、控释药物等。 .人造心脏人造关节人工肾.碳纤维复合材料玻璃钢复合材料.至今高分子科学诺贝尔奖获得者H. Staudinger （德国） : 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

9、（1953年诺贝尔奖） K.Ziegler （德国）, G.Natta （意大利） : 乙烯、丙烯配位聚合 （1963年诺贝尔奖）P. J. Flory (美国）: 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）。H. Shirakawa白川英树(日本), Alan G. MacDiarmid (美国), Alan J. Heeger (美国) ：对导电聚合物的发现和发展（2000年诺贝尔奖）。de Gennes(法国)：软物质、普适性、标度、魔梯。.1953 Hermann Staudinger (1881-1965) 施陶丁格(Hermann Staudinger)是德国著

10、名的化学家，1881年3月23日生于德国的沃尔姆斯(Worms)，1965年8月8日在弗赖堡(Freiburg)逝世，终年84岁。他是1953年诺贝尔化学奖的获得者。1947年，他编辑出版了高分子化学(Die makromolekulare Chemie)杂志，形象地描绘了高分子(Macromolecules)存在的形式。从此，他把“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，创立了确定分子量的粘度的理论(后来被称为施陶丁格尔定律)。他的科研成就对当时的塑料、合成橡胶、合成纤维等工业的蓬勃发展起了积极作用。由于他对高分子科学的杰出贡献，1953年,他以72岁高龄，

11、走上了诺贝尔奖金的领奖台 .For his discoveries in the field of macromolecular chemistry H. Staudinger (1881-1965).1963 Karl Ziegler (1903-1979) Giulio Natta(1898-1973) 德国人齐格勒(Karl Ziegler)与意大利人纳塔(Giulio Natta)分别发明用三乙基铝和三氧化钛组成的金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法。这种催化剂被统称为齐格勒纳塔型催化剂。1963年12月10日，他们共享诺贝尔化学奖的崇高荣誉。 Karl Ziegler (190

12、3-1979)Giulio Natta (1898-1973)for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers .1974 Paul J. Flory (1910-1985) 美国高分子物理化学家弗洛里(Paul J. Flory)由于在高分子科学领域，尤其在高分子物理性质与结构的研究方面取得巨大成就，1974年荣获瑞典皇家科学院授予的诺贝尔化学奖。 Polymer thermodynamics ,kenitics, molecular weight distribution,

13、 solution theoryPaul J. Flory(1910-1985).1991 Pierre-Gilles de Gennes 法国科学家吉尼(Pierre-Gilles de Gennes) 提出高分子链性质的非平衡态统计理论和标度理论。成功地将高分子物理理论引向新阶段。1991年被授予诺贝尔物理学奖。 Pierre-Gilles de Gennes(1932 )for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to mo

14、re complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers .2000 Hideki Shirakawa Alan J. Heeger Alan G. MacDiarmid 2000年10月10日，日本筑波大学白川英树(Hideki Shirakawa)，美国加利福尼亚大学的黑格(Alan J. Hegger)和美国宾夕法尼亚大学的马克迪尔米德(Alan G. MacDiarmid)因对导电聚合物的发现和发展(塑料电池聚乙炔)而获得2000年度诺贝尔化学奖。 for the discovery and de

15、velopment of conductive polymers .l我国高分子研究起步于50年代初，唐敖庆于1951年，发表了首篇高分子科学论文。 l长春应化所1950年开始合成橡胶工作（王佛松，沈之荃）；l冯新德50年代在北京大学开设高分子化学专业。l何炳林50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。l钱人元于1952年在应化所建立了高分子物理研究组，开展了高分子溶液性质研究。l钱保功50年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射化学的研究。l徐僖先生50年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。l王葆仁先生1952年上海有机所建立了PMMA、PA6研究组。 我国与高分子领域的中科院院

16、士：王葆仁 冯新德 何炳林 钱保功 钱人元 于同隐 徐 僖 王佛松 程镕时 黄葆同 卓仁禧 沈家骢 林尚安 沈之荃 白春礼 周其凤 曹 镛 杨玉良等。 2. 我国高分子的科学发展. 高分子物理教学内容为揭示高分子材料结构与性能之间的内在联系及其基本规律。 高分子结构是高分子性能的基础，性能是高分子结构的反映，高分子的分子运动是联系结构与性能的桥梁。即通过分子运动的理解建立结构与性能的内在联系，掌握结构与性能的关系，通过合成、改性、加工改善聚合物的性能，满足需要，为聚合物的分子设计和材料设计打下科学基础，为高分子材料的合成、加工、成型、检测及应用等提供理论依据。 二、高分子物理的教学内容.高分子

17、的链结构高分子的凝聚态结构高分子溶液分子量及分子量分布聚合物的转变与松弛橡胶弹性聚合物的粘弹性聚合物的屈服与断裂聚合物的流变性能聚合物的其它性能 二、高分子物理的教学内容.What? 高分子物理研究对象讨论高分子结构和性能，并通过研究分子运动来揭示结构与性能之间内在联系以及它们的基本规律，从而对高分子的合成材料的成型加工、测试、改性提供理论依据。高分子物物理核心：结构决定性能. 高分子化学的主要内容： Rp合成工艺条件产品机理 粘弹性 力学性能 高弹性 流变 高分子物理主要内容：结构分子运动性能近程 远程 凝聚态各种转变（包括玻璃化转变等）光学性能电性能Mn.7/17/202235版权所有 化

18、工学院 加工过程： 聚碳酸酯，改变温度，降低粘度。粘度低，加工容易。 聚乙烯：改变螺杆转速，注射压力剪切力降低粘度。 高分子物理知识解决实际生产问题：分子量和分子量分布（高分子性能因素之一）：分子量大，材料强度大，但加工流动性变差，分子量要适中分子量分布：纤维来说，分布窄些，高分子量对强度性能不利。橡胶：平均分子量大，加工困难，一起增塑作用。所以经过塑炼，降低分子量，使分布变宽凝聚态结构： 结晶使材料强度，脆，韧性 球晶大小也影响性能，球晶不能过大（a）加成核 剂，减小球晶尺寸 （b）改变结晶温度，多成核.高分子的结构：包括高分子链的结构和凝聚态结构，链段、柔顺性、球晶、片晶、分子量和分子量分

19、布、 溶液概念。高分子材料的性能：力学性能、热、电、光、磁等性能。力学性能包括拉伸性能、冲击性能等、银纹、剪切带、强度、模量。高分子的分子运动：玻璃化转变、粘弹性、熵弹性、结晶动力学、结晶热力学、熔点、流变性能、粘度、非牛顿流体。 WLF方程、Avrami方程、橡胶状态方程、Boltzmann叠加原理。高分子物理的重点内容.聚合物结构与性能的关系HOW？ 研究方法结构：长链、柔性、缠结、链段运动性能：质轻、易着色、韧性、耐腐蚀、 易加工、减震、生物兼容、易剪裁.how？ 研究方法 决定结构与性能关系的内在因素在于高分子的运动及相互作用，探索各种环境下高分子各运动单元的运动规律，以分子运动的观点

20、讨论各领域内的实际问题乃是高分子物理学的精髓。 学习高分子物理的两条主线： 结构决定性能 高分子运动的特点.WHY？研究的目的指导大分子设计指导加工发展高分子材料.成型加工合成结构应用性能高分子化学高分子物理高分子物理应用 合成与应用没有直接联系，故高分子设计必须以结构与性能的关系和合成与结构的关系为依据，研究制备出具有预期结构性能和用途的新型高分子材料高分子材料制备高分子材料加工高分子材料应用.如何学好高分子物理？高分子物理内容多、概念多、头绪多、关系多、数学推导多。紧紧抓住高聚物结构与性能关系这一主线，将分子运动和热转变作为联系结构与性能关系的桥梁，把零散的知识融合成一体。课堂内认真听讲，

21、注意概念、方法，总结规律。我们要注重培养自学能力，在课堂上和课外能够认真看书。独立思考、亲自动手推演例题和习题。以启发式为主导的教学方法，废除以往注入式的教学方法 。. 1.高聚物结构的特点（与小分子相比）高分子的链式结构：高分子是由很大数目（103105 数量级）的结构单元组成的。高分子链的柔顺性：高分子链的内旋转，产生非常多的构象（如：DP=100的PE，构象数1094），可以使主链弯曲而具有柔性。高分子结构具有多分散性，不均一性。高分子凝聚态结构的复杂性：晶态、非晶态，球晶、串晶、单晶、伸直链晶等。其聚集态结构对高分子材料的物理性能有很重要的影响。.聚合物材料（塑料、橡胶、纤维、）具有以

22、下优点： 质量轻、相对密度小。LDPE （0.91），PTFE（2.2） 良好的电性能和绝缘性能。 优良的隔热保温性能，绝热材料。 良好的化学稳定性，耐化学溶剂。 良好的耐磨、耐疲劳性质。橡胶是轮胎不可替代的材料。 良好的自润滑性，用于轴承、齿轮。 良好的透光率。树脂基光盘，树脂镜片。 宽范围内的力学可选择性。 原料来源广泛、加工成型方便、适宜大批量生产、成本低。 漂亮美观的装饰性。可任意着色、表面修饰。2.高分子材料的性能特点.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

23、而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。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3. 高分子材料的应用.农用塑料：薄膜 灌溉用管建筑工业：给排水管PVC、HDPE 塑料门窗 涂料油漆 复合地板、家具人造木材、地板 PVC天花板包装工业：塑料薄膜：PE、PP、PS、PET、PA等 中空容器：PET、PE、PP等 泡沫塑料：PE、PU等汽车工业：塑料件、仪表盘、保险机、油箱内饰件、坐垫等军工工业：飞机和火箭固体燃料（低聚物）、复合纤维等3. 高分子材料的应用 高分子材料遍及各行各业，各个领域：包装、农林牧渔