高分子化学综述MicrosoftWord文档

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业摘要：高分子化学是研究高分子化合物的合成、化学反应的一门学科，同时还涉及聚合物的结构和性能。本文是讲述我在学习了高分子化学这门课程之后对这门课程的掌握、理解， 关键字：高分子化学 高分子 聚合物 聚合方法 Abstract：polymer chemistry is a subject of research the polymer compounds synthesis and chemicalreaction，and involving the Polymer str

2、ucture and performance . This article is about my study polymer chemistry in the course of this course after the master, understanding.Key word：Polymer chemistry ; polymer ; Polymerization methods.高分子化学初步认识1.引言 高分子化学是研究高分子化合物的合成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科。合成高分子的历史不过80年，所以高分子化学真正成为一门科学还不足六十年，

3、但它的发展非常迅速。目前它的内容已超出化学范围，因此，现在常用高分子科学这一名词来更合逻辑地称呼这门学科。狭义的高分子化学，则是指高分子合成和高分子化学反应。人类实际上从一开始即与高分子有密切关系，自然界的动植物包括人体本身，就是以高分子为主要成分而构成的，这些高分子早已被用作原料来制造生产工具和生活资料。高分子材料的应用将会使人类支配改造自然的能力和社会生产力的发展带到一个新的水平，对人类的发展将会出现前所未有的促进。2.高分子化合物2.1高分子化合物的定义 高分子化合物又称高分子（），高分子是由分子量很大的长链分子所组成，高分子的分子量从几千到几十万甚至几百万。 而每个分子链都是由联合的成

4、百上千的一种或多种小分子构造而成。高分子的分类有多种，按来源可分为高分子、天然高分子、合成高分子三大类；根据用途则可分为合成和、合成、合成等；按热行为可分为和聚合物；按主链结构可分为、和三类；另外根据工业产量和价格还可分为通用高分子、中间高分子、工程塑料以及特种高分子等等。2.2高分子化合物的分类 高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时，叫。这种高分子在加热时可以熔融，在适当的溶剂中可以溶解。高分子化合物中的原子连接成线状并带有较长分支时，叫。这种高分子也可在加热时熔融，也可在适当的溶剂中溶解。如果高分子化合物中的原子连接成网状时，则叫，这种高分子由于一般都不是平面结构而是立体结构，所以也

5、叫。体型高分子加热时不能熔融，只能变软和弹性增大；不能在任何溶剂中溶解，只能在某些适当的溶剂中溶胀。2.3高分子化合物的特性 高分子的特性也即是高分子化合物与低分子物质的区别.主要表现在高分子固体及其溶液的力学性质方面。高分子化合物的基本特性有：1不挥发性 高分子化合物没有气态，只有液态与固态，不挥发。2优良的机械性能 高分子化合物的大分子链有较高的柔顺性与良好的机械强度。高分子化合物的分子间引力大,尤其是含有极性基团或存在着氢键的高分子化合物,其分子间引力更大,具有高的机械强度。大分子的柔顺性,使高分子化合物具有良好的弹性与粘流性,可被牵伸成丝或制成薄膜。3良好的电绝缘性 高分子化合物大分子

6、中各个原子彼此以共价键结合,不电离,有良好的电绝缘性。4结晶性 有些高分子化合物具有结晶物质的特性，有清晰的X光衍射图象。5溶解性能 高分子化合物溶液的粘度特别高,2%-3%的高分子溶液比同浓度的低分子溶液的粘度高十几倍至几百倍。上述特性,取决于组成大分子的原子或官能团的本性、分子量、空间排列(几何结构)、分子形态（运动着的大分子的统计特性）以及聚集态结构。2.4高分子化合物的合成反应单体聚合成高分子化合物的方法有多种。不同的方法,其反应机理不完全相同，得到的高分子化合物性质也有差异。1、本体聚合 只有单体及少量引发剂,而不用溶剂或分散剂的聚合方法,叫本体聚合。所得产品纯度高,产率高,不需要后

7、处理设备,在实验室和工业生产中都有应用。高分子化合物的制备,可以由一种或一种以上的单体作为初始原料,经过合成反应而制得;也可由已经得到的天然的或合成的高分子化合物，经过化学转化，改性而成为。2、悬浮聚合 将非水溶性的单体以小液滴(0.1-3mm)形式悬浮在水中,加入引发剂使之发生聚合,叫悬浮聚合。此法容易除去聚合热，产品纯度比乳液聚合法高，已广泛应用于工业生产。3、乳液聚合 在乳化剂存在下,经搅拌单体分散于水中成为乳浊液,然后用水溶性引发剂引发聚合的方法，称为乳液聚合。所得聚合物粒子可分散得很细,粒子直径约1-0.1mm。本法在工业生产中已广泛应用，如丙烯酸甲酯浆料的制造。4、溶液聚合 单体在

8、溶剂中引发聚合称为溶液聚合。在合成树脂生产中应用得较少,但有些品种却需要用溶液聚合法进行生产，例如，聚醋酸乙烯、聚丙烯腈或聚丙烯酰胺等的制造。2.5高分子化合物分子量分子量是决定高分子化合物性能的一个重要因素，与高分子化合物的物理机械性能有着密切关系。大量的实验证明,高分子化合物的分子量一定要达到某一数值后,才能显示出其有价值的机械强度。上浆用的聚乙烯醇，分子量应在1300以上，若超过80000已不适用于经纱上浆。 必须注意,每种低分子化合物,都有其恒定的分子量。但是,对高分子化合物来说，由于形成过程的复杂性,构成每一个大分子结构单元数目并不是完全相同,故其分子量也不象低分子化合物那样固定不变

9、。实际上，一种高分子化合物是由组分相同、结构单元（链节）相同,但链节数目不同的大分子混合聚集而成。聚合物的这种特性称为多分散性，聚合物分子量是一个平均值。3.高分子化学3.1高分子化学的定义高分子化学作为化学的一个分支学科，是在20世纪30年代才建立起来的一个较年轻的学科。然而，人类对天然高分子物质的利用有着悠久的历史。早在古代，人们的生活就已和天然高分子物质结成了息息相关的关系。高分子物质支撑着人们的吃穿住各方面，作为人类食物的蛋白质和淀粉，以及用纺织成为衣物的棉、毛、丝等都是天然的高分子物质。在我国古代时，人们就已学会利用蚕丝来纺织丝绸；汉代，人们又利用天然高分子物质麻纤维和竹材纤维发明了

10、对世界文明有巨大失去作用的造纸术。在那时，中国人已学会利用油漆，后来传至周边国家乃至世界。可以说，古代中国在天然高分子物质的加工技术上，例如丝织业、造纸术和油漆制造，是处于世界领先地位的。3.2高分子化学的发展简史高分子化学的发展主要经历了天然高分子的利用与加工、天然高分子的改性、合成高分子的生产和高分子科学的建立四个时期。从三十年代起随着合成高分子的发展而逐渐建立起来与高分子相关的反应动力学、化学热力学、结构化学、高分子物理、生物高分子等分支学科，形成了一门系统的高分子科学。欧洲工业革命之以后，许多天然的高分子物质日益成为生产不可缺少的原料，促使人们去研究和开发高分子物质。这时，人们首先遇到

11、了对天然橡胶以及天然纤维的利用和改进。橡胶的产地在热带，最早对它的利用也开始于这个地区。哥伦布航海时，曾在拉西美洲的海地看当地人用天然形成的橡胶球进行游戏。1530年，欧洲人恩希拉介绍了在巴西、圭亚那等地区的人们利用粗糙的橡胶制作容器防晒布等日用品的情况。然而，在将橡胶用于制造之前，人们面临着诸多的工艺难题，科学家们都在努力探寻这些难题的解决办法。首先是黑立桑和马凯尔在1763年发现橡胶可溶于松节油和乙醚。1823年，马辛托希用石脑油处理橡胶乳液，得到了常温时发粘而遇冷则变脆的成品，但显然不能投入使用。1832年1850年，人们终于反复的试验，使天然橡胶经加工后有了人们想要的性能，这一工作主要

12、是由德国人吕德斯杜夫和美国人古德意完成的同时，科学家们也在进行着对天然纤维素的改性试验。1832年1845年，通过勃莱孔诺和申拜思的努力，制得了硝化纤维，这一成果曾在一战时用为制作无烟炸药。之后，二硝酸纤维被他的同事制作模塑制品，但因其硬度太高而不易制造。1872年，海得以梓脑作为增塑剂，用二硝酸纤维制成了柔韧的塑料，后被广泛用于制作照相底片及电影胶片等等。1885年，法国人夏东奈将由棉花制成的硝化纤维用NH4HS进行脱硝处理，得到了人造丝。这一成果在1889巴黎博览会展出之后，于当年建立了最早的人造丝工厂。1892年，英国人克劳斯和贝汶，在1844年制得的脱硝硝化纤维的基础上，用氢氧化纳和二

13、硫化碳进行再处理，得到了粘胶纤维，其性能比夏东奈的人造丝更好。1903年，迈尔制得了醋酸纤维。在成功实现了对橡胶和纤维素的改性之后，人们转而注意到了高分子合成的试验，在一时期，科学家们通过努力，实现了对两种高分子化合中物的人工合成。首先是酚醛树脂，再者是合成橡胶。1872年，拜尔就已提出来，苯酚和甲醛在酸的作用下，能够形成树脂状的物质。克莱贝格在1891年，对这种树脂状物进行了浓盐酸处理，得到了一种多孔物质，该物质不能烧熔也难溶于水，遗憾的是由于无法结晶提纯，他不得不终止了实验。直到1970年，美国人贝克兰利用对反应的控制，得到了两种不同的树脂，一种是可溶的树脂，叫作虫胶代用品，是第一步实验的

14、产品；另一种是不溶也不熔的树脂，是实验第三步的产品。如果在实验第三阶段时加入本粉，则可使产品提高韧性。这样最早的合成塑料酚醛树脂产生了，它被推广用作制造绝缘材料。1909年，霍夫曼和库特尔首先提出了关于C5H8的热聚合专利。1910年，海立斯和麦修斯用钠做试验，也得到了C5H8。1912年，美国纽约展出了用合成橡胶制成的轮胎，从而向世界宣布橡胶的人工合成实现了。长期以来，人们对某些高分子物质的研究取得了一定的成果，但对其内部结构研究还较肤浅。1913年，通过威尔斯仄特和崔曼斯特等人的研究，得出了淀粉的通式为（C6H10O5）n，而且知道淀粉的水解物都是葡萄糖，然而，直到1922年，霍厄塞仍然认

15、为淀粉的溶液具有橡胶的性质是由于它们的环状二聚体通过“部分价键”而聚集在一起的原因。1906年，费歇尔提出它具有多肽结构，并合成了分子量接近1000的多肽。1910年，华克斯不同意海立斯的环式结构单元，因为他认为天然橡胶分子是环状结构单元，靠“部分”价键结合成直链的见解是缺乏根据的。他说，天然橡胶通过干馏并不能得到海立斯所说的环式结构单元，并且天然橡胶与溴反应后仍然保留着像胶，然而这时已经没有双键，更不可能有所谓“部分”价键。1920年，有机化学家毕克斯以关于聚合反应一文对以上的各种观点进行了反驳，他不同意把天然橡胶和纤维素的结构归结为多元的环的物理缔合方式，并明确提出，成为环状化合物和成为共

16、价键结构的长链高分子化合根本不是一回事。毕克斯于1922年，将天然橡胶加氢，发现其“溶液”仍然具有胶体性质。基于以上的成果，他在1924年明确提出了天然橡胶分子是高分子量的大分子，并认为这些高分子量的大分子不管溶于何物，其胶体是与小分子缔合得来的胶体是不同的。毕克斯的这种大分子的概念提出以后，在当时并没有立即接受，不少化学家仍然坚持环式结构的见解。1926年，斯本先和多尔研究指出，前人认为整个分子不含大于晶胞的观点是错误的，他们认为纤维素分子可以从一个晶胞长入另一个晶胞而成为直链形状。1928年，施道丁格表示同意这个观点，并进一步提出，纤维素和橡胶分子的晶胞的大小或晶体的大小与线形高分子的长度

17、无关，其依据是一个大分子可以通过好些晶胞从一个结晶区越过无定形区从而进入另一个结晶区。这恰恰是对当时存在的环式结构说的一个有务指正。1928年，迈耶和马克提出他们的观点，说橡胶分子的硫化就是使大分子间形成共价交联，区别了线形高分子与网状高分子。1930年，施道丁格又进一步提出了高分子稀溶液的粘度和分子量之间的关系，从而引起了定量测定高分子分子量的兴起。1932年，施丁格发表了一部关于高分子有机化合物的总结性论著，高分子化学建立了。在此之后，高分子化学理论迅速发展，高分子工业也蓬勃兴起。以后的40年间高分子化学及工业达到飞速发展阶段。第二次世界大战刺激了高分子化学和化学工业的发展，德国首先合成了

18、橡胶，美国也加速发展高分子工业。战后由于消费品的需求量增加，高分子化学的系统研究大规模地开展起来。中国的高分子化学及高分子工业也是在战后，特别是1949年之后，才真正成长发展起来。高分子化学的发展主要经历了天然高分子的利用与加工、天然高分子的改性、合成高分子的生产和高分子科学的建立四个时期。从三十年代起随着合成高分子的发展而逐渐建立起来与高分子相关的反应动力学、化学热力学、结构化学、高分子物理、生物高分子等分支学科，形成了一门系统的高分子科学。3.3高分子化学的研究领域 目前专家同行公认的一些学科前沿领域大致可以归纳为： 一、高分子化学。新的高分子化合物的分子设计与合成，新的聚合反应及方法是贯

19、穿的两条总线，例如活性聚合、纳米粒子合成、超分子体系自组装等；二、高分子物理。高分子链结构的研究、聚合物的聚集状态结构以及其结构与性能、功能之间的关系研究作为主线，例如利用原子力显微镜技术探究材料表面的微观电子原子的排列结构、利用光散射技术探究其动态聚集的分子大小及分布、借助数学和计算机两大工具进行实验现象的模拟和理论解释等；三、功能高分子以及新技术研究。目前主要有光电磁功能高分子、高分子液晶显示技术、分子器件、高分子药物、控制药物释放材料、医疗诊断材料、人体组织修复材料和代用品、微小机械材料和各种敏感检测材料等。此外，通用高分子的改性技术、天然高分子的改性和利用、聚合物生物降解材料以及聚合物

20、资源的再生利用技术等，涉及到节约成本、废物利用、环境保护、可持续性发展等关乎人类生存环境的重大课题；四、高分子工程。聚合物反应工程和聚合物成型的问题就成为制约高分子工业发展的一个关键，也是科研领域能否得到足够的资金支持和智力支持而得以持续进步的关键。高分子化学的研究范围涉及天然高分子和合成高分子。天然高分子存在于棉、麻、毛、丝、角、革、胶等天然材料中以及动植物机体细胞中，其基本物质统称为生物高分子。合成高分子包括通用高分子（常用的塑料、合成纤维、合成橡胶、涂料、粘合剂等）、特殊高分子（具有耐高温、高强度、高模量等性能）、功能高分子（具有光、电、磁等物理特性以及催化、螯合、离子交换等化学性质）、

21、仿生高分子（具有模拟生物生理特性）以及各种无机高分子、复合高分子和高分子复合材料等。高分子化学的发展主要经历了天然高分子的利用与加工、天然高分子的改性、合成高分子的生产和高分子科学的建立四个时期。从三十年代起随着合成高分子的发展而逐渐建立起来与高分子相关的反应动力学、化学热力学、结构化学、高分子物理、生物高分子等分支学科，形成了一门系统的高分子科学。4.高分子材料4.1高分子材料的定义高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料。我们接触的很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。一般称在生活中大量采用的，已经形成工业化生产

22、规模的高分子为通用高分子材料，称具有特殊用途与功能的为功能高分子。 高分子它是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。 树枝，兽皮，稻草等天然高分子材料是人类或者类似人类的远古智能生物最先使用的材料。在历史的长河中，纸，树胶，丝绸等从天然高分子加工而来的产品一直同人类文明的发展交织在一起。4.2高分子材料主要种类 4.2.1 高分子导电材料与传统导电材料相比较,导电高分子材料具有许多独特的性能。导电高聚物可用作雷达吸波材料、电磁屏蔽材料、抗静电材料等。介绍了导电高分子材料的结构、种类及导电机理、合成方法、导电高分子材料的应用、研究现状及发展趋势。根据加入基体聚合物中导电成分的不同

23、,复合型导电高分子材料可分为两类:填充复合型导电高分子材料和共混复合型导电高分子材料。填充复合型导电高分子材料一般是将抗静电剂及各种导电材料加入到基体聚合物中复合而成。抗静电剂多为极性或离子型表面活性剂;导电材料主要有碳系材料、金属系材料、金属氧化物系材料、各种导电金属盐类物质以及复合填料等。共混复合型导电高分子材料是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共混,它们是抗静电材料和电磁屏蔽材料的主要用料,其用途十分广泛。4.2.2 功能高分子材料对物质、能量和信息具有传输、转换或贮存作用的高分子及其复合材料称为功能高分子材料, 通常也可简称为功能高分子, 有时也称为精细高分子或特种高分

24、子(包括高性能高分子)7。请注意，不可将功能高分子和功能高分子材料混为一谈，这两者是有明显区别的。功能高分子材料从组成和结构上可以分为结构型和复合型两大类。结构型功能高分子材料是指在高分子链中具有特定功能基团的高分子材料，这种材料所表现的特定功能是由高分子本身的因素决定的。构成结构型功能高分子材料中的高分子叫功能高分子，而复合型功能高分子材料，是指以普通高分子材料为基体或载体，与具有某些特定功能（如导电、导磁）的其它材料进行复合而制得的功能高分子材料，这种材料的特殊功能不是由高分子本身提供的。功能高分子是20 世纪60 年代末迅速发展起来的新型高分子材料。功能高分子的内容丰富、品种繁多、发展迅

25、速, 已成为新技术革命必不可少的关键材料, 必将对21 世纪人类社会生活产生巨大影响。对物质、能量和信息具有传输、转换或贮存作用的高分子及其复合材料称为功能高分子材料, 通常也可简称为功能高分子, 有时也称为精细高分子或特种高分子(包括高性能高分子)7。功能高分子是高分子化学的一个重要领域，它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术。它主要包括化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电、磁功能高分子材料、声功能高分子材料、高分子液晶、医用高分子材料几部分，这一领域的研究主要包括研究分子结构、组成与形成各种特殊功能的关系，也就是从宏观乃至深入到微观，以及从

26、半定量深入到定量，从化学组成和结构原理来阐述特殊功能的规律性，从而探索和合成出新的功能性材料。生物医用高分子材料分合成和天然两大类，下面我们就分别对这两种材料进行详细的论述。天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子，如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维，从海藻植物中提取的海藻酸盐，从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜，以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。这些纤维由于他们来自生物体内且都具有很高的生物功能和很好的生物适应性，在保护伤口、加速创面愈方面具有强大的优势，已引起国内外医务界广泛的关注。自然界广泛存在的天然生物材料仍有着人工材料无可

27、比拟的优越性能。例如：迄今为止再高明的材料学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质，海洋生物能长出色彩斑斓、坚阊义不被海水腐蚀的贝壳等等。甲壳素又称几丁质（chitin），广泛存在于虾、蟹等甲壳动物及昆虫、藻类和细菌中，是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。它是一种惰性多糖，用浓碱脱去乙酰基可转变成聚壳糖（chintosan）。甲壳素、聚壳糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性。降解产物带有一定正电荷，能从血液中分离出血小板因子，增加血清中H-6水平，促进血小板聚集或凝血素系统，作为止血剂有促进伤口愈合，抑制伤口愈合中纤维增生，并促进组织生长的功能，对烧、烫伤有独特疗效。比如

28、家蚕丝脱胶后可得到纯丝素蛋白成分，丝素蛋白是一种优质的生物医学材料，具有无毒、无刺激性、良好的血液相容性和组织相容性。根据研究报道，由于天然高分子医用材料的独特临床效果，它的应用前景相当广阔。由于天然材料的有限，人们需要大量的生物材料来维持他们的健康。合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以植入人体，部分或全部取代有关器官。因此，在现代医学领域得到了最为广泛的应用，成为现代医学的重要支柱材料。与天然生物材料相比，合成高分子材料具有优异的生物相容性，不会因与体液接触而产生排斥和致癌作用，在人体环境中的老化不明显。通过选用不同成分聚合物和添加剂，改变表面

29、活性状态等方法可进一步改善其抗血栓性和耐久性，从而获得高度可靠和适当有机物功能响应的生物合成高分子材料。目前，使用于人体植入产品的高分子合成材料包括聚酰胺、环氧树脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡胶和硅凝胶等。应用场合涉及组织粘合、手术缝线、眼科材料(人工玻璃体、人工角膜和人工晶状体等)、软组织植入物(人工心脏、人工肾、人工肝等)和人工管形器(人工器官、食道)等。4.2.3 高分子智能材料“智能材料”这一概念是由日本的高木俊宜教授于1989年提出来的。所谓智能材料，就是具有自我感知能力，集累积传感、驱动和控制功能于一体的材料，也是具有感知功能

30、即识别功能、信息处理功能以及执行功能的材料，具备感知、反馈、响应三大基本要素。它不但可以判断环境，而且可以顺应环境，通过感知周围环境的变化，适时做出相应措施，达到自适应的目的。智能材料可分为智能金属材料，智能无机非金属材料，智能高分子材料。智能高分子材料又称智能聚合物、机敏性聚合物、刺激响应型聚合物、环境敏感型聚合物，是一种能感觉周围环境变化，而且针对环境的变化能采取响应对策的高分子材料。 智能高分子材料具有多水平结构层次，较弱的分子间作用力，侧链易引入官能团，便于分子设计和精细控制等优点，这样因此更利于对环境的感知并实现对环境的响应。5.高分子材料在生活中的应用5.1塑料 塑料是我们生活中应用最广泛的高分子材料制品。当今，我们的大多数生活日用品都是由塑料制成。塑料根据加热后的情况又可分为热塑性塑料和热固性塑料。加热后软化，形成高分子熔体的塑料成为热塑性塑料，主要的热塑性塑料有聚乙烯（PE1）、聚丙烯（PP 2）、聚苯乙烯（PS 3）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃 4）、聚氯乙烯（PVC 5）、尼龙（Nylo