高分子第一章 绪论课件

高分子化学主讲人：李红山Mobilemail:zdlhs@126.com化学学院本科生基础课第一章概论参考书目:1.高分子科学简明教程，夏炎主编，科学出版社;2.高分子化学，潘才元主编，中国科学技术大学出版社;3.高分子科学基础，顾雪蓉主编，化学工业出版社;4.高分子科学教程，韩哲文主编，华东理工大学出版社;5.高分子化学教程，王槐三主编，科学出版社;6.高分子物理，何曼君主编,复旦大学出版社;7.功能高分子与新技术，何天白主编，化学工业出版社化学学院本科生基础课第一章概论第一章概论

学习目的：(1)掌握高分子的定义及其特点；(2)掌握大分子结构式和聚合反应方程式的书写规范；(3)掌握高分子的分类、命名方法；(4)熟悉相对分子质量及其多分散性；(5)了解高分子链结构的种类和特点。化学学院本科生基础课第一章概论

？你熟知高分子材料吗？化学学院本科生基础课第一章概论化学学院本科生基础课第一章概论化学学院本科生基础课第一章概论

不饱和聚酯树脂制的钮扣化学学院本科生基础课第一章概论化学学院本科生基础课第一章概论化学学院本科生基础课第一章概论PET制品PC、PP制品化学学院本科生基础课第一章概论

LDPE及乳胶制品PP及尼龙制品化学学院本科生基础课第一章概论

吹塑成型的聚氯乙烯薄膜化学学院本科生基础课第一章概论

聚 酰 胺 长 丝化学学院本科生基础课第一章概论

尼龙制的棒材、管材和板材化学学院本科生基础课第一章概论

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尿布湿化学学院本科生基础课第一章概论

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磁悬浮列车橡皮艇化学学院本科生基础课第一章概论

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汽车用齿轮往复式气体压缩阀片 机械齿轮化学学院本科生基础课第一章概论

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耐热塑料化学学院本科生基础课第一章概论

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原来高分子材料就 在我们身边啊！化学学院本科生基础课第一章概论

高分子（材料科学与工程） 学科是一门应用背景 非常强的学科！化学学院本科生基础课第一章概论

第一章概论

第一节高分子科学简史及其重要性1.1导言高分子科学高分子化学高分子物理高分子加工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。研究聚合物加工成型的原理与工艺。化学学院本科生基础课第一章概论1.2高分子科学简史1.2.1天然高分子的直接利用及化学改性

i/直接利用

1.纤维素的利用——造纸2.蛋白质的利用——练丝、鞣革3.最早的涂料——生漆4.最早的黏合剂——中国墨

ii/化学改性

1.1839年，天然橡胶的硫化

2.硝酸纤维素的出现

3.海厄特（1870年）发明赛璐珞化学学院本科生基础课第一章概论纤维素的利用——造纸东汉（公元105年）蔡伦造纸化学学院本科生基础课第一章概论纤维素是世界上蕴藏量最大的可再生资源，据估计自然界每年产1000亿吨。纤维素的最重要的应用之一就是造纸。化学学院本科生基础课第一章概论蛋白质的利用——练丝、鞣革豆腐：西汉淮南王刘安发明了豆腐。实质是用Ca,Mg等离子使大豆球蛋白的水溶液沉淀。而冻豆腐是蛋白质冷冻变性的过程。练丝：一根蚕丝由两根丝纤合并组成，外围包着丝胶，“练”就是用浓碱去掉丝胶，才成为可染色的熟丝。鞣革：兽皮的主要成分是动物蛋白质纤维。鞣革剂与蛋白质中的氨基交联反应。最原始的方法是烟薰法，烟中的醛为鞣革剂。化学学院本科生基础课第一章概论最早的涂料——生漆

（国漆、大漆、土漆）

漆树在秦汉时期主要分布在黄河流域，后来由于中原气候变冷，漆树现主要分布在四川盆地。漆（木汁如水滴而下，形象表现割漆的情形。）

主成分是具有双键侧链的漆酚，经氧化后聚合成高分子链。化学学院本科生基础课第一章概论最早的黏合剂——中国墨

中国墨的发明人是韦诞（公元179－253）

墨＝烟灰＋明胶（粘合剂）烟灰用松木烧成的松烟最好，碳颗粒极细。明胶由动物的皮、骨骼和甲壳等熬制而成。以徽州人最擅长制墨，所以有“徽墨”之称。化学学院本科生基础课第一章概论天然橡胶的硫化CharlesGoodyear(古德伊尔）化学学院本科生基础课第一章概论

天然橡胶原产自非洲亚马逊丛林中的橡胶树，当地人把它当作球玩和直接涂在脚上用作“雨靴”。但弹性很差。人们发现它能擦掉铅笔的痕迹，给它起名为“擦子”（rubber）。割胶化学学院本科生基础课第一章概论

天然橡胶硫化方法的发现

1839年古德伊尔（Goodyear,美国）在研究保存橡胶的方法时，不小心把乳胶和硫的混合物泼洒在热火炉上，……。现在我们知道是硫使橡胶分子发生了适当的交联。

橡胶的结构是“聚异戊二烯”。橡胶交联后具有可回复的弹性。这一发现促使了橡胶工业的大发展，它主要用于制造汽车轮胎。化学学院本科生基础课第一章概论汤姆森发明充气轮胎在过去的几千年间，人们所坐的车使用的一直是木制轮子，或者再在轮子周围加上金属轮辋(wǎng)1845年，英国工程师汤姆森在车轮周围套上一个合适的充气橡胶管1890年，轮胎被正式用在自行车上，到了1895年，被用在各种老式汽车上化学学院本科生基础课第一章概论硝酸纤维素的出现舍恩拜因（瑞士巴塞尔大学）化学学院本科生基础课第一章概论

1846年的一天，瑞士巴塞尔大学的化学教授舍恩拜因在厨房做实验，不小心打破了蒸馏硝酸和硫酸的烧瓶，………。Cell-OH+HNO3H2SO4Cell-ONO2+H2O纤维素硝酸纤维素（火棉）

他公布了化学式，但把反应式卖给奥地利政府和一个英国商人泰勒。到1862年所有火棉厂都炸毁了。化学学院本科生基础课第一章概论海厄特（1870年）发明赛璐珞

美国的印刷工人海厄特（Hyatt）是一位业余化学爱好者。1870年为了找到一种象牙的代用品，他在硝酸纤维素中加入樟脑增塑。用这种方法得到的角质状材料不仅韧性好，还可热塑加工。这是历史上第一种塑料，称为“赛璐珞”（Celluloid）。可用作乒乓球、眼镜架、梳子、衣领、指甲油等。1884年柯达公司用它生产胶卷、但这种电影胶片放映时常摩擦而燃烧。化学学院本科生基础课第一章概论1.2.2合成高分子工业的发展与高分子化学的建立

i/高分子合成工业的发展

年份高分子1909酚醛树脂1927醇酸树脂1929聚乙酸乙烯酯1929脲醛树脂1931氯丁橡胶1933聚苯乙烯1935聚氯乙烯1935尼龙-661936聚甲基丙烯酸甲酯1936聚乙烯醇缩甲醛1938尼龙-61939高压聚乙烯1939聚偏氯乙烯1940丁基橡胶1941涤纶1942不饱和聚酯年份高分子1943聚氨酯1947环氧树脂1948聚丙烯腈1948ABS树脂1958顺丁橡胶1959异戊橡胶1960乙丙橡胶1959聚甲醛1958聚碳酸酯1963聚酰亚胺1965聚砜1965聚苯醚1968聚苯硫醚1970乙烯-四氟乙烯共聚物1970乙烯-三氟氯乙烯共聚物1974芳香族聚酰胺第一个人造聚合物——酚醛树脂

1907年贝克兰（美国）研制人造虫胶15万只紫虫胶，半年，分泌0.454kg虫胶树脂（漆）苯酚＋甲醛角状物质（玻璃仪器报废）反其道而行之，加热加压酚醛树脂应用于电器、刀柄、计算机外壳等化学学院本科生基础课第一章概论

贝克兰的研究持续了5年，获得100多项专利。酚醛塑料是人类有目的创造的第一种高分子，也是人类真正合成的第一种高分子。

他通过改变原料配比和反应条件，得到三种产品。

化学学院本科生基础课第一章概论ii/高分子科学的建立

HermannStaudinger（斯托丁格）: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（1953年诺贝尔奖）。

Carothers（卡罗瑟思）:建立缩聚反应理论。

化学学院本科生基础课第一章概论KarlZiegler（齐格勒）,GiulioNatta（纳塔）:乙烯、丙烯配位聚合（1963年诺贝尔奖）。

化学学院本科生基础课第一章概论PaulJ.Flory（弗洛里）:

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）。

化学学院本科生基础课第一章概论HidekiShirakawa（白川英树）,AlanG.MacDiarmid（马克迪尔米德）,AlanJ.Heeger（黑格尔）：

对导电聚合物的发现和发展（2000年诺贝尔奖）。化学学院本科生基础课第一章概论

20-40年代是高分子科学建立和发展的时期；30-50年代是高分子材料工业蓬勃发展的时期；60年代后是高分子材料大规模工业化、特种化、高性能化和功能化的时期。1.3高分子科学的重要性

i/高分子材料应用领域

衣着、电子、农业和国防等国民经济的众多部门。

近60年来全世界塑料年产量的比较图在人们日常生活中的地位化学学院本科生基础课第一章概论聚丙烯EVA聚丙烯蜜胺塑料PET聚乙烯聚四氟乙烯聚氯乙烯我被高分子包围了化学学院本科生基础课第一章概论超强粘合剂粘合5cm2的钢件，能吊起一个大铁箱。化学学院本科生基础课第一章概论室温硫化硅橡胶板耐2000℃的高温6.20mm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。特种高分子化学学院本科生基础课第一章概论医用高分子材料

由硅橡胶制作的人工心脏，能成功地移植体内。其他：隐形眼镜，人工骨，人造皮肤，自吸收手术缝线，医用胶合剂等。（不包括一次性医用材料）化学学院本科生基础课第一章概论ii/高分子材料的优点

1.品种多，功能齐全，能适应多种需要。2.加工容易，适宜于自动化生产。3.原料来源易得，价格便宜。

化学学院本科生基础课第一章概论超强吸水剂例如：淀粉接枝聚丙烯酰胺。超强吸水剂主要用于生理卫生用品，沙漠绿化，农林园艺水土保持材料、土木建筑中的止水隔水材料、工业脱水剂、人造雪、食品工业中的水凝胶等。吸水前吸水后超强吸水高分子的吸水模型化学学院本科生基础课第一章概论压敏纸

首先将隐性染料(如结晶紫内酯)的三氯联苯溶液制成微胶囊，微胶囊和酸性黏土(如高岭土)分别涂在纸的内表面形成夹层结构。当笔在纸上用力时，微胶囊破裂，隐性染料与酸性黏土反应而显色。

纸微胶囊化学学院本科生基础课第一章概论表1-2一吨塑料可代替金属的数量塑料金属(t)铝铜生铁青铜黄铜不锈钢玻璃纤维层压塑料5.85.04.4尼龙-63.610.29.8酚醛胶木粉8.3－－硬聚氯乙烯2.46.4－化学学院本科生基础课第一章概论表1-3各种材料加工制成品需要的能耗材料聚乙烯钢玻璃水泥铝能耗(kw·h/cm3)266321化学学院本科生基础课第一章概论第二节高分子的定义和基本概念2.1定义

通常将相对分子质量高于约1万的称为高分子，相对分子质量低于约1000的称为低分子，相对分子质量介于高分子和低分子之间的称为低聚物(oligomer,又称齐聚物)。

Polymer聚合物（高聚物）、高分子Macromolecule大分子、高分子化学学院本科生基础课第一章概论低分子高分子nCH2＝CH2－(CH2－CH2)n－n为聚合度化学学院本科生基础课第一章概论H－(CH2)n－H的相对分子质量与性质化学学院本科生基础课第一章概论对于高分子的强度等物性，存在着一个临界分子量M0，超过这个相对分子质量时开始出现强度。当分子量超过Ms时强度达到一定值。

化学学院本科生基础课第一章概论2.2基本概念2.2.1单体、单体单元、重复单元、结构单元

1.单体：能通过相互反应生成高分子的化合物称为单体。

2.单体单元：在聚合物链节中，与单体的元素组成相同，仅部分电子状态稍有差别的（基本）结构单元。通常与形成高分子的原料相联系。3.重复单元：是指高分子链上化学组成和结构均可重复的最小单位，在高分子物理学中，常称之为链节。4.结构单元：聚合物链中与单体相对应的最小结构单位。化学学院本科生基础课第一章概论nClHO[OC(CH2)4COHN(CH2)6NH]H[CH2CH]nOC(CH2)4COHN(CH2)6NHCH2CH

Cl式中：-NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO-和-CH2-CHCl-称为重复单元或链节，n为重复单元数或链节数。化学学院本科生基础课第一章概论

-NH(CH2)6NH-和-CO(CH2)4CO-仅是聚酰胺-66的结构单元，聚酰胺-66无单体单元，-NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO-则是其重复单元；而-CH2-CHCl-既是聚氯乙烯的结构单元和单体单元，又是其重复单元。化学学院本科生基础课第一章概论nCH2

CH Cl单体[CH2CH]n Cl

重复单元 结构单元

单体单元nHOOC(CH2)4COOH+nH2N(CH2)6NH2单体单体HO[OC(CH2)4COHN(CH2)6NH]nH+(2n1)H2O结构单元结构单元 重复(结构)单元无单体单元化学学院本科生基础课第一章概论思考题下列物质中哪些属于高分子？水羊毛肉棉花橡胶轮胎涂料化学学院本科生基础课第一章概论思考题写出下列单体形成聚合物的反应式。指出形成聚合物的重复单元、结构单元、单体单元和单体。化学学院本科生基础课第一章概论2.2.2主链、侧链或侧基

1.主链：构成高分子骨架结构，以化学键结合的原子集合。

2.侧链、侧基：连接在主链原子上的原子或原子集合，又称支链。支链可以较小，称为侧基，也可以较大，称为侧链。2.2.3聚合度和聚合反应

1.聚合度：聚合物分子所含有的结构单元的数目。通常以DP（degreeofpolymerization）表示。

注意：DP≠n

2.聚合反应（polymerization）

将许多单体键合起来形成一个大分子的反应称为聚合反应。化学学院本科生基础课第一章概论第三节高分子的分类和命名3.1分类

3.1.1按主链结构分类:

1.碳链高分子：主链完全由碳原子组成。大部分烯类和二烯类高分子属于此类。

2.杂链高分子：构成主链的元素除碳外，还有氧、氮、硫、磷等一些元素。

3.元素有机高分子：主链上无碳原子，而是由硅、硼、铝、钛和氧、氮、硫、磷等原子组成，其侧基可为含碳氢的有机基团。

4.无机高分子：主链及侧链均无碳原子。化学学院本科生基础课第一章概论碳链高分子杂链高分子元素有机高分子聚乙烯聚丙烯聚乙二醇尼龙—6聚二甲基硅氧烷

高分子的分类化学学院本科生基础课第一章概论

无机高分子

Cl[PN]n

Cl

聚氯化磷腈[Poly(phosphonitrilicchloride)]化学学院本科生基础课第一章概论3.1.2按性能用途分类:

分为塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂以及其它功能高分子。塑料：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。化学学院本科生基础课第一章概论纤维：纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。化学学院本科生基础课第一章概论橡胶：具有可逆形变的高弹性材料。化学学院本科生基础课第一章概论涂料：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。化学学院本科生基础课第一章概论粘合剂：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。化学学院本科生基础课第一章概论功能高分子：具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料。隐形飞机化学学院本科生基础课第一章概论保温薄膜化学学院本科生基础课第一章概论3.1.3按来源分类：

天然高分子、合成高分子、半天然高分子。天然高分子：自然界天然存在的高分子；合成高分子：由单体聚合人工合成的高分子。化学学院本科生基础课第一章概论3.1.4按分子的形状分类：

线形高分子、支化高分子、交联(或称网状)高分子。由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。如：均聚物Homopolymer氯乙烯单体由对苯二甲酸和乙二醇反应生成的“隐含单体”：HOOC-Ph-COOCH2CH2OH“假设单体”：乙烯醇生成均聚物的聚合反应称均聚反应（Homopolymerization)。3.1.5按单体的组成分类：

均聚物(homopolymer)、共聚物(copolymer)、高分子共混物(polyblend,又称高分子合金)。

化学学院本科生基础课第一章概论HOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-隐含单体HOOC-Ph-COOCH2CH2OHHOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OHHO(CH2)3OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-(OC-Ph-COOCH2CH2CH2O)m-HO-(CH2)5COOHHOCH2COOH-[O(CH2)5CO]m-[OCH2CO]n-共聚物共聚物均聚物共聚物Copolymer由一种以上（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。生成共聚物的聚合反应称为共聚反应。化学学院本科生基础课第一章概论3.2命名3.2.1通俗命名法(习惯命名法)

1.天然高分子:一般有与其来源、化学性能与作用、主要用途相关的专用名称。

如淀粉、纤维素、蛋白质和天然橡胶等。2.合成高分子(1)根据高分子的来源命名i/由一种单体合成的(或假想的单体)高分子，在对应的单体名称之前加一个“聚”字。仅限于由烯类单体合成的加成聚合物和个别缩聚物。

特别注意：一般不得用于缩聚物。

化学学院本科生基础课第一章概论ii/由两种单体合成的高分子，有的只要在两种单体名称上加词尾“树脂”，有的加词尾“共聚物”。“单体名称+共聚物”命名法：适用于两种或两种以上烯类单体的加聚共聚物，通常不得用于缩聚物命名。“苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物”（正确）“聚己二酰己二胺”即“尼龙-66”（正确）“己二酸己二胺共聚物”（不正确）一些由两种或两种以上单体合成的混缩聚物，取“单体简称+树脂”。(苯)酚+(甲)醛→酚醛树脂尿(素)+(甲)醛→脲醛树脂(丙三)醇+(邻苯二甲)酸(酐)→醇酸树脂三聚氰胺(蜜胺)+(甲)醛→蜜醛树脂

(2)根据结构特征命名根据高分子中重复单元或端基的结构特征来命名。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（涤纶）

聚癸二酸己二胺化学学院本科生基础课第一章概论特征基团-COO-特征基团-CONH-(3)根据商品命名3.2.2IUPAC系统命名法(1)确定重复结构单元；(2)按规定排出重复结构单元中的二级单元循序：规定主链上带取代基的C原子写在前，含原子最少的基团先写；(3)给重复结构单元命名：按小分子有机化合物的IUPAC命名规则给重复结构单元命名；(4)给重复结构单元的命名加括弧，并冠以前缀“聚”。第四节高分子的分子量

4.1高分子的平均分子量

由于反应的随机性,使得分子的聚合度常不同,因此高分子是由大大小小的高分子同系物组成。假设某一聚合物样品中所含聚合物分子总数为n，总质量为w，其中，分子量为Mi的分子有ni摩尔，所占分子总数的数量分数为Ni，则Ni=ni/n，其质量为wi=niMi，其质量分数为Wi=wi/w，∑ni=n,∑wi=w,∑Ni=1,∑Wi=1。化学学院本科生基础课第一章概论4.1.1数均分子量

按分子数统计平均，定义为聚合物中分子量为Mi的分子的数量分数Ni与其分子量Mi乘积的总和,以Mn以表示。∑niMi

Mn=∑NiMi==w/n∑ni化学学院本科生基础课第一章概论4.1.2重均分子量

按质量统计平均，定义为聚合物中分子量为Mi的分子所占的重量分数Wi与其分子量Mi的乘积的总和。以Mw表示。∑wiMi∑niMi

2

Mw=∑WiMi==∑wi∑niMiWi=wi/w，wi=niMi化学学院本科生基础课第一章概论4.1.3Z均分子量

按Z量统计的平均分子量,很难清楚表明其物理概念,由超速离心法测得。以Mz表示。

化学学院本科生基础课第一章概论

4.1.4粘均分子量

用溶液粘度法测得的平均分子量。以Mv表示。

式中的α是高分子溶液特性粘度[η]和分子量M之间的关系式[η]＝KMα中的α值,是高分子溶液中和分子链形状有关