高分子世界PolymerWorld高分子科学与工程系

高分子世界PolymerWorld高分子科学与工程系第一页，共60页。章目内容授课老师周次月日第一章绪论：神奇的高分子世界白如科二223第二章高分子的设计与合成洪春雁三32第三章光与高分子材料邹纲四

9第四章光子学聚合物张其锦五16第五章高分子导体及半导体张兴元六23第六章聚合物在生物高分子中的分离作用王延梅七30第七章凝聚与溶解朱平平八46第八章高分子化学与超分子功能材料刘世勇九13第九章高分子复合材料刘和文十20第十章电离辐射与高分子材料葛学武十一27第十一章环境与高分子材料陈昶乐十二54第十二章生物医用高分子尤业字十三11第十三章超分子化学与纳米高分子材料徐航勋十四18第十四章DNA组装与分子机器梁好均十五25高分子科学与材料概论课程上课时间表第二页，共60页。高分子科学与材料概论

第一章绪论

神奇的高分子世界

MagicPolymerWorld第三页，共60页。人类从起源以来

就与高分子结下了不解之缘

生命体系其根本都是由高分子组成

衣食住行离不开高分子材料第四页，共60页。第五页，共60页。第六页，共60页。一、高分子基本概念什么是高分子？

定义：高分子量的化合物

(>10000)

别称：聚合物－Polymer

高聚物－Highpolymer

大分子－Macromolecule

对应：低聚物(<10000)－Oligomer

或齐聚物，寡聚物。第七页，共60页。什么是聚合反应？聚合反应－Polymerization

小分子化合物

聚合物聚合物(Polymer):聚乙烯（Polyethylene，PE）单体

(Monomer):乙烯（Ethylene）第八页，共60页。

聚合物聚合度与分子量结构式：

聚合度：大分子中的重复单元数或结构单元数，n。分子量：数均分子量、重均分子量。数均聚合度、重均聚合度。第九页，共60页。

聚合物结构类型线型

LinearPolymer支化型

BranchedPolymer交联型

CrosslinkedPolymer星型及树状

StarPolymerDendrimer第十页，共60页。碳纳米管石墨石墨烯单壁碳纳米管多壁碳纳米管金刚石第十一页，共60页。二、高分子科学与材料高分子学科高分子化学（Polymerchemistry)

合成机理、结构设计、控制方法。高分子物理（Polymerphysics)

物理性质、结构与性能的关系。

高分子工艺学（Polymertechnology）

合成工艺、加工工艺。后起之秀，生气勃勃第十二页，共60页。

石器时代

(Stoneage)新石器时代

(Neolithicage)青铜时代

(Bronzeage)铁器时代

(Ironage)高分子时代(Polymerage)材料与时代高分子材料第十三页，共60页。高分子材料

60％陶瓷10％金属30％三分天下有其一地位与关联第十四页，共60页。

高分子材料PolymerMaterials信息Information生物Biology能源Energy环境Environment左右逢源化学第十五页，共60页。高分子材料分类天然高分子材料

(Naturalpolymer)

纤维素(Cellulose)、淀粉(Starch)、天然橡胶(Naturalrubber)等。

人造高分子材料

(Artificialpolymer)

硝化纤维素（塑料、电影胶片、炸药）、粘胶纤维等。

合成高分子材料

(Syntheticpolymer)

有机玻璃、涤纶、尼龙等。

从来源第十六页，共60页。高分子材料分类

塑料

(Plastics)

橡胶

(Rubber)

纤维

(Fiber)

涂料

(Coating)

粘合剂

(Adhesive)从用途第十七页，共60页。高分子材料分类有机高分子

(OrganicPolymer)

主链以碳氢为主，如聚乙烯、聚丙烯等。无机高分子

(InorganicPolymer)

主链由杂原子构成,如SiO2等。复合高分子材料

(PolymerComposite)

聚合物与无机材料复合，如玻璃钢，轮胎。生物高分子

(Biopolymer)

具有生物功能,如蛋白质(Protein)、核酸

(Nucleicacid)等。

从组成及功能第十八页，共60页。高分子材料的特点质轻：常用塑料的密度为1g/cm3，是钢铁的1/10。耐温范围宽：硅橡胶(－80℃)

聚苯并咪唑（600℃)

碳纤维（4000℃）性能优异：高强度（Kevlar，比强度为钢的8倍）

高模量高弹性（伸长率1000％）

透明性好抗腐蚀好光、电、磁等功能

种类多：满足不同的需求。易加工：节能、低成本。第十九页，共60页。Angew.Chem.Int.Ed.,2013，52，9422-9441.PU或PVC第二十页，共60页。三、发展历程天然高分子利用

7000多年前，天然油漆我国已使用天然油漆涂饰船只。中国漆(大漆)

1839年，天然橡胶硫化美国人古德伊尔（CharlersGoodyear）。

1869年，第一种人工塑料赛璐珞（Celluloid，硝化纤维素）美国人海厄特（JhonWesleyHyatt）。

1887年，第一种人造丝硝化纤维素，CountHilairedeChardonnet.第二十一页，共60页。合成高分子问世

1909年，第一种合成塑料

酚醛树脂，美国人

贝克兰德（LeoBaekeland）。大分子概念提出

1920年，提出聚合反应生成高分子。施陶丁格（HermannStaudinger）。奠定基础

1930－40年代，聚合方法及理论发展。

卡罗瑟斯（Carothers），美国人。

弗洛里（PaulFlory），美国人。

第二十二页，共60页。大发展

1950年代，配位聚合（CoordinationPolymerization)

齐格勒（KarlZiegler），德国人。纳塔（GiulioNatta），意大利人。

1960－70年代，高性能化，特种高分子合成

高强度、高模量、耐高温等。功能、复合高分子材料

1980－90年代，

功能高分子：

导体和半导体高分子、磁性高分子、光敏高分子、光导高分子、生物医用高分子、液晶高分子、高分子催化剂等等。

高分子合金：

不同的高分子混合。

复合高分子材料：

与玻璃纤维、碳纤维等复合，如玻璃钢等。第二十三页，共60页。四、辉煌的成就

起步晚：20世纪初

发展迅猛成就卓著

举世瞩目第二十四页，共60页。高分子材料的工业生产塑料

2亿吨（2003年）纤维

3790万吨（天然2410万吨）橡胶

1136万吨（天然775万吨）塑料增产迅猛，过去40年，美国增长100倍。全世界塑料产量上世纪90年代初超过钢铁(体积)。第二十五页，共60页。主要国家生产及消费量国家

产量（千万吨）

消量（千万吨）美国

4．85．1中国

1．84．0德国

1．61．2日本

1．41．0韩国

1．00．5第二十六页，共60页。高分子材料的应用高分子材料无处不在,以塑代木、以塑代金属。

尖端技术:

航天飞行器，卫星、火箭等用材。工业：电子元器件、电缆、信息记录储存传输等。农业：地膜、大棚、滴灌设备、高吸水树脂（1000倍）等。

衣：服装、防弹衣、消防服等。

食：包装、不粘锅等。住：装饰、门窗、家电、家具等。行：飞机、汽车、自行车等交通工具用材。

医：接触眼镜、一次性医疗用具、人工脏器等。

第二十七页，共60页。塑料

Plastics通用塑料：

聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。工程塑料：

尼龙、聚甲醛、聚酯、聚碳酸酯等。特种塑料：

聚四氟乙烯、Kevlar等。第二十八页，共60页。塑料

Plastics热塑性塑料(Thermoplastics)

聚乙烯,

Polyethylene：产量最大，结构最简单。

聚丙烯,Polypropylene：最轻的塑料。

聚氯乙烯，Polyvinylchloride：全能的塑料，价格低廉。

聚甲基丙烯酸甲酯，Poly(methylmethacylate)：最透明的塑料，不会碎的玻璃。第二十九页，共60页。塑料

Plastics

热固性塑料(

Thermosetts)环氧树脂

(Epoxyresins)：复合材料，粘合剂等。酚醛树脂

(Phenolicresins)：电器绝缘材料等。聚酯树脂

(Polyesterresins)：玻璃钢等。第三十页，共60页。

家庭中的聚乙烯制品

聚丙烯制品

含氟聚合物ABS树脂第三十一页，共60页。纤维

Fibers天然纤维：棉、麻、丝人造纤维：粘胶纤维(Viscosefiber)：

醋酸纤维(Acetatefiber)

硝酸纤维

合成纤维：尼龙（Nylon）：结实耐磨涤纶（Polyesterfiber）:最挺括纤维腈纶：最耐晒的纤维氯纶：保暖性最好的纤维丙纶：最轻的纤维特种纤维：碳纤维第三十二页，共60页。航天飞机降落伞碳纤维复合材料Kevlar纤维大飞机制造第三十三页，共60页。碳纤维复合材料法拉利F1车队赛车底盘由碳纤维和铝合金制成第三十四页，共60页。天然橡胶

(Naturalrubber)

：综合性能最好，生产受地域限制。合成橡胶(Syntheticrubber)

丁苯橡胶

：产量最大（占80％）。

氯丁橡胶：用途广泛，价廉物美。

丁腈橡胶：耐油性好。

乙丙橡胶：比重最轻。

顺丁橡胶：弹性最好。

丁基橡胶：气密性最好。

硅橡胶：低温性能最好。氟橡胶：全能橡胶，在最恶劣条件下使用。橡胶Rubber第三十五页，共60页。橡胶园轮胎高弹性—熵弹性第三十六页，共60页。建立了理论体系和实验方法

高分子化学高分子物理高分子工艺学

涉及多个领域

生物、材料、信息、医学、能源等。诺贝尔奖

高分子领域有数位科学家获奖。高分子科学研究第三十七页，共60页。高分子科学与诺贝尔奖

1953

施陶丁格(HermannStaudinger)1963齐格勒(KarlZiegler)和纳塔(GiulioNatta)1974弗洛里(PaulJ.Flory)1991:德让纳(Pierre-GillesdeGennes)2000:黑格(AlanJ.Hegger)、马克迪尔米德(AlanG.MacDiarmid)和白川英树(HidekiShirakawa)第三十八页，共60页。高分子科学Nobel奖获得者

突破有机化学的传统观念，首先提出了高分子的概念，以大量先驱性工作为高分子化学奠基开创了高分子学科。“forhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry”H.Staudinger(德)1953年化学奖

第三十九页，共60页。高分子科学Nobel奖获得者

K.Ziegler(德)、G.Natta(意)1963化学奖

1953年，Ziegler：

Ziegler催化剂，低压聚乙烯合成方法；

1954年，Natta：改进Ziegler催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。KarlZiegler

GiulioNatta

“fortheirdiscoveriesinthefieldofthechemistryandtechnologyofhighpolymers”第四十页，共60页。Isotacticpolymer

（全同立构聚合物）Syndiotacticpolymer

（间同立构聚合物）StereoregularPolymers第四十一页，共60页。高分子科学Nobel奖获得者P.J.Flory（美)1974化学奖

利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高分子分子量分布，即最可几分布，并利用动力学实验证实了等活性假设；引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性分子，产生了凝胶理论；Flory-Huggins格子理论；1948年作出了最重要的贡献，即提出“排除体积”理论和θ温度概念；他的著作“Principlesofpolymerchemistry”

（1953）是高分子学科中的Bible。“Forhisfundamentalachievements,boththeoreticalandexperimental,inthephysicalchemistryofthemacromolecules”PaulJ.Flory第四十二页，共60页。高分子科学Nobel奖获得者DeGennes（法)1991物理奖

对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论从临界现象认识分子，在物理-化学之间架设了桥梁提出“软物质”概念“fordiscoveringthatmethodsdevelopedforstudyingorderphenomenainsimplesystemscanbegeneralizedtomorecomplexformsofmatter,inparticulartoliquidcrystalsandpolymers”DeGennes第四十三页，共60页。高分子科学Nobel奖获得者Heeger、MacDiarmid(美)、白川英树(日)

2000化学奖导电高分子研究，聚乙炔掺杂后，电导率从

3.2x10-6Ω-1cm-1增加到38Ω-1cm-1，提高了1000万倍（接近铝、铜）提出孤子概念AlanJ.Heeger1936AlanG.MacDiarmid

b.1936b.1927HidekiShirakawa

第四十四页，共60页。白川英树（Shirakawa）从事聚乙炔聚合机理研究韩国研修生出现幸运的失误，使白川得到膜状聚乙炔偶然的机遇，麦克迪尔米德（MacDiarmid）首先注意到白川的聚乙炔膜。三人在美国合作研究。黑格（Heeger）为了说明聚乙炔的导电性，提出孤子的概念，才有了薄膜显示材料的诞生。第四十五页，共60页。高分子科学Nobel奖获得者“Forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers”第四十六页，共60页。五、发展前景可持续发展

高分子材料再利用

天然高分子的利用发展新的高分子合成方法功能、智能高分子超分子高分子及纳米结构软物质与软物理第四十七页，共60页。

可持续发展第四十八页，共60页。高分子材料再利用聚合物的再利用

例如,聚烯烃－柴油轮胎－沥青

可降解聚合物的循环利用

例如，涤纶、有机玻璃降解为单体。第四十九页，共60页。天然高分子的利用利用天然高分子生产塑料

淀粉生成塑料。乳酸生产聚乳酸。

纤维素、甲壳素的利用

功能化，可加工化。天然高分子－生物质能源气化、液化作为生物质油；利用玉米生成乙醇汽油燃料等。第五十页，共60页。聚乳酸第五十一页，共60页。第五十二页，共60页。发展新的高分子合成方法利用生物方法

如，通过微生物或酶催化合成聚合物。合成具有生物功能的高分子

如多糖，蛋白质，核糖核酸等。人工仿生方法

在环境友好条件下生成聚合物。精确控制组成与结构，如多肽等

第五十三页，共60页。功能、智能高分子电致发光高分子

聚合物发光二极管（Polymerlightemittingdiodes,

PLED)

可折叠彩色显示屏。40inchfu