高分子物理和化学

材料(cáiliào)天然或人造的、用于满足人类某种使用要求、并在储存或使用过程中保持形状(xíngzhuàn)相对不变的物质。第一页，共39页。1材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和开展(kāizhǎn)的物质根底。材料的地位(dìwèi)与作用第二页，共39页。2石器(shíqì)石器(shíqì)，陶、玉、砖瓦旧石器时代

250万年前新石器时代(shídài)1万年前高分子时代〔新材料时代〕铁器时代2500年前青铜器时代

5000年前第三页，共39页。3OrganicpolymerMetalInorganicNon-metalcomposite

第四页，共39页。4小汽车原材料构成(gòuchéng)钢/铸铁(zhùtiě)70％有色金属10％有机高分子14％玻璃3％其它3％第五页，共39页。5金属材料黑色金属(hēisèjīngshǔ)铸〔生〕铁〔含炭量％〕钢〔含炭量－％〕纯铁〔含炭量％〕碳素钢合金钢有色金属(yǒusèjīnshǔ)重金属：铜、锌、镍、铅、锡等轻金属：铝、镁、钛等贵金属：金、银、铂等稀有金属(xīyǒujīnshǔ)：钨、钼、钽、钛、铀、锗、稀土等特殊合金：非晶合金、形状记忆合金、储氢合金、超导合金、

高强高模铝锂合金、高温合金、稀土永磁合金第六页，共39页。6无机(wújī)非金属材料硅酸盐材料(cáiliào)玻璃(bōlí)陶瓷耐火材料：硅酸盐，氧化物，碳/石墨特种陶瓷结构陶瓷：Al2O3,SiC,Si3N4,ZrO2,BN搪瓷功能陶瓷:铁电陶瓷，敏感陶瓷，磁性陶瓷超导陶瓷，巨磁阻陶瓷,生物陶瓷水泥其它：单晶，人造金刚石第七页，共39页。7§1.1什么(shénme)是高分子?高分子也称高聚物、聚合物英文：Polymer,Macromolecule定义：高分子是由一种(yīzhǒnɡ)或几种结构单元以共价键重复连接而成的、分子量很大〔一般数千到数百万〕的一类分子

分子量很大有根本(gēnběn)的结构单元除少数蛋白质外，高分子化合物是一种组成相同、链长不等的同系物组成的混合物第八页，共39页。8单体(dāntǐ)〔monomer〕：能形成(xíngchéng)高分子中的结构单元的小分子化合物聚合〔Polymerization〕：由单体经化学反响形成(xíngchéng)聚合物的过程重复〔结构〕单元/链节〔repeatunit〕：能通过自身的重复连接而形成高分子的结构单元或结构单元组合单体单元〔Monomerunit):元素组成与单体相同的结构单元大局部加聚物的结构单元都为单体单元1.几个根本概念单体与结构单元可以相同，也可以不同第九页，共39页。9聚合度Xn：高分子中含有(hányǒu)结构单元的数目。平均聚合度Xn：高分子化合物中平均含有(hányǒu)结构单元的数目平均(píngjūn)分子量Mn＝nM0＝XnM0重复结构单元分子量结构单元平均分子量1.几个根本概念第十页，共39页。10*一种(yīzhǒnɡ)高分子一定有结构单元，(但它们不一定是单体单元)，但不一定有重复结构单元。加聚物均聚：结构单元(dānyuán)＝单体单元(dānyuán)，有重复单元(dānyuán)无规共聚：结构单元(dānyuán)＝单体单元(dānyuán)，无重复单元(dānyuán)缩聚物均聚：结构单元≠单体单元，有重复(chóngfù)单元无规共聚：结构单元≠单体单元，无重复(chóngfù)单元第十一页，共39页。112.汽油(qìyóu)与PE－－量变到质变CH4C4H10C6H14汽油(qìyóu)蜡高分子的性质很大程度上由其巨大(jùdà)的分子量所决定聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯……..麦牙糖,蔗糖淀粉纤维素葡萄糖果糖第十二页，共39页。123.高分子与金属(jīnshǔ)、陶瓷根本性质高分子金属陶瓷元素组成：非金属金属金属＋非金属结构特征分子－共价键原子－金属键原子－共价键范德华力离子键密度－1.5>2.73－5绝缘√X√隔热√X√耐腐蚀√X√耐热室温(shìwēn)几百上千耐老化X√√燃烧性易燃不燃不燃硬度低高高制造合成冶炼烧结加工塑造机加X

第十三页，共39页。13第十四页，共39页。14

为什么要学1.高分子材料是材料大家庭中不可或缺的重要(zhòngyào)成员之一高分子是人类生活(shēnghuó)不可或缺的材料高分子是高技术、国防(guófáng)现代化不可或缺的材料衣、食、住、行、用航空、航天、卫星、导弹、信息、电子、化学、化工、文体2.高分子与生命现象息息相关蛋白质〔Protein〕DNA，RNA：生命的根底纤维素〔Cellulose〕：植物的主体3.高分子科学是年轻而充满活力的学科4.高分子的研究与应用已经渗透到材料科学与工程的各个领域第十五页，共39页。15中国合成树脂(héchénɡshùzhī)产量1949200吨(赛璐珞,电木粉)1958第一套PVC装置(辽宁锦州)19625000吨/年乙烯工程(兰州石化)197630万吨/年乙烯工程投产(燕山石化)1990227万吨2019合成树脂3130万吨世界第一(2亿吨)合成纤维(héchéngxiānwéi)2241万吨世界第一(4000万吨)合成橡胶222万吨世界第二(1200万吨)涂料600万吨世界第二(2800万吨)中国(zhōnɡɡuó)-----生产大国----消费大国第十六页，共39页。16生物材料(cáiliào)－－人工骨，人工脏器电子材料(cáiliào)－－光致抗蚀剂，投影屏，复合材料(fùhécáiliào)－－有机－无机复合材料(fùhécáiliào)〔压电、磁电、摩擦、耐磨……..)有机－金属复合材料(导电浆料、塑料磁铁〕新型陶瓷制备－－浇注、注射、挤出、流延能源材料－－聚合物固态电解质〔锂离子电池〕固态离子交换膜〔燃料电池〕材料系第十七页，共39页。17§1.3高分子科学的开展(kāizhǎn)历史1.高分子合成(héchéng)工业的开展高分子远在人类诞生(dànshēng)以前就存在人类在认识高分子之前就一直在使用高分子材料棉、麻、丝、毛皮、木、竹、大漆1839年－－橡胶硫化－美Goodyear1846年－－硝化纤维素－瑞士Schonbein1868年－－赛璐珞〔Celluloid〕－美Hyatt1870年赛璐珞的工业化标志着塑料时代的开始第十八页，共39页。181865年－醋酸纤维素〔Celluloseacetate〕，1924年制成塑料(sùliào)、纤维1889年－Regeneratedcellulosefibers〔铜氨纤维(xiānwéi)〕1892年－Viscoserayonfibers〔粘胶纤维(zhānjiāoxiānwéi)〕1912年－celluphane〔赛璐玢〕－玻璃纸天然或天然改型高分子第十九页，共39页。191872年－拜耳〔德〕，后来(hòulái)克莱贝格Phenol＋formaldehyde树脂(shùzhī)状物冷硬物1907年－Backland(美〕控制(kòngzhì)反响条件、配比和加工条件，制得塑料1909年工业化〔称Bakelite，是第一种合成塑料〕1909年酚醛树脂的工业化标志着高分子时代的开始20~30‘s，合成一大批高分子45~60‘s高分子合成工业迅速开展第二十页，共39页。202.高分子科学(kēxué)的诞生1877年F.A.Kekuler’指出：绝大多数与生命直接(zhíjiē)联系在一起的天然有机物－－蛋白质、淀粉、纤维素－－可以由很长的链组成，并且这种特殊的结构决定了它们具有特殊的性质有机(yǒujī)和胶体化学传统否认1893年设想：Cellulose是由葡萄糖连成的长链未得到证明合成了聚合度为30的单分散度肽1920年，H.Staudinger(德〕提出大分子理论，第一次用“大分子〞〔macromolecule〕概念受到胶体缔合论的强力反对，至1930年获普遍接受，

1953年Nobel化学奖第二十一页，共39页。211929年Carothers(Dupont)高分子合成(héchéng)系统研究,开发聚酯，聚酰胺30‘s初~50’s初高分子科学迅速开展和完善高分子化学(huàxué)与物理的根本理论初步建立和形成一大批新型高分子开发成功〔PMMA，PS，PVC，PVAc，UF，EP，ABS〕50‘s后期(hòuqī)，K.Ziegler〔德〕G.Natta〔意〕创造配位〔定向〕聚合方法,开发HDPE，PP1963年Nobel化学奖同期，MSwarc〔美〕创造活性聚合方法开发出POM，PC，顺式聚异戊二烯，顺丁橡胶，EPR，PI，PPO等第二十二页，共39页。22P.J.Flory〔美〕在高分子物理化学(wùlǐhuàxué)方面奉献杰出，1974年Nobel化学奖AlanJ.Heeger〔美〕,AlanG.MacDiarmid〔美〕,白川英树〔日〕导电高分子领域奉献(fèngxiàn)杰出，2000年Nobel化学奖第二十三页，共39页。23施陶丁格尔小传(xiǎozhuàn)

(HermannStaudinger)(1881—1965)1881年3月23日生于德国莱因兰—法耳次州的沃尔姆斯；1907年毕业于施特拉斯堡大学，获博士学位。同年聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授(jiàoshòu)。1912年于苏黎世工业大学任为化学教授(jiàoshòu)。1920年，发表“论聚合反响〞的论文，提出高分子的概念；1932年，出版划时代的巨著?高分子有机化合物?1953年获诺贝尔化学奖；1965年9月8日在弗赖堡逝世，终年84岁。第二十四页，共39页。243.中国(zhōnɡɡuó)的高分子研究1950年，长春应化所，合成橡胶与纤维素化学(huàxué)研究1951年，唐敖庆首篇论文〔橡胶尺寸计算，中国化学会誌〕在吉林大学开展(kāizhǎn)高分子统计理论研究50’s初，王葆仁〔52〕，中科院上海有机所建立有机玻璃和尼龙6研究组

冯新德在北大开设高分子化学专业何炳林在南开大学开展离子交换树脂研究钱人元〔52〕在长春应化所，53年在上海有机所分别建立高分子物理化学研究组，开展高分子溶液性质研究〔56年迁京入北化所〕钱保功在长春应化所开展高聚物粘弹性及辐射化学研究徐僖在成都工学院〔现川大〕开设塑料工程专业，开展塑料成型加工研究第二十五页，共39页。25高分子科学－追踪(zhuīzōng)、学习的过程中成长、壮大和提高高分子工业－引进(yǐnjìn)－消化－再引进(yǐnjìn)中国高分子科学的开展(kāizhǎn)对中国高分子工业推动多用的潜力远未发挥出来总体：追踪、仿效国外科学前沿，难以产生在国际上有创新意义的重大成果，与国际水平有相当大的差距第二十六页，共39页。26§1.4高分子的分类(fēnlèi)和命名1.4.1命名(mìngmíng)1.习惯命名(mìngmíng)均聚加聚物：对应单体前加“聚〞聚乙烯，聚丁二烯，聚甲醛……特例(tèlì)：聚乙烯醇共聚加聚物：？？？共聚物乙烯－醋酸乙烯酯共聚物〔EVA〕，乙丙共聚物

线型缩聚物：以官能团类型命名聚酯，聚氨酯，聚碳酸酯，聚醚，聚酰胺，聚酰亚胺……

体型缩聚物：？？？树脂酚醛树脂，环氧树脂，醇酸树脂商业名称纤维：？纶涤纶，氰纶，锦纶，氨纶橡胶：？？橡胶丁苯橡胶，顺丁橡胶尼龙〔Nylon〕，特富龙〔Teflon〕第二十七页，共39页。271.4.2分类(fēnlèi)1.按用途(yòngtú)2按来源(láiyuán)5按主链元素组成3.按热行为7.按合成路线6.按分子形态从不同侧面描述高分子4.按力学行为第二十八页，共39页。28化学(huàxué)功能别离(biélí)功能电功能(gōngnéng)光功能医用其它

塑料Plastics

橡胶Rubbers

纤维Fibers

涂料Coatings

粘合剂Adhesives

通用高分子

功能高分子1.按用途第二十九页，共39页。292按来源(láiyuán)天然高分子—Protein,Cellulose,NR半合成(héchéng)高分子—改性纤维素,改性淀粉合成(héchéng)高分子—PE,PP,….3.按热行为(xíngwéi)热塑性高分子热固性高分子可屡次加热熔融而无明显物理化学变化，如PE，PVC加热后发生化学反响生成具有三维网状结构的不熔不溶产物，如PF，EP4.按力学行为弹性体非弹性体第三十页，共39页。305按主链元素(yuánsù)组成有机(yǒujī)高分子有机(yǒujī)－无机高分子无机高分子碳链高分子：主链仅由C元素组成，如Polyolefin，PVC…..杂链高分子：主链中除C外，还含有O、N、S、P、等有机物中常见元素，如PA、Polyester、Polyether……主链中主要含Si、B、Al、Ti等元素，与氧连接，侧基为有机基团，如聚硅氧烷高分子中无含碳有机基团，如玻璃，石棉第三十一页，共39页。317.按分子(fēnzǐ)形态线形(xiànxínɡ)(linear)枝形(branched)梳形(Comb)星形(star)梯形(Ladder)网状(network,Cross-linking)超枝化6.按合成(héchéng)路线加聚物---PE,PP,PS….缩聚物---PA,PET,….第三十二页，共39页。32§1.5高分子的分子量和分子量分布(fēnbù)Molecularweight&Molecularweightdistribution除少数几种蛋白质外，无论是天然的还是合成的高分子,其分子量都是不均一的，称高分子分子量的多分散性〔Polydispersity)。故聚合物的分子量只有统计意义，实验测定(cèdìng)的分子量只是具有统计意义的平均值。测定聚合物分子量的方法有许多，如端基分析、沸点升高、光散射、小角X－射线衍射(yǎnshè)、粘度法等。它们有各自优缺点和适用的分子量范围，其结果表达的分子量意义和数值也不相同第三十三页，共39页。331数均分子量〔Number-averagemolecularweight〕按物质的数量(shùliàng)统计(First