第一章 高分子导论绪论

高分子材料科学导论材料科学与工程系列教材之一哈尔滨工业大学出版社主编张德庆等主讲朱亚辉总学时：32学分：2材料材料是人类赖以生存和发展的物质基础；材料是人类技术进步的标志；材料是工程技术的基础与先导；材料的使用和发展标志着人类文明的历史进程。开始本课程学习前我们应该已经知道的！钢铁材科孕育了产业革命；半导体材料促进了现代信息技术的建立和发展；复合材料及新型超合金材料为空间技术的发展奠定物质基础；光导纤维的出现又为现代数字信息技术及网络技术带来了无限美好前景。可以说人类社会的进步和技术发展过程中的每一个重大突破，都是因为有了先进的新材科而实现的。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以来高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。

材料是宇宙间可用于制造有用物品的物质。材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。

材料指为人类社会所需要并能用于制造有用器物的物质。什么是材料？材料是物质，但不是所有物质都称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格，如炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材料”，因为它属于火炮或火箭的组成部分。

材料的分类（物理化学属性）走进高分子高分子材料的应用衣食行住用科技高分子具有许多优良性能，高分子材料是当今世界发展最迅速的产业之一，目前世界上合成高分子材料的年产量已经超过2亿吨。塑料、橡胶、纤维、涂料、粘胶剂…几大类高分子材料己广泛应用到电子信息、生物医药、航天航空、汽车工业、包装、建筑、纺织等各个领域。功能高分子材料：导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等近年发展迅速，具有特殊功能。高分子材料的应用据统计，若人们对材料的需求是100%，其中高分子材料占60%。下面让我们进入高分子世界

去看看吧——常规高分子塑料橡胶纤维常规高分子粘胶剂涂料功能高分子我们使用的以上这些产品，大都来自于这样高塔林立的石油化工企业自然界里还有多种多样的天然高分子与数量庞大的天然高分子相比，人工合成高分子只是冰山一角哦！天然高分子多糖类,多肽类,核酸DNA分子的双螺旋结构deoxyribonucleicacid两股DNA长链像转圈的楼梯扶手架，围绕一个中心轴盘旋，走向相反，外侧为磷酸基团，内侧为四种碱基，通过碱基对(30亿)的氢键形成双螺旋结构。HOC、N：在碱基中C：在磷酸酯键中PDNAandRNAH|H2N—C—COOH|RCOOH|H-NH—C—H|R+HCOOH||H2N—C—CONH—C—H||RR肽键

C，H，O，N，S蛋白质Protein蛋白质Protein通过人工方法合成或重组天然高分子了解生命的起源与生命活动的规律是人类的渴望蛋白质与核酸是生命和遗传的基础蛋白质与核酸结构复杂多变蛋白质与核酸的合成与重组一直是生物化学及高分子化学领域最具有挑战性的课题我们一直在努力结晶牛胰岛素的晶体结构

含51个氨基酸残基的蛋白质核糖核酸酶A(ribonucleaseA)

124个氨基酸残基高分子材料科学导论课程的性质与任务《高分子材料学》课程：是一门系统介绍高分子材料的合成原理、制备方法、结构与性能、分析及表征、典型聚合物材料及加工等方面的专业课程，是高分子材料专业的主要专业课程之一。《高分子材料学》课程的基本任务是：通过本课程的学习，使学生系统地掌握高分子材料科学与工程学科领域的知识框架及高分子材料领域内各门相关学科之间的内在联系与规律；将先修课程有机化学、物理化学、高分子化学中的相关知识贯穿于该门课程的教学过程、并理论联系生产实践，使已学知识得到了深化和提高；对后续课程高分子化学、高分子物理、高分子材料成型加工等课程的学习做了必要的知识准备；为学生将来从事与高分子材料相关的工作奠定了坚实的基础。高分子材料科学导论课程的教学与考核方式教学方式：教师讲授+学生参与考核方式：平时成绩（50%）+期末成绩（50%）。高分子材料科学导论学生参与形式：分组（10组+10组+10组）抽签主题查阅资料——制作课件（PPT）——课堂分享举例说明：主题：汽车保险杠专用塑料

PPT内容可包括：概念、种类、生产、性质、用途、产品图片、环保、回收、价格、企业、技术、竞争、效益、产能、区域、发展、就业……第一章绪论1.1高分子材料科学概述1.2高分子材料分类1.1高分子材料科学概述研究材料的组成、结构、性能、制备和应用，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。

材料科学1。什么是材料？范围性定义：材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般都不算作材料。

材料的分类按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如半导体材料、超导材料、光电子材料、磁性材料等。

材料是早已存在的名词，但材料科学的提出则是在20世纪60年代。1957年，苏联人造地球卫星发射成功之后，美国政府及科技界为之震惊，并认识到先进材料对于高技术发展的重要性，于是在一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心，从此，材料科学这一名词开始被人们广泛地引用。

材料科学的形成是科学技术发展的结果：第一，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的研究和了解；材料科学的形成

第二，各门类之间存在着颇多相似之处，可以相互借鉴，促进本学科的发展。如马氏体相变本来是金属学家提出来的，而且广泛地用来作为钢热处理的理论基础。但在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变现象，并用来作陶瓷增韧的一种有效手段。第三，各类材料的研究设备与生产手段也有很多相似之处。虽然不同类型的材料各有专用测试设备与生产装置，但更多的是相同或相近的，如显微镜、电子显微镜、表面测试及物理性能和力学性能测试设备等。第四，科学技术的发展，要求不同类型的材料之间能相互代替，充分发挥各类材料的优越性，以达到物尽其用的目的。第五，复合材料的发展，将各种材料有机地联成了一体。复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合，通过材料科学的研究，可以对各种类型材料有一个更深入的了解，为复合材料的发展提供必要的基础2。高分子材料的存在形式天然高分子人工高分子有机高分子无机高分子1.1高分子材料科学概述3。高分子材料科学的定义：

研究：高分子材料合成结构和性能材料的应用这四个要素以及它们之间的相互关系的一门新型学科。1.1高分子材料科学概述4。高分子材料科学的基本任务（三个层次）：研究高分子材料的合成，结构和组成与材料的性质、性能之间的相互关系（高分子化学、高分子物理）；探索加工工艺和各种环境因素对材料性能的影响（高分子成型加工）；为改进工艺，提高高分子材料的质量，合理选用高分子材料，开发新材料、新工艺和新的应用领域提供理论依据和基础数据（高分子设计、新材料开发）。1.1.1高分子性（相对于小分子）先弄清两个问题：什么是高分子？（内容）高分子是什么？（定义）1.1高分子材料科学概述Staudinger定义：高分子是用共价键结合起来的大分子。扩充定义：高分子是指主链由数量很大的相同的结构单元通过共价键按照一定顺序连接而成长链大分子。1.1.1高分子性高分子化合物、大分子化合物、高分子、大分子、高聚物、聚合物

、聚合物分子

这些术语一般可以通用Macromolecules,Polymer常用的高分子的分子量一般高达几万、几十万，甚至上百万，范围在104～1061.1高分子材料科学概述一、高分子的结构特点（相对于小分子）：长链结构1.高分子是由数目很大的结构单元组成的。与此相关的性能：高强度，高弹性，高粘度，力学性能的多重性，结构的多样性等。2.一般高分子主链都有一定的内旋转自由度，可以使主链弯曲而具有柔顺性。与此相关的高分子性能：粘弹性，力学性能多重性等。3.分子间力一般大于分子键能（分子间范德华力很大）。与此相关的高分子性能：高分子一般只能表现出两态。1.1.1高分子性1.1.1高分子性4.交联高分子不溶不熔。与此相关的高分子性能：优异的物理化学性能。5.高分子的聚集态有晶态与非晶态之分，而晶态与非晶态与小分子晶体和非晶体又有很大差异。与此相关的高分子性能：高分子的物理性能。6.将高分子加工成有用的材料需要加入各种填料与助剂。二、性质特点1.力学状态的多重性：玻璃态、高弹态、粘流态2.溶液和熔体的高粘度3.粘弹性：具有固体弹性和液体粘性的材料。4.高强度、高弹性、坚韧性、柔软性5.功能高分子1.1.1高分子性1.1.2高分子合成的基本概念主链侧基（支链）、单体结构单元、重复单元或链节、单体单元聚合度（结构单元数）、重复单元数、端基或者：高分子单体聚合反应Polymerization小分子单体——能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。Monomer什么是单体？1.1.2高分子合成的基本概念结构单元Constitutionalunits单体单元monomerUnits聚丙烯聚乙二醇聚合物分子结构中出现的以单体结构为基础的原子团聚合物分子结构中由单个单体分子生成的最大的结构单元1.1.2高分子合成的基本概念对于聚烯烃类采用加成聚合的高分子单体单元与单体的结构是一致的，仅电子排布不同对于缩聚，开环聚合或者在聚合中存在异构化反应的高分子单体单元与单体的结构不一致Attention!1.1.2高分子合成的基本概念重复组成高分子的最小的结构单元。重复单元RepeatingUnits单体单元，结构单元与重复单元一致1.1.2高分子合成的基本概念重复单元与结构单元不一致重复单元与结构单元结构单元结构单元重复单元1.1.2高分子合成的基本概念Attention!对于均聚物，即一种单体聚合所得的高分子，其结构单元与重复单元是相同的对于共聚物，即使用两种或者两者以上的单体共同聚合所得的高分子，其结构单元与重复单元是不同的1.1.2高分子合成的基本概念重复单元数，也称为链节数,用n表示结构单元？＝单体单元？＝重复单元？＝链节结构单元（Constitutionalunits）单体单元（Monomerunit）

重复单元(Repeatingunit）链节(Chainelement）1.1.2高分子合成的基本概念单体单元＝结构单元＝重复单元＝链节单体单元≠结构单元＝重复单元＝链节Poly(6-hydroxy-2-naphthoicacid)Polypropylene1.1.2高分子合成的基本概念尼龙66结构单元结构单元重复单元单体单元≠结构单元≠重复单元＝链节1.1.2高分子合成的基本概念聚合度（Degreeofpolymerization）单个聚合物分子所含单体单元的数目,是衡量高分子大小的一个指标。有两种表示法：以大分子链中的结构单元数目表示，记作以大分子链中的重复单元数目表示，记作链节数n（chainelement)表示重复单元数1.1.2高分子合成的基本概念、n及易混淆的1.1.2高分子合成的基本概念仔细看看与前面有什么不同！1.1.2高分子合成的基本概念高分子链的末端结构单元。末端基团EndGroups聚乙烯：涤纶：CH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH31.1.2高分子合成的基本概念由一种（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)。1.1.2高分子合成的基本概念由一种以上（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共聚物Copolymer判别均聚物：聚合物分子有且只有一种重复单元，并且该重复单元只可以由一种（真实的、隐含的或假设的）单体衍生而来1.1.2高分子合成的基本概念特例均聚物，一种重复单元，但是可以由一种单体均聚或两种单体共聚而成1.1.2高分子合成的基本概念早期，根据单体与其生成的聚合物之间在分子组成与结构上的变化把聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。加聚反应是指聚合产物的重复结构单元的组成与单体相同的聚合反应，其聚合产物称加聚物；缩聚反应是指聚合产物的分子组成比单体分子少若干原子，即在聚合反应过程中伴随有水等小分子副产物生成，其聚合产物称缩聚物。1.1.2高分子合成的基本概念聚合反应类型：加聚反应与缩聚反应根据反应机理和动力学性质的不同，分为逐步聚合反应(Step-GrowthPolymerization)和链式聚合反应(Chain-Growthpolymerization)。逐步聚合反应是指在反应过程中，聚合物链是由体系中所有聚合度分子之间通过缩合或加成反应生成的。其中通过缩合反应生成聚合物链的称缩合聚合反应（Polycondensation），简称缩聚反应；如果聚合物链是通过加成反应生成的称逐步加成聚合反应（Polyaddition）.连锁聚合反应是指在聚合反应过程中，聚合物链是仅由单体和聚合物链上的反应活性中心之间的反应生成，并且在新的聚合物链上再生反应活性点。聚合反应类型：逐步聚合与连锁聚合1.1.2高分子合成的基本概念一、天然高聚物的利用与改性阶段（19世纪前～19世纪末）二、合成高分子工业的发展与高分子化学的建立阶段（20世纪初～40年代末）三、现代高分子材料科学阶段（20世纪50年代初～20世纪末）四、21世纪的高分子材料科学1.1.3高分子材料科学发展简史一、天然高聚物的利用与改性阶段（19世纪前～19世纪末）1、19世纪前天然高分子的加工和利用(蒙昧时期）蛋白质、淀粉、棉、毛、麻、竹、木、纸、漆、天然橡胶等。2、19世纪中叶天然高分子的化学改性(萌芽时期）天然橡胶硫化，纤维素的硝化（赛璐珞）等。

1.1.3高分子材料科学发展简史二、合成高分子工业的发展与高分子化学的建立阶段（20

世纪初～40

年代末）争鸣时期2、20世纪30至40年代高分子材料科学的创立时期塑料、纤维及橡胶三大合成材料出现缩聚理论、橡胶弹性理论、链式聚合和共聚合理论、高分子溶液理论及分子量等高分子材料理论的建立。1、20世纪初高分子材料科学创立的准备时期酚醛树脂、丁钠橡胶等合成树脂的出现。1920年HermannStaudinger

发表“uberpolymerization”论文，提出高分子是共价键键接的长链物质的概念。1、20世纪50年代现代高分子工业的确立，高分子合成大发展时期：

HDPE、PP、POM、PC、顺丁橡胶的合成；离子聚合，活性聚合，Ziegler-Natta催化剂和配位聚合；聚乙烯单晶获得，螺旋结构等高分子理论的重大发现。2、20世纪60年代高分子物理大发展时期工程塑料（PPO、Polysulfone、PBT）的出现和发展；耐高温高分子的开发（PI、聚芳酰胺）；异戊橡胶和乙丙橡胶的开发。结晶高分子，高分子粘弹性及流变学理论的提出和发展；NMR、GPC、IR、热谱、力谱、电谱等手段在高分子结构性能研究中的应用。三、现代高分子材料科学阶段（20世纪50

年代初～20

世纪末）成熟时期3、20世纪70年代高分子工程科学大发展（生产的高效化、自动化、大型化）高分子共混物（ABS、MBS、HIPS）的出现；高分子复合材料（玻璃钢）的出现；

30万吨级PE、PP、PVC

的聚合设备及工艺的设施。4、20世纪80年代后的高性能材料研究，精细高分子，功能高分子，生物医学高分子发展等。三、现代高分子材料科学阶段（20世纪50

年代初～20

世纪末）1、继续深入研究组成、结构和性能或功能之间的定性定量关系。2、按需要合成具有指定链结构的高聚物。3、研究在成型加工时，按需要产生一定的聚集态结构、高次结构以及与成型条件、工艺参数的内在联系和相互关系。4、高分子材料科学和现代信息处理技术相结合，开发高分子材料分子设计软件、计算机辅助合成路线选择软件、计算机辅助材料选择专家系统和建设高分子材料数据库等。5、精确设计、精确操作，发展完善高分子化学与物理的结合，实现高分子材料的纳米化、功能化、仿生化。四、21世纪的高分子材料科学来源天然高分子：自然界天然存在的高分子。半天然高分子：经化学改性后的天然高分子。主链元素（链原子）组成碳链高分子：主链（链原子）完全由C原子组成。杂链高分子：链原子除C外，还含O,N,S等杂原子。元素有机高分子：链原子由Si,B,Al,O,N,S,P等杂原子组成。合成高分子：由单体聚合人工合成的高分子。1.2高分子材料的分类和命名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1.2高分子材料的分类和命名性质和用途塑料纤维橡胶涂料粘胶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1.2高分子材料的分类和命名

习惯命名法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。如纤维素（来源）、核酸（来源与化学性能）、酶（化学作用）。合成高分子（1）由一种单体合成的高分子：“聚”+单体名称如聚氯乙烯、聚乙烯等1.2高分子材料的分类和命名（2）由两种单体通过缩聚反应合成的高分子：表明或不表明产物类型表明产物类型：“聚”+两单体生成的产物名称，如对苯二甲酸和乙二醇的缩聚产物叫“聚对苯二甲酸乙二酯”己二酸和己二胺的缩聚产物叫“聚己二酸己二胺”不表明产物类型：两单体名称或简称加后缀“树脂”，如

苯酚和甲醛的缩聚产物叫“酚醛树脂”

尿素和甲醛的缩聚产物叫“脲醛树脂”1.4

高分子的命名1.2高分子材料的分类和命名（3）由两种单体通过链式聚合反应合成的共聚物：

两单体名称或简称之间+“-”+“共聚物”：如乙烯和乙酸乙烯酯的共聚产物叫“乙烯-乙酸乙烯酯共聚物”（4）“聚”+高分子主链结构中的特征功能团：

指的是一类的高分子，而非单种高分子，如：

聚酯：聚酰胺：1.2高分子材料的分类和命名三种命名系统的比较一、国际理论化学和应用化学学会（IUPAC）的命名系统既能命名简单聚合物，又能命名复杂聚合物，是正规的命名系统，但有时很繁琐，至今没有得到普及运用。二、工业命名系统因为许多工业协会在他