《高分子化学B》课件

高分子化学B本课程主要介绍高分子化学的基础知识，包括高分子结构、性能、合成和应用等。作者：高分子的定义和特性定义高分子是由许多结构单元通过化学键连接而成的具有高相对分子质量的化合物。特性高分子通常具有较高的熔点和沸点。高分子具有良好的机械强度和韧性。高分子具有较好的耐化学腐蚀性。高分子具有较好的电绝缘性。性质高分子的结构和性质与其分子链的长度、分支、交联和取向等因素有关。高分子的分类聚乙烯聚乙烯由乙烯单体聚合而成，具有优异的物理和化学性能。聚酯聚酯是由二元酸和二元醇缩聚而成的，具有优异的强度、弹性和耐热性。聚丙烯聚丙烯是由丙烯单体聚合而成的，具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。天然橡胶天然橡胶是一种天然聚合物，具有良好的弹性和耐磨性。聚合反应的类型11.链增长聚合单体通过自由基、阴离子或阳离子机制，以逐步加成的方式形成高分子链。22.步生长聚合单体通过逐步反应形成二聚体、三聚体，最终形成高分子链。33.共聚合反应两种或多种单体通过聚合反应形成含有不同单体单元的共聚物。链增长聚合1引发自由基或离子引发剂引发单体聚合2增长活性中间体与单体反应，形成聚合物链3终止两个活性中间体结合或与引发剂反应，结束链增长链增长聚合的特点是，单体分子逐个加到活性中间体上，形成长链聚合物。步生长聚合逐步反应单体分子通过逐步反应，形成二聚体、三聚体，最终形成高分子。链增长速度慢反应初期，单体转化率低，粘度变化缓慢。反应后期，粘度快速增加。反应可逆反应过程中，会存在副反应，影响最终产物的分子量和性能。影响因素反应温度、催化剂、单体浓度等因素，会影响聚合速率和最终产物的分子量。共聚合反应共聚合反应是两种或两种以上单体发生聚合反应生成两种或两种以上单体单元组成的高分子化合物。共聚合反应可以使高分子材料的性能得到改善，例如提高强度、韧性、耐热性等。1无规共聚单体单元在聚合物链中随机分布2交替共聚两种单体单元交替排列3嵌段共聚两种单体单元以不同的序列组成大块4接枝共聚一种单体单元以侧链的形式连接到另一种单体单元的主链上不同的共聚类型会影响最终聚合物的性能。例如，无规共聚通常会导致性能的均一性，而嵌段共聚则可能带来独特的性能，例如相分离和微相结构。聚合度和分子量分布聚合度是指每个高分子链中重复单元的数目，它直接影响高分子的物理和化学性质。分子量分布是指高分子样品中不同分子量链的相对含量，反映了聚合反应的均一性。1数均分子量所有分子量的平均值2重均分子量按分子量加权的平均值3粘均分子量根据溶液粘度测定高分子溶液的性质溶解度高分子溶液的溶解度受高分子链的结构、极性、分子量和温度等因素影响。非极性高分子溶于非极性溶剂，极性高分子溶于极性溶剂。粘度高分子溶液的粘度取决于高分子链的长度、形状、浓度和温度。高分子链越长，溶液粘度越高。渗透压高分子溶液的渗透压是指溶液通过半透膜渗入纯溶剂的压力。渗透压与溶液的浓度和高分子链的分子量有关。光散射光散射是高分子溶液中光线被溶质粒子散射的现象。散射光的强度与溶液的浓度和高分子链的尺寸有关。高分子溶液的稀溶液粘度稀溶液粘度是指在一定温度下，高分子溶液的粘度与其浓度的关系。稀溶液粘度可以用来测定高分子的分子量，并可以反映高分子链在溶液中的构象和相互作用。稀溶液粘度的测定方法通常采用毛细管粘度计。毛细管粘度计是一种简单易用的测量溶液粘度的仪器。通过测量溶液在毛细管中的流动时间，就可以计算出溶液的粘度。高分子溶液的渗透压渗透压溶液中溶质粒子对半透膜产生的压力影响因素溶液浓度、温度、溶质分子量应用测定高分子分子量、研究高分子溶液的性质渗透压的大小与溶质的浓度和分子量有关，可用于测定高分子溶液的分子量。渗透压与溶液的蒸汽压降低、沸点升高和凝固点降低等性质密切相关，共同构成了溶液的依数性。高分子溶液的二次维里系数二次维里系数(A2)是一个重要的热力学参数，反映了高分子溶液中溶质-溶剂之间相互作用的强度。A2的正负值可指示高分子链之间的相互作用是吸引还是排斥。0A2>0溶液中高分子链之间存在排斥作用。0A2<0溶液中高分子链之间存在吸引作用。0A2=0高分子链之间没有相互作用。高分子溶液的沉淀溶液不稳定性当溶剂的质量分数低于临界值时，高分子溶液不再稳定，发生沉淀。沉淀机制沉淀过程伴随着高分子链的缠结和聚集，形成不溶性相。沉淀因素温度、溶剂、非溶剂、高分子链长度和浓度等因素都会影响沉淀。应用沉淀技术可用于分离、纯化和表征高分子。高分子的热力学性质焓变高分子链的运动和相互作用。熵变高分子链的排列和构型。自由能焓变和熵变的综合影响。玻璃化转变温度高分子材料从玻璃态转变为橡胶态的温度。高分子的结晶与非晶态晶态聚合物分子链排列整齐，形成规则的晶格结构。非晶态聚合物分子链无序排列，没有明显的晶格结构。高分子的玻璃化转变温度玻璃化转变温度(Tg)是一个重要的指标，用于描述高分子材料从玻璃态到橡胶态的转变温度。Tg是指高分子链段运动能力发生显著变化的温度，在Tg以下，高分子链段运动受限，材料表现出脆性，在Tg以上，链段运动活跃，材料表现出柔性。高分子的结构与性能关系11.结构单元单体类型影响聚合物的性能。例如，聚乙烯和聚丙烯具有不同的力学性能。22.分子量分子量越高，聚合物强度、刚度和熔点越高。33.链结构线性、支化和交联结构影响聚合物的柔韧性和流动性。44.官能团官能团影响聚合物的物理和化学性质，例如极性、溶解性和反应活性。热塑性高分子定义热塑性高分子是指在加热时可以软化，冷却时可以固化的材料。它们可以重复熔融和固化，并且在固化过程中不会发生化学变化。特性热塑性高分子具有可塑性、可回收性、易加工性等特点，可以制成各种形状和尺寸的制品。常见的热塑性高分子包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。热固性高分子不可逆交联热固性高分子在加热过程中会发生不可逆的交联反应，形成坚硬的固体结构，无法再次熔融。高强度和硬度由于交联结构的形成，热固性高分子具有较高的强度和硬度，耐高温、耐腐蚀，具有良好的机械性能。不可回收由于不可逆的交联反应，热固性高分子无法通过加热熔融，因此无法回收利用，造成环境污染。应用领域广泛应用于制造汽车、飞机、电子产品、建筑材料等领域。弹性高分子橡胶橡胶具有优异的弹性、耐磨性和密封性，广泛用于轮胎、密封件和橡胶制品。硅橡胶硅橡胶耐高温、耐低温、耐化学腐蚀，广泛用于电子、医疗和航空航天领域。聚氨酯聚氨酯具有优异的弹性、耐磨性和耐油性，广泛用于鞋材、家具和涂料。热塑性弹性体热塑性弹性体兼具热塑性塑料的加工性能和弹性高分子的弹性，广泛用于汽车、医疗和包装领域。纤维高分子高强度纤维高分子具有优异的拉伸强度和耐磨性，可用于制造各种织物。柔韧性纤维高分子材料具有良好的柔韧性，可以弯曲和折叠，易于加工成型。吸湿性一些纤维高分子具有良好的吸湿性，可用于制造衣物和家用纺织品。耐热性一些纤维高分子具有良好的耐热性，可用于制造耐高温的材料。高分子的加工成型1塑化将高分子材料加热到一定的温度，使其软化或熔融，以便于成型。2成型将塑化后的高分子材料填充到模具中，并施加压力，使其成型为所需的形状。3冷却固化将成型后的高分子材料冷却至室温，使其固化，保持其形状。高分子的化学改性11.接枝共聚将一种单体接到已有的高分子链上，改善高分子材料的性能。22.交联反应通过化学反应引入交联点，改变高分子链的结构，提高材料的强度和热稳定性。33.氧化降解通过氧化反应，降低高分子材料的分子量，使材料更容易加工或降解。44.氢化反应将不饱和键转化为饱和键，改善高分子材料的耐热性和抗氧化性能。聚合物合成技术自由基聚合自由基聚合是一种常见的聚合反应类型，涉及自由基引发剂的加入，引发单体之间的链增长反应。自由基聚合广泛应用于各种塑料、橡胶和涂料的生产。配位聚合配位聚合利用过渡金属催化剂，控制单体聚合的立体化学结构，生成具有特定结构和性能的聚合物。配位聚合常用于生产高密度聚乙烯和聚丙烯等高性能聚合物。开环聚合开环聚合以环状单体为原料，通过开环反应生成线性聚合物，可以合成多种具有特殊性能的聚合物。开环聚合广泛用于生产聚酯、聚醚和聚酰胺等重要的聚合物。活性聚合活性聚合是一种特殊的聚合反应类型，能够实现高聚合度和窄分子量分布的聚合物合成。活性聚合技术可用于生产具有特定性能的聚合物，例如用于生物医药领域的生物降解聚合物。高分子材料的表征方法分子量测定确定高分子链的平均长度，影响其物理性能。结构分析解析高分子链的结构，包括链的构型、结晶度等。热力学性质了解高分子材料的熔点、玻璃化转变温度等。力学性能测试评估高分子材料的强度、韧性、弹性等。高性能高分子材料高强度纤维高强度纤维，如Kevlar，在航空航天和军工领域得到广泛应用。耐高温材料耐高温材料，例如PBI纤维，在高温环境下依然保持稳定性能，适合于特殊工况。导电高分子导电高分子材料，如聚乙炔，在电子器件领域有广泛应用。生物基和可降解高分子材料生物基材料来源于可再生资源，例如植物、动物或微生物。可持续性强，有助于减少对化石燃料的依赖。可降解材料在自然环境中可以被微生物降解，不会造成环境污染。可应用于包装、农业、医疗等领域，取代传统塑料制品。高分子材料在能源领域的应用太阳能电池高分子材料用于制造太阳能电池板，提高光电转换效率，降低成本。风力涡轮机高分子复合材料制造风力涡轮机叶片，重量轻，强度高，可提高发电效率。燃料电池质子交换膜燃料电池使用高分子材料，作为电解质，促进氢气和氧气反应产生能量。储能电池高分子材料制备锂离子电池电极材料，提高能量密度和循环寿命。高分子材料在医疗领域的应用生物相容性材料高分子材料在生物医学领域具有广泛应用。例如，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等材料制成的医疗器械，如导管、人工关节等。药物缓释载体高分子材料可用于制备药物缓释系统，控制药物释放速率，提高治疗效果。组织工程可用于构建生物支架，促进组织再生和修复，例如，聚乳酸、聚羟基乙酸等生物可降解材料。高分子材料在电子信息领域的应用高分子材料的独特性质高分子材料在电子信息领域具有独特优势，例如轻便、耐用、可加工性强和成本低廉等。应用领域广泛高分子材料可用于制造电子器件的绝缘层、保护