《高分子科学基础》课件

高分子科学基础高分子科学是研究高分子材料的科学，高分子材料由许多重复的结构单元组成，例如聚乙烯、聚丙烯和聚酯等。作者：高分子的定义和特性11.大分子由许多重复结构单元（单体）通过共价键连接而成的大分子化合物。22.高聚合度重复单元的数量很多，通常在几百到几百万个之间。33.链状结构大多数高分子呈线性结构，但也存在支化、交联或环状结构。44.物理性质具有高粘度、高弹性、高强度、良好的绝缘性等特点。高分子的分类天然高分子天然高分子是由自然界中生物体合成的。合成高分子合成高分子是由人类通过化学反应合成的。链状高分子链状高分子是由多个单体以链状连接而成。网状高分子网状高分子是由多个单体以三维网络结构连接而成。高分子的分子量和分子量分布分子量单个高分子链的相对分子质量。数均分子量高分子样品中所有分子量的平均值。重均分子量高分子样品中所有分子的质量平均值。分子量分布高分子样品中不同分子量的比例。分子量分布对高分子材料的物理性能和加工性能有很大影响。高分子的化学结构高分子的化学结构是指构成高分子链的原子排列顺序和连接方式。高分子结构主要包括主链结构、侧链结构和支化结构。主链结构决定了高分子链的基本骨架，侧链结构则影响高分子的物理化学性质，支化结构则影响高分子的力学性能。高分子化学结构影响其物理性质和化学性质，如熔点、玻璃化转变温度、溶解性、力学性能等。高分子的构型直链构型聚合物链以线性方式排列，没有分支或环状结构。分支构型主链上存在侧链，影响材料的力学和热学性能。环状构型聚合物链形成闭环结构，影响材料的熔点和溶解性。网状结构多个聚合物链通过交联形成三维网络结构，提高材料的强度和刚性。高分子的聚合反应单体单体是构成聚合物的基本结构单元。例如，乙烯是聚乙烯的单体。引发剂引发剂是开始聚合反应的物质，通过生成自由基或离子来启动链增长。链增长单体分子通过与活性中心（自由基或离子）反应而相互连接，形成聚合物链。终止当两个活性中心相互相遇或与其他物质反应时，聚合反应终止。传统聚合反应自由基聚合自由基聚合是最常见的一种聚合反应，通过自由基的逐步加成反应进行。阴离子聚合阴离子聚合是由阴离子引发剂引发的聚合反应，通常在极性溶剂中进行。阳离子聚合阳离子聚合是由阳离子引发剂引发的聚合反应，通常在极性溶剂中进行。缩聚反应缩聚反应是通过两种或多种单体发生反应，并伴随小分子（如水）的脱去而形成高聚物的过程。活性聚合反应活性聚合反应活性聚合反应是指聚合过程中单体与活性中心反应，生成活性链，活性链不终止或很少终止，同时具有可控性和可逆性。特点活性聚合反应具有以下特点：可控性，可逆性，活性链，窄分子量分布，链增长反应速率快，聚合度可以控制。配位聚合反应催化剂配位聚合反应使用过渡金属催化剂。催化剂包含金属中心和配体。催化剂的结构和性质影响聚合反应的速率和聚合物的性质。单体配位聚合反应通常用于烯烃的聚合。烯烃单体与催化剂形成配合物，然后通过插入反应形成聚合物链。共聚合反应两种或多种单体通过聚合反应形成的聚合物。共聚物两种或多种不同类型的单体单元。共聚物的特性不同单体单元的比率。高分子溶液高分子溶液是指将高分子物质溶解在适当的溶剂中形成的溶液。高分子溶液与一般的小分子溶液相比，具有其独特的性质，主要体现在溶液的粘度、渗透压、沸点、凝固点等方面。高分子溶液的性质粘度高分子溶液通常具有很高的粘度。这是因为高分子链在溶液中会缠绕在一起，阻碍了流体的流动。表面张力高分子溶液的表面张力通常比纯溶剂的表面张力低。这是因为高分子链倾向于从溶液表面迁移到内部，降低表面自由能。渗透压高分子溶液的渗透压比纯溶剂的渗透压高。这是因为高分子链的存在降低了溶剂的化学势，导致溶剂从纯溶剂侧向高分子溶液侧移动。浊度高分子溶液可能表现出浊度，这意味着光线在通过溶液时会发生散射。这是因为高分子链的大小和形状会散射光线。高分子的固态结构链段运动高分子链段的运动方式主要有平移、旋转、振动等，运动程度取决于温度和高分子的结构。结晶结构部分高分子具有结晶结构，链段排列整齐有序，形成结晶区。无定形结构无定形高分子链段排列无序，没有固定的晶格结构，形成无定形区。结晶性高分子分子链排列结晶性高分子中，分子链以规则的晶格结构排列，形成有序的区域，称为晶区。熔融温度结晶性高分子具有明确的熔融温度，在熔融温度以上，晶区结构消失，材料转变为熔融状态。性能结晶性高分子通常具有较高的强度、刚度、耐热性和耐溶剂性。无定型高分子链段运动无定型高分子中，链段可以自由运动。无规律排列。玻璃化转变温度无定型高分子没有明显的熔点，而是有一个玻璃化转变温度。应用范围广无定型高分子在日常生活和工业生产中都有着广泛的应用。高分子的力学性能拉伸性能拉伸强度是指材料在断裂前所能承受的最大拉伸应力。它是衡量材料抵抗拉伸变形的能力。伸长率是指材料在断裂前所能承受的最大拉伸应变。它是衡量材料在断裂前所能承受的最大拉伸变形程度。压缩性能压缩强度是指材料在断裂前所能承受的最大压缩应力。它是衡量材料抵抗压缩变形的能力。压缩模量是指材料在弹性范围内，应力与应变的比值。它是衡量材料抵抗压缩变形的刚度。拉伸性能拉伸性能是指材料在外力作用下发生形变的能力，是衡量高分子材料强度和韧性的重要指标。拉伸强度是指材料在断裂前所能承受的最大拉伸应力，反映了材料抵抗断裂的能力。伸长率是指材料断裂前所能承受的最大伸长量与原始长度之比，反映了材料的延展性。100MPa拉伸强度100%伸长率压缩性能压缩性能是指材料在受压情况下抵抗变形的能力。高分子材料的压缩性能与其分子结构、形态结构和温度等因素有关。例如，结晶度高的聚合物通常具有较高的压缩强度和刚度。从图表中可以看出，聚氯乙烯的压缩强度最高，其次是聚苯乙烯，而聚乙烯的压缩强度最低。高分子的剪切性能剪切性能是指材料在外力作用下发生形变的特性。剪切性能包括剪切强度、剪切模量和剪切粘度等。剪切强度材料在发生剪切破坏前所能承受的最大剪切应力。剪切模量材料在剪切应力作用下产生的应变与应力的比值。剪切粘度材料在剪切应力作用下流动阻力的衡量指标。高分子的热性能玻璃化转变温度非晶态高分子从玻璃态转变为橡胶态的温度，是高分子材料重要的热性能指标。熔融温度结晶态高分子从固态转变为液态的温度，与分子链结构、结晶度等因素有关。热膨胀高分子材料在受热时体积膨胀的性质，可以通过热膨胀系数来衡量。热分解高分子材料在高温下发生分解，生成小分子物质，导致材料性能下降。玻璃化转变温度玻璃化转变温度(Tg)是指一种物质从玻璃态转变为橡胶态时的温度。对于高分子材料，当温度低于Tg时，材料呈现坚硬且脆性的固态。当温度高于Tg时，材料变得更柔软且具有弹性。Tg是一个重要的参数，它影响着材料的许多物理性能，例如强度、硬度、韧性、热稳定性和溶解度。熔融温度熔融温度是指结晶性高分子材料从固态转变为液态时的温度。熔融温度是高分子材料的一个重要性能指标，它决定了高分子材料的使用温度范围。100聚乙烯100℃160聚丙烯160℃260聚苯乙烯260℃320聚酯320℃热膨胀热膨胀是指物质在温度升高时体积膨胀的现象。高分子材料的热膨胀系数一般比金属材料高，这与高分子材料分子链的运动有关。当温度升高时，高分子链的运动更加剧烈，分子链之间的距离增大，导致材料体积膨胀。热膨胀系数是衡量材料热膨胀程度的指标，表示温度升高1摄氏度时材料体积膨胀的百分比。热分解热分解是指高分子材料在高温下发生化学键断裂的过程，导致分子链断裂、降解，最终生成小分子物质和炭黑等残留物。热分解温度是高分子材料热稳定性的重要指标，一般指高分子材料开始发生明显降解的温度。热分解温度与高分子的化学结构、分子量、形貌等因素有关。100℃200℃300℃400℃常见的热分解温度范围在100℃到400℃之间，但具体的温度会因材料种类而异。高分子的电性能11.介电性能介电常数和介电损耗是高分子电性能的重要指标。22.电导率高分子的电导率决定了其导电能力。33.电绝缘性绝缘性能对于高分子在电气设备和器件中的应用至关重要。44.静电性能静电性能是指高分子材料在摩擦或接触后积累静电荷的能力。介电性能介电性能描述材料在电场作用下的响应。高分子材料通常表现出良好的介电性能。介电常数反映材料存储电能的能力。介电损耗代表材料将电能转化为热能的程度。电绝缘性高分子材料的电绝缘性是指材料阻止电流通过的能力。高分子材料的电绝缘性与其化学结构和分子结构密切相关。例如，聚乙烯和聚四氟乙烯具有优异的电绝缘性，因为它们的分子结构中没有极性基团，并且分子间作用力较弱。10^16Ω·m聚乙烯的体积电阻率10^18Ω·m聚四氟乙烯的体积电阻率高分子的光学性能折射率折射率是指光线从一种介质进入另一种介质时发生偏折的程度。高分子的折射率与其化学结构和密度有关。吸收和发射高分子材料对光的吸收和发射特性决定了其颜色和透明度。一些高分子材料能够吸收特定波长的光，而另一些则能够发射光。光学透明度光学透明度是指材料对光线的透过能力。透明的高分子材料可以用于制造光学器件，例如透镜和窗口。光学各向异性一些高分子材料的光学性质会