《高分子材料基础》讲稿(1.ppt

1、高分子材料基础 第一、二章,1,高分子材料基础,主讲:陈绮丽,高分子材料基础 第一、二章,2,参考书,材料加工原理（高分子材料加工部分） 1.材料科学基础 刘智恩主编 西北工业大学 2.5 分子相 3.5 陶瓷、聚合物的凝固 6.6 聚合物的变形 2.材料加工原理 第五章 高分子材料加工原理 3.高分子材料基础 张留成 瞿雄伟 丁会利编著 化学工业出版社教材出版中心 第一章，第二章2.1，第三章，第四章4.1 4.高分子材料流变学 吴其晔 巫静安 高等教育出版社 第一章，2.4，2.5，2.6，第五章；6.2，7.2；8.1，9.1；9.2,高分子材料基础 第一、二章,3,建议复印资料,高分子

2、材料基础 张留成 瞿雄伟 丁会利编著 化学工业出版社教材出版中心 第一章 材料科学概述 第二章 高分子材料的制备反应 2.1高分子与高分子材料（复印P26-30） 第三章 高分子材料的结构与性能 3.1 聚合物结构（复印P94-110） 第四章 通用高分子材料 4.1 塑料 （复印P160-186） 高分子材料流变学（借用） 吴其晔 巫静安 高等教育出版社,高分子材料基础 第一、二章,4,第一章 材料科学概论,1.1 材料与材料科学 1.2 材料结构简述,高分子材料基础 第一、二章,5,1.1 材料与材料科学,1.1.1 材料及材料化过程(材料工艺过程) 材料具有满足指定工作条件下使用要求的形

3、态和物理性状的物质称为材料。 材料总是和一定的用场相联系。材料可由一种物质或若干种物质构成。同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用场各异的不同类型的材料。 例如：聚丙烯聚合反应 聚丙烯塑料 纺丝加工 腈纶 （聚酯纤维涤纶，聚酰胺纤维锦纶） 材料是物质，但不是所有的物质都是材料，如燃料、化学原料、工业化学品、食品和药品，一般都不算材料，金属、陶瓷、聚合物、玻璃、木材、石头、半导体等都是材料。 由化学物质或原料转变成适应于一定用场的材料，其转变过程称为材料化过程或材料工艺过程。,高分子材料基础 第一、二章,6,1.1.2 材料的类别,高分子材料基础 第一、二章,7,金属材料 黑色金属主

4、要以铁碳为基的合金，包括碳钢、合金钢、不锈钢、 铸铁。钢的性能主要由渗碳体的数量、尺寸、形状 及分布决定的。 有色金属除铁之外的纯金属或以其为基的合金。 如铝合 金、铜合金、镁合金、钛合金等 无机材料是由无机化合物构成的材料，其中包括如锗、硅、碳之类的单质所构成的料。 有机材料（高分子材料）是由脂肪族和芳香族的CC 共价键为基本结构的高分子构成的，也 称为有机材料。高分子材料可分为天然有机材料和人工合成有机材料。 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，用适当的工艺方法组合起 来，而得到的具有复合效应的多相固体材料称之为复合材料。 复合效应是指通过复合所得的产物性能优于组成它的材料

5、或具有新的性能特点。 如增强玻璃纤维塑料、钢筋混凝土等。 根据构成原料在复合材料中的形态，可分成基体材料和分散材料。,1.1.2 材料的类别,高分子材料基础 第一、二章,8,1.1.3 材料科学的范畴及任务,材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学。 其研究内容： 1、从化学的角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系规律； 2、从物理学角度出发，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系。 在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学依据。,高分子材料基础 第一、二章,9,12材料结构简述,宏观组织结构是用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、

6、相的集合状态。 显微组织结构（亚微观结构）是借助光学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构,其尺寸约为10-7-10-4m。 微观结构比显微组织结构更细的一层结构。包括原子及分子结构以及原子和分子的排列结构。,高分子材料基础 第一、二章,10,121 原子结构,原子组成： 原子核由中子及带正电的质子组成 围绕原子核的电子组成 原子的质量主要集中在原子核，电子的质量可忽略。 原子结构一般都是指原子的电子结构。 根据量子力学原理，在原子内，电子具有不连续的能级，每个电子的能级和状态由四个量子数决定，即： 主量子数（电子层数） 角量子数（电子亚层和电子云形状） 磁量子数（

7、电子云在空间伸展方向） 自旋量子数（电子自旋）,高分子材料基础 第一、二章,11,高分子材料基础 第一、二章,12,1.2.1.1电子的运动状态,电子层:是按电子出现几率最大的地方离核的远近来划分的,通常用K、L、M、N、O、P、Q等表示，也可用第1层、第2层、等表示。 电子亚层：属于同一电子层的各个电子所处的能级有差别，根据这些差别把一个电子层划分为一个或一个以上的的电子亚层，用s、p、d、f等表示，能级高低顺序是：spdf 电子云在空中的伸展方向：s亚层1个方向，p亚层3个方向，d亚层5个方向，f亚层7个方向 电子的自旋：电子的自旋方向有两种，即顺时针和逆时针，用和表示。,高分子材料基础

8、第一、二章,13,高分子材料基础 第一、二章,14,1.2.1.1电子的运动状态,泡利(W.Pauli)不相容原理： 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子。 如果有两个电子处于电子层、电子云的形状和空间伸展方向都相同的轨道，那么他们的自旋方向必然相反。 因此每个轨道最多只能容纳2个电子。,高分子材料基础 第一、二章,15,高分子材料基础 第一、二章,16,1.2.1.2原子核外电子的分布与周期系,电子能级的高低顺序： 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d 最低能量原理:电子总是尽先占据能量最低轨道. 洪特（F.Hund）规则：在属于同一电子亚层的各个

9、轨道上，电子尽先占据不同的轨道而且自旋平行。如： 碳 1s22s22p2 2p层的分布是 氮 1s22s22p3 2p层的分布是,高分子材料基础 第一、二章,17,高分子材料基础 第一、二章,18,1.2.2 结合键,结合键：原子之间或分子之间的系结力称为结合键或价键。 化学键：在化学上把物质中分子或晶体中微粒（原子、离子或电子）间的相互作用力称为化学键。,高分子材料基础 第一、二章,19,1.2.2.1 离子键,离子键：是由正离子和负离子之间相互作用所形成的化学键。 当一种材料含有两种或两种以上原子时，一种原子将其价电子贡献给另一种原子从而填满这种原子的外层能壳层，所产生相反电荷的离子相互吸

10、引形成离子键。 特点：由离子键构成的材料具有结构稳定、熔点高、硬度大、膨胀系数小等特点。,高分子材料基础 第一、二章,20,1.2.2.2 共价键,原子之间通过共用电子对而产生的结合作用称为共价结合即共价键。 如：H+H. H:H 共价键具有方向性和饱和性两个特点。 饱和性：当1个电子与另1个电子配对以后，就不能再与第3个电子成键，否则其中必要2个电子因自旋相同而排斥，这叫共价键的饱和性。 方向性：当两个原子形成共价键时，总是沿着能使电子云重叠最多的方向进行，因重叠越多，共价键越牢固，这就决定了共价键的方向性。 由共价结合而形成的材料一般都是绝缘体。除高分子类由链状分子构成的材料外，大多数共价

11、键结合的材料其延展性都比较差，其强度高，硬度大，脆性大，熔点高。,高分子材料基础 第一、二章,21,2个O-H键的夹角（叫键角）为10440,甲烷的杂化轨道 每个轨道含有1/4s和3/4p成分,高分子材料基础 第一、二章,22,单键：共价键中只含有1个共用电子对，叫单键（键）。 双键：含有2个共用电子对所形成的共价键叫双键。（乙烯分子中含有3个键和1个键） 三键：含有3个共用电子对所形成的共价键叫三键。（如乙炔中含有2个键和2个键）,乙炔分子(C2H2)中，2个sp杂化轨道（1/2s和1/2p）所形成的键，每1个碳原子上的2个p电子，形成2个互相垂直的键,高分子材料基础 第一、二章,23,乙烯

12、分子(C2H4)中，每个碳原子周围有3个键，是碳原子与2个氢原子和另1个碳原子组成的杂化轨道（含有1/3s和2/3p成分），2个碳原子各自留下1个p电子构成了键。,高分子材料基础 第一、二章,24,1.2.3 非晶体结构和晶体结构,材料一般以固体状态使用。 按固体中原子排列的有序程度，固体有非晶态结构、结晶态结构。 非晶态结构：原子排列近程有序而长程无序的结构。 晶态结构：原子在三维空间呈周期性的无限有序排列结构。,高分子材料基础 第一、二章,25,高分子材料基础 第一、二章,26,高分子材料基础 第一、二章,27,晶体结构与非晶体结构的不同点,高分子材料基础 第一、二章,28,1.3 材料性

13、能的,高分子材料基础 第一、二章,29,1.4 材料工艺及其与结构和性能的关系,高分子材料基础 第一、二章,30,第1章 习题,1试从不同角度把材料进行分类，并阐述三大材料的特性。 2试论述材料原子结构的组成。 3已知下列原子C、O、S、Ca的原子序数分别为：6 、8、 16、20，试写出各原子的电子结构。 4原子之间或分子之间的结合键一般有哪些形式？试论述各种结合键的特点。 5何为晶态结构？何为非晶态结构？非晶态结构材料有何共同特点？,高分子材料基础 第一、二章,31,第2章 高分子材料的制备反应,2.1 高分子与高分子材料 2.1.1 基本概念 2.1.2 命名 2.1.3 分类 2.1.

14、4 高分子材料的组成和成型加工 2.1.5 聚合反映 2.2 连锁聚合反应,高分子材料基础 第一、二章,32,2.1.1 基本概念,高分子化合物常简称高分子，是由成百上千个原子组成的大分子构成的。大分子是由一种或多种小分子通过主价键一个接一个地连接而成的链状或网状分子。一般分子量在10000以上者常称为高分子化合物（亦称聚合物）。 例聚氯乙烯大分子是由氯乙烯结构单元重复连接而成的 CH2 CH CH2CH CH2 CH Cl Cl Cl 为方便起见，可缩写成 -(-CH2 CH-)n- Cl CH2CH 是结构单元，也是重复结构单元（简称重复单元）亦链节。 Cl 形成结构单元的分子称作单体，n

15、表示重复单元数，又称聚合度，它是衡量分子量大小的一个指标。,高分子材料基础 第一、二章,33,高聚物的基本特性,1.相对分子量很大，一般在一万以上甚至更高。 2.合成高聚物的化学组成比较简单，分子结构有规律性。 3.合成聚合物的分子形态是多种多样的。 4.一般高分子化合物实际上是由相对分子质量大小不等的同系物组成的混合物，其相对分子质量只具有统计平均的意义。 5.由于高分子化合物相对分子质量很大，因而具有与低分子同系物完全不同的物理性能。,高分子材料基础 第一、二章,34,聚合物,高分子化合物一般又称聚合物，包括高聚物和低聚物。 高聚物它是由大分子构成，构成大分子的重复单元很多，增减几个单元并

16、不影响其物理性能，一般称此种聚合物为高聚物。 低聚物构成大分子的结构单元较少，增减几个单元对聚合物的物理性能有明显的影响，则成为低聚物。 均聚物由一种单体聚合而成的聚合物称均聚物。如聚乙烯、聚氯乙烯等； 共聚物由两种或两种以上单体共聚而成的聚合物称共聚物。如聚丙烯有均聚PP和共聚PP，共聚PP由丙烯单体加入少量PE单体共聚而成，具有较高的抗冲击强度。 例如： 氯乙烯 + 醋酸乙烯 共聚 氯乙烯-醋酸乙烯共聚物 -(-CH2 CHCH2 CH -)n- Cl OCOCH3,高分子材料基础 第一、二章,35,2.1.2 命名,化学名称:根据大分子链的化学结构而确定的名称。 1、以单体或假想单体名称

17、为基础，前面冠以“聚”字，就成为聚合物的名称 如：聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯 2、重要的杂链聚合物，通常采用化学分类名称，它是以该材料中所有品种所共有的特征化学单元为基础的。 如:苯酚和甲醛的反应产物称为酚醛树脂 3、合成橡胶一般是共聚物，常从共聚单体中各取一字，后附“橡胶”， 如：丁二烯、苯乙烯 共聚 丁苯橡胶； 乙烯、丙烯 共聚 乙丙橡胶,高分子材料基础 第一、二章,36,2.1.2 命名,商品名称（专利名称）是由材料制造商命名的，突出所指的是商品或品种，一般是按商号章程设计。 习惯名称是人们沿用已久的习惯叫法。 如：聚酰胺类称：尼龙 聚对苯二甲酸乙二醇酯称：涤纶,高分子

18、材料基础 第一、二章,37,2.1.3 分类,2.1.3.1 按大分子链结构分类 碳链聚合物：是指大分子链完全由碳原子组成。 例：聚乙烯 CH2CH2 聚丙烯 CH2CH CH3 杂链聚合物：是指大分子链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂质。 例： 聚甲醛 O CH2 尼龙6 NH (CH2)5 CO 元素有机聚合物：是指大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝、氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机团如甲基、乙基、芳基等组成。 CH3 例：硅橡胶 O Si CH3,高分子材料基础 第一、二章,38,2132 按性能和用途分类,根据以聚合物为基础组分的高分子材料的性能和用途分类：可分为 橡胶、

19、纤维、塑料:产量最大，与国民经济、人民生活关系密切故称为“三大合成材料” 黏合剂:是指具有良好的粘合性能，可将两种相同或不相同的物体粘接在一起的连接材料 涂料:是涂布于物体表面能结成坚韧保护膜的涂装材料 功能高分子:是指在高分子主链和侧枝上带有反应性功能基团，并具有可逆或不可逆的物理功能或化学活性的一类高分子,高分子材料基础 第一、二章,39,聚合物的分类,高分子材料基础 第一、二章,40,2.1.5 聚合反应,聚合反应由低分子单体合成的反应称为聚合反应。 1根据聚合物和单体元素组成和结构的变化可将聚合反分为： 加聚反应单体加成而聚合起来的反应。加聚反应生成的聚合物称为加聚物。其分子量是单体分

20、子量与聚合度的乘积。 如氯乙烯聚合成聚氯乙烯的反应： n CH2CH (CH2CH)n Cl Cl 缩聚反应在聚合反应过程中，除形成聚合物外，同时还有低分子副产物形成，则此种反应称为缩聚反应，其产物称为缩聚物。 己二胺与己二酸缩聚反应得聚酰胺-66,表示为: nH2N-(-CH2-)6-NH2+nHOOC-(-CH2-)4-COOH H-NH-(-CH2-)6-NH-CO-(-CH2-)4-CO-n-OH+(2n-1)H2O 2.按反应机理分类聚合反应可分为： 连锁聚合反应 逐步聚合反应 缩聚反应 逐步加聚反应,高分子材料基础 第一、二章,41,2.2 连锁聚合反应,连锁聚合反应 （也称链式聚

21、合反应）其特征是整个反应过程可划分成相继的几步基本反应.如链引发、链增长、链终止等. 如烯类单体的加聚反应大部分属于连锁聚合反应，总反应式可表示为： nM Mn 若以R*表示活性中心，M表示单体，则连锁聚合反应可表示为； 链引发 R* + M RM* 链增长 RM* + M RM2* M RM3* 链终止 RMx* + RMy* RMx+yR 偶合终止 或 RMx+RMy 歧化终止,高分子材料基础 第一、二章,42,2.2 连锁聚合反应,化合物的价键断裂方式： 均裂即构成共价键的一对电子折成两个带一个电子的基团，这种带独电子的基团称为自由基或游离基。 R:R 2R* 异裂构成价键的电子对归属于

22、某一基团，形成负离子（阴离子），另一基团成为正离子（阳离子）。 R1:R2 R1+R2- 自由基、阳离子、阴离子的活性足够高，就可打开烯类单体的键，引发相应的连锁聚合反应。,高分子材料基础 第一、二章,43, CH2CH* + * CHCH2 CH2CH2 + CH CH X X X X,CH2CH* + * CHCH2 CHCH2 CHCH2 X X X X 歧化终止某链自由基夺取另一自由基的氢原子，发生歧化反应称为歧 化终止,引发剂I分解，形成初始自由基的吸热反应： I 2R* 初始自由基与单体加成，形成单体自由基的放热反应：,R* + CH2CH RCH2CH* X X 链增长：,RCH

23、2CH* + CH2 CH RCH2CHCH2CH* X X X X RCH2CH-（- CH2CH-）n - RCH2CH* X X X 链终止：偶合终止两个链自由基的独电子相互结合成共价键，形成大分子的反应为偶合终止,根据链增长活性中心，可将连锁反应分成为： 自由基聚合 阳离子聚合 阴离子聚合 配位络合聚合,高分子材料基础 第一、二章,44,2.2.2 自由基共聚合反应,共聚反应：两种单体混合物引发聚合后，并非各自聚合生成两种聚合物，而是生成含有两种单体单元的聚合物，这种聚合物称为共聚物，该聚合过程称为共聚合反应。简称共聚反应。 只有一种单体参加的聚合反应称为均聚反应，所得聚合物称为均聚物。,高分子材料基础 第一、二章,45,2.2.4 定向聚合2.2.4.1 聚合物的立体异构现象,聚合物的立体异构现象 分子异构 结构异构（亦称化学异构） 立体异构 几何异构（顺式-反式异构） 光学异构 结构异构（化学异构）是由于分子中原子或原子基团相互连接的次序不同而引起的。如通过不同单体可合成出化学组成相同而结构不同的聚合物 如: 聚乙烯醇 聚乙醛