1第一章认识高分子.

高分子材料概论通识教育选修课讲授：柳乐仙电话：[phone]课程简介课程性质：通识教育选修课学时：32学时平时：40%出勤10%；平时测试30%期末：60%开卷考试课程主要内容随着高分子科学的建立和石油化工的蓬勃兴起，形成了新型而庞大的高分子材料工业。高分子材料在尖端技术、国防建设及国民经济等领域得到广泛的应用，已成为现代生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料，其在材料领域的地位日益突出。因此，学习和掌握实用高分子材料的性能特点和应用技术对理工类学生具有重要意义。本课程以塑料、橡胶、纤维、复合材料等实用高分子材料的基本组成与结构、基本制造工艺、性能及应用为主要学习内容。通过本课程的学习，使学生能了解和初步掌握实用高分子材料的基本组成及作用、基本的制造或加工工艺、性能特点及应用范围，并进一步使学生了解高分子材料的基本知识和发展动态，领会高分子材料研究的基本规律和方法，同时能应用相关知识解释日常生活中的一些基本问题。参考书目[1].高分子材料概论（第二版）.王慧敏.中国石化出版社.2010.9[2].高分子材料（第二版）.黄丽.化学工业出版社.2014.1[3].高分子材料成型加工.中国轻工业出版社.2005.8[4].纳米复合材料手册.张玉龙.中国石化出版社.2005[5].高分子材料.王澜.中国轻工业出版社.2009.1第一章认识高分子主要内容1.1什么是高分子1.2高分子科学发展的历史1.3高分子学科的术语和基本概念1.4高分子的结构1.5高分子的结构和性能1.6合成高分子的方法第一章认识高分子1.1什么是高分子一、高分子的定义通常将分子量高于约1万的分子称为高分子分子量低于约1000的称为低分子分子量介于高分子和低分子之间的称为低聚物一般高聚物的分子量104——106，分子量大于这个范围的又称为超高分子量聚合物相对分子质量1.2~1.8×104尼龙相对分子质量5~15×104聚氯乙烯macromoleculehighpolymer1.1什么是高分子来源天然高分子：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。碳杂链高分子：主链原子除C外，还含O,N,S等杂原子。元素有机高分子：主链原子由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。二、高分子的分类碳链高分子碳杂链高分子元素有机高分子CHHCHHCHHCHHCHHCHHCCHHCH3HCHHCCH3HCHHCCH3H聚乙烯聚丙烯CHHCHHOCHHCHHOCHHCHHO聚乙二醇NHCHHCHHCHHCHHCHHCO尼龙—6聚二甲基硅氧烷SiCH3CH3OSiCH3CH3SiCH3CH3O1.1什么是高分子高分子链条和主体微观结构线性高分子梯形高分子网状高分子立体交联高分子交叉穿插高分子高分子合金使用形态塑料纤维橡胶涂料粘合剂其他一、二十世纪之前：天然高分子的加工利用及化学改性15世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器、雨具等生活用品。1839年美国人固特异,发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹性、可塑性的材料。1872年美国的海厄特把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料“赛璐珞”。1884年用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了人造丝。11.2高分子科学发展的历史1907年美国人贝克兰德用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料--酚醛树酯。1920s斯笃丁格发表了关于聚合反应”的论文提出：高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚合)，通过化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一词即源于此。1926年瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机，用它测量出蛋白质的分子量：证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。1926年美国化学家WaldoSemon合成了聚氯乙烯（PVC），并于1927年实现了工业化生产。1930s聚苯乙烯(PS)发明。二、二十世纪初叶：高分子工业和科学的创立的准备时期1932年斯笃丁格(HermannStaudinger)总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》，成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。1935年美国杜邦公司（Dupont)基础化学研究所有机化学部的卡罗瑟斯合成出聚酰胺-66，即尼龙-66。尼龙-66在1938年实现工业化生产。1930年德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶。1940年英国人温费尔德合成出聚酯纤维(PET)。1940sPeterDebye发明了通过光散射测定高分子物质分子量的方法。1948年PaulFlory建立了高分子长链结构的数学理论。三、二十世纪30—40年代：高分子工业和科学的创立时期1948年机械共混法生产的ABS是第一个高分子合金材料，标志着高分子材料的开发从此开辟了新的路线1950s德国人齐格勒与意大利人纳塔分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯（PE）与聚丙烯（PP）。1955年美国人利用齐格勒-纳塔（ZieglerNatta)催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。1971年S.LWolek发明可耐300℃高温的Kevlar。四、二十世纪50年代——70年代现代高分子工业确立、高分子合成化学大发展时期高分子材料概论ppt1953施陶丁格(HermannStaudinger)1963齐格勒(KarlZiegler)和纳塔(GiulioNatta)1974弗洛里(PaulJ.Flory)1991:德让纳(Pierre-GillesdeGennes)2000:黑格(AlanJ.Hegger)、马克迪尔米德(AlanG.MacDiarmid)和白川英树(HidekiShirakawa)高分子科学与诺贝尔奖高分子科学Nobel奖获得者H.Staudinger(德)1953年化学奖突破有机化学的传统观念，首先提出了高分子的概念，以大量先驱性工作为高分子化学奠基开创了高分子学科。“forhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry”高分子科学Nobel奖获得者K.Ziegler(德)、G.Natta(意)1963化学奖1953年，Ziegler：Ziegler催化剂，低压聚乙烯合成方法；1954年，Natta：改进Ziegler催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。KarlZieglerGiulioNatta“fortheirdiscoveriesinthefieldofthechemistryandtechnologyofhighpolymers”高分子科学Nobel奖获得者P.J.Flory（美)1974化学奖利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高分子分子量分布，即最可几分布，并利用动力学实验证实了等活性假设；引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性分子，产生了凝胶理论；Flory-Huggins格子理论；1948年作出了最重要的贡献，即提出“排除体积”理论和θ温度概念；他的著作“Principlesofpolymerchemistry”（1953）是高分子学科中的Bible。PaulJ.Flory“Forhisfundamentalachievements,boththeoreticalandexperimental,inthephysicalchemistryofthemacromolecules”高分子科学Nobel奖获得者DeGennes（法)1991物理奖对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论从临界现象认识分子，在物理-化学之间架设了桥梁提出“软物质”概念DeGennes“fordiscoveringthatmethodsdevelopedforstudyingorderphenomenainsimplesystemscanbegeneralizedtomorecomplexformsofmatter,inparticulartoliquidcrystalsandpolymers”高分子科学Nobel奖获得者Heeger、MacDiarmid(美)、白川英树(日)2000化学奖导电高分子研究，聚乙炔掺杂后，电导率从3.2x10-6Ω-1cm-1增加到38Ω-1cm-1，提高了1000万倍（接近铝、铜）提出孤子概念AlanJ.Heeger1936AlanG.MacDiarmidb.1936b.1927HidekiShirakawa白川英树（Shirakawa）从事聚乙炔聚合机理研究韩国研修生出现幸运的失误，使白川得到膜状聚乙炔偶然的机遇，麦克迪尔米德（MacDiarmid）首先注意到白川的聚乙炔膜。三人在美国合作研究。黑格（Heeger）为了说明聚乙炔的导电性，提出孤子的概念，才有了薄膜显示材料的诞生。我国高分子工业的发展也极为迅猛，三大合成材料年产量在世界上的排名为：2010年世界上合成材料的年总产量已达到2.5亿吨塑料1.93亿吨合成橡胶0.21亿吨合成纤维0.38亿吨第一位:合成纤维第二位:塑料第四位:合成橡胶（1）通过新型高效催化剂的开发，重要的通用高分子品种向更大型工业化发展；（2）通过新型聚合方法、化学和物理改性以及复合，获得新性能、新品种、新用途的高聚物；（3）开发功能高分子如生物高分子、光敏高分子、导电高分子等等。当今，高分子科学与高分子工业的研究和发展方向是：1.3高分子的术语和基本概念一、高分子合成和形态结构的概念1.主链：构成高分子骨架结构，以化学键结合的原子集合。2.侧链或侧基：连接在主链原子上的原子或原子集合，又称支链。支链可以较小，称为侧基；可以较大，称为侧链。3.单体：通常将生成高分子的那些低分子原料称为单体。4.重复结构单元：简称重复单元，又叫链节，是高分子中重复出现的那部分。5.官能团和官能度：官能团是可以与其它化合物反应生成化学键的活性集团。官能度实际上是参加反应显示的官能团数目。6.聚合度：聚合物分子中，单体单元的数目叫聚合度。聚合度常用符号DP(DegreeofPolymerization)表示，也可用Xn表示。CH2=CH2~CH2——CH2~例如结构单元乙烯的聚合COCOOCH2CH2O()nCOCOHOOH+HOCH2CH2OHCOCOOCH2CH2OHHOCOCOOCH2CH2OCOCOOCH2CH2O聚合物单体结构单元聚合度2n聚对苯二甲酸乙二酯，涤纶，PETn三、高分子的命名I.IUPAC系统命名法(1)确定重复结构单元；(2)按规定排出重复结构单元中的二级单元循序：规定主链上带取代基的C原子写在前，含原子最少的基团先写；(3)给重复结构单元命名：按小分子有机化合物的IUPAC命名规则给重复结构单元命名；(4)给重复结构单元的命名加括弧，并冠以前缀“聚”。括弧必不可少重复结构单元为：1举例CHHCClHCHHCClHCHHCClHCHHCClH写法：HCClH2Cn聚（1-氯代乙烯）举例写法：H2CCCH3COCH3OnCH2CCH3COH2CCCH3COOCH3OCH3CCH3COCH3OH2Cn聚[1-（甲氧基羰基）-1-甲基乙烯]聚[1-（甲氧基羰基）-1-甲基乙烯]II.习惯命名法合成高分子（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）。（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”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”（3）“聚”+高分子主链结构中的特征功能团：指的是一类的高分子，