高分子概论_课程介绍

“高分子概论”课程介绍目的及要求：介绍高分子学科与材料的概貌，希望对高分子学科有初步的了解。学时、学分：40学时，2学分。学时分配：上课28学时，作业8学时。考核成绩：写一篇论文，字数不少于3500，6月21日前交。ppt的地址是:第一章绪论白如科第二章高分子的设计与合成潘才元第三章光与高分子材料施文芳第四章光子学聚合物张其锦第五章高分子导体与半导体张兴元第六章聚合物在生物高分子中的分离作用王延梅第七章凝聚与溶解朱平平内容安排第八章高分子粘合剂刘世勇第九章高分子复合材料刘和文第十章高分子科学中的计算机模拟梁好均第十一章电离辐射与高分子材料葛学武第十二章环境与高分子材料张国颖第十三章生物医用高分子王均第十四章超分子化学与纳米高分子材料何卫东高分子科学与材料概论第一章绪论神奇的高分子世界MagicPolymerWorld人类从起源以来就同高分子结下不解之缘生命体系其根本都是由高分子组成衣食住行离不开高分子材料一、高分子基本概念什么是高分子？定义：高分子量的化合物(10000)别称：聚合物－Polymer高聚物－Highpolymer大分子－Macromolecule对应：低聚物(10000)－Oligomer或齐聚物，寡聚物。什么是聚合反应？聚合反应－Polymerization小分子化合物聚合物聚合物(Polymer):聚乙烯（Polyethylene，PE）单体(Monomer):乙烯（Ethylene）聚合物聚合度与分子量结构式：聚合度：大分子中的重复单元数或结构单元数，n。NH(CH2)6NH结构单元结构单元重复单元CO(CH2)4COnwXnXnMwM分子量：数均分子量、重均分子量。数均聚合度、重均聚合度。聚合物结构类型线型LinearPolymer支化型BranchedPolymer交联型CrosslinkedPolymer星型及树状StarPolymerDendrimer二、高分子科学与材料高分子学科高分子化学（Polymerchemistry)合成机理、结构设计、控制方法。高分子物理（Polymerphysics)物理性质、结构与性能的关系。高分子工艺学（Polymertechnology）合成工艺、加工工艺。后起之秀，生气勃勃石器时代(Stoneage)新石器时代(Neolithicage)青铜时代(Bronzeage)铁器时代(Ironage)高分子时代(Polymerage)材料与时代高分子材料高分子材料60％陶瓷10％金属30％三分天下有其一地位与关联高分子材料PolymerMaterials信息Information生物Biology能源Energy环境Environment左右逢源化学高分子材料分类天然高分子材料(Naturalpolymer)纤维素(Cellulose)、淀粉(Starch)、天然橡胶(Naturalrubber)等。人造高分子材料(Artificialpolymer)硝化纤维素（塑料、电影胶片、炸药）、粘胶纤维等。合成高分子材料(Syntheticpolymer)有机玻璃、涤纶、尼龙等。从来源高分子材料分类塑料(Plastics)橡胶(Rubber)纤维(Fiber)涂料(Coating)粘合剂(Adhesive)从用途高分子材料分类有机高分子(OrganicPolymer)主链以碳氢为主，如聚乙烯、聚丙烯等。无机高分子(InorganicPolymer)主链由杂原子构成,如SiO2等。复合高分子材料(PolymerComposite)聚合物与无机材料复合，如玻璃钢，轮胎。生物高分子(Biopolymer)具有生物功能,如蛋白质(Protein)、核酸(Nucleicacid)等。从组成及功能高分子材料的特点质轻：常用塑料的密度为1g/cm3，是钢铁的1/10。耐温范围宽：硅橡胶(－80℃)聚苯并咪唑（600℃)碳纤维（4000℃）性能优异：高强度（Kevlar，比强度为钢的8倍）高模量高弹性（伸长率1000％）透明性好抗腐蚀好光、电、磁等功能种类多：满足不同的需求。易加工：节能、低成本。三、发展历程天然高分子利用7000多年前，天然油漆我国已使用天然油漆涂饰船只。中国漆(大漆)1839年，天然橡胶硫化美国人古德伊尔（CharlersGoodyear）。1869年，第一种人工塑料赛璐珞（Celluloid，硝化纤维素）美国人海厄特（JhonWesleyHyatt）。1887年，第一种人造丝硝化纤维素，CountHilairedeChardonnet.合成高分子问世1909年，第一种合成塑料酚醛树脂，美国人贝克兰德（LeoBaekeland）。大分子概念提出1920年，提出聚合反应生成高分子量化合物。施陶丁格（HermannStaudinger）。奠定基础1930－40年代，聚合方法及理论发展。卡罗瑟斯（Carothers），美国人。弗洛里（PaulFlory），美国人。大发展1950年代，配位聚合（CoordinationPolymerization)齐格勒（KarlZiegler），德国人。纳塔（GiulioNatta），意大利人。1960－70年代，高性能化，特种高分子合成高强度、高模量、耐高温等。功能、复合高分子材料1980－90年代，功能高分子：导体和半导体高分子、磁性高分子、光敏高分子、光导高分子、生物医用高分子、液晶高分子、高分子催化剂等等。高分子合金：不同的高分子混合。复合高分子材料：与玻璃纤维、碳纤维等复合，如玻璃钢等。四、辉煌的成就起步晚：20世纪初发展迅猛成就卓著举世瞩目高分子材料的工业生产塑料2亿吨（2003年）纤维3790万吨（天然2410万吨）橡胶1136万吨（天然775万吨）塑料增产迅猛，过去40年，美国增长100倍。全世界塑料产量上世纪90年代初超过钢铁（体积）。主要国家生产及消费量国家产量（千万吨）消量（千万吨）美国4．85．1中国1．84．0德国1．61．2日本1．41．0韩国1．00．5高分子材料的应用高分子材料无处不在,以塑代木、以塑代金属。尖端技术:航天飞行器，卫星、火箭等用材。工业：电子元器件、电缆、信息记录储存传输等。农业：地膜、大棚、滴灌设备、高吸水树脂（1000倍）等。衣：服装、防弹衣、消防服等。食：包装、不粘锅等。住：装饰、门窗、家电、家具等。行：飞机、汽车、自行车等交通工具用材。医：接触眼镜、一次性医疗用具、人工脏器等。塑料Plastics通用塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。工程塑料：尼龙、聚甲醛、聚酯、聚碳酸酯等。特种塑料：聚四氟乙烯、Kevlar等。家庭中的聚乙烯制品身边的高分子材料聚丙烯制品碳纤维复合材料由碳纤维和铝合金制成的赛车底盘法拉利F1车队塑料Plastics热塑性塑料(Thermoplastics)聚乙烯,Polyethylene：产量最大，结构最简单。聚丙烯,Polypropylene：最轻的塑料。聚氯乙烯，Polyvinylchloride：全能的塑料，价格低廉。聚甲基丙烯酸甲酯，Poly(methylmethacylate)：最透明的塑料，不会碎的玻璃。塑料Plastics热固性塑料(Thermosetts)环氧树脂(Epoxyresins)：用作复合材料，粘合剂等。酚醛树脂(Phenolicresins)：电器绝缘材料等。聚酯树脂(Polyesterresins)：玻璃钢等。纤维Fibers天然纤维：棉、麻、丝人造纤维：粘胶纤维(Viscosefiber)：醋酸纤维(Acetatefiber)硝酸纤维合成纤维：尼龙（Nylon）：结实耐磨涤纶（Polyesterfiber）:最挺括纤维腈纶：最耐晒的纤维氯纶：保暖性最好的纤维丙纶：最轻的纤维特种纤维：碳纤维天然橡胶(Naturalrubber)：综合性能最好，生产受地域限制。合成橡胶(Syntheticrubber)丁苯橡胶：产量最大（占80％）。氯丁橡胶：用途广泛，价廉物美。丁腈橡胶：耐油性好。乙丙橡胶：比重最轻。顺丁橡胶：弹性最好。丁基橡胶：气密性最好。硅橡胶：低温性能最好。氟橡胶：全能橡胶，在最恶劣条件下使用。橡胶Rubber橡胶园轮胎高弹性—熵弹性建立了理论体系和实验方法高分子化学、高分子物理和高分子工艺学构成了了一个完整的体系，基本理论已经形成，研究方法已经建立，成为高分子材料的开发、生产和应用的基石。涉及多个领域生物、材料、信息、医学、能源等。诺贝尔奖高分子领域有数位科学家获奖。高分子科学研究高分子科学与诺贝尔奖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Nobel奖获得者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”H.Staudinger(德)1953年化学奖高分子科学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”Isotacticpolymer（全同立构聚合物）Syndiotacticpolymer（间同立构聚合物）StereoregularPolymers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。“Forhisfundamentalachievements,boththeoreticalandexperimental,inthephysicalchemistryofthemacromolecules”PaulJ.Flory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“fordiscoveringthatmethodsdevelopedforstudyingorderphenomenainsimplesystemscanbegeneralizedtomorecomplexformsofmatter,inparticulartoliquidcrystalsandpolymers”DeGennes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