《高分子化学》教案

《高分子化学》教案第一章绪论Introduction【课时安排】1.1高分子的基本概念BasicConceptsofPolymers30分钟1.2聚合物的分类和命名ClassificationsandNomenclaturesofPolymers1学时1.3聚合反应PolymerizationReactions40分钟1.4分子量及其分布MolecularWeightanditsDistribution25分钟1.5大分子微结构MicrostructureofMacromolecules25分钟1.6线性、支链形和交联形大分子Linear,Branched,andCrosslinkedPolymers25分钟1.7聚集态和热转变AggregationandThermalTransformation10分钟1.8高分子材料和力学性能PolymerMaterialsandMechanicalProperties15分钟1.9高分子化学发展简史HistoryofPolymerChemistry10分钟总计4学时【掌握内容】1.高分子基本概念：单体、高分子、聚合物、低聚物、结构单元、重复单元、单体单元、链节、主链、侧链、端基、侧基、聚合度、相对分子质量等。2.聚合反应；加成聚合与缩合聚合；连锁聚合与逐步聚合。3.从不同角度对聚合物进行分类。4.常用聚合物的命名、来源、结构特征。5.聚合物相对分子质量及其分布。【熟悉内容】1.系统命名法。2.典型聚合物的名称、符号（英文缩写）及重复单元。【了解内容】1.高分子化学发展历史及未来的发展。2.聚合物相对分子质量及其分布对聚合物性能的影响。【教学难点】1.结构单元、重复单元、单体单元、链节的辨析。2.加成聚合与缩合聚合的区别与联系；连锁聚合与逐步聚合的区别与联系。3.高分子是系列大分子的混合物【教学目标】1.掌握高分子化学相关基本概念。2.能对几对重要概念进行辨析。3.能按规范写出正确的聚合物名称、分子式、聚合反应式。4.树立对高分子化学学科正确的认识观。5.掌握高分子分子量的计算方法1.1高分子的基础概念BasicConceptsofPolymers【教学内容】一高分子二高分子化学三单体四有关组成结构的概念五大分子结构式【授课时间】30分钟【教学重点】高分子、结构单元、重复单元、单体单元、链节等概念【教学难点】结构单元、重复单元、单体单元的辨析【教学目标】1掌握高分子、结构单元、重复单元、单体单元、链节、聚合度等概念的区别与联系2能正确写出具体聚合物的结构式【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体幻灯图片及实例【教学过程】一高分子1名称：macromoleculecompound；macromolecule；polymer；highpolymer2概念的形成3定义(1)相对分子质量很大(2)共价键连接(3)相同的化学结构重复多次而成4基本特点(1)相对分子质量很大(2)化学组成比较简单,分子结构有规律性(3)分子形态多样：长链线型,三维网状,星型,梯形,环形(4)相对分子质量具有多分散性(5)物理性质不同于低分子：高软化点,高强度,高弹性,熔体高黏度二高分子化学高分子化学是研究高分子化合物合成和反应的一门科学三单体能够通过聚合形成聚合物中结构单元的小分子化合物四有关组成结构的概念1重复单元(repeatingunit)：高分子链中可重复的昀小单位（高物：链节）2结构单元(structuralunit)：由一种单体分子通过聚合进入重复单元的部分3单体单元(monomerunit)：与单体组成相同,只是电子结构不同的重复单元4聚合度(degreeofpolymerization)：重复单元n定义1：重复单元数定义2：结构单元数五大分子结构式：[重复单元化学式]n六聚合反应方程式：n单体条件[重复单元化学式]n+（x小分子）书写规范：注意遵守有机化学反应规则、端基、侧基1.2聚合物的分类和命名ClassificationsandNomenclaturesofPolymers【教学内容】1.2.1聚合物的分类1.2.2聚合物的命名【授课时间】【教学重点】常用聚合物的命名、来源、结构特征【教学难点】1学时1.从不同角度对聚合物进行分类2.常用聚合物的命名、来源、结构特征。【教学目标】能按规范写出正确的聚合物名称、分子式、聚合反应式【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体幻灯图片【教学过程】1.2.1聚合物的分类1.根据材料的性能和用途分类：塑料(plastics)橡胶(rubber)产量昀大，与国民经济、人民生活关系密切故称为“三大合成材料”纤维(fiber)涂料（coating,paint）：涂料是涂布于物体表面能结成坚韧保护膜的涂装材料胶粘剂（adhesive）：胶粘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功能高分子（functionalpolymer）：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2.根据高分子的主链结构分类（1）碳链聚合物(P3,表1-1)大分子主链完全由碳原子组成绝大部分烯类、二烯类聚合物属于这一类如：PE，PP，PS，PVC（2）杂链聚合物(P4-5,表1-2)大分子主链中除碳原子外，还有O、N、S等杂原子如：聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚醚（3）元素有机聚合物大分子主链中没有碳原子，主要由Si、B、Al、O、N、S、P等原子组成，侧基则由有机基团组成如：硅橡胶1.2.2聚合物的命名1.命名①以单体名称为基础，在前面加“聚”字乙烯丙烯氯乙烯甲基丙烯酸甲酯聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯②取单体简名，在后面加“树脂”、“橡胶”二字如苯酚甲醛酚醛树脂尿素甲醛脲醛树脂甘油邻苯二甲酸酐醇酸树脂丁二烯苯乙烯丁苯橡胶2.以高分子链的结构特征命名聚酰胺聚酯聚氨酯聚醚3.商品名合成纤维昀普遍，我国以“纶”作为合成纤维的后缀涤纶聚对苯二甲酸乙二醇酯（聚酯）丙纶聚丙烯锦纶聚酰胺（尼龙），后面加数字区别第一个数字表示二元胺的碳原子数数字含义第二个数字表示二元酸的碳原子数只附一个数字表示内酰胺或氨基酸的碳原子数4.IUPAC命名命名程序：①确定重复单元结构②排出次级单元（subunit）的次序，两个原则：对乙烯基聚合物，先写有取代基的部分；连接元素昀少的次级单元写在前面。给重复单元命名，在前面加“聚”字1.3聚合反应PolymerizationReactions【教学内容】1.3.1按单体—聚合物结构变化分类1.3.2按聚合物机理分类【授课时间】40分钟【教学重点】加成聚合与缩合聚合的区别与联系；连锁聚合与逐步聚合的区别与联系【教学难点】对加成聚合与缩合聚合、连锁聚合与逐步聚合的辨析【教学目标】1掌握加成聚合与缩合聚合、连锁聚合与逐步聚合的区别与联系2能从不同分类角度对一具体反应进行分类【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体幻灯图片【教学过程】1.3.1按单体—聚合物结构变化分类（1）加聚反应（AdditionPolymerization)单体加成而聚合起来的反应称为加聚反应，反应产物称为加聚物。其特征是：①加聚反应往往是烯类单体π键加成的聚合反应，无官能团结构特征，多是碳链聚合物②加聚物的元素组成与其单体相同，仅电子结构有所改变③加聚物分子量是单体分子量的整数倍（2）缩聚反应（CondensationPolymerization）是缩合反应多次重复结果形成聚合物的过程兼有缩合出低分子和聚合成高分子的双重含义反应产物称为缩聚物。其特征是：①缩聚反应通常是官能团间的聚合反应②反应中有低分子副产物产生，如水、醇、胺等③缩聚物中往往留有官能团的结构特征,如-OCO--NHCO-，故大部分缩聚物都是杂链聚合物④缩聚物的结构单元比其单体少若干原子，故分子量不再是单体分子量的整数倍需要注意缩聚和逐步聚合、加聚和连锁聚合常常出现混淆情况，将它们等同起来是不对的应加以区别，这是两种不同范畴的分类方案1.3.2按聚合物机理分类由低分子单体合成聚合物的反应称为聚合反应（1）连锁聚合反应（ChainPolymerization）也称链式反应，反应需要活性中心。反应中一旦形成单体活性中心，就能很快传递下去，瞬间形成高分子。平均每个大分子的生成时间很短（零点几秒到几秒）连锁聚合反应的特征：①聚合过程由链引发、链增长和链终止几步基元反应组成，各步反应速率和活化能差别很大②反应体系中只存在单体、聚合物和微量引发剂③进行连锁聚合反应的单体主要是烯类、二烯类化合物④根据活性中心不同，连锁聚合反应又分为：自由基聚合：活性中心为自由基阳离子聚合：活性中心为阳离子阴离子聚合：活性中心为阴离子配位离子聚合：活性中心为配位离子（2）逐步聚合（StepwisePolymerization）在低分子转变成聚合物的过程中反应是逐步进行的反应早期,单体很快转变成二聚体、三聚体、四聚体等中间产物，以后反应在这些低聚体之间进行；聚合体系由单体和分子量递增的中间产物所组成；大部分的缩聚反应（反应中有低分子副产物生成）都属于逐步聚合；单体通常是含有官能团的化合物两种聚合机理的区别：主要反映在平均每一个分子链增长所需要的时间上1.4分子量及其分布MolecularWeightanditsDistribution【教学内容】1.4.1平均分子量1.4.2分子量分布【授课时间】25分钟【教学重点】聚合物的平均分子量以及分子量分布【教学难点】聚合物的平均分子量【教学目标】1.熟悉平均分子量常用的表示方法，并可以辨析之间的关系2.了解分子量的两种表示方法以及对聚合物性能的影响【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体幻灯图片【教学过程】1.4.1平均分子量（1）数均分子量（Number-averagemolecularweight）按聚合物中含有的分子数目统计平均的分子量高分子样品中所有分子的总重量除以其分子(摩尔)总数∑∑∑∑∑∑====iiiiiiiiinMNMWWNMNNWM)(式中，i-聚合物的聚合度，聚合度为i-的聚合物为i-聚体；i=1－∞Wi，Ni，Mi分别为i-聚体的重量、分子数、分子量数均分子量是通过依数性方法(冰点降低法、沸点升高法、渗透压法、蒸汽压法)和端基滴定法测定（2）重均分子量（Weight-averagemolecularweight）是按照聚合物的重量进行统计平均的分子量i-聚体的分子量乘以其重量分数的加和∑∑∑∑∑===iiiiiiiiiwMWMNMNWMWM2测定方法：光散射法（3）Z均分子量（Z-averagemolecularweight）按照Z值统计平均的分子量Zi=WiMi∑∑∑∑∑∑===232iiiiiiiiiiiiMNMNMWMWZMZM测定方法：超离心法三种分子量可用通式表示：∑∑−1qqiiiiMNMNM＝321===qqqZwnMMM（4）粘均分子量（Viscosity-averagemolecularweight）对于一定的聚合物－溶剂体系，其特性粘数[η]和分子量的关系：αη][MK=Mark-Houwink方程K,α方程K,α是与聚合物、溶剂有关的常数ααηαα111⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=∑∑∑∑+iiiiiiiMNMNWMWM一般，α值在0.5～0.9之间，故wMMη1.4.2分子量分布（1）高分子分子量多分散性的表示方法单独一种平均分子量不足以表征聚合物的性能，还需要了解分子量多分散性的程度。以分子量分布指数表示即重均分子量与数均分子量的比值，Mw/MnMw/Mn分子量分布情况1均一分布接近1(1.5~2）分布较窄远离1(20~50)分布较宽（2）以分子量分布曲线表示将高分子样品分成不同分子量的级分，这一实验操作称为分级分级的实验方法：逐步沉淀分级、逐步溶解分级、GPC(凝胶渗透色谱〕以被分离的各级分的重量分率对平均分子量作图，得到分子量重量分率分布曲线。可通过曲线形状，直观判断分子量分布的宽窄（3）分子量分布是影响聚合物性能的因素之一分子量过高的部分使聚合物强度增加，但加工成型时塑化困难；低分子量部分使聚合物