高分子科学概论第1章绪论课件.ppt

1、第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.1 高分子的世界1.1.1 高分子科学的历史、现状和未来1839年年天然橡胶硫化成功天然橡胶硫化成功1868年年硝酸纤维素的发现硝酸纤维素的发现1909年年酚醛树脂的合成酚醛树脂的合成1912年年丁钠橡胶的合成丁钠橡胶的合成1920年年史道丁格史道丁格 德德 ( Staudinger)提出提出“高分子高分子”“”“长链长链大分大分 子子”的概念（直到的概念（直到1932年高分子学说被确立）年高分子学说被确立）1927年年醇酸树脂的合成醇酸树脂的合成1929年年聚乙酸乙烯酯和脲醛树脂的合成聚乙酸乙烯酯和脲醛树脂的合成1933年年聚苯乙烯的合成

2、聚苯乙烯的合成1935年年聚氯乙烯和尼龙聚氯乙烯和尼龙-66的合成的合成1936年年聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯醇缩甲醛的合成聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯醇缩甲醛的合成第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1938年年尼龙尼龙-6的合成的合成1939年年高压聚乙烯和聚偏氯乙烯的合成高压聚乙烯和聚偏氯乙烯的合成1940年年丁基橡胶的合成丁基橡胶的合成1941年年聚酯（涤纶）的合成聚酯（涤纶）的合成1942年年不饱和聚酯的合成不饱和聚酯的合成1943年年聚氨酯的合成聚氨酯的合成1947年年环氧树脂的合成环氧树脂的合成1948年年聚丙烯腈和聚丙烯腈和ABS树脂的合成树脂的合成1954年年低压（高

3、密度）聚乙烯的合成低压（高密度）聚乙烯的合成1957年年丙烯的配位聚合丙烯的配位聚合1958年年顺丁橡胶和聚碳酸酯的合成顺丁橡胶和聚碳酸酯的合成1959年年异戊橡胶和聚甲醛的合成异戊橡胶和聚甲醛的合成1960年年乙丙橡胶的合成乙丙橡胶的合成1963年年聚酰亚胺的合成聚酰亚胺的合成1965年年聚砜和聚苯醚的合成聚砜和聚苯醚的合成1968年年聚苯硫醚的合成聚苯硫醚的合成第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论2000年，全世界的合成材料年总产量已达年，全世界的合成材料年总产量已达2亿吨亿吨塑料的特点：塑料的特点：原料多，生产易，成本低，原料多，生产易，成本低，加工快，比强度大，性能加工快

4、，比强度大，性能好。好。已大量地取代传统材料已大量地取代传统材料（木材，皮革，水泥，玻（木材，皮革，水泥，玻璃，陶瓷，金属）璃，陶瓷，金属）塑料总产量已超过木材和塑料总产量已超过木材和水泥的总产量水泥的总产量合成橡胶的产量已超过天合成橡胶的产量已超过天然橡胶的产量然橡胶的产量合成纤维的产量已超过天合成纤维的产量已超过天然纤维和人造纤维总和的然纤维和人造纤维总和的2倍倍其中其中塑料塑料 1.63亿吨，约占亿吨，约占81%合成橡胶合成橡胶 0.11亿吨亿吨，约占，约占5%合成纤维合成纤维 0.28亿吨亿吨，约占，约占14%图图1-1 近近60年来全世界塑料年产量的比较图年来全世界塑料年产量的比较图

5、第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.1.2 高分子科学的重要性高分子科学的重要性高分子科学的范畴：高分子化学高分子科学的范畴：高分子化学 高分子物理高分子物理 高分子的成型、加工和应用高分子的成型、加工和应用高分子材料高分子材料约占飞机总质量的约占飞机总质量的65%，汽车的，汽车的18%若以体积计算，已远超过金属材料的用量若以体积计算，已远超过金属材料的用量高分子感光材料的出现使集成电路的微型化和超大集成高分子感光材料的出现使集成电路的微型化和超大集成化化人们的日常生活，工作和娱乐，休闲，处处都被高分子人们的日常生活，工作和娱乐，休闲，处处都被高分子包围着包围着建立在有机化学

6、、物理化学、生物化学、物理学、力学等学科建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学、力学等学科基础上的新兴的独立学科，既是基础学科也是应用学科基础上的新兴的独立学科，既是基础学科也是应用学科高分子化学高分子化学与无机化学，有机化学，分析化学，物理化学与无机化学，有机化学，分析化学，物理化学并列的二级学科（属于化学这一级学科之下）并列的二级学科（属于化学这一级学科之下）高分子材料又与无机材料，金属材料构成三大材料高分子材料又与无机材料，金属材料构成三大材料第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子

7、科学概论第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论高分子材料的应用高分子材料的应用性性 质质 和和 用用 途途塑塑 料料纤纤 维维橡橡 胶胶涂涂 料料胶粘剂胶粘剂功能高分子功能高分子以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。具有可逆形变的高弹性材料。具有可逆形变的高弹性材料。纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。倍。涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料护作用的聚合物材料

8、能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料起的聚合物材料具有特殊功能与用途但用量不大的精细具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料高分子材料第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论2006年广东省材料领域高新技术产品统计年广东省材料领域高新技术产品统计 单位：亿元单位：亿元产品类别产品类别工业总产值工业总产值销售收入销售收入利润总额利润总额金属材料金属材料716.08635.2550.95无机非金属材料无机非金属材料302.83286.7831.20有机高分子材料有机高分子材料956.89895.2974.78复合材料复合材料2

9、15.82207.7917.11合计合计2191.632025.11174.062006年我国的塑料总产量年我国的塑料总产量2801.9万吨，广东省的塑料总产量万吨，广东省的塑料总产量680万吨，总产值万吨，总产值1300亿元，均占全国的亿元，均占全国的1/4，居全国的第一位，居全国的第一位第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.2 高分子科学的基本概念高分子科学的基本概念n M Mn高聚物高聚物，亦即聚合物，与高分子化合物同义，亦即聚合物，与高分子化合物同义结构单元、重复单元、单体单元结构单元、重复单元、单体单元由单体经聚合反应生成高分子的通式可表示为：由单体经聚合反应生成高分

10、子的通式可表示为：高分子化合物高分子化合物：分子量很大（：分子量很大（104106）的一类化合物）的一类化合物单体、低聚物、高聚物（聚合物）单体、低聚物、高聚物（聚合物）单体单体：合成高分子：合成高分子(聚合物聚合物)的起始原料的起始原料低聚物低聚物：分子量处于高分子量与低分子量之间：分子量处于高分子量与低分子量之间 的化合的化合物物(齐聚物齐聚物)第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论结构单元结构单元：构成大分子链的基本结构单元，也称为：构成大分子链的基本结构单元，也称为 （最（最 小）重复单元。小）重复单元。单体单元单体单元：相同于单体的元素组成及原子排列顺序：相同于单体的元素

11、组成及原子排列顺序 的结构的结构单元。单元。聚合度、分子量聚合度、分子量聚合度聚合度DP：分子链的单体单元：分子链的单体单元(或结构单元或结构单元)数数分子量分子量M：等于结构单元分子量等于结构单元分子量m0与聚合度的乘积与聚合度的乘积 M= m0 DP (或或 M= m0n )nCH2CHClCH2CHCln例如例如链节链节：重复结构单元：重复结构单元 链节数链节数 n n：重复单元数：重复单元数, ,也即链节数也即链节数第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论聚苯乙烯聚苯乙烯苯乙烯苯乙烯1.3 聚合物的命名和分类聚合物的命名和分类1.3.1 聚合物的命名聚合物的命名1.3.1.1

12、 习惯命名习惯命名天然高分子有其专门的名称。天然高分子有其专门的名称。(如纤维素、淀粉、木质素、多如纤维素、淀粉、木质素、多糖、蛋白质等糖、蛋白质等)。合成高分子合成高分子 在原料单体名称前冠以在原料单体名称前冠以“聚聚”字字第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论聚异丁烯聚异丁烯异丁烯异丁烯对对苯二甲酸苯二甲酸乙二醇乙二醇聚对聚对苯二甲酸乙二醇酯苯二甲酸乙二醇酯第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论 某些缩聚物在原料后面附以某些缩聚物在原料后面附以“树脂树脂”来命名来命名 如：酚醛树脂、脲醛树脂、醇酸树脂如：酚醛树脂、脲醛树脂、醇酸树脂 1.3.1.2 根据主链结构命名

13、根据主链结构命名Oii.聚醚聚醚NHOCiii.聚酰胺聚酰胺i.聚酯聚酯OCO1.3.1.3 商品名称法商品名称法例如：聚酯纤维涤纶例如：聚酯纤维涤纶( (的确凉的确凉) ) 聚酰胺聚酰胺 纤维锦纶纤维锦纶 塑料尼龙塑料尼龙 聚丙烯腈纤维腈纶聚丙烯腈纤维腈纶 聚氯乙烯纤维氯纶聚氯乙烯纤维氯纶第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.3.1.4 系统命名法（也称系统命名法（也称 IUPAC IUPAC 命名）命名）命名步骤：确定结构重复单元命名步骤：确定结构重复单元 排好次序排好次序 按小分子有机化合物的按小分子有机化合物的 IUPAC 命名规则给结构命名规则给结构单元命名并加括弧单

14、元命名并加括弧 在名称前冠以在名称前冠以“聚聚”字字 即即为聚合物的系统名称为聚合物的系统名称1.3.2 聚合物的分类聚合物的分类按主链结构分按主链结构分碳链聚合物碳链聚合物杂链聚合物杂链聚合物元素有机聚合物元素有机聚合物按性能和用途分按性能和用途分塑料塑料纤维纤维橡胶橡胶第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论按来源分按来源分天然高分子天然高分子合成高分子合成高分子按聚合机理分按聚合机理分链式聚合物（加聚物）链式聚合物（加聚物）逐步聚合物（缩聚物）逐步聚合物（缩聚物）按热性能分按热性能分热塑性聚合物热塑性聚合物热固性聚合物热固性聚合物按几何形状分按几何形状分线型高分子线型高分子支链

15、型高分子支链型高分子网状（体型）高分子网状（体型）高分子第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.4 聚合物的平均分子量和分子量分布聚合物的平均分子量和分子量分布数均分子量数均分子量NiMiWiMnNiNi重均分子量重均分子量2WiMiNiMiMwWiNiMiZ均分子量均分子量322NiMiWiMiMzWiMiNiMi粘粘均分子量均分子量111NiMiWiMiMvNiMiWi第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论 式中的式中的 是高分子溶液特性粘度是高分子溶液特性粘度 h h 和分子量和分子量M之间的之间的 关系式关系式 h h KM 中的中的 值值当当 1 时，时，M

16、V = MW当当 0.5 时，时，MV Mn一般情况下一般情况下0.5 1，故，故 Mn MV 1时，时，MZMW MVMnMZMW= = = MVMnd = 1时，时，第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论 平均分子量和平均分子量和分子量分布是控制分子量分布是控制聚合物性能的重要聚合物性能的重要指标指标 平均分子量相平均分子量相同的聚合物其分子同的聚合物其分子量分布很可能是不量分布很可能是不一样的一样的 对不同用途的对不同用途的聚合物其对平均分聚合物其对平均分子量的要求不同子量的要求不同合成纤维：合成纤维：1.51048104合成橡胶：合成橡胶：2105 塑料的平均分子量在两者之

17、间塑料的平均分子量在两者之间121. 硝酸纤维素（平硝酸纤维素（平均聚合度均聚合度800）2. 聚苯乙烯（平均聚苯乙烯（平均聚合度聚合度800）重量分数重量分数 104聚合度分布曲线图聚合度分布曲线图聚合度聚合度100-1第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.5 高分子结构的一般特点高分子结构的一般特点高分子的结构很复杂，由四个不同层次组成，即高分子的结构很复杂，由四个不同层次组成，即一级结构一级结构，二级二级结构，三级结构，四级结构（高级结构）结构，三级结构，四级结构（高级结构）1.5.1 一级结构一级结构指单个大分子内与基本结构单元有关的结构（结构单元的化学组指单个大分子内

18、与基本结构单元有关的结构（结构单元的化学组成，连接方式，构型，支化和交联）成，连接方式，构型，支化和交联）（1）键接方式）键接方式CH2CHCH2CHCH2CH 或 CH2CHCHCH2RRRRR头头-尾键接尾键接头头-头键接头键接（2）构型）构型指分子中由化学键所固定的原子在空间的排列，有两类构型不同指分子中由化学键所固定的原子在空间的排列，有两类构型不同的异构体，即的异构体，即旋光异构体旋光异构体和和几何异构体几何异构体第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论i 旋光异构旋光异构甲烷的四面体结构甲烷的四面体结构旋光异构体的互为镜像关系旋光异构体的互为镜像关系第第 1章章 绪论绪论

19、高分子科学概论高分子科学概论单烯类单烯类 高分子的旋光异构体高分子的旋光异构体第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论ii 几何异构几何异构双烯类高分子主链双烯类高分子主链上存在双键而形成上存在双键而形成的顺式和反式构型的顺式和反式构型同时还会存在有同时还会存在有1,2加成（聚异戊二烯加成（聚异戊二烯还有还有3,4加成）加成）双烯类高分子聚丁二烯的有规异构体双烯类高分子聚丁二烯的有规异构体第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论（3）分子构造）分子构造指高分子链的几何形状，一般有线形，支链形和体（交联）形指高分子链的几何形状，一般有线形，支链形和体（交联）形几种典型的非线形

20、高分子链几种典型的非线形高分子链a. 短链和长链支化高分子；短链和长链支化高分子；b. 接枝低聚物侧链的梳形高分子；接枝低聚物侧链的梳形高分子；c. 星形高分子；星形高分子；d. 交联网络交联网络第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论（4）共聚物的序列结构）共聚物的序列结构如果聚合物由两种（或以上）单体聚合而成，即为共聚物，按照如果聚合物由两种（或以上）单体聚合而成，即为共聚物，按照其单体单元的排列序列方式，可分为无规共聚物，交替共聚物，其单体单元的排列序列方式，可分为无规共聚物，交替共聚物，嵌段共聚物和接枝共聚物四种嵌段共聚物和接枝共聚物四种M1M1M2M1M2M2M1M2M1M

21、1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M2M2M2M2M2M2M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2无规共聚物无规共聚物交替共聚物交替共聚物嵌段共聚物嵌段共聚物接枝共聚物接枝共聚物第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.5.2 二级结构二级结构指的是若干链节组成的一段链或整根分子链的排列形状指的是若干链节组成的一段链或整根分子链的排列形状高分子链由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为构高分子链由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为构象（或内旋转异构体），属于二级结

22、构象（或内旋转异构体），属于二级结构高分子链有五种基本构象：高分子链有五种基本构象：无规线团无规线团伸直链伸直链折叠链折叠链螺旋链螺旋链锯齿形链锯齿形链高分子的二级结构高分子的二级结构第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.5.3 三级结构和四级结构三级结构和四级结构三级结构是指许多大分子聚集在一起而形成的聚集态结构，也三级结构是指许多大分子聚集在一起而形成的聚集态结构，也称为超分子结构，包括有结晶结构，非晶结构，液晶结构和取向称为超分子结构，包括有结晶结构，非晶结构，液晶结构和取向结构结构高分子结晶中的晶区与非晶区同时存在高分子结晶中的晶区与非晶区同时存在高分子极高分子极难难1

23、00%地结晶，地结晶，往往是一根高分子链同时往往是一根高分子链同时穿过晶区和非晶区穿过晶区和非晶区四级结构是指高分子在四级结构是指高分子在材料中的堆砌方式材料中的堆砌方式,如高分如高分子与加工添加剂之间、两子与加工添加剂之间、两种高分子（共混）所形成种高分子（共混）所形成的复杂结构，属于织态结的复杂结构，属于织态结构构第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.6 高分子性质的一般特点高分子性质的一般特点聚合物的相对分子质量很大，其力学性质、热性质、溶解性等与聚合物的相对分子质量很大，其力学性质、热性质、溶解性等与小分子化合物大为不同小分子化合物大为不同1.6.1 力学性质力学性质高

24、分子的力学性质变化范围很大高分子的力学性质变化范围很大从软的橡胶状到硬的金属状从软的橡胶状到硬的金属状有好的强度、断裂伸长率、弹性、硬度、耐磨性、低密度（有好的强度、断裂伸长率、弹性、硬度、耐磨性、低密度（0.912.3）、大比强度）、大比强度1.6.2 热性质热性质低分子低分子有明确的熔点和沸点有明确的熔点和沸点可有固、液、气三相可有固、液、气三相高分子高分子只有熔限，没有沸点只有熔限，没有沸点可有玻璃态、高弹态、粘流态可有玻璃态、高弹态、粘流态热塑性高分子热塑性高分子在一定温度条件下可反复软化（或熔融），塑化在一定温度条件下可反复软化（或熔融），塑化成形，冷却后硬化成形，冷却后硬化热固性高分子热固性高分子加热时交联固化成形（一次成形）加热时交联固化成形（一次成形） 第第 1章章 绪论绪论高分子科学概论高分子科学概论1.6.3 溶解性溶解性高分子的溶解行为与小分子相比有很大不同，其溶解过程是高分子的溶解行为与小分子相比有很大不同，其溶解过程是先溶胀，后溶解先溶胀，后溶解高分子与低分子溶解过程的比较示意图高分子与低分子溶解过程的比较示意图