1、1 高分子物理 polymer physics主讲教师：王小涛主讲教师：王小涛 讲师讲师22001.09 湖北大学湖北大学 高分子材料与工程高分子材料与工程 工学学士工学学士2005.09 华中科技大学华中科技大学 高分子化学与物理高分子化学与物理 理学硕士理学硕士2007.09至今至今 华中科技大学华中科技大学 材料学材料学 工学博士工学博士联系电话：联系电话：雅虎邮箱：雅虎邮箱：教育背景3 教材：教材：高分子物理（北京化工大学高分子物理（北京化工大学 金日光主编）金日光主编）(第三版第三版)参考书：参考书：高分子物理高分子物理何曼君（复旦大学）何曼君（复旦大学）高聚物结构与性能高聚物结构与
2、性能（第二版）何平笙等（中国科技大学）（第二版）何平笙等（中国科技大学）高分子物理高分子物理方正平等（浙江大学）方正平等（浙江大学）高分子物理高分子物理 兰立文（西北工大）兰立文（西北工大）高分子物理高分子物理（第二版）刘凤歧等（吉林大学）（第二版）刘凤歧等（吉林大学）高分子化学高分子化学林尚安（中山大学）林尚安（中山大学）AN INTRODUCTION TO POLYMER PHYSICSDavid I.Bower(化学工业出版社化学工业出版社)Principles of Polymer ChemistryPaul J.Flory4本章的主要内容本章的主要内容 一、高分子及其应用一、高分子及
3、其应用 二、高分子的发展史二、高分子的发展史 三、高分子物理研究对象及内容三、高分子物理研究对象及内容 5人类的文明史人类的文明史=材料的发展史材料的发展史 6轮胎轮胎天然橡胶和布粘合鼠标垫天然橡胶和布粘合鼠标垫7高分子（高分子（macromolecule、polymer）由许多结构相同的单元通过共价键重复连接而由许多结构相同的单元通过共价键重复连接而成的相对分子量很大的化合物成的相对分子量很大的化合物天然高分子天然高分子：多肽、蛋白质、酶等；多肽、蛋白质、酶等；多聚磷酸多聚磷酸酯等；酯等；多糖如淀粉等；多糖如淀粉等；橡胶类如巴西橡胶橡胶类如巴西橡胶 合成高分子：塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料
4、、合成高分子：塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料、功能高分子等功能高分子等高分子材料具有基本性质：高分子材料具有基本性质：比重小，比强度比重小，比强度高，韧性、可塑性，高弹性、耐磨性，绝缘高，韧性、可塑性，高弹性、耐磨性，绝缘性，耐腐蚀性，抗射线。性，耐腐蚀性，抗射线。一一.高分子及其应用高分子及其应用8PMMA9涤纶PU10 高分子材料的消耗率高分子材料的消耗率 11 生活中的塑料生活中的塑料塑料已成为当今家庭、办公室，以及产业中不可缺少的存在。塑料已成为当今家庭、办公室，以及产业中不可缺少的存在。用图片介绍塑料在各种场所的应用。用图片介绍塑料在各种场所的应用。12客客 厅厅13厨厨 房房14浴
5、浴 室室15农业用塑料：农业用塑料：薄膜（透光性、强度、耐老化性）薄膜（透光性、强度、耐老化性）灌溉用管灌溉用管建筑工业：建筑工业：给排水管给排水管PVC、HDPE塑料门窗：配方、制品设计、加工工艺（挤出温度，螺杆转速，剪切力）塑料门窗：配方、制品设计、加工工艺（挤出温度，螺杆转速，剪切力）涂料油漆：强度，溶解性。涂料油漆：强度，溶解性。复合地板复合地板:家具（人造木材），壁纸，地板革家具（人造木材），壁纸，地板革PVC天花板天花板包装工业：塑料薄膜：包装工业：塑料薄膜：PE、PP、PS、PET、PA等等 中空容器：中空容器：PET、PE、PP等等 泡沫塑料：泡沫塑料：PE、PU等等 应应 用
6、用16汽车工业：塑料件、仪表盘、保险机、油箱内饰件、坐垫等汽车工业：塑料件、仪表盘、保险机、油箱内饰件、坐垫等军工工业：固体燃料、低聚物、复合纤维等质轻（飞机和火箭）军工工业：固体燃料、低聚物、复合纤维等质轻（飞机和火箭）电气工业：绝缘材料（导热性、电阻率）等、导电主分子电气工业：绝缘材料（导热性、电阻率）等、导电主分子电子：通讯光纤、电缆、电线等，光盘、手机、电话电子：通讯光纤、电缆、电线等，光盘、手机、电话家用电器：外壳、内胆（电视、电脑、空调）等家用电器：外壳、内胆（电视、电脑、空调）等医疗卫生中的应用：医疗卫生中的应用：人工心脏、人工脏器、人工肾（人工心脏、人工脏器、人工肾（PUPU）
7、、人工肌肉、）、人工肌肉、（智能型凝胶）输液管、血袋、注射器、可溶缝合浅药物释放。（智能型凝胶）输液管、血袋、注射器、可溶缝合浅药物释放。防腐工程：耐腐蚀性，防腐结构材料。防腐工程：耐腐蚀性，防腐结构材料。（水管阀门）（水管阀门）PTFEPTFE：230230260260长期工作，适合温度高腐蚀严重的产品。长期工作，适合温度高腐蚀严重的产品。17 液晶高分子液晶高分子:降解高分子聚二氧化碳树脂降解高分子聚二氧化碳树脂 导电高分子导电高分子:电致发光高分子聚苯胺、塑料电池电致发光高分子聚苯胺、塑料电池 医用高分子医用高分子：人工心脏、脏器、人工肾（：人工心脏、脏器、人工肾（PU）、人工肌肉。）、
8、人工肌肉。高吸水性树脂高吸水性树脂 智能高分子智能高分子：汽车的抗磨损涂层等：汽车的抗磨损涂层等 高分子在高分子在IT的应用的应用：聚合物发光二极管：聚合物发光二极管(OLED)柔性显示器柔性显示器、塑料芯片等塑料芯片等功能高分子功能高分子Functional Polymer18 五光十色的塑料（五光十色的塑料（plastic）、美观耐用）、美观耐用的纤维（的纤维（fibres）、性能优异的橡胶（）、性能优异的橡胶（rubber）致使高分子材料与金属材料、无机非金属材致使高分子材料与金属材料、无机非金属材料并列为材料世界的三大支柱。料并列为材料世界的三大支柱。20世纪的世纪的20项伟大发明之一
9、：项伟大发明之一：plastic19Problems：1、高分子材料为何具有独特性能？如何划分三大合成材料：、高分子材料为何具有独特性能？如何划分三大合成材料：molecule weights of rubber（几十万）、（几十万）、fibre（5万左右）、万左右）、plastic（介于二者之间）（介于二者之间）2、一种聚合物应用的多样性：、一种聚合物应用的多样性：e.g：PE、PET等等3、高分子材料的环境适应性：、高分子材料的环境适应性：4、高分子材料的改性、高分子材料的改性20 高分子物理是高分子学科体系中最重要的专高分子物理是高分子学科体系中最重要的专业基础课程之一。它以物理学、有机
10、化学、物理业基础课程之一。它以物理学、有机化学、物理化学和高分子化学等课程为基础，又为后续课程化学和高分子化学等课程为基础，又为后续课程聚合物合成工艺学、聚合物加工原理、高分子分聚合物合成工艺学、聚合物加工原理、高分子分子设计等打下理论基础。子设计等打下理论基础。21二二.高分子的发展史高分子的发展史 History of Polymers15世纪世纪 美洲玛美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品1839年年 美国人古德伊尔美国人古德伊尔(Charles Goodyear)发现天然橡胶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、遇与硫磺共热
11、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、可塑性的材料弹性、可塑性的材料 1869年年 美国的海厄特美国的海厄特(John Wesley Hyatt,1837-1920)把硝把硝化纤维、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一种人工合成塑料“赛璐珞赛璐珞”(cellulose)：硝化纤维塑料：硝化纤维塑料221887年年 Count Hilaire de Chardonnet用硝化纤维素用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人
12、造丝。的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。1909年年 美国人贝克兰德美国人贝克兰德(Leo Baekeland)用苯酚与甲醛反用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料应制造出第一种完全人工合成的塑料-酚醛树酯。酚醛树酯。1920年年 施陶丁格施陶丁格(Hermann Staudinger)发表了发表了关于关于聚合反应聚合反应(Uber Polymerization)的论文提出：高分子的论文提出：高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚聚合合)，通过化学键连接在一起的大分子化合物，高分子，通过化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚
13、合物一词即源于此。或聚合物一词即源于此。231926年年 瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机，用它测量离心机，用它测量出蛋白质的分子量：证明高分子出蛋白质的分子量：证明高分子的分子量的确是从几万到几百万的分子量的确是从几万到几百万。1926年年 美国化学家美国化学家Waldo Semon合成了聚氯乙烯，并于合成了聚氯乙烯，并于1927年实现了工业化生产年实现了工业化生产 1930年年 聚苯乙烯聚苯乙烯(PS)发明发明 1932年年 施陶丁格施陶丁格(Hermann Staudinger)总结了自己的总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著大分子理论
14、，出版了划时代的巨著高分子有机化合高分子有机化合物物成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志 1935年年杜邦公司基础化学研究所有机化学部的卡罗瑟杜邦公司基础化学研究所有机化学部的卡罗瑟斯斯(Wallace H.Carothers，1896-1937)合成出聚酰胺合成出聚酰胺66，即尼龙。尼龙在即尼龙。尼龙在1938年实现工业化生产年实现工业化生产 241936年年 德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出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丁钠橡胶和丁苯橡胶 1940年年 英国人温费尔德英国人温费尔德(T.R.Whinfield,
15、1901-1966)合成合成出聚酯纤维出聚酯纤维(PET)1940年年 Peter Debye 发明了通过光散射测定高分子物发明了通过光散射测定高分子物质分子量的方法质分子量的方法 1948年年 Paul Flory 建立了高分子长链结构的数学理论建立了高分子长链结构的数学理论 1950年年 德国人齐格勒德国人齐格勒(Karl Ziegler)与意大利人纳塔与意大利人纳塔(Giulio Natta)分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。丙烯。2519711971年年 S.L Wolek S.L Wolek 发明可耐发明可耐300300o oC C高温的高
16、温的KevlarKevlar纤维。纤维。19551955年年 美国人利用齐格勒美国人利用齐格勒-纳塔催化剂聚合异戊二纳塔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。样的合成天然橡胶。20世纪世纪20年代年代staudinger首次提出高分子概念首次提出高分子概念 40年代年代 形成高分子物理理论形成高分子物理理论 50年代年代 出现高分子工程：聚合反应工程、成型加工出现高分子工程：聚合反应工程、成型加工26 6060年代高分子工业大发展时期：年代高分子工业大发展时期：通用塑料：通用塑料：PE、PP、PVC、PS(80
17、%)PFUF、PU、UP工程塑料：工程塑料：ABS、PA、PC、PPO、POM、PBT合成纤维：合成纤维：PET、PAN、PP、PVA、nylon合成橡胶：合成橡胶：SBR、NR、顺丁橡胶、丁基橡胶、丁、顺丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶腈橡胶 近十年高分子的发展方向近十年高分子的发展方向：高性能化高性能化、高功能化、精细化、高功能化、精细化、智能化、复合化、智能化、复合化27在高分子科学的形成和发展的过在高分子科学的形成和发展的过程中，世界上许多科学家作出了程中，世界上许多科学家作出了巨大的贡献，我们不应忘记他们巨大的贡献，我们不应忘记他们The Nobel Prizes and polymer
18、scientists281953 Hermann Staudinger(1881-1965)施陶丁格施陶丁格(Hermann Staudinger)是德国著名的化学家，是德国著名的化学家，1881年年3月月23日生于德国的沃尔姆斯日生于德国的沃尔姆斯(Worms)，1965年年8月月8日在弗赖堡日在弗赖堡(Freiburg)逝世，终年逝世，终年84岁。他是岁。他是1953年诺贝尔年诺贝尔化学奖的获得者。化学奖的获得者。1947年，他编辑出版了年，他编辑出版了高分子化学高分子化学(Die makromolekulare Chemie)杂志，形象地描绘了高分子杂志，形象地描绘了高分子(Macrom
19、olecules)存在的形式。从此，他把存在的形式。从此，他把“高分子高分子”这个这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系，创立了确定分子量的粘度的理论之间的关系，创立了确定分子量的粘度的理论(后来被称为后来被称为施陶丁格尔定律施陶丁格尔定律)。他的科研成就对当时的塑料、合成橡胶、。他的科研成就对当时的塑料、合成橡胶、合成纤维等工业的蓬勃发展起了积极作用。由于他对高分合成纤维等工业的蓬勃发展起了积极作用。由于他对高分子科学的杰出贡献，子科学的杰出贡献，1953年年,他以他以72岁高龄，走上了诺贝尔岁高龄，走上了诺贝尔奖金
20、的领奖台奖金的领奖台 29For his discoveries in the field of macromolecular chemistry H.Staudinger(1881-1965)301963 Karl Ziegler(1903-1979)Giulio Natta(1898-1973)德国人齐格勒德国人齐格勒(Karl Ziegler)(Karl Ziegler)与意大利人纳塔与意大利人纳塔(Giulio Natta)(Giulio Natta)分别发分别发明用三乙基铝和三氧化钛组成的金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙明用三乙基铝和三氧化钛组成的金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙
21、烯的方法。这种催化剂被统称为齐格勒纳塔型催化剂。烯的方法。这种催化剂被统称为齐格勒纳塔型催化剂。19631963年年1212月月1010日，他们共享诺贝尔化学奖的崇高荣誉。日，他们共享诺贝尔化学奖的崇高荣誉。Karl Ziegler(1903-1979)Giulio Natta(1898-1973)for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers 311974 Paul J.Flory(1910-1985)美国高分子物理化学家弗洛里美国高分子物理化学家弗洛里(Paul J.Fl
22、ory)(Paul J.Flory)由于在由于在高分子科学领域，尤其在高分子物理性质与结构的研究高分子科学领域，尤其在高分子物理性质与结构的研究方面取得巨大成就，方面取得巨大成就，19741974年荣获瑞典皇家科学院授予的年荣获瑞典皇家科学院授予的诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。Polymer thermodynamics,kenitics,molecular weight distribution,solution theoryPaul J.Flory(1910-1985)321991 Pierre-Gilles de Gennes 法国科学家吉尼法国科学家吉尼(Pierre-Gilles de
23、 Gennes)(Pierre-Gilles de Gennes)提出高提出高分子链性质的非平衡态统计理论和标度理论。成功地将分子链性质的非平衡态统计理论和标度理论。成功地将高分子物理理论引向新阶段。高分子物理理论引向新阶段。19911991年被授予诺贝尔物理年被授予诺贝尔物理学奖。学奖。Pierre-Gilles de Gennes(1932 )for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex form
24、s of matter,in particular to liquid crystals and polymers 332000 Hideki Shirakawa Alan J.Heeger Alan G.MacDiarmid 2000年年10月月10日，日本筑波大学白川英树日，日本筑波大学白川英树(Hideki Shirakawa)，美国加利福尼亚，美国加利福尼亚大学的黑格大学的黑格(Alan J.Hegger)和美国宾夕法尼亚大学的马克迪尔米德和美国宾夕法尼亚大学的马克迪尔米德(Alan G.MacDiarmid)因对导电聚合物的发现和发展因对导电聚合物的发现和发展(塑料电池聚乙炔塑料电池
25、聚乙炔)而获得而获得2000年度诺贝年度诺贝尔化学奖。尔化学奖。for the discovery and development of conductive polymers 34 我国从我国从50年代才开始研究高分子年代才开始研究高分子 我们的先驱：我们的先驱：王葆仁王葆仁(1907.1.201986.9.12）：中国最早从事高分）：中国最早从事高分子科学研究的化学家之一。子科学研究的化学家之一。50年代开始研究聚甲基丙年代开始研究聚甲基丙烯酸甲酯、聚已内酰胺和有机硅高分子烯酸甲酯、聚已内酰胺和有机硅高分子 冯新德冯新德 自由基聚合自由基聚合徐徐 僖僖 塑料加工塑料加工 钱保功钱保功 橡胶
26、合成橡胶合成 （顺丁橡胶）（顺丁橡胶）唐敖庆唐敖庆 高分子统计理论高分子统计理论钱人元钱人元 高分子溶液理论及粘度的测定高分子溶液理论及粘度的测定（我国与高分子领域的中科院院士：唐敖庆、钱人元、（我国与高分子领域的中科院院士：唐敖庆、钱人元、钱保功、徐僖、冯新德、何炳林、王佛松，沈之荃、钱保功、徐僖、冯新德、何炳林、王佛松，沈之荃、程镕时、黄葆同、白春礼、周其凤等）程镕时、黄葆同、白春礼、周其凤等）35 我国成型加工的现状：引进我国成型加工的现状：引进消化消化再引再引进进 中国取得的成就（独立知识产权）：中国取得的成就（独立知识产权）：顺丁橡胶（长春应化所）顺丁橡胶（长春应化所）降温母料法生产
27、衣用降温母料法生产衣用PP纤维（中科院化学所）纤维（中科院化学所）电磁动态聚合物成型原理及设备电磁动态聚合物成型原理及设备（华南理工（华南理工大学）大学）36三三.高分子物理研究对象和内容高分子物理研究对象和内容合成合成结构结构应用应用性能性能高分子化学高分子化学分子设计分子设计成型加工成型加工高分子学科高分子学科：37What?高分子物理研究对象高分子物理研究对象 讨论高分子讨论高分子结构和性能结构和性能，并通过研究分，并通过研究分子运动来揭示结构与性能之间内在联系子运动来揭示结构与性能之间内在联系以及它们的基本规律，从而对高分子的以及它们的基本规律，从而对高分子的合成材料的成型加工、测试、
28、改性提供合成材料的成型加工、测试、改性提供理论依据。理论依据。高分子物理核心：结构决定性能高分子物理核心：结构决定性能38how？研究方法研究方法 决定结构与性能关系的内在因素在于高分子的决定结构与性能关系的内在因素在于高分子的运动及相互作用，探索各种环境下运动及相互作用，探索各种环境下高分子各运动高分子各运动单元的运动规律，以分子运动的观点讨论各领域单元的运动规律，以分子运动的观点讨论各领域内的实际问题乃是高分子物理学的精髓。内的实际问题乃是高分子物理学的精髓。学习高分子物理的两条主线：学习高分子物理的两条主线：结构决定性能结构决定性能 高分子运动的特点高分子运动的特点39 高分子化学的主要
29、高分子化学的主要内容内容：Rp合成工艺条件合成工艺条件产品产品机机理理 粘弹性粘弹性 力学性能力学性能 高弹性高弹性 流流变变 高分子物理主要内容：高分子物理主要内容：结构结构分子运动分子运动性能性能近程近程 远程远程 凝聚凝聚态态各种转变（各种转变（包括玻璃化包括玻璃化转变等）转变等）光学性能光学性能电性能电性能Mn40 加工过程：加工过程：聚碳酸酯，改变温度，降低粘度。粘度低，加工容易。聚碳酸酯，改变温度，降低粘度。粘度低，加工容易。聚乙烯：改变螺杆转速，注射压力聚乙烯：改变螺杆转速，注射压力剪切力剪切力降低粘度降低粘度。高分子物理知识解决实际生产问题：高分子物理知识解决实际生产问题：分子
30、量和分子量分布（高分子性能因素之一）：分子量和分子量分布（高分子性能因素之一）：分子量大，材料强度大，但加工流动性变差，分子量要适中分子量大，材料强度大，但加工流动性变差，分子量要适中分子量分布：纤维来说，分布窄些，高分子量对强度性能不利。橡分子量分布：纤维来说，分布窄些，高分子量对强度性能不利。橡胶：平均分子量大，加工困难，一起增塑作用。所以经过塑炼，降胶：平均分子量大，加工困难，一起增塑作用。所以经过塑炼，降低分子量，使分布变宽低分子量，使分布变宽凝聚态结构：凝聚态结构：结晶使材料强度结晶使材料强度，脆，韧性，脆，韧性 球晶大小也影响性能，球晶不能过大球晶大小也影响性能，球晶不能过大（a a）加成核）加成核 剂，减小球晶尺寸剂，减小球晶尺寸 （b b）改变结晶温度，多成核）改变结晶温度，多成核41 作业及思考题作业及思考题 （1）以）以PE为例说明聚合物应用广泛，为例说明聚合物应用广泛，PE的结构式的结构式 简单但是有许多用途？简单但是有许多用途？（2）饮料瓶为何盛热水则变软？）饮料瓶为何盛热水则变软？（3）汽车轮胎是否可取代飞机轮胎？）汽车轮胎是否可取代飞机轮胎？nCHCH)(22
