教学课件：第一章-认识高分子.ppt

高分子材料概论,通识教育选修课讲授：柳乐仙电话：138 4435 8051,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.2010.92.高分子材料（第二版）.黄丽.化学工业出版社.2014.13.高分子材料成型加工.中国轻工业出版社.2005.84.纳米复合材料手册.张玉龙.中国石化出版社.20055.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104106，分子量大于这个范围的又称为超高分子量聚合物,macromolecule,high polymer,1.1 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,聚乙烯,聚丙烯,聚乙二醇,尼龙6,聚二甲基硅氧烷,1.1 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,1,1.2 高分子科学发展的历史,二、二十世纪初叶：高分子工业和科学的创立的准备时期,三、二十世纪3040年代：高分子工业和科学的创立时期,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(Hermann Staudinger)1963 齐格勒(Karl Ziegler)和纳塔(Giulio Natta)1974 弗洛里(Paul J.Flory)1991:德让纳(Pierre-Gilles de Gennes)2000:黑格(Alan J.Hegger)、马克迪尔米德(Alan G.MacDiarmid)和白川英树(Hideki Shirakawa),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。,“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”,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。,Karl Ziegler,Giulio Natta,“for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers”,高分子科学Nobel奖获得者,（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”理论和温度概念；他的著作“Principles of polymer chemistry”（1953）是高分子学科中的Bible。,Paul J.Flory,“For his fundamental achievements,both theoretical and experimental,in the physical chemistry of the macromolecules”,高分子科学Nobel奖获得者,De Gennes（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,De Gennes,“for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter,in particular to liquid crystals and polymers”,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 3.2x10-6-1cm-1增加到38-1cm-1，提高了1000万倍（接近铝、铜）提出孤子概念,Alan J.Heeger,1936,Alan G.MacDiarmid,b.1936,b.1927,Hideki Shirakawa,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(Degree of Polymerization)表示，也可用Xn表示。,CH2=CH2,CH2CH2,例如,结构单元,乙烯的聚合,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,写法：,聚（1-氯代乙烯）,举 例,写法：,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，而非单种高分子，如：,（4）商业习惯命名：,聚酰胺：,聚酯：,聚酯：,尼龙聚酰胺，后面数字表示二胺的碳数和二酸的碳数，如尼龙66聚己二胺己二酸酰胺。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纤维；氯纶聚氯乙烯纤维；腈纶聚丙烯腈纤维；氨纶聚氨基甲酸酯纤维；丙纶聚丙烯纤维；锦纶尼龙6纤维。,.商品俗名,.外文字母缩写法,PE聚乙烯；PP聚丙烯；PVC聚氯乙烯；PC聚碳酸酯；PS聚苯乙烯；PET聚对苯二甲酸乙二醇酯；PMMA聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃）等。,有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯；电玉脲醛树脂；塑料王聚四氟乙烯；太空塑料聚碳酸酯等。,1.4 高分子的结构,线形高分子,环状高分子,支化高分子,梳形高分子,梯形高分子,网状高分子,星形高分子,高分子的一次结构,1.4 高分子的结构,高分子的宏观状态,玻璃态和玻璃化温度（Tg）非结晶高分子在某个温度下，分子的热运动能量极低，表现出来的力学性质和玻璃差不多，称为玻璃态,高弹态线型的非结晶高分子聚合物在玻璃化温度以上时，在某个范围内并不熔化，表现出具有较高的弹性形变状态，称为高弹态,粘流态和粘流温度（Tf）温度上升到某个点以上，高分子的整个分子链都开始运动，出现分子间明显的相对位移，达到了能够流动的状态，称为粘流态,1.5 高分子的结构和性能,1.6 合成高分子的方法,