高分子科学导论-绪论课件.ppt

《高分子科学导论-绪论课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高分子科学导论-绪论课件.ppt（37页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1,高分子科学导论 Introduction to Polymer Science,2,为什么把“高分子科学导论”作为化学学科本科生的基础课？,化学一级学科的五个二级学科 无机、分析、物化、有机、高分子,高分子科学与其他学科的关系,1972的诺贝尔化学奖获得者P.J.Flory说，高分子科学既是一门基础科学，又是一门应用科学。在美国，从事化学研究的人当中，有1/2到2/3的人从事与高分子科学有关的研究。,3,高分子科学的重要性,“衣、食、住、行”衣,4,高分子科学的重要性,“衣、食、住、行”食,5,高分子科学的重要性,“衣、食、住、行”住,6,高分子科学的重要性,“衣、食、住、行”行,Hyun

2、dai QarmaQ Lexan（PC）Xenoy iQ（PBT）Noryl（PPO）,Bayer All-plastic-car Makrolon（PC）Desmopan（TPU）,7,2007年中国塑料制品产量及构成,8,高分子科学的基本内涵,高分子化学（Polymer Chemistry）高分子的合成和化学反应：聚合反应理论，新的聚合方法及改性方法，高分子的基团反应，高分子的降解、老化与交联等；高分子物理（Polymer Physics）高分子的结构与性能：高分子链的构型与构象，高分子的聚集态及分子运动、固态与液态聚合物的物性（热学、力学、电学、光学、磁学、流变学等性能）,高分子溶液与分

3、子量等；高分子工程（Polymer Engineering）高分子成型加工与聚合反应工程：高分子成形加工的理论基础及方法，塑性、弹性等力学性能，流变学理论；高分子化合物工业规模合成中的尺度效应及工艺特点。,9,高分子科学的基本概念 高分子化学与物理基础 高分子材料的性能与应用 高分子科学的研究与应用前沿,教学内容,10,1、绪论（2学时）2、高分子和合成与化学性质（4学时）3、高分子的结构与性能关系（2学时）4、高分子的表征与分析（2学时）5、热塑性高分子（2学时）6、工程塑料（2学时）7、热固性树脂（2学时）,教学大纲,8、橡胶（2学时）9、纤维（2学时）10、涂料与粘合剂（2学时）11、功

4、能高分子材料（2学时）12、高分子复合材料（2学时）13、天然高分子（2学时）14、超分子（2学时）15、高分子材料的添加剂（2学时）,11,Reference book,Joel R Fried,Polymer Science and Technology,2nd Ed.2003，Pearson Education,Inc.聚合物科学与工程，第二版（英文影印版），2005，化学工业出版社Charles E Charraher,Giant Molecules,2nd Ed.2003,John Wiley&Sons,Inc.Herbert Morawetz,Polymer-The Origins

5、 and Growth of a Science,A Wiley-Interscience Publication,1985,12,Definition and Foundation,Polymer,Poly-希腊语：许多,-meres希腊语：部分,Polymer（IUPAC 1994）A molecule of high relative molecular mass,the structure of which essentially comprises the multiple repetition of units derived,actually or conceptually,fr

6、om molecules of low relative molecular mass.相对高分子质量的分子，其结构主要是由相对低分子质量的分子按实际上或概念上衍生的单元多重重复组成的。Macromolecule 是由大量原子组成的，具有相对高的分子质量或分子重量。大分子对结构没有什么特指。,13,Definition and Foundation,第一章 绪论,Monomer（单体）A monomer is any substance that can be converted into a polymer.Structure unit（结构单元）A structural unit is a

7、 building block of a polymer chain,and related to the repeat unit.It is the result of a monomer which has been polymerized into a long chain.Repeating unit（重复单元）A repeating unit is the identical and repeated structural unit of the polymer.,repeating unit,monomer,+,monomer,monomer,14,Dimers（二聚体）,Trim

8、ers（三聚体）and Oligomers（齐聚物）A dimer can be formed from the reaction of two monomer molecules;the dimer may react with a third monomer to yield a trimer,and so on.Dimers are usually linear molecules,but trimers,tetramers,pentamers,and so on,can be linear or cyclic.are known as oligomers.Generally,molec

9、ules with fewer than 10 repeating units are termed oligomers.,L-lactideDimer of L-lactic acid,MelamineTrimer of cyanamide,15,Definition and Foundation,The degree of polymerization,or DP,is the number of repeat units in an average polymer chain.End group OR terminal group,Terminal group,Terminal grou

10、p,Terminal group,Terminal group,16,高分子与超分子（Supramolecule）的区别高分子：由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量很大（如10000以上）的化合物。超分子：通过分子间的弱相互作用组装形成的一类非共价键键合“高聚物”。Supramolecule：A system of two or more molecular entities held together and organized by means of intermolecular(noncovalent)binding interactions,Definition and

11、Foundation,17,根据高分子的加工特性分类：热塑性聚合物（Thermoplastics）Those polymers that can be heat-softened in order to process into a desired form are called thermoplastics.热固性聚合物（Thermosets）They are polymers whose individual chains have been chemically linked by covalent bonds during polymerization or by subsequent

12、 chemical or thermal treatment during fabrication.,Classification of Polymers,18,根据高分子的使用用途划分：塑料（Plastics）橡胶（Rubbers）纤维（Fiber）涂料（Coating）粘合剂（Adhesive）功能高分子（Functional polymer）,Classification of Polymers,19,Classification of Polymers,按聚合物主链结构划分：碳链聚合物：主链上的原子均为碳原子的聚合物。Polyolefin and its derivatives CC、

13、C=C杂链聚合物：聚合物主链中不仅含有碳原子还含有氮、氧、硫、磷等杂原子。元素有机聚合物：大分子主链中没有碳原子，而是由硅、硼等无机原子和氮、氧、硫、磷构成。Polysiloxane SiO,Polyether OPolyester OCOPolyamide NHCOPolyurethane NHOCO,Polyurea NHCONHPolysulfone SO2 Polythioether SPolyphospahte OPOO,20,按聚合物的结构单元类型划分：均聚物（Homopolymer）：只含有一种重复单元的聚合物。共聚物（Copolymer）：含有两种以上重复单元的聚合物。无规共聚

14、物（Random copolymer）交替共聚物（Alternative copolymer）嵌段共聚物（Block polymer）接枝共聚物（Graft copolymer）,Classification of Polymers,21,最常用的简单命名法一般参照聚合物单体命名，对于一种单体聚合得到的聚合物直接在其单体名字前面加前缀“聚”（Poly）即可。,Polymer Nomenclature,聚乙烯（polyethylene）,乙烯（ethylene）,对于由两种单体经过缩聚反应得到的均聚物按其结构单元命名，并在名字前加前缀“聚”。,+,己二胺（hexamethylene diamin

15、e）,聚已二酰己二胺（polyhexamethylene adipamide）,己二酸（adipic acid）,22,Polymer Nomenclature,国际纯粹化学和应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC）于1972年首次提出了聚合物的系统命名法。系统命名法基于聚合物的结构，遵循以下程序原则：首先确定聚合物重复单元的结构；然后按有机化合物标准命名法排好重复单元中次级单元（Subunit）的次序后重复单元命名；最后在重复单元前加上前缀“聚”，就成为聚合物的名称。,p-dioxanone对二氧环己酮,

16、poly 1,4-dioxan-2-oneIUPAC：聚1,4-二氧杂己烷-2-酮普通命名法：聚对二氧环己酮,23,History of Polymer Science,Stone age,Bronze age,Iron age,Steel age,Polymer age,B.C.8000 B.C.4000,B.C.4000 B.C.1000,B.C.1000 A.D.1800,A.D.1800 A.D.1900,A.D.1900 Now,24,History of Polymer Science,前期：天然高分子阶段早在人类社会发展的最初阶段，人类已经开始利用各种天然高分子。来源于植物：淀粉

17、、纤维素（谷物、草木、果壳、胶漆）来源于动物：蛋白质、壳聚糖（皮毛、角质、丝、虫壳）,25,History of Polymer Science,第一阶段：第一世界大战爆发前，人工合成聚合物的出现,C.Shnbein,1846：第一种人造纤维-硝化纤维素,J.W.Hyatt,1868：第一种热塑性塑料-赛璐珞,1830：第一种硫化橡胶,C.Goodyear,1907：第一种热固性塑料-Bakelite,L.Baekeland,26,第二阶段：1914-1942 高分子科学的经典阶段主要代表人物：Staudinger,Mark,Meyer,Carothers,Schultz,Kuhn,Flory

18、等 产生了存在长链分子的概念；结晶学为某些大分子提供了详细的结构信息；聚合的机理和动力学被阐明；在试 图分析长链分子结构的物理序列结果的同时，提出了柔性“分子线团”概念。第三阶段：1942-1960 经典高分子科学达到充分成熟的阶段Flory和Huggins似晶格模型导出高分子溶液热力学性质;Debeye和Zimm发展光散射法研究高分子溶液性质；Flory和Fox把热力学和流体力学联系起来，使高分子溶液的粘度、扩散、沉降等宏观性质与分子的微观结构有了联系；Williams,Landel,Ferry,Tobolsky,Rouse,Bueche,Zimm等在高分子聚集态的粘弹性质的研究取得了重要的

19、成果；Watson和 Crick用X射线衍射法研究高分子晶态结构，于1953年确定了DNA的双螺旋结构。,History of Polymer Science,27,The Nobel Prize in Chemistry 1953,University of Freiburg;Staatliches Institut fr makromolekulare Chemie(State Research Institute for Macromolecular Chemistry),Freiburg Breisgau,Federal Republic of Germany b.1881 d.196

20、5,20世纪20年代首次提出“高分子”的概念，建立了高分子学说。高分子科学的奠基人。,Hermann Staudinger,for his discoveries in the field of macromolecular chemistry,28,早在1861年，胶体化学的奠基人，英国化学家格雷阿姆并从高分子溶液具有胶体性质着眼，提出了高分子的胶体理论。这一理论在一定程度上解释了某些高分子的特性，得到许多化学家的支持。20世纪初，人们已经通过分解产物确认了一些天然聚合物的分子式，如淀粉和天然橡胶，但并不清楚其分子结构如何连接，因此套用胶体理论认为这些分子是小分子单体的缔合胶体。,Staud

21、inger并不认同胶体理论，经过多年研究发表了具有划时代意义的论文“ber Polymerisation”（论聚合），认为聚合不同于缔合，它是分子靠正常的化学键结合起来。天然橡胶、聚苯乙烯等聚合物应该具有线性链式的价键结构式。,29,Staudinger的观点一提出就遭到胶体论者的激烈反对，争论持续了10年，但这一新观点一开始并不为主流所认同。诺贝尔奖化学奖获得者Heinrich Wieland曾劝告Staudinger说：Dear colleague,leave the concept of large molecules well alone:organic molecules with

22、a molecular weight above 5000 do not exist.Purify your products,such as rubber,then they will crystallize and prove to be lower molecular substances.”,1926年瑞典化学家T.Svedberg等人设计并用超离心机测定出蛋白质的分子量。1928年K.H.Meyer 和H.F.Mark用 X射线技术测定纤维素和天然橡胶中大分子的晶区尺寸。1935年 W.H.Carothers在 Staudinger的理论基础上合成出了尼龙。,30,He deserv

23、es a double credit in the history of polymers since not only did his team at DuPont develop the first commercial synthetic elastomer(polychloroprene),which is still commercially and technically important today,but also,a few years later,he was responsible for the discovery of arguably one of the gre

24、atest families of plastics(Nylon and Polyesters)ever commercialized.He was the pioneer of condensation polymerization;His work led to nylon fibers and modern melt spinning technology.,18961937,Wallace H.Carothers,31,The Nobel Prize in Chemistry 1963,“For their discoveries in the field of the chemist

25、ry and technology of high polymers,Karl Ziegler Max-Planck-Institute for Carbon Research,Mlheim/Ruhr,Federal Republic of Germany b.1898 d.1973,Giulio NattaInstitute of Technology Milan,Italy b.1903 d.1979,20世纪50年代发现和发展了Ziegler-Natta催化剂,第一章 绪论,32,USA,Stanford University,Stanford,CA,USA b.1910 d.1985,

26、The Nobel Prize in Chemistry 1974,“For his fundamental achievements,both theoretical and experimental,in the physical chemistry of the macromolecules,Flory 在大分子物理化学实验和理论两方面做出了根本性贡献。,Paul J.Flory,33,Rockefeller University,New York,NY,USA b.1921 d.2006,for his development of methodology for chemical s

27、ynthesis on a solid matrix,1974年将功能化的聚苯乙烯用于多肽和蛋白质的合成，大大提高了涉及生命物质合成的效率并缩短了合成时间。,Robert Bruce MerrifieldThe Nobel Prize in Chemistry 1984,34,Pierre-Gilles de Gennes，The Nobel Prize in Physics 1991,France,Collge de France,Paris,France b.1932.d.2007,提出“软物质”的概念，建立高分子物理的现代理论，如蛇行理论等,for discovering that me

28、thods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter,in particular to liquid crystals and polymers,35,Alan J.Heeger University of California Santa Barbara,CA,USA b.1936,Alan G.MacDiarmid USA and New Zealand University of Pennsylvania,USAb.

29、1927 d.2007,Hideki Shirakawa University of Tsukuba Tokyo,Japan b.1936,The Nobel Prize in Chemistry 2000,“for the discovery and development of conductive polymers”,20世纪70年代发现掺杂聚乙炔导电高分子材料,36,科学院院士钱人元 冯新德 黄葆同 王葆仁钱保功 唐敖庆 林尚安 何炳林程镕时 黄志镗 沈之荃 徐 僖 卓仁禧 沈家骢 王佛松 曹 镛 周其凤 吴奇 杨玉良 江 明颜德岳 张 希工程院院士徐端夫 毛炳权 袁晴棠,我国对高分子科学发展做出贡献的科学家,37,聚合物科学的发展方向,高分子合成化学与无机化学、配位化学、有机化学等的融合与渗透；开发设计合成多种拓扑结构的聚合物链；新合成方法的开发。高分子科学与生命科学的交叉研究生物大分子合成、性能的研究；小尺度药物传输系统、生物传感器、环境响应体系；组织工程材料、人工器官光电磁活性功能高分子研究具有特殊光子性能的软物质；具有特殊光电效应和能量转化特性的聚合物材料；以聚合物作为激光和光学放大器介质；超分子自组装高分子物理与聚合物加工定量描述聚合物的复杂结构与性能；结晶、流变学、溶液行为、多相体系；新型加工方法与设备；高分子材料反应加工；加工外场的影响。,