高分子化学ppt课件-绪论.ppt
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1、1,高分子化学,Polymer Chemistry,绪论,2/67,学习方法及考核方式,平时20%,作业30%,读书笔记30%,论文20%,,学习方法,考核方式,1.课堂讲授2.作业3.读书笔记4.撰写论文,绪论,3/67,教 学 参 考 书,上:高分子科学的渊源与成长;中:合成高分子材料的发展;下:中国古今高分子科技成就,绪论,4/67,施良和,胡汉杰主编,本书从高分子合成、高分子物理、高分子成型、功能高分子、天然高分子、高分子材料、计算机模拟技术等介绍国内外研究现状、学术热点及发展趋势。-,由国家自然科学基金委员会化学科学部组织活跃在高分子科学相关研究领域的几十位学者共同撰写而成。,199
2、4年,化工出版社,绪论,5/67,金关泰 著,绪论,6/67,周其凤胡汉杰,绪论,7/67,绪 论(一),绪论,8/67,1.高分子科学的历史和发展2.高分子的重要性和特点3.高分子化学在学科中的地位4.高分子化学的研究趋势5.高分子材料的应用和未来6.中国的高分子科学,9/67,绪论,何为高分子?,分子量大(10,000)由重复单元链接而成,长径比:103 105,Polyamideimide/聚酰胺酰亚胺的立体示意图,10/67,绪论,高分子/Polymer,单体/Monomer,合成高分子 由单体聚合而成,通过不同的聚合反应,11/67,绪论,n,带双官能团的化合物,逐步聚合,带双键的烯
3、类化合物,连锁聚合,12,高 分 子 化 学,有机化学,物理化学,化学工程.,聚合反应工程,高 分 子 物 理,小分子化合物,高分子化合物,制品,聚合物成型加工,材料力学流体力学.,分 子 结 构,形 态 形 状,使用性能,无机化学,分析化学,物 理,循环利用,石油天燃气煤其它,高分子科学,高分子工程,高分子科学的知识框架,13/67,绪论,学科:高分子科学,高分子化合物,合成,结构,性能,高分子材料的应用,成型加工,基础性学科应用性学科,绪论,14/67,历史的划分,人类发展的历史证明,每一种重要材料的发现和利用,都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平,给社会生产力和人类生活带来巨
4、大的变化,把人类物质文明和精神文明向前推进一步,历史的划分,材料,人类文明,15/67,绪论,旧石器 数百万年前,新石器 数十万年前,青铜器 数千年前,铁器数千年前,16/67,绪论,高分子时代(20世纪下半叶),三大合成材料:塑料、橡胶、纤维 其他合成材料:涂料、胶粘剂 复合材料 功能高分子材料,(200年不到),在人类历史上,几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献。在二十世纪初,可靠的聚合方法的发现,加上有关高分子理论,物理和工程的巨大进展,导致并推动了一场材料革命,这场材料革命至今仍在继续地进行着。,O.Vogl,G.D.Jaycox,“Trends in Po
5、lymer Scinece”,17/67,绪论,无处不在的高分子,服装、面料玩具、生活用品电气产品外壳、绝缘体包装、装饰材料涂料、粘合剂隐形眼镜,衣食住行,无处不在!,18/67,绪论,以塑代钢在一定程度上,工程塑料的强度已经超过了钢铁,可应用于各个领域,19/67,绪论,全世界高分子材料已超过2亿吨,虽然重量不及钢铁,但由于其比重仅为钢铁的1/71/8,因此,世界高分子材料总体积远远超过钢铁。发达国家钢铁的产量基本已经稳定了,但高分子材料的产量还在增长,高分子材料具备金属和陶瓷等材料的性能特点,在几乎所有的应用领域大量地取代它们,甚至综合性能更优良。高分子材料的发展和应用,是20世纪改变人类
6、生活、生产的20项发明之一,20/67,绪论,每年全球生产超过2亿吨聚合物材料以满足全世界的60亿人的使用需要。在这一生产过程,只消耗了全球原油年产量的4%。比较而言,全球每年采伐的木材量所等效的石油消耗却要比聚合物大一个数量级。,与全球每年产生的约500亿吨生物物质相比,聚合物的产量是如此的微不足道。然而,聚合物材料的使用却对全球经济产生了巨大的影响,它对美国GDP的贡献达到4%。当全世界人口比现在翻一番时,聚合物的生产规模可能是现在的三倍甚至四倍。,能源消耗,量效比,21/67,绪论,木材棉麻丝毛漆橡胶皮革各种树脂,各种天然的高分子材料,皮革的鞣制棉麻的丝光处理,改性,日常生活和生产,创建
7、前蒙昧期,(不知道其化学组成和结构),高分子科学的历史(时间短却发展迅猛),22/67,绪论,合成树脂:德国开发出酚醛树脂(1907年)作为绝缘材料:俗称电木,醋酸纤维和塑料、醇酸树脂、聚乙烯醇,学科创建:本阶段的末期,高分子科学作为一个独立的学科初步建成,天然高分子的改性:橡胶的硫化(1839年),使天然橡胶实用化 硝基纤维素发明推动塑料工业的发展(1868年),火药(N%:13%)赛璐珞塑料(11%)涂料(12%)胶片(12%),第一阶段高分子科学的创建(19世纪30年代-1930年),23/67,绪论,高分子和聚合的概念得到普遍的接受,第二阶段重要发展阶段(1930-1960年),193
8、6年,以纤维素乙酰化前后分子量变化极小的实验事实再次证实“链式大分子”观点的正确性,终于得到化学界普遍认可,H.Staudinger(1881-1965)Germany,1926年,依据测定聚茚氢化前后分子量变化极小的实验事实,提出了“链式大分子”概念(茚:一种烃类液体 indene C9H8,很易聚合),高分子的链式结构,最终被确立,Nobel Prize,1953,Staudinger十年间两次提出,1920年,发表了他划时代意义的文献论聚合,提出了大分子是由大量的小分子聚合起来的概念,24/67,绪论,两派之争,胶体论者的观点早在1861年,胶体化学的奠基人,英国化学家格雷阿姆曾将高分子
9、与胶体进行比较,认为高分于是由一些小的结晶分子所成,提出了高分子的胶体理论。这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。他们拿胶体化学的理论来套高分子物质,认为纤维素是葡萄糖的缔合体。所谓缔合即小分子的物理集合。,Staudinger派的观点在当时只有德国有机化学家STAUDINGER等少数儿个人不同意胶体论者的上述看法。STAUDINGER发表了“关于聚合反应”的论文,认为聚合不同于缔合,它是分子靠正常的化学键结合起来。天然橡胶应该具有线性直链的价键结构式。1922年,STAUDINGER进而提出了高分子是由长链大分子构成的观点,动摇了传统的胶体理论的基础。,25/67,
10、绪论,争鸣讨论的气氛诞生了新发现,比如,胶体论者坚持认为,天然橡胶是通过部分价键缔合起来的,这种缔合归结于异戊二烯的不饱和状态。他们自信地预言:橡胶加氢将会破坏这种缔合,得到的产物将是一种低沸点的低分子烷烃,针列这一点,STAUDINGER研究了天然橡胶的加氢过程,结果得到的是加氢橡胶而不是低分子烷烃,而且加氢橡胶在性质上与天然橡胶几乎没有什么区别。结论增强了他关于天然橡胶是由长链大分子构成的信念。,讨论中的分歧引起人们的深入研究,在研究中一步步接近真理。,26/67,绪论,1953年获诺贝尔化学奖时72岁,已退休2年美国一家杂志报道的新闻标题:“来的迟了,总比没有要好”,施陶丁格:“我宁愿在
11、我的实验室里安静地从事我的工作,或者在我的花园里照料花草,而不是去捍卫我的理论或者花时间来反对他人的错误工作。”,27/67,绪论,塑料和工程塑料:,尼龙-66的工业化生产(1938年)有机玻璃(合成聚甲基丙烯酸甲酯)聚苯乙烯的工业化 环氧树脂 ABS树脂,合成橡胶:,丁二烯及其共聚类(如聚丁二烯、丁氰、丁苯、丁基等)聚氨酯,在材料开发及其应用方面都得到了很大的发展,聚酯纤维 腈纶,合成纤维:,二次世界大战客观上刺激了科学技术和工业的发展,因此,高分子科学的全面发展不仅在基础研究方面,而且在应用方面,28/67,绪论,Wallace H.Carothers(18961937),USA1935年
12、2月28日 聚酰胺66(polyamide66),1938年10月27日 Nylon66,du Pont,第一种合成纤维,聚氯乙烯聚苯乙烯聚醋酸乙烯酯聚甲基丙烯酸甲酯高压聚乙烯丁苯橡胶丁腈橡胶氯丁橡胶聚四氟乙烯 ABS树脂,科学研究,链式自由基聚合反应理论,工业化,缩聚反应理论,聚酰胺聚酯,缩聚反应理论,链式自由基聚合反应理论,30到40年代,工业合成,29/67,绪论,可以实现分子链立体构象的控制制备出高密度线型PE和等规PP,Karl Ziegler(1898-1973)Germany烯烃聚合中的有机金属混合物催化剂高密度聚乙烯(High density Polyethylene,HDPE
13、),Giulio Natta(1903-1979)Italy立构规整聚合物等规聚丙烯(Polypropylene,PP),Nobel Prize,1974,Ziegler-Natta催化剂及其配位聚合(1963),活性阴离子聚合,可以实现分子链结构和形状的控制,开发了聚甲醛、聚氨酯等,30/67,绪论,50年代,美国化学家P.J.Flory提出了高分子溶液的格子模型,创建了高分子溶液的统计热力学和高分子构象的统计力学方面的基础理论,大大促进了高分子物理以至整个高分子科学的发展,Paul J.Flory(1910-1985),USAPrinciples of Polymer Chemistry高
14、分子化学原理,1953;Statistical Mechanics of Chain Molecules 长链分子的统计力学,1979Nobel Prize,1974,高分子物理,Pierre-Gilles de Gennes(1932-),FranceScaling Concepts in Polymer Physics高分子物理学的标度概念,1985Nobel Prize,1991,31/67,绪论,有机化学,高分子化学,物理化学物理学数学电子学各种工程学生物学医药学其它化学化工机械,高分子科学,基础科学 技术科学,交叉渗透融合,高分子物理,高分子工程,链结构溶液性质聚集态结构性能,成型加
15、工,合成、改性、分子设计,32/67,绪论,第三阶段全面发展阶段(20世纪60年代以后),材料:新的材料不断涌现,无法列举,得到全面应用 科学研究:各种聚合理论趋于成熟,体系完善,高性能化,聚甲醛、聚碳酸酯、聚醚、聚酰亚胺等工程塑料大批量投向市场,各种耐高温的高强度聚合物材料层出不穷。各种通用高分子材料走向成熟、并不断涌现出新的高分子材料,光敏性高分子、高分子半导体和导体、光导体、高分子分离膜、高分子试剂和催化剂、高分子药物等方面的研究与应用都取得巨大进展。这是功能高分子和生物医用高分子理论和材料大发展时期,多功能化,33/67,绪论,结构,物性,合成与改性,分子设计,高分子科学的更高、更新阶
16、段,高分子化学的重任,通过建立结构与性能、功能之间的关系,合成具有指定结构及性能与功能的聚合物,或者通过改性提高性能,通过修饰等手段赋予聚合物新的功能。实现聚合物的分子设计和材料设计的目标,应用需求,34/67,绪论,研究趋势和前沿,新型、有用的高分子化合物的分子设计新的聚合反应的研究新的聚合方法的研究,35/67,绪论,可控制反应物空间立构、聚合物相对分子质量及相对分子质量分布的所谓可控聚合活性聚合、酶催化聚合、微生物催化聚合新型功能高分子材料的设计及合成基于分子识别、分子有序组装的分子设计、组装化学和组装方法包括分子改性和表面改性在内的聚合物改性方法和原理,36/67,绪论,具有耐高温、高
17、强度、高模量“三高”性能的聚合物分子设计及合成医用高分子和生物大分子的改性、结构及功能化研究纳米聚合物的合成及应用各种有机无机分子内杂化高分子材料的分子设计与合成环境问题,37/67,绪论,高分子的应用和未来,为满足航天航空、电子信息、汽车工业、家用电器等多方面技术领域的需要,在机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等方面性能进一步提高,高性能化,合成新的高分子 改性 通过新聚合反应控制分子结构(如:阴离子活性聚合)通过聚合方法和聚合过程的控制、提高性能(如:齐格勒纳塔聚合),多功能化,除机械性能外,高分子还具特定功能:,光导性导电性光敏性光致变色性磁性生物活性液体性催化性高度选择能力的反应活性对
18、特定金属离子的螯合性透过特定气体,38/67,绪论,精细化 电子技术变化日新月异,要求原材料向高纯化、超净化、精细化、功能化方向发展智能化 使材料本身带有生物所具有的高级功能,如预知预告性、自我诊断、自我修复、自我增殖、认识识别能力、刺激反应性、环境应答性等。材料的智能化是一项带有挑战性的未来的重大课题,复合化 高性能的结构复合材料是新材料革命的一个重要方向。如,以玻璃纤维增强材料为主的复合材料不仅在当前已进入大规模生产和应用阶段,而且在将来仍会有所发展。,39/67,绪论,支柱,生物技术,先进材料,信息技术,能源环境结构材料军事航空、航天,三大材料,金属 陶瓷 高分子,材料是人类进化史的里程
19、碑,现代文明的重要支柱,发展高新技术的基础和先导。高分子材料扮演着极为重要的角色,基础,先导,应用前景,40/67,绪论,防热材料,有机硅聚合物处理的陶瓷纤维隔热层覆盖在神舟五号返回舱表面:有机硅聚合物良好的耐高低温性能使之在高空低温和大气层再入时的高温环境中得以延长器件的寿命,外表面温度超过1000C,内部温度约30C,高比强、高比模结构材料 超低温,超高温防护材料 吸收电磁波、声波的隐身材料 减震、降噪的阻尼材料,航天器用高分子材料,41/67,绪论,高比强、高比模结构材料,火箭整流罩、卫星接口支架、液氢/液氧发动机共底、固体火箭发动机壳体等:碳纤维/环氧树脂复合材料,42/67,绪论,F
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