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1、 高分子化学 太原理工大学 材料学院材料学系高分子教研室 朱晶心 马彦龙 大学 大学之道 在明明德 在亲民 在止于至善 格物 致知 诚意 正心 修身 齐家 治国 平天下 格物致知：现代汉语词典解释为：穷究事物的原理 法则而总结为理性知识。“格物致知”一词出自大学 。格，至也。物，犹事也。致，推极也，知，犹识 也。格物致知是儒家的一个十分重要的哲学概念。凡 事都要弄个明白 即做个真正的明白人 n世事洞明皆学问 人情练达即文章 n洞明世事皆化学 练达结构要分析 n琳琅满目高分子 格物致知低姿态 天地乾坤，万物归一。 化宏入微，由微而真，由杂致纯， 融奥秘为智慧，变瞬间为永恒 是化学的神奇， 也是生
2、命的追求。 材料与文明 n n 天然材料天然材料 n n 金属材料金属材料 n n 无机非金属材料无机非金属材料 n n 高分子材料高分子材料 n n 高分子时代：高分子材料体积已经超过高分子时代：高分子材料体积已经超过 金属材料金属材料 第一章 绪论 n1.1高分子基本概念 n1.1.1高分子化合物的定义 高分子化合物： Polymeric Substance 或称聚合物，是由许多单个高分子（聚合物分子 ）组成的物质。 Macromolecular compound， Macromolecue、highPolymer 、Polymer 高分子化合物的定义 高分子化合物：指那些由众多原子或原子
3、 团主要以共价键结合而成的相对分子量在1万 以上的化合物。 具有：高熔点、高强度、高弹性，溶液或者熔体 具有高粘度。 众多原子或原子团、共价键、相对分子量 众多原子或原子团：组成大分子的原子数目成千 上万，但是涉及的元素种类相当有限主要有H 、C、O、N；S、Cl、P、Si、F也存在一些高分 子化合物中。 高分子化合物的定义 n构成生物大分子的微量元素还有Fe、Ca、 Mg、Na、K、I等。 n共价键：构成绝大多数高分子化合物大 分子主链的原子间，几乎都是通过共价 键实现相互连接的，只有少数高分子化 合物大分子主链的原子间可能含有配位 键。特殊高分子化合物分子链的侧基或 者侧链可能有离子键和配
4、位键。 高分子化合物的定义 相对分子量： 高分子化合物是由一系列分子量（或聚 合度）不等的同系物高分子组成，聚合物的 分子量或聚合度是统计的，是一个平均值。 相对分子量在1万以上的，是一个大概 数值，有的达到数百万，甚至上千万。 1.1.2高分子化合物的基本特点 1、相对分子质量很大，而且具有多分散性 通常，根据化合物的相对分子质量大小 来划分高分子和小分子。 相对分子质量小于1000的，一般为小分子 化合物；而相对分子质量大于10000的，称为 高分子或高聚物；处于中间范围的可能为高 分子（低聚物），也可能为小分子。 1.1.2高分子化合物的基本特点 2、化学组成比较简单，分子结构有规律 n
5、高分子化合物组成相对比较简单，通常 由有限的几种非金属元素组成。 n高分子化合物分子结构存在一定规律 其结构是由多个重复单元所组成，并且这 些重复单元实际上或概念上是由相应的 小分子衍生而来。 1.1.2高分子化合物的基本特点 高 分 子小 分 子 聚 合 反 应 Polymerization 单 体 能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元 的小分子。 Monomer 聚合物，是由许多单个高分子（聚合物分子）组成的物质 。 1.1.2高分子化合物的基本特点 3、分子形态多种多样 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 体型高分子 1.1.2高分子化
6、合物的基本特点 4、高分子化合物具有粘弹性 高分子化合物的聚集态与小分子不同 n小分子状态：气、液、固 n高分子化合物的聚集态： n玻璃态、高弹态、粘流态 粘弹性表现：蠕变（暂时形变变为永久形 变）和应力松弛（随时间延长应力减小 ） 温 度 比 容 非晶态高聚物的温度比容曲线非晶态高聚物的温度比容曲线 将一非态晶高聚物试样将一非态晶高聚物试样 ，施一恒定外力，记录，施一恒定外力，记录 试样的形变随温度的变试样的形变随温度的变 化，可得到化，可得到温度形变曲温度形变曲 线线或或热机械曲线热机械曲线 Tg T f 温 度 形 变 玻 璃 态 高 弹 态 粘 流 态 非晶态高聚物的温度形变曲线非晶态
7、高聚物的温度形变曲线 玻璃态 高弹态 粘流态 玻璃化转变温度，Tg 粘流温度，Tf T Tg g 是非晶态高聚物的主要热是非晶态高聚物的主要热 转变温度转变温度 1.2大分子结构式与聚合反应方程式 n1.2.1聚合物大分子结构式的书面表达 高 分 子小 分 子 聚 合 反 应 Polymerization 单 体 Monomer 1.2大分子结构式与聚合反应方程式 构成高分子主链结构一部分的单个原子或原子团，可包含一 个或多个链单元。 重复组成高分子分子结构的最小的结构单元。 结 构 单 元Constitutional Unit 重 复 结 构 单 元 Constitutional Repea
8、ting Unit, CRU 单个聚合物分子所含单体单元的数目。 聚 合 度Degree of Polymerization，DP 聚合物分子结构中由单个单体分子生成的最大的结构单元。 单 体 单 元Monomer(ic) Unit, mer 聚合物 单 体 单体单元 聚合度 2n 聚对苯二甲酸乙二酯 ，涤纶，PET n 含有反应性末端基团、能进一步聚合的高分子。 遥 爪 高 分 子 Telechelic Polymers 高分子链的末端结构单元。 末 端 基 团 End Groups CH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH3聚乙烯： 涤纶： 由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成
9、的聚合物 。如： 均 聚 物 Homopolymer 氯乙烯单体 “假设单体”：乙烯醇 生成均聚物的聚合反应称均聚反应 （Homopolymerization)。 HOOC-Ph-COOH HOCH2CH2OH -(OC-Ph-COOCH2CH2O)n- HOOC-Ph-COOH HOCH2CH2OH HO(CH2)3OH -(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-(OC-Ph-COOCH2CH2CH2O)m- HO-(CH2)5COOH HOCH2COOH -O(CH2)5COm-OCH2COn- 共聚物 共聚物 均聚物 假设 隐含单体 ？ 交替共聚物 隐含单体 HOOC-Ph-COOCH2
10、CH2OH CH2=CH2 CH2=CHCH3 其中方括弧中的化学式表示高分子链中的重复单元，也叫结构单元、单体单 元和链节。 n为重复单元的数量，称为聚合度，用DP表示。 一个高分子化合物的相对分子质量M可用下式表示： M = DPM0 （11） M0为单体的相对分子质量。高分子化合物的相对分 子质量为聚合度的整数倍。 1.2.1聚合物大分子结构式的书面表达 n重 复 结 构 单 元:大分子链上化学组成和 结构均可重复的最小单位 n结 构 单 元：均聚聚合物的最小重复单 位化学组成和结构均可重复的最小单位 n单体单 元：化学组成相同，结构不同 l l 在大分子链中出现的以单体结构为基础的原在
11、大分子链中出现的以单体结构为基础的原 子团称为子团称为结构单元结构单元（Structure unitStructure unit） l l 结构单元有时也称为结构单元有时也称为单体单元单体单元（Monomer unitMonomer unit） 重复单元重复单元 (Repeating unit(Repeating unit）, , 链节链节(Chain element(Chain element） l l n n 表示重复单元数，也称为链节数表示重复单元数，也称为链节数, , 在此等于在此等于聚合度聚合度 l l 聚合度聚合度（Degree of polymerizationDegree of
12、 polymerization） 聚合度是衡量高分子大小的一个指标。聚合度是衡量高分子大小的一个指标。 有两种表示法：有两种表示法： oo以大分子链中的结构单元数目表示，记作以大分子链中的结构单元数目表示，记作 oo以大分子链中的重复单元数目表示，记作以大分子链中的重复单元数目表示，记作 结构单元重复单元链节结构单元重复单元链节 单体单元单体单元 结构单元结构单元 结构单元结构单元 重复结构单元重复结构单元 n n HO-R-OH + n HOOC-R-COOHn HO-R-OH + n HOOC-R-COOH H-(ORO-H-(ORO-OCRCO)OCRCO) n n -OH + -OH
13、+ (2n-1) H(2n-1) H 2 2O O n Hn H 2 2 N-R-NHN-R-NH 2 2 + n + n ClOC-R-COClClOC-R-COCl H-(HNRNH-H-(HNRNH-OCRCO)OCRCO) n n -Cl-Cl + + (2n-1) (2n-1) HClHCl 书写反应方程式注意事项 n正确写出结构单元 n重复结构单元必须遵循化学规则 n写出端基 n注意元素价态 n正确写出重复结构单元和大分子结构 n配平反应方程式 1.3高分子化合物的分类和命名 n1.3.1 高分子化合物的分类 来 源 天然高分子：自然界天然存在的高分子。 合成高分子：由单体聚合人工
14、合成的高分子。 半天然高分子：经化学改性后的天然高分子。 碳链高分子：主链（链原子）完全由C原子组成。 主链元素（ 链原子）组 成 杂链高分子：链原子除C外，还含O,N,S等杂原子。 元素有机高分子：链原子由Si,B,Al,O,N,S,P等杂原子组 成。 性 质 和 用 途 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 。 具有可逆形变的高弹性材料。 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 具有特殊功能与用途但用量不大的精细 高分子材料 塑 料 纤 维 橡 胶 涂 料 胶粘剂 功能高分子 纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100 倍。 涂布
15、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 1.3.1 分类 n按照合成高分子化合物的聚合反应类型 加聚反应（加聚物）缩聚反应（缩聚物） n按照高分子化合物的化学结构 聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚烯烃 n按照高分子化合物的受热时的行为 热固性、热塑性 n按照高分子化合物的相对分子质量高低 高聚物、低聚物、齐聚物oligomer、预聚物 1.3.2 高分子化合物的命名 n n 以单体名称为基础，在前面加以单体名称为基础，在前面加“聚聚”字字 乙烯乙烯 丙烯丙烯 氯乙烯氯乙烯 甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯 聚乙烯聚乙烯 聚丙烯聚丙烯 聚氯乙烯聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯 n
16、 n 取单体简名，在后面加取单体简名，在后面加“树脂树脂” ” 、“橡胶橡胶”二字二字 如如 苯苯酚酚 甲甲醛醛 酚醛树脂酚醛树脂 尿尿素素 甲甲醛醛 脲醛树脂脲醛树脂 甘油甘油 邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 醇酸树脂醇酸树脂 丁丁二烯二烯 苯苯乙烯乙烯 丁苯橡胶丁苯橡胶 1.3.2 高分子化合物的命名 n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 n表明产物类型：“聚”+ 两单体生成的产物名称，如 n对苯二甲酸和乙二醇的缩聚产物叫“聚对苯二甲酸乙二 酯” n己二酸和己二胺的缩聚产物叫“聚己二酸己二胺” n不表明产物类型：两单体名称或简称加后缀“树脂”， 如 n 苯酚和甲醛的缩聚产物
