高分子化工概论

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1、第1章 绪论,1.1 高分子的基本概念 1.2 高分子的分类与命名 1.3 高分子的形成反应 1.4 高分子科学的发展简史和发展趋势,知识目标： 了解高分子的应用、分类及高分子科学的发展简史和趋势； 掌握高聚物的涵义、基本概念与基本特点及其命名。能力目标： 能正确运用高聚物的基本概念，确定其单体、结构单元、重复结构单元等，判断其特点； 能熟练运用高聚物的命名原则命名各类高聚物。 素质目标： 培养学生良好的学习兴趣与动机，严谨治学的精神与不断进取的科学态度； 培养学生通过文献、网络等方式获取行业（学科）相关信息的能力，使其逐渐养成主动关心行业发展前沿动态的职业习惯,本章学习目标,组成人体肌体的重

2、要物质蛋白质、核酸等和维持人类生命活动的多糖、蛋白质和纤维素等均为高分子 人类现代生活在衣、食、住、行、用等各个方面都离不开高分子材料 高分子材料在尖端技术、国防建设与国民经济各个领域得到了广泛应用,图1-1 我被高分子包围了,1.1.1 我们身边的高分子,1.1 高分子的基本概念,高分子也称高分子化合物、大分子、大分子化合物、高聚物和聚合物 英语用:Macromolecules, High Polymer, Polymer表达,常用的高分子的相对分子质量一般高达几万至上百万，即达104106,1. 基本概念,什么是高分子？,什么是低分子、低聚物（齐聚物）？ 相对分子量质量低于约103的称为低

3、分子化合物，而相对分子质量介于高分子与低分子之间的化合物称为低聚物或齐聚物。,1.1.2 高分子的基本含义,1.1 高分子的基本概念,高分子是指分子量 很高并由共价键连 接的一类化合物,单体（Monomer）：合成聚合物的起始原料 重复单元(Repeating unit）：也称链节(Chain element），高分子链中可重复的最小单位,聚合,一个大分子往往是由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成。 例如：聚苯乙烯,（1）由一种结构单元组成的高分子,缩写成,1.1 高分子的基本概念,n：表示重复单元数，也称为链节数。 聚合度（Degree of polymerization）：聚

4、合度是衡量高分子大小的一个指标。是大分子链中的结构单元数或重复单元数（对于由一种单体构成的高分子而言）。记作： 或,结构单元（Structure unit）：由一种单体分子通过聚合进入重复单元的部分 单体单元（Monomer unit）：与单体组成相同,只是电子结构不同的重复单元,在这里：,此时：,1.1 高分子的基本概念,结构单元单体单元重复单元链节,另一种情况：,式中:M 是高分子的相对分子质量M0 是结构单元的相对分子质量,由聚合度可计算出高分子的相对分子质量：,结构单元重复单元链节 单体单元,1.1 高分子的基本概念,此时 ，两种结构单元构成一个重复结构单元,结构单元 结构单元,重复结

5、构单元,（2）由两种结构单元组成的高分子,例如：合成尼龙-66，则具有另一特征：,1.1 高分子的基本概念,单体在形成高分子的过程中失去了一些原子,但, 重复单元链节，此时：,注意：Mo为两种结构单元的平均相对分子质量,高分子的相对分子质量：,1.1 高分子的基本概念,结构单元 重复单元 单体单元,2. 高分子化合物的基本特征,分子量大是高分子的根本性质,(1)相对分子质量大，分子链长,分子量多大才算是高分子？其实，并无明确界限，一般:,高分子的强度与分子量密切相关,- - - - - 1000 - - - - - - - - - - - - 10000 - - - - - 低分子 过渡区（齐

6、聚物） 高聚物,A 点是初具强度的最低聚合度（称临界聚合度），A点以上强度随分子链迅速增加,1.1 高分子的基本概念,B 点是临界点，强度增加逐渐减慢 C 点以后强度不再明显增加,初具强度的高聚物有一个临界相对分子质量，否则就不能叫作高聚物。,表1-1 一些常用高聚物的相对分子质量（万）,1.1 高分子的基本概念,（2）高聚物具有相对分子质量与结构的多分散性,高聚物的多分散性（Polydispersity）高分子不是由单一相对分子质量的化合物所组成，而是由一系列分子量（或聚合度）不等的同系物高分子组成，这些同系物高分子之间的相对分子质量差为重复结构单元相对分子质量的倍数，这种同种聚合物分子长短

7、不一的特征称为聚合物的多分散性。因此：,一般测得的高分子的相对分子质量都是平均相对分子质量 聚合物的平均相对分子质量相同，但分散性不一定相同,平均分子量的统计可有多种标准最常见的是数均分子量和重均分子量。,1.1 高分子的基本概念,线形高分子其长链可能比较伸展，也可能卷曲成团，取决于链的柔顺性和外部条件，一般为无规线团适当溶剂可溶解，加热可以熔融，即可溶可熔,（3）高分子链具有不同的分子形状高分子链的几何形状大致有三种：线形、支链形、体形,1.1 高分子的基本概念,支链高分子线形高分子上带有侧枝, 侧枝的长短和数量可不同高分子上的支链，有的是聚合中自然形成的；有的则是人为的通过反应接枝上去的可

8、溶解在适当溶剂中, 加热可以熔融，即可溶可熔 体形高分子可看成是线形或支链形大分子间以化学键交联而成，许多大分子键合成一个整体，已无单个大分子可言交联程度浅的, 受热可软化，适当溶剂可溶胀交联程度深的, 既不溶解, 又不熔融，即不溶不熔,1.1 高分子的基本概念,（4）高聚物具有多种聚集态结构,高分子的聚集态结构，是指高聚物材料整体的内部结构，即高分子链与链之间的排列和堆砌结构。分为： 无定形结构 晶态结构 液晶态结构 取向态结构 注意：高聚物在常温下多为固体，高聚物不存在气态,（5）聚合物材料的组成中一般需加入其他添加剂，使之形成更复杂的结构 （6）高分子合成材料具有许多优良的特性，例如，具

9、有较高的力学强度，有不同的弹性、塑性、成纤性、绝缘性和化学稳定性等。,1.1 高分子的基本概念,（1）按来源分类：天然高分子和合成高分子 （2）按性能和用途分类：纤维、塑料、橡胶、粘合剂、涂料、功能高分子 （3）按分子主链的元素组成分类：碳链、杂链、元素有机高分子、无机高分子 （4）按聚合物主链结构分类：聚酯、聚醚、聚氨酯、聚烯烃 （5）按聚合物分子链形状分类：线型、支化型、交联型等 （6）按聚合物受热行为分类：热塑性高分子和热固性高分子 （7）按聚合物聚集态结构分类：无定形高聚物、结晶高聚物和液晶态高聚物等； （8）按应用功能分类：通用高分子、特殊用途高分子、功能高分子和仿生高分子等。,1.

10、2 高分子的分类与命名,1.2.1 高分子的分类,重点介绍以下两种分类方法 根据材料的性能与用途分类,功能高分子是指在高分子主链和侧枝上带有反应性功能基团，并具有可逆或不可逆的物理功能或化学活性的一类高分子,塑料 橡胶 纤维 涂料 胶粘剂 功能高分子,产量最大，与国民经济、人民生活关系密切 故称为“三大合成材料”,涂料是涂布于物体表面能结成坚韧保护膜的涂装材料,胶粘剂是指具有良好的粘合性能，可将两种相同或不相同的物体粘接在一起的连接材料,1.2 高分子的分类与命名,塑料,热塑性塑料 可熔可溶，可反复成型加工，如聚乙烯 热固性塑料 不熔不溶，只能一次成型，如酚醛树脂,在室温下具有高弹性的高分子材

11、料。在外力作用下能产生很大的形变（可达1000%），外力除去后又能迅速恢复原状,纤维：,长径比在1000以上且具有一定强度的线条或丝状高分子材料。 受力后形变较小（一般20%），在较宽的温度范围内（50150）力学性能变化不大。,在一定条件下具有流动性、可塑性，并能加工成型，当恢复平常条件时（如降压和降温）则仍保持加工时形状的高分子材料,橡胶：,塑料：,1.2 高分子的分类与命名,根据高分子的主链结构分类,碳链聚合物大分子主链完全由碳原子组成绝大部分烯类、二烯类聚合物属于这一类如：PE，PP，PS，PVC 杂链聚合物大分子主链中除碳原子外，还有O、N、S等杂原子如：聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚醚

12、元素有机聚合物大分子主链中没有碳原子，主要由Si、B、Al、O、N、S、P 等原子组成，侧基则由有机基团组成如：硅橡胶,1.2 高分子的分类与命名,原则：既要表明聚合物的结构特征，又要反映其与原料单体的联系,（1）按单体来源命名“聚”“单体名称”命名法适用于加聚物（举例），特例：聚乙烯醇 （2）按聚合物的结构特征命名聚酯、聚醚、聚氨酯、聚脲、聚砜（举例） （3）按商品名称命名单体简称聚合物用途或物性类别三大合成材料分别以“树脂”、“橡胶”、“纶”来作为后缀（举例） （4）IUPAC命名法,1.2 高分子的分类与命名,1.2.2 高分子的命名,原则：既要表明聚合物的结构特征，又要反映其与原料单体

13、的联系,（1）习惯命名法,以单体名称为基础，在前面加“聚”字适用于加聚物， 如：乙烯 丙烯 氯乙烯 甲基丙烯酸甲酯聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯特例：乙烯醇（假想单体）聚乙烯醇 取单体简名，在后面加“树脂” 、“橡胶”二字如：苯酚 甲醛 酚醛树脂尿素 甲醛 脲醛树脂甘油 邻苯二甲酸酐 醇酸树脂丁二烯 苯乙烯 丁苯橡胶,1.2 高分子的分类与命名,以高分子链的结构特征命名,聚酰胺 聚酯 聚氨酯 聚醚,（2）商品命名法大多数纤维和橡胶，常用商品名称来命名，尤以合成纤维最普遍，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（聚酯）丙纶 聚丙烯锦纶 聚酰胺（尼龙），后面加数字区别

14、,第一个数字表示二元胺的碳原子数 第二个数字表示二元酸的碳原子数 只附一个数字表示内酰胺或氨基酸的碳原子数,数字含义,1.2 高分子的分类与命名,（3）IUPAC命名法 命名程序： 确定重复单元结构 排出次级单元（subunit）的次序，两个原则:对乙烯基聚合物，先写有取代基的部分连接元素最少的次级单元写在前面 给重复单元命名，在前面加“ 聚”字 例子:,聚 (1苯基乙烯 ) Poly(1-phenylethylene),1.2 高分子的分类与命名,聚1-(甲氧基羰基)-1-甲基乙烯Poly1-(methoxycarbonyl)-1-methyl ethylene ,聚(亚胺基六次甲基亚胺基己

15、二酰）Poly(iminohexamethylene imino adipoyl),聚(氧羰基氧-1,4-苯撑异丙叉-1,4-苯撑),Poly(oxycarbonyloxy-1,4-phenylene-isopropylidene-1,4-phenylene),1.2 高分子的分类与命名,加聚反应（Addition Polymerization)单体通过多步加成而得聚合物的聚合反应，反应产物称为加聚物。其特征是： 加聚反应往往是烯类单体键加成的聚合反应，无官能团结构特征，多是碳链聚合物 加聚物的元素组成与其单体相同，仅电子结构有所改变 加聚物分子量是单体分子量的整数倍,1.3.1 按单体-聚合物结构变化分类,由低分子单体合成聚合物的反应称为聚合反应。聚合反应分类如下：,1.3 高分子的形成反应,缩聚反应（Condensation Polymerization）是缩合反应多次重复结果形成聚合物的过程，兼有缩合出低分子和聚合成高分子的双重含义。反应产物称为缩聚物。其特征是： 缩聚反应通常是官能团间的聚合反应 反应中有低分子副产物产生，如水、醇、胺等 缩聚物中往往留有官能团的结构特征,如 -OCO-、-NHCO-，故大部分缩聚物都是杂链聚合物 缩聚物的结构单元比其单体少若干原子，故分子量不再是单体分子量的整数倍,