高分子化学与物理基础课件

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1、高分子科学基础,梁晖 卢江主编 化学工业出版社,1,基本要求：,课前预习，课上听讲、记笔记，课后复习 注意课堂纪律 保证作业质量，按时交作业 缺课次数较多取消平时成绩,2,第 一 章 绪 论,高 分 子 化 学 与 物 理,3,学习要求: 了解高分子的发展史，及高分子材料的基本特征 掌握高分子化合物的命名及相关的基本概念； 了解高分子化合物的基本结构及存在形式。,第 一 章 绪 论,4,高 分子,也叫聚合物分子或大分子，具有高的相对分子量，其结构必须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。,根据IUPAC1996年之建议：,1.1 高分子的基本概念,聚氯

2、乙烯,聚乙烯醇,实际上,概念上,5,高 分 子,小 分 子,聚 合 反 应,Polymerization,单 体,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。,高分子化合物,Monomer,或称聚合物，是由许多单个高分子（聚合物分子）组成的物质。,1.1 高 分 子 基 本 概 念,6,链 原 子,构成高分子主链骨架的单个原子。,链 单 元,由链原子及其取代基组成的原子或原子团。,聚丙烯,聚乙二醇,1.1 高 分 子 基 本 概 念,7,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,重复结构单元

3、,1.1 高 分 子 基 本 概 念,8,单个聚合物分子所含单体单元的数目。（DP ）,聚 合 度,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,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,1.1 高 分 子 基 本 概 念,9,高分子链的末端结构单元。,末 端 基 团,CH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH3,聚乙烯：,涤纶：,1.1 高 分 子 基 本 概 念,10,早期，根据单体与其生成的聚合物之间在分子组成与结构上的变化把聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。 加聚反应是指聚合产物的重复结构单元的组成与单体相同的聚合反应，其聚合

4、产物称加聚物； 缩聚反应是指聚合产物的分子组成比单体分子少若干原子，即在聚合反应过程中伴随有水等小分子副产物生成，其聚合产物称缩聚物。 但随着新的聚合反应不断开发，这种分类方法已不适应。,1.2 聚合反应与聚合反应的单体,11,根据反应机理和动力学性质的不同，分为逐步聚合反应(Step-Growth Polymerization)和链式聚合反应(Chain-Growth polymerization)。 逐步聚合反应是指在反应过程中，聚合物链是由体系中所有聚合度分子之间通过缩合或加成反应生成的。其中通过缩合反应生成聚合物链的称缩合聚合反应，简称缩聚反应；如果聚合物链是通过加成反应生成的称逐步加

5、成聚合反应. 链式聚合反应是指在聚合反应过程中，聚合物链是仅由单体和聚合物链上的反应活性中心之间的反应生成，并且在新的聚合物链上再生反应活性点。,1.2 聚合反应与聚合反应的单体,12,所有单体必须至少是双功能化的，即至少含有两个反应点，可概括为三大类： （1）含两个（或以上）末端功能基的单体，如：羟基酸：HO-Z-COOH氨基酸：H2N-Z-COOH二元 胺：H2N-Z-NH2二元羧酸：HOOC-Z-COOH二元醇：HO-Z-OH等,聚合反应：通过单体功能基之间的反应进行，为逐步聚合反应。,聚 合 反 应 的 单 体,13,聚 合 反 应 的 单 体,（2）含多重键的单体，如：C=C双键：乙

6、烯、丙烯、苯乙烯等CC三键：乙炔及取代乙炔C=O双键：甲醛等,聚合反应：通过单体中多重键加成反应进行，为链式聚合反应。,（3）杂环单体，如：,聚合反应：开环聚合，依条件不同可为逐步或为链式聚合反应。,14,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。,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。,合成高分子：由单体聚合人工合成的高分子。,1.3 高分子的分类,高分子的分类,15,碳链高分子,杂链高分子,元素有

7、机高分子,聚乙烯,聚丙烯,聚乙二醇,尼龙6,聚二甲基硅氧烷,1.3 高 分 子 的 分 类,16,性 质 和 用 途,塑 料,纤 维,橡 胶,涂 料,胶粘剂,功能高分子,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。,纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。,1.3 高 分 子 的 分 类,涂布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,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,17,I. 来 源 命 名 法,合成高分子,（1）由一种单体合成的高分子：“聚”

8、+ 单体名称如聚氯乙烯、聚乙烯等,1.4 高 分 子 的 命 名,18,（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” 己二酸和己二胺的缩聚产物叫“聚己二酸（酰）己二胺”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”,1.4 高 分 子 的 命 名,19,（3）由两种单体通过链式聚合反应合成的共聚物：两单体名称或简称之间 +“-”+“共聚物”：如 乙烯和乙酸乙烯酯的共聚产物叫“乙烯-乙酸乙烯酯共聚物”（4

9、） “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：聚酯：,聚酰胺：,1.4 高 分 子 的 命 名,20,II. 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”。,1.4 高 分 子 的 命 名,括弧必不可少,21,氯乙烯,重复结构单元为：,1,聚,OCH2CH2,氧乙烯,聚,Ethylene: (1) CH2=CH

10、2, 乙烯；（2）-CH2-CH2-, 1,2-亚乙基，撑乙基,举 例,1.4 高 分 子 的 命 名,22,结构简式的书写,重复单元（线形大分子）写在方括号或圆括号内，括号右下脚写出字母“n”或“m”表示重复单元数目 写出聚合物的端基基团或加上省略符号“”或“”表示分子链,1.4 高 分 子 的 命 名,23,III. 根据商品命名,1.4 高 分 子 的 命 名,橡胶类：,纤维类：“纶”后缀,聚对苯二甲酸乙二酯“涤纶” 聚丙烯纤维“丙纶” 聚丙烯腈纤维“腈纶” 聚酰胺“尼龙” 己二胺和癸二酸的缩聚产物“尼龙610”,丁二烯和丙烯腈共聚合成的橡胶“丁腈橡胶” 乙烯和丙烯共聚合成的橡胶“乙丙橡

11、胶”,24,15世纪 美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。 1839年 美国人Goodyear发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹性、可塑性的材料。 1869年 美国人John 把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料“赛璐珞”。 1887年 法国人Count Hilaire 用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。 1909年 美国人Leo Baekeland用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料酚醛树酯。 1920年 德国人Hermann Staudinger发表

12、了“关于聚合反应”的论文提出：高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应（聚合），通过化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一词即源于此。,1.5 高 分 子 科 学 简 史,25,1926年 瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机，用它测量出蛋白质的分子量：证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。 1926年 美国化学家Waldo Semon合成了聚氯乙烯，并于1927年实现了工业化生产。 1930年 聚苯乙烯(PS)发明。 1932年 Hermann Staudinger总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著高分子有机化合物成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。

13、1935年 杜邦公司基础化学研究所有机化学部的Wallace H. Carothers合成出聚酰胺66，即尼龙。尼龙在1938年实现工业化生产。 1930年 德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶。 1940年 英国人T. R. Whinfield合成出聚酯纤维（PET）。 1940年代 Peter Debye 发明了通过光散射测定高分子物质分子量的方法。 1948年 Paul Flory 建立了高分子长链结构的数学理论。 1953年 德国人Karl Ziegler与意大利人Giulio Natta分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。 1955年 美国人利用齐格勒-纳

14、塔催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构 与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。 1956年 Szwarc提出活性聚合概念。高分子进入分子设计时代。 1971年 S. L Wolek 发明可耐300高温的Kevlar。 1970以后 高分子合成新技术不断涌现，高分子新材料层出不穷。,26,1.5高分子科学的发展,远古时期天然高分子材料已得到应用（皮毛、天然橡胶、 棉花、虫胶、蚕丝、木材等）15世纪，美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。,19世纪中期到后期天然高分子的改性和加工工艺得到开发1839年美国人Goodyear发明了天然橡胶的硫化1855年英国人Parks实现硝化纤维产业化1

15、870年Hyatt制得赛璐珞塑料（硝化纤维+樟脑+乙醇高压共热）1887年，法国人Chardonnet用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。,高分子材料种类的涌现,27,20世纪初合成高分子得到开发和应用,1907年，Baekeland为寻找虫胶的代用品，第一次用人工方法合成酚醛树脂1926年，美国Semon合成了聚氯乙烯1930年，合成聚苯乙烯1935年，英国ICI公司高压聚乙烯问世1935年，杜邦公司Carothers第一次用人工方法制成合成纤维尼龙661953年，低压PE，PP被聚合,高分子材料种类的涌现,28,通过控制苯酚和甲醛的摩尔比以及反应的pH值，可以合成出两种性能不同的酚醛树脂：（1）自固化热固性酚醛树脂：带羟甲基（2）热塑性酚醛树脂：酚基与亚甲基连接，不带羟甲基,29,涤纶，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）,尼龙66（聚己二酰己二胺）,1940年，英国的温费尔德,30,高分子理论和聚合方法上的突破,1920年德国Staudinger发表了“ 论聚合 ”的论文，提出高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚合)，通过化学键连接在一起的大分子化合物。,1932年出版了划时代的巨著高分子有机化合物，成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。,1953年诺贝尔奖,