高分子科學(xué)導(dǎo)論-緒論課件

1、1高分子科學(xué)導(dǎo)論 Introduction to Polymer Science 1高分子科學(xué)導(dǎo)論 2為什么把“高分子科學(xué)導(dǎo)論”作為化學(xué)學(xué)科本科生的基礎(chǔ)課？化學(xué)一級學(xué)科的五個二級學(xué)科 無機(jī)、分析、物化、有機(jī)、高分子 高分子科學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系生命科學(xué)信息科學(xué)材料科學(xué)環(huán)境科學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué) 高分子科學(xué) 1972的諾貝爾化學(xué)獎獲得者P. J. Flory說，高分子科學(xué)既是一門基礎(chǔ)科學(xué)，又是一門應(yīng)用科學(xué)。 在美國，從事化學(xué)研究的人當(dāng)中，有1/2到2/3的人從事與高分子科學(xué)有關(guān)的研究。2為什么把“高分子科學(xué)導(dǎo)論”作為化學(xué)學(xué)科本科生的基礎(chǔ)課？化學(xué)3高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行” 衣3高分子科學(xué)的重要性

2、“衣、食、住、行” 衣4高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行” 食4高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行” 食5高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行” 住5高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行” 住6高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行” 行Hyundai QarmaQ Lexan（PC） Xenoy iQ （PBT） Noryl （PPO）Bayer All-plastic-car Makrolon（PC） Desmopan（TPU）6高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行” 行Hyundai7塑料制品產(chǎn)量/萬t增長率/%構(gòu)成比/%薄膜528.714.118.9（其中農(nóng)用薄膜）86.111.53.1異型材

3、/片材308.412.011.0管材288.115.110.3纖維301.334.110.8人造革/合成革136.722.54.9發(fā)泡制品113.022.24.0包裝箱/容器148.711.85.3日用品301.922.910.8其他675.014.524.1合計(jì)2,801.917.91002007年中國塑料制品產(chǎn)量及構(gòu)成7塑料制品產(chǎn)量/萬t增長率/%構(gòu)成比/%薄膜528.714.8高分子科學(xué)的基本內(nèi)涵高分子化學(xué) （Polymer Chemistry）高分子的合成和化學(xué)反應(yīng)：聚合反應(yīng)理論，新的聚合方法及改性方法，高分子的基團(tuán)反應(yīng)，高分子的降解、老化與交聯(lián)等；高分子物理 （Polymer Phy

4、sics）高分子的結(jié)構(gòu)與性能：高分子鏈的構(gòu)型與構(gòu)象，高分子的聚集態(tài)及分子運(yùn)動、固態(tài)與液態(tài)聚合物的物性（熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、流變學(xué)等性能）,高分子溶液與分子量等；高分子工程 （Polymer Engineering）高分子成型加工與聚合反應(yīng)工程：高分子成形加工的理論基礎(chǔ)及方法，塑性、彈性等力學(xué)性能，流變學(xué)理論；高分子化合物工業(yè)規(guī)模合成中的尺度效應(yīng)及工藝特點(diǎn)。8高分子科學(xué)的基本內(nèi)涵高分子化學(xué) （Polymer Chem9 高分子科學(xué)的基本概念 高分子化學(xué)與物理基礎(chǔ) 高分子材料的性能與應(yīng)用 高分子科學(xué)的研究與應(yīng)用前沿教學(xué)內(nèi)容9 高分子科學(xué)的基本概念 教學(xué)內(nèi)容101、緒論（2學(xué)時）2、高分子

5、和合成與化學(xué)性質(zhì)（4學(xué)時）3、高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系（2學(xué)時）4、高分子的表征與分析（2學(xué)時）5、熱塑性高分子（2學(xué)時）6、工程塑料（2學(xué)時）7、熱固性樹脂（2學(xué)時）教學(xué)大綱8、橡膠（2學(xué)時）9、纖維（2學(xué)時）10、涂料與粘合劑（2學(xué)時）11、功能高分子材料（2學(xué)時）12、高分子復(fù)合材料（2學(xué)時）13、天然高分子（2學(xué)時）14、超分子（2學(xué)時）15、高分子材料的添加劑（2學(xué)時）101、緒論（2學(xué)時）教學(xué)大綱8、橡膠（2學(xué)時）11Reference bookJoel R Fried, Polymer Science and Technology, 2nd Ed. 2003，Pearson Edu

6、cation, Inc.聚合物科學(xué)與工程，第二版（英文影印版），2005，化學(xué)工業(yè)出版社Charles E Charraher, Giant Molecules, 2nd Ed. 2003, John Wiley & Sons, Inc.Herbert Morawetz, Polymer-The Origins and Growth of a Science, A Wiley-Interscience Publication, 198511Reference bookJoel R Fried, 12Definition and FoundationPolymerPoly-希臘語：許多-mere

7、s希臘語：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, from molecules of low relative molecular mass. 相對高分子質(zhì)量的分子，其結(jié)構(gòu)主要是由相對低分子質(zhì)量的分子按實(shí)際上或概念上衍生的單元多重重復(fù)組成的。Macromolecule 是由大量原

8、子組成的，具有相對高的分子質(zhì)量或分子重量。大分子對結(jié)構(gòu)沒有什么特指。12Definition and FoundationPol13Definition and Foundation第一章 緒論Monomer（單體） A monomer is any substance that can be converted into a polymer.Structure unit（結(jié)構(gòu)單元） A structural unit is a building block of a polymer chain, and related to the repeat unit. It is the result

9、 of a monomer which has been polymerized into a long chain. Repeating unit（重復(fù)單元） A repeating unit is the identical and repeated structural unit of the polymer.CH2CH2CH2CH2()nrepeating unit monomerNH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+NH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()nmonomermonomerstructural unit structural unit repeati

10、ng unit 13Definition and Foundation第一章14Dimers（二聚體）, Trimers（三聚體） and Oligomers（齊聚物）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 o

11、n, can be linear or cyclic.are known as oligomers. Generally, molecules with fewer than 10 repeating units are termed oligomers.NNNNH2NH2H2NL-lactideDimer of L-lactic acidOOOOMelamineTrimer of cyanamide14Dimers（二聚體）, Trimers（三聚體） 15Definition and FoundationThe degree of polymerization, or DP, is the

12、 number of repeat units in an average polymer chain.End group OR terminal groupCH2CH2()nCH3CH2CH2CH3Terminal groupNH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()nHOOC(CH2)4CONH(CH2)6NH2Terminal groupTerminal groupTerminal group15Definition and FoundationThe16高分子與超分子（Supramolecule）的區(qū)別高分子：由眾多原子或原子團(tuán)主要以共價鍵結(jié)合而成的相對分子量很大（如10000以上

13、）的化合物。超分子：通過分子間的弱相互作用組裝形成的一類非共價鍵鍵合“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 Foundation16高分子與超分子（Supramolecule）的區(qū)別Def17根據(jù)高分子的加工特性分類：熱塑性聚合物（Thermoplastics）Those polymers that

14、can be heat-softened in order to process into a desired form are called thermoplastics.熱固性聚合物（Thermosets）They are polymers whose individual chains have been chemically linked by covalent bonds during polymerization or by subsequent chemical or thermal treatment during fabrication.Classification of P

15、olymers17根據(jù)高分子的加工特性分類：Classification 18根據(jù)高分子的使用用途劃分：塑料（Plastics）橡膠（Rubbers）纖維（Fiber）涂料（Coating） 粘合劑（Adhesive）功能高分子（Functional polymer）Classification of Polymers18根據(jù)高分子的使用用途劃分：Classification 19Classification of Polymers按聚合物主鏈結(jié)構(gòu)劃分：碳鏈聚合物：主鏈上的原子均為碳原子的聚合物。Polyolefin and its derivatives CC、C=C雜鏈聚合物：聚合物主鏈中

16、不僅含有碳原子還含有氮、氧、硫、磷等雜原子。元素有機(jī)聚合物：大分子主鏈中沒有碳原子，而是由硅、硼等無機(jī)原子和氮、氧、硫、磷構(gòu)成。Polysiloxane SiOPolyether OPolyester OCOPolyamide NHCOPolyurethane NHOCOPolyurea NHCONHPolysulfone SO2 Polythioether SPolyphospahte OPOO19Classification of Polymers按聚20按聚合物的結(jié)構(gòu)單元類型劃分：均聚物（Homopolymer）：只含有一種重復(fù)單元的聚合物。共聚物（Copolymer）：含有兩種以上重復(fù)

17、單元的聚合物。無規(guī)共聚物（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 Polymers20按聚合物的結(jié)構(gòu)單元類型劃分：Classification21 最常用的簡單命名法一般參照聚合物單體命名，對于一種單體聚合得到的聚合物直接在其單體名字前面加前綴“聚”（Poly）即可。Polymer Nomenclature CH2CH2CH2CH2()n聚乙烯（polyethylene）乙烯（ethylene） 對于由兩種單體經(jīng)過縮聚反應(yīng)得

18、到的均聚物按其結(jié)構(gòu)單元命名，并在名字前加前綴“聚”。NH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+NH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()n己二胺（hexamethylene diamine）聚已二酰己二胺（polyhexamethylene adipamide） 己二酸（adipic acid）21 最常用的簡單命名法一般參照聚合物單體命名，對于一22Polymer Nomenclature 國際純粹化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）于1972年首次提出了聚合物的系統(tǒng)命名法。

19、系統(tǒng)命名法基于聚合物的結(jié)構(gòu)，遵循以下程序原則：首先確定聚合物重復(fù)單元的結(jié)構(gòu)；然后按有機(jī)化合物標(biāo)準(zhǔn)命名法排好重復(fù)單元中次級單元（Subunit）的次序后重復(fù)單元命名；最后在重復(fù)單元前加上前綴“聚”，就成為聚合物的名稱。OOOCH2()nCCH2CH2OOOp-dioxanone對二氧環(huán)己酮poly 1,4-dioxan-2-oneIUPAC：聚1,4-二氧雜己烷-2-酮普通命名法：聚對二氧環(huán)己酮22Polymer Nomenclature 23History of Polymer ScienceStone ageBronze ageIron ageSteel agePolymer ageB.C.

20、 8000 B.C. 4000B.C. 4000 B.C. 1000B.C. 1000 A.D. 1800A.D. 1800 A.D. 1900A.D. 1900 Now23History of Polymer ScienceSt24History of Polymer Science前期：天然高分子階段早在人類社會發(fā)展的最初階段，人類已經(jīng)開始利用各種天然高分子。 來源于植物：淀粉、纖維素（谷物、草木、果殼、膠漆） 來源于動物：蛋白質(zhì)、殼聚糖（皮毛、角質(zhì)、絲、蟲殼）24History of Polymer Science前期25History of Polymer Science第一階段：第一

21、世界大戰(zhàn)爆發(fā)前，人工合成聚合物的出現(xiàn)C. Shnbein1846：第一種人造纖維-硝化纖維素J.W. Hyatt1868：第一種熱塑性塑料-賽璐珞1830：第一種硫化橡膠C. Goodyear1907：第一種熱固性塑料-BakeliteL. Baekeland25History of Polymer Science第一26第二階段：1914-1942 高分子科學(xué)的經(jīng)典階段主要代表人物：Staudinger, Mark, Meyer, Carothers, Schultz, Kuhn, Flory等 產(chǎn)生了存在長鏈分子的概念；結(jié)晶學(xué)為某些大分子提供了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息；聚合的機(jī)理和動力學(xué)被闡明；在試

22、 圖分析長鏈分子結(jié)構(gòu)的物理序列結(jié)果的同時，提出了柔性“分子線團(tuán)”概念。第三階段：1942-1960 經(jīng)典高分子科學(xué)達(dá)到充分成熟的階段Flory和Huggins似晶格模型導(dǎo)出高分子溶液熱力學(xué)性質(zhì); Debeye和Zimm發(fā)展光散射法研究高分子溶液性質(zhì)；Flory和Fox把熱力學(xué)和流體力學(xué)聯(lián)系起來，使高分子溶液的粘度、擴(kuò)散、沉降等宏觀性質(zhì)與分子的微觀結(jié)構(gòu)有了聯(lián)系；Williams, Landel, Ferry, Tobolsky, Rouse, Bueche, Zimm等在高分子聚集態(tài)的粘彈性質(zhì)的研究取得了重要的成果；Watson和 Crick用X射線衍射法研究高分子晶態(tài)結(jié)構(gòu)，于1953年確定了D

23、NA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。History of Polymer Science26第二階段：1914-1942 高分子科學(xué)的經(jīng)典階段H27The Nobel Prize in Chemistry 1953University of Freiburg; Staatliches Institut fr makromolekulare Chemie (State Research Institute for Macromolecular Chemistry), Freiburg Breisgau, Federal Republic of Germany b. 1881 d. 196520世紀(jì)20年代首次提出

24、“高分子”的概念，建立了高分子學(xué)說。 高分子科學(xué)的奠基人。Hermann Staudingerfor his discoveries in the field of macromolecular chemistry27The Nobel Prize in Chemistry28 早在1861年，膠體化學(xué)的奠基人，英國化學(xué)家格雷阿姆并從高分子溶液具有膠體性質(zhì)著眼，提出了高分子的膠體理論。這一理論在一定程度上解釋了某些高分子的特性，得到許多化學(xué)家的支持。 20世紀(jì)初，人們已經(jīng)通過分解產(chǎn)物確認(rèn)了一些天然聚合物的分子式，如淀粉和天然橡膠，但并不清楚其分子結(jié)構(gòu)如何連接，因此套用膠體理論認(rèn)為這些分子是小分

25、子單體的締合膠體。 Staudinger并不認(rèn)同膠體理論，經(jīng)過多年研究發(fā)表了具有劃時代意義的論文“ber Polymerisation”（論聚合），認(rèn)為聚合不同于締合，它是分子靠正常的化學(xué)鍵結(jié)合起來。天然橡膠、聚苯乙烯等聚合物應(yīng)該具有線性鏈?zhǔn)降膬r鍵結(jié)構(gòu)式。28 早在1861年，膠體化學(xué)的奠基人，英國化29 Staudinger的觀點(diǎn)一提出就遭到膠體論者的激烈反對，爭論持續(xù)了10年，但這一新觀點(diǎn)一開始并不為主流所認(rèn)同。諾貝爾獎化學(xué)獎獲得者Heinrich Wieland曾勸告Staudinger說： Dear colleague, leave the concept of large molec

26、ules well alone: organic molecules with 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年瑞典化學(xué)家T. Svedberg等人設(shè)計(jì)并用超離心機(jī)測定出蛋白質(zhì)的分子量。1928年K. H. Meyer 和H. F. Mark用 X射線技術(shù)測定纖維素和天然橡膠中大分子的晶區(qū)尺寸。1935年 W. H

27、. Carothers在 Staudinger的理論基礎(chǔ)上合成出了尼龍。29 Staudinger的觀點(diǎn)一提出就遭到膠體論30 He deserves 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 fe

28、w years later, he was responsible for the discovery of arguably one of the greatest 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. Carothers30 He

29、 deserves a double cred31 The Nobel Prize in Chemistry 1963“For their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymersKarl Ziegler Max-Planck-Institute for Carbon Research, Mlheim/Ruhr, Federal Republic of Germany b. 1898 d. 1973Giulio NattaInstitute of Technology Milan, Ita

30、ly b. 1903 d. 1979 20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)和發(fā)展了Ziegler-Natta催化劑第一章 緒論31 32 USA, Stanford University, Stanford, CA, USA b. 1910 d. 1985The Nobel Prize in Chemistry 1974“For his fundamental achievements, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of the macromolecules Flory 在大分子物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論兩方面做出了根本性貢

31、獻(xiàn)。Paul J. Flory32 33 Rockefeller University , New York, NY, USA b. 1921 d. 2006 for his development of methodology for chemical synthesis on a solid matrix1974年將功能化的聚苯乙烯用于多肽和蛋白質(zhì)的合成，大大提高了涉及生命物質(zhì)合成的效率并縮短了合成時間。Robert Bruce MerrifieldThe Nobel Prize in Chemistry 198433 34Pierre-Gilles de Gennes，The Nobel Prize in Physics 1991France , Collge de France, Paris, France b. 1932. d. 2007 提出“軟物質(zhì)