高分子科學的基本概念課件

20十二月2022高分子科學的基本概念15十二月2022高分子科學的基本概念1基本定義CH2CH2CH2CH2()nNH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+NH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()nmonomermonomerstructuralunitstructuralunitrepeatingunitStructure/repeatingunitmonomerMonomer（單體）可以通過化學反應形成聚合物的小分子化合物，稱為單體。Structureunit（結構單元）

單體在大分子鏈中形成的單元。Repeatingunit（重復單元）聚合物中化學組成相同的最小單位稱為重復單元。基本定義CH2CH2CH2CH2()nNH2(CH2)6NH2高分子的命名簡單命名法以單體名為基礎，前面冠以聚字。例如丙烯的聚合物稱為聚丙烯。對于兩種單體的共聚產(chǎn)物，常摘取兩種單體的簡稱，后綴“樹脂”（塑料）或“橡膠”。例如苯酚和甲醛的縮聚產(chǎn)物被稱為酚醛樹脂；丁烯與苯乙烯的共聚物被稱為丁苯橡膠。系統(tǒng)命名法IUPAC系統(tǒng)命名法：以聚合物的重復單元為基礎，按有機物的標準命名法加以命名。高分子的命名簡單命名法3高分子的命名

Example1Polymermonomer簡單命名法：聚乙烯醇，poly(vinylalcohol);PVA系統(tǒng)命名法：聚1-羥基乙烯高分子的命名Example1P4高分子的基本概念結構單元有時也稱為單體單元（Monomerunit）重復單元（Repeatingunit）鏈節(jié)（Chainelement）n表示重復單元數(shù)，在此等于聚合度。聚合度（Degreeofpolymerization）聚合度是衡量高分子鏈大小的一個指標。有兩種表示法：以大分子鏈中的結構單元數(shù)目表示，記作以大分子鏈中的重復單元數(shù)目表示，記作高分子的基本概念結構單元有時也稱為單體單元（Monomer5高分子的分類按用途分類塑料（plastic）橡膠（rubber）纖維（fiber）涂料（coating）粘合劑（adhesive）功能高分子涂料是涂布于物體表面能結成堅韌保護膜的涂裝材料。功能高分子是指在高分子主鏈和側枝上帶有反應性功能基團，并具有可逆或不可逆的物理功能或化學活性的一類高分子。粘合劑是指具有良好的粘合性能，可將兩種相同或不相同的物體粘接在一起的連接材料。高分子的分類按用途分類涂料是涂布于物體表面能結成堅韌保護膜的6塑料制品塑料制品7橡膠制品橡膠制品8纖維制品纖維制品9涂料與粘合劑涂料與粘合劑10與高分子相關的化學反應高分子的合成高分子的改性與功能化高分子的老化與降解

高分子化學是高分子科學的基礎。高分子化學研究高分子化合物的分子設計、合成及改性，它擔負著為高分子科學研究提供新化合物、為國民經(jīng)濟提供新材料及合成方法的任務。

高分子的反應按聚合機理連鎖聚合活性中心引發(fā)單體，迅速連鎖增長的聚合。根據(jù)活性中心的不同可分為自由基聚合、陽離子聚合和陰離子聚合。逐步聚合逐步聚合反應通常是由單體所帶的兩種不同的官能團之間發(fā)生化學反應而進行按化學組成變化加成聚合縮合聚合新型聚合反應與高分子相關的化學反應高分子的合成高分子化學是高11連鎖聚合鏈引發(fā)單體鏈增長聚合物連鎖聚合鏈引發(fā)單體鏈增長聚合物12自由基聚合聚合時先由引發(fā)劑I形成自由基活性種，再進一步與單體加成，促使鏈增長。鏈引發(fā)（均裂）鏈增長鏈終止死聚合物常用的引發(fā)劑：偶氮類引發(fā)劑有機過氧類引發(fā)劑無機過氧類引發(fā)劑氧化還原引發(fā)體系引發(fā)方式：熱引發(fā)聚合光引發(fā)聚合輻射引發(fā)聚合自由基聚合聚合時先由引發(fā)劑I形成自由基活性種，再進一步與單體13逐步聚合HO―CH(CH3)―COOH+HO―CH(CH3)―COOHHO―CH(CH3)―COO―CH(CH3)―COOH+HO―CH(CH3)―COOHHO―CH(CH3)―COO―CH(CH3)―COOH[]n逐步聚合HO―CH(CH3)―COOH+HO―CH(14高分子的分子設計LinearBranchedCross-linkedComb-likeStar-likeDendrimerPolycatenane高分子的分子設計LinearBranchedCross-li15支化結構對性能的影響名稱密度（g/ml）結晶度（%）拉伸強度（MPa）斷裂伸長率（%）沖擊強度（J/m）HDPE0.94-0.9780-9521-3820-13027-1068LDPE0.91-0.9350-704.1-1690-800NobreakLLDPE0.92-0.9350-5520-30100-1000Nobreak不同支化結構聚乙烯的基本性能參數(shù)支化結構對性能的影響名稱密度結晶度拉伸強度斷裂伸長率沖擊強度16交聯(lián)交聯(lián)反應是指線型高分子鏈之間進行化學反應，由線型的聚合物轉變成為體型的網(wǎng)狀聚合物。交聯(lián)的目的在于消除永久變形，交聯(lián)后的體型聚合物不能熔融也不會溶解。常見的橡膠和熱固性樹脂制品均是交聯(lián)聚合物。表征交聯(lián)的幾個參數(shù)交聯(lián)點間分子量（molecularweightbetweencross-links）凝膠率（gelfraction）溶脹率（Swellingratio）SSSSSSSS+()nΔSnSnSnSnVulcanizationofnaturerubber交聯(lián)交聯(lián)反應是指線型高分子鏈之間進行化學反應，由線型的聚合物17共聚含有兩種或兩種以上的重復單元的聚合物，稱為Copolymer（共聚物）共聚（Copolymerization）是改變聚合物性能的一種有效方法。根據(jù)共聚物中結構單元的排列方式可分為以下幾類：無規(guī)共聚物（random）：A、B兩種結構單元無規(guī)排列，隨機分布。交替共聚物（alternate）：A、B兩種結構單元嚴格相間排列。嵌段共聚物（block）：由A聚合物鏈段和B聚合物鏈段交替構成。共聚含有兩種或兩種以上的重復單元的聚合物，稱為Copolym18接枝主鏈由單元A構成，而支鏈由另一種單元B構成。BackboneAGraftchainsB***MonomerBMacro-initiator******Pre-polymerBPre-polymerAMacro-monomerMonomerAGraftfromGraftontoGraftthrough接枝主鏈由單元A構成，而支鏈由另一種單元B構成。Backbo19高分子合成的發(fā)展合成原料產(chǎn)品高能效、低能耗、綠色環(huán)保是高分子合成未來發(fā)展的重要方向。生物質轉化溫和的反應條件，不產(chǎn)生危險或有害物質。環(huán)境友好可降解、可回收。生物圈循環(huán)綠色高分子合成高分子合成的發(fā)展合成原料產(chǎn)品高能效、低能耗、綠色環(huán)保是高分子20白色污染白色污染21新型高分子合成方法——

活性聚合活性聚合的特點Mn的增長與單體轉化率成線性關系；單體100%轉化后加入新單體，聚合反應繼續(xù)進行，Mn進一步增加，且仍與單體轉化率成正比；所有聚合物分子都由引發(fā)劑分子所引發(fā)，并且其數(shù)目在整個聚合過程中保持恒定；分子量分布非常窄，接近單分散，Mw/Mn≈1.0活性聚合（LivingPolymerization）:在適當?shù)暮铣蓷l件下，無鏈終止與鏈轉移反應，鏈增長活性中心濃度保持恒定的時間要比完成合成反應所需的時間長數(shù)倍。（IUPAC，1996）活性聚合首先發(fā)現(xiàn)于陰離子聚合(1950)，近年來發(fā)展到自由基聚合和陽離子聚合。新型高分子合成方法——活性聚合活性聚合的特點22新型高分子合成方法——

活性聚合活性聚合最典型的特征是引發(fā)速度遠遠大于增長速度，并且在特定條件下不存在鏈終止反應和鏈轉移反應，亦即活性中心不會自己消失。這些特點導致了聚合產(chǎn)物的相對分子質量可控、相對分子質量分布很窄，并且可利用活性端基制備含有特殊官能團的高分子材料?；鶊F轉移聚合（GTP）原子自由基轉移聚合（ARTP）活性開環(huán)聚合活性開環(huán)歧化聚合新型高分子合成方法——活性聚合活性聚合最典型的特征是引發(fā)23酶催化聚合以被分離的酶為催化劑，通過體外非生物過程的聚合反應.優(yōu)點(與傳統(tǒng)化學催化聚合的比較)具有高的區(qū)域和立構選擇性具有高的催化活性有效抑制副反應的發(fā)生可在較溫和條件下反應非金屬催化劑多聚糖Glycodidase、糖基轉移酶、磷酸化酶、纖維素酶、CGTase多聚肽二肽酰轉移酶（組織蛋白酶C）、木瓜蛋白酶、α-胰凝乳蛋白酶、BPN（枯草桿菌蛋白酶）聚酯、聚酰胺聚碳酸酯脂肪酶、蛋白酶、解聚酶芳香族聚合物山葵過氧化物酶（HRP）大豆過氧化物酶（SBP）酶催化聚合以被分離的酶為催化劑，通過體外非生物過程的聚合反應24新型高分子合成方法——

微生物聚合可微生物合成的聚合物遺傳物質：DNA、RNA蛋白質：多聚肽、酶多聚糖：淀粉、纖維素微生物聚酯（microbialpolyester）微生物通過生物活動合成聚合物作為自身的能量儲備，通過特殊方法提純即可得到相應的高分子材料新型高分子合成方法——微生物聚合可微生物合成的聚合物微生25高分子的化學反應研究高分子化學反應的意義：擴大高分子的品種和應用范圍在理論上研究和驗證高分子的結構研究影響老化的因素和性能變化之間的關系研究高分子的降解，有利于廢聚合物的處理高分子化學反應的分類：聚合度基本不變的反應：側基和端基變化（官能化）聚合度增大的反應：交聯(lián)、接枝、嵌段、擴鏈聚合度減小的反應：降解，解聚高分子的化學反應研究高分子化學反應的意義：26高分子化學反應的特點高分子官能團可以起各種化學反應由于高分子存在鏈結構、聚集態(tài)結構，官能團反應具有特殊性。反應產(chǎn)物具有不均勻性，高分子鏈上的官能團很難全部起反應，一個高分子鏈上就含有未反應和反應后的多種不同基團，類似共聚產(chǎn)物。反應不能用小分子的“產(chǎn)率”一詞來描述只能用基團轉化率來表征：即指起始基團生成各種基團的百分數(shù)基團轉化率不能達到百分之百，是由高分子反應的不均勻性和復雜性造成的影響高分子化學反應的因素化學因素：幾率效應、位阻效應、化學結構物理因素：聚集態(tài)、鏈構象、相態(tài)高分子化學反應的特點高分子官能團可以起各種化學反應由于高分子27高分子的結構

由于高分子的分子鏈很龐大且組成可能不均一，所以高分子的結構很復雜的。整個高分子結構是由四個不同層次組成，分別稱為一級結構和高級結構（包括二級、三級和四級結構）。高分子的結構由于高分子的分子鏈很龐大且組成可能不2820十二月2022高分子科學的基本概念15十二月2022高分子科學的基本概念29基本定義CH2CH2CH2CH2()nNH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+NH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()nmonomermonomerstructuralunitstructuralunitrepeatingunitStructure/repeatingunitmonomerMonomer（單體）可以通過化學反應形成聚合物的小分子化合物，稱為單體。Structureunit（結構單元）

單體在大分子鏈中形成的單元。Repeatingunit（重復單元）聚合物中化學組成相同的最小單位稱為重復單元?；径xCH2CH2CH2CH2()nNH2(CH2)6NH30高分子的命名簡單命名法以單體名為基礎，前面冠以聚字。例如丙烯的聚合物稱為聚丙烯。對于兩種單體的共聚產(chǎn)物，常摘取兩種單體的簡稱，后綴“樹脂”（塑料）或“橡膠”。例如苯酚和甲醛的縮聚產(chǎn)物被稱為酚醛樹脂；丁烯與苯乙烯的共聚物被稱為丁苯橡膠。系統(tǒng)命名法IUPAC系統(tǒng)命名法：以聚合物的重復單元為基礎，按有機物的標準命名法加以命名。高分子的命名簡單命名法31高分子的命名

Example1Polymermonomer簡單命名法：聚乙烯醇，poly(vinylalcohol);PVA系統(tǒng)命名法：聚1-羥基乙烯高分子的命名Example1P32高分子的基本概念結構單元有時也稱為單體單元（Monomerunit）重復單元（Repeatingunit）鏈節(jié)（Chainelement）n表示重復單元數(shù)，在此等于聚合度。聚合度（Degreeofpolymerization）聚合度是衡量高分子鏈大小的一個指標。有兩種表示法：以大分子鏈中的結構單元數(shù)目表示，記作以大分子鏈中的重復單元數(shù)目表示，記作高分子的基本概念結構單元有時也稱為單體單元（Monomer33高分子的分類按用途分類塑料（plastic）橡膠（rubber）纖維（fiber）涂料（coating）粘合劑（adhesive）功能高分子涂料是涂布于物體表面能結成堅韌保護膜的涂裝材料。功能高分子是指在高分子主鏈和側枝上帶有反應性功能基團，并具有可逆或不可逆的物理功能或化學活性的一類高分子。粘合劑是指具有良好的粘合性能，可將兩種相同或不相同的物體粘接在一起的連接材料。高分子的分類按用途分類涂料是涂布于物體表面能結成堅韌保護膜的34塑料制品塑料制品35橡膠制品橡膠制品36纖維制品纖維制品37涂料與粘合劑涂料與粘合劑38與高分子相關的化學反應高分子的合成高分子的改性與功能化高分子的老化與降解

高分子化學是高分子科學的基礎。高分子化學研究高分子化合物的分子設計、合成及改性，它擔負著為高分子科學研究提供新化合物、為國民經(jīng)濟提供新材料及合成方法的任務。

高分子的反應按聚合機理連鎖聚合活性中心引發(fā)單體，迅速連鎖增長的聚合。根據(jù)活性中心的不同可分為自由基聚合、陽離子聚合和陰離子聚合。逐步聚合逐步聚合反應通常是由單體所帶的兩種不同的官能團之間發(fā)生化學反應而進行按化學組成變化加成聚合縮合聚合新型聚合反應與高分子相關的化學反應高分子的合成高分子化學是高39連鎖聚合鏈引發(fā)單體鏈增長聚合物連鎖聚合鏈引發(fā)單體鏈增長聚合物40自由基聚合聚合時先由引發(fā)劑I形成自由基活性種，再進一步與單體加成，促使鏈增長。鏈引發(fā)（均裂）鏈增長鏈終止死聚合物常用的引發(fā)劑：偶氮類引發(fā)劑有機過氧類引發(fā)劑無機過氧類引發(fā)劑氧化還原引發(fā)體系引發(fā)方式：熱引發(fā)聚合光引發(fā)聚合輻射引發(fā)聚合自由基聚合聚合時先由引發(fā)劑I形成自由基活性種，再進一步與單體41逐步聚合HO―CH(CH3)―COOH+HO―CH(CH3)―COOHHO―CH(CH3)―COO―CH(CH3)―COOH+HO―CH(CH3)―COOHHO―CH(CH3)―COO―CH(CH3)―COOH[]n逐步聚合HO―CH(CH3)―COOH+HO―CH(42高分子的分子設計LinearBranchedCross-linkedComb-likeStar-likeDendrimerPolycatenane高分子的分子設計LinearBranchedCross-li43支化結構對性能的影響名稱密度（g/ml）結晶度（%）拉伸強度（MPa）斷裂伸長率（%）沖擊強度（J/m）HDPE0.94-0.9780-9521-3820-13027-1068LDPE0.91-0.9350-704.1-1690-800NobreakLLDPE0.92-0.9350-5520-30100-1000Nobreak不同支化結構聚乙烯的基本性能參數(shù)支化結構對性能的影響名稱密度結晶度拉伸強度斷裂伸長率沖擊強度44交聯(lián)交聯(lián)反應是指線型高分子鏈之間進行化學反應，由線型的聚合物轉變成為體型的網(wǎng)狀聚合物。交聯(lián)的目的在于消除永久變形，交聯(lián)后的體型聚合物不能熔融也不會溶解。常見的橡膠和熱固性樹脂制品均是交聯(lián)聚合物。表征交聯(lián)的幾個參數(shù)交聯(lián)點間分子量（molecularweightbetweencross-links）凝膠率（gelfraction）溶脹率（Swellingratio）SSSSSSSS+()nΔSnSnSnSnVulcanizationofnaturerubber交聯(lián)交聯(lián)反應是指線型高分子鏈之間進行化學反應，由線型的聚合物45共聚含有兩種或兩種以上的重復單元的聚合物，稱為Copolymer（共聚物）共聚（Copolymerization）是改變聚合物性能的一種有效方法。根據(jù)共聚物中結構單元的排列方式可分為以下幾類：無規(guī)共聚物（random）：A、B兩種結構單元無規(guī)排列，隨機分布。交替共聚物（alternate）：A、B兩種結構單元嚴格相間排列。嵌段共聚物（block）：由A聚合物鏈段和B聚合物鏈段交替構成。共聚含有兩種或兩種以上的重復單元的聚合物，稱為Copolym46接枝主鏈由單元A構成，而支鏈由另一種單元B構成。BackboneAGraftchainsB***MonomerBMacro-initiator******Pre-polymerBPre-polymerAMacro-monomerMonomerAGraftfromGraftontoGraftthrough接枝主鏈由單元A構成，而支鏈由另一種單元B構成。Backbo47高分子合成的發(fā)展合成原料產(chǎn)品高能效、低能耗、綠色環(huán)保是高分子合成未來發(fā)展的重要方向。生物質轉化溫和的反應條件，不產(chǎn)生危險或有害物質。環(huán)境友好可降解、可回收。生物圈循環(huán)綠色高分子合成高分子合成的發(fā)展合成原料產(chǎn)品高能效、低能耗、綠色環(huán)保是高分子48白色污染白色污染49新型高分子合成方法——

活性聚合活性聚合的特點Mn的增長與單體轉化率成線性關系；單體100%轉化后加入新單體，聚合反應繼續(xù)進行，Mn進一步增加，且仍與單體轉化率成正比；所有聚合物分子都由引發(fā)劑分子所引發(fā)，并且其數(shù)目在整個聚合過程中保持恒定；分子量分布非常窄，接近單分散，Mw/Mn≈1.0活性聚合（LivingPolymerization）:在適當?shù)暮铣蓷l件下，無鏈終止與鏈轉移反應，鏈增長活性中心濃度保持恒定的時間要比完成合成反應所需的時間長數(shù)倍。（IUPAC，1996）活性聚合首先發(fā)現(xiàn)于陰離子聚合(1950)，近年來發(fā)展到自由基聚合和陽離子聚合。新型高分子合成方法——活性聚合活性聚合的特點50新型高分子合成方法——

活性聚合活性聚合最典型的特征是引發(fā)速度遠遠大于增長速度，并且在特定條件下不存在鏈終止反應和鏈轉移反應，亦即活性中心不會自己消失。這些特點導致了聚合產(chǎn)物的相對分子質量可控、相對分子質量分布很窄，并且可利用活性端基制備含有特殊官能團的高分子材料?；鶊F轉移聚合（GTP）原子自由基轉移聚合（ARTP）活性開環(huán)聚合活性開環(huán)歧化聚合新型高分子合成方法——活性聚合活性聚合最典型的特征是引發(fā)51酶催化聚合以被分離的酶為催化劑，通過體外非生物過程的聚合反應.優(yōu)點(與傳統(tǒng)化學催化聚合的比較)具有高的區(qū)域和立構選擇性具有高的催化活性有效抑制副反應的發(fā)生可在較溫和條件下反應非金屬催化劑多聚糖Gl