《高分子化學(xué)B》課件

高分子化學(xué)B本課程主要介紹高分子化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括高分子結(jié)構(gòu)、性能、合成和應(yīng)用等。作者：高分子的定義和特性定義高分子是由許多結(jié)構(gòu)單元通過化學(xué)鍵連接而成的具有高相對(duì)分子質(zhì)量的化合物。特性高分子通常具有較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。高分子具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。高分子具有較好的耐化學(xué)腐蝕性。高分子具有較好的電絕緣性。性質(zhì)高分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與其分子鏈的長(zhǎng)度、分支、交聯(lián)和取向等因素有關(guān)。高分子的分類聚乙烯聚乙烯由乙烯單體聚合而成，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。聚酯聚酯是由二元酸和二元醇縮聚而成的，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、彈性和耐熱性。聚丙烯聚丙烯是由丙烯單體聚合而成的，具有良好的耐腐蝕性和耐磨性。天然橡膠天然橡膠是一種天然聚合物，具有良好的彈性和耐磨性。聚合反應(yīng)的類型11.鏈增長(zhǎng)聚合單體通過自由基、陰離子或陽(yáng)離子機(jī)制，以逐步加成的方式形成高分子鏈。22.步生長(zhǎng)聚合單體通過逐步反應(yīng)形成二聚體、三聚體，最終形成高分子鏈。33.共聚合反應(yīng)兩種或多種單體通過聚合反應(yīng)形成含有不同單體單元的共聚物。鏈增長(zhǎng)聚合1引發(fā)自由基或離子引發(fā)劑引發(fā)單體聚合2增長(zhǎng)活性中間體與單體反應(yīng)，形成聚合物鏈3終止兩個(gè)活性中間體結(jié)合或與引發(fā)劑反應(yīng)，結(jié)束鏈增長(zhǎng)鏈增長(zhǎng)聚合的特點(diǎn)是，單體分子逐個(gè)加到活性中間體上，形成長(zhǎng)鏈聚合物。步生長(zhǎng)聚合逐步反應(yīng)單體分子通過逐步反應(yīng)，形成二聚體、三聚體，最終形成高分子。鏈增長(zhǎng)速度慢反應(yīng)初期，單體轉(zhuǎn)化率低，粘度變化緩慢。反應(yīng)后期，粘度快速增加。反應(yīng)可逆反應(yīng)過程中，會(huì)存在副反應(yīng)，影響最終產(chǎn)物的分子量和性能。影響因素反應(yīng)溫度、催化劑、單體濃度等因素，會(huì)影響聚合速率和最終產(chǎn)物的分子量。共聚合反應(yīng)共聚合反應(yīng)是兩種或兩種以上單體發(fā)生聚合反應(yīng)生成兩種或兩種以上單體單元組成的高分子化合物。共聚合反應(yīng)可以使高分子材料的性能得到改善，例如提高強(qiáng)度、韌性、耐熱性等。1無(wú)規(guī)共聚單體單元在聚合物鏈中隨機(jī)分布2交替共聚兩種單體單元交替排列3嵌段共聚兩種單體單元以不同的序列組成大塊4接枝共聚一種單體單元以側(cè)鏈的形式連接到另一種單體單元的主鏈上不同的共聚類型會(huì)影響最終聚合物的性能。例如，無(wú)規(guī)共聚通常會(huì)導(dǎo)致性能的均一性，而嵌段共聚則可能帶來(lái)獨(dú)特的性能，例如相分離和微相結(jié)構(gòu)。聚合度和分子量分布聚合度是指每個(gè)高分子鏈中重復(fù)單元的數(shù)目，它直接影響高分子的物理和化學(xué)性質(zhì)。分子量分布是指高分子樣品中不同分子量鏈的相對(duì)含量，反映了聚合反應(yīng)的均一性。1數(shù)均分子量所有分子量的平均值2重均分子量按分子量加權(quán)的平均值3粘均分子量根據(jù)溶液粘度測(cè)定高分子溶液的性質(zhì)溶解度高分子溶液的溶解度受高分子鏈的結(jié)構(gòu)、極性、分子量和溫度等因素影響。非極性高分子溶于非極性溶劑，極性高分子溶于極性溶劑。粘度高分子溶液的粘度取決于高分子鏈的長(zhǎng)度、形狀、濃度和溫度。高分子鏈越長(zhǎng)，溶液粘度越高。滲透壓高分子溶液的滲透壓是指溶液通過半透膜滲入純?nèi)軇┑膲毫?。滲透壓與溶液的濃度和高分子鏈的分子量有關(guān)。光散射光散射是高分子溶液中光線被溶質(zhì)粒子散射的現(xiàn)象。散射光的強(qiáng)度與溶液的濃度和高分子鏈的尺寸有關(guān)。高分子溶液的稀溶液粘度稀溶液粘度是指在一定溫度下，高分子溶液的粘度與其濃度的關(guān)系。稀溶液粘度可以用來(lái)測(cè)定高分子的分子量，并可以反映高分子鏈在溶液中的構(gòu)象和相互作用。稀溶液粘度的測(cè)定方法通常采用毛細(xì)管粘度計(jì)。毛細(xì)管粘度計(jì)是一種簡(jiǎn)單易用的測(cè)量溶液粘度的儀器。通過測(cè)量溶液在毛細(xì)管中的流動(dòng)時(shí)間，就可以計(jì)算出溶液的粘度。高分子溶液的滲透壓滲透壓溶液中溶質(zhì)粒子對(duì)半透膜產(chǎn)生的壓力影響因素溶液濃度、溫度、溶質(zhì)分子量應(yīng)用測(cè)定高分子分子量、研究高分子溶液的性質(zhì)滲透壓的大小與溶質(zhì)的濃度和分子量有關(guān)，可用于測(cè)定高分子溶液的分子量。滲透壓與溶液的蒸汽壓降低、沸點(diǎn)升高和凝固點(diǎn)降低等性質(zhì)密切相關(guān)，共同構(gòu)成了溶液的依數(shù)性。高分子溶液的二次維里系數(shù)二次維里系數(shù)(A2)是一個(gè)重要的熱力學(xué)參數(shù)，反映了高分子溶液中溶質(zhì)-溶劑之間相互作用的強(qiáng)度。A2的正負(fù)值可指示高分子鏈之間的相互作用是吸引還是排斥。0A2>0溶液中高分子鏈之間存在排斥作用。0A2<0溶液中高分子鏈之間存在吸引作用。0A2=0高分子鏈之間沒有相互作用。高分子溶液的沉淀溶液不穩(wěn)定性當(dāng)溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于臨界值時(shí)，高分子溶液不再穩(wěn)定，發(fā)生沉淀。沉淀機(jī)制沉淀過程伴隨著高分子鏈的纏結(jié)和聚集，形成不溶性相。沉淀因素溫度、溶劑、非溶劑、高分子鏈長(zhǎng)度和濃度等因素都會(huì)影響沉淀。應(yīng)用沉淀技術(shù)可用于分離、純化和表征高分子。高分子的熱力學(xué)性質(zhì)焓變高分子鏈的運(yùn)動(dòng)和相互作用。熵變高分子鏈的排列和構(gòu)型。自由能焓變和熵變的綜合影響。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高分子材料從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度。高分子的結(jié)晶與非晶態(tài)晶態(tài)聚合物分子鏈排列整齊，形成規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)聚合物分子鏈無(wú)序排列，沒有明顯的晶格結(jié)構(gòu)。高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是一個(gè)重要的指標(biāo)，用于描述高分子材料從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度。Tg是指高分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力發(fā)生顯著變化的溫度，在Tg以下，高分子鏈段運(yùn)動(dòng)受限，材料表現(xiàn)出脆性，在Tg以上，鏈段運(yùn)動(dòng)活躍，材料表現(xiàn)出柔性。高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系11.結(jié)構(gòu)單元單體類型影響聚合物的性能。例如，聚乙烯和聚丙烯具有不同的力學(xué)性能。22.分子量分子量越高，聚合物強(qiáng)度、剛度和熔點(diǎn)越高。33.鏈結(jié)構(gòu)線性、支化和交聯(lián)結(jié)構(gòu)影響聚合物的柔韌性和流動(dòng)性。44.官能團(tuán)官能團(tuán)影響聚合物的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如極性、溶解性和反應(yīng)活性。熱塑性高分子定義熱塑性高分子是指在加熱時(shí)可以軟化，冷卻時(shí)可以固化的材料。它們可以重復(fù)熔融和固化，并且在固化過程中不會(huì)發(fā)生化學(xué)變化。特性熱塑性高分子具有可塑性、可回收性、易加工性等特點(diǎn)，可以制成各種形狀和尺寸的制品。常見的熱塑性高分子包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。熱固性高分子不可逆交聯(lián)熱固性高分子在加熱過程中會(huì)發(fā)生不可逆的交聯(lián)反應(yīng)，形成堅(jiān)硬的固體結(jié)構(gòu)，無(wú)法再次熔融。高強(qiáng)度和硬度由于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成，熱固性高分子具有較高的強(qiáng)度和硬度，耐高溫、耐腐蝕，具有良好的機(jī)械性能。不可回收由于不可逆的交聯(lián)反應(yīng)，熱固性高分子無(wú)法通過加熱熔融，因此無(wú)法回收利用，造成環(huán)境污染。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于制造汽車、飛機(jī)、電子產(chǎn)品、建筑材料等領(lǐng)域。彈性高分子橡膠橡膠具有優(yōu)異的彈性、耐磨性和密封性，廣泛用于輪胎、密封件和橡膠制品。硅橡膠硅橡膠耐高溫、耐低溫、耐化學(xué)腐蝕，廣泛用于電子、醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域。聚氨酯聚氨酯具有優(yōu)異的彈性、耐磨性和耐油性，廣泛用于鞋材、家具和涂料。熱塑性彈性體熱塑性彈性體兼具熱塑性塑料的加工性能和彈性高分子的彈性，廣泛用于汽車、醫(yī)療和包裝領(lǐng)域。纖維高分子高強(qiáng)度纖維高分子具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和耐磨性，可用于制造各種織物。柔韌性纖維高分子材料具有良好的柔韌性，可以彎曲和折疊，易于加工成型。吸濕性一些纖維高分子具有良好的吸濕性，可用于制造衣物和家用紡織品。耐熱性一些纖維高分子具有良好的耐熱性，可用于制造耐高溫的材料。高分子的加工成型1塑化將高分子材料加熱到一定的溫度，使其軟化或熔融，以便于成型。2成型將塑化后的高分子材料填充到模具中，并施加壓力，使其成型為所需的形狀。3冷卻固化將成型后的高分子材料冷卻至室溫，使其固化，保持其形狀。高分子的化學(xué)改性11.接枝共聚將一種單體接到已有的高分子鏈上，改善高分子材料的性能。22.交聯(lián)反應(yīng)通過化學(xué)反應(yīng)引入交聯(lián)點(diǎn)，改變高分子鏈的結(jié)構(gòu)，提高材料的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。33.氧化降解通過氧化反應(yīng)，降低高分子材料的分子量，使材料更容易加工或降解。44.氫化反應(yīng)將不飽和鍵轉(zhuǎn)化為飽和鍵，改善高分子材料的耐熱性和抗氧化性能。聚合物合成技術(shù)自由基聚合自由基聚合是一種常見的聚合反應(yīng)類型，涉及自由基引發(fā)劑的加入，引發(fā)單體之間的鏈增長(zhǎng)反應(yīng)。自由基聚合廣泛應(yīng)用于各種塑料、橡膠和涂料的生產(chǎn)。配位聚合配位聚合利用過渡金屬催化劑，控制單體聚合的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，生成具有特定結(jié)構(gòu)和性能的聚合物。配位聚合常用于生產(chǎn)高密度聚乙烯和聚丙烯等高性能聚合物。開環(huán)聚合開環(huán)聚合以環(huán)狀單體為原料，通過開環(huán)反應(yīng)生成線性聚合物，可以合成多種具有特殊性能的聚合物。開環(huán)聚合廣泛用于生產(chǎn)聚酯、聚醚和聚酰胺等重要的聚合物?；钚跃酆匣钚跃酆鲜且环N特殊的聚合反應(yīng)類型，能夠?qū)崿F(xiàn)高聚合度和窄分子量分布的聚合物合成。活性聚合技術(shù)可用于生產(chǎn)具有特定性能的聚合物，例如用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的生物降解聚合物。高分子材料的表征方法分子量測(cè)定確定高分子鏈的平均長(zhǎng)度，影響其物理性能。結(jié)構(gòu)分析解析高分子鏈的結(jié)構(gòu)，包括鏈的構(gòu)型、結(jié)晶度等。熱力學(xué)性質(zhì)了解高分子材料的熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等。力學(xué)性能測(cè)試評(píng)估高分子材料的強(qiáng)度、韌性、彈性等。高性能高分子材料高強(qiáng)度纖維高強(qiáng)度纖維，如Kevlar，在航空航天和軍工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。耐高溫材料耐高溫材料，例如PBI纖維，在高溫環(huán)境下依然保持穩(wěn)定性能，適合于特殊工況。導(dǎo)電高分子導(dǎo)電高分子材料，如聚乙炔，在電子器件領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。生物基和可降解高分子材料生物基材料來(lái)源于可再生資源，例如植物、動(dòng)物或微生物?？沙掷m(xù)性強(qiáng)，有助于減少對(duì)化石燃料的依賴?？山到獠牧显谧匀画h(huán)境中可以被微生物降解，不會(huì)造成環(huán)境污染。可應(yīng)用于包裝、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，取代傳統(tǒng)塑料制品。高分子材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用太陽(yáng)能電池高分子材料用于制造太陽(yáng)能電池板，提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低成本。風(fēng)力渦輪機(jī)高分子復(fù)合材料制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，重量輕，強(qiáng)度高，可提高發(fā)電效率。燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池使用高分子材料，作為電解質(zhì)，促進(jìn)氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生能量。儲(chǔ)能電池高分子材料制備鋰離子電池電極材料，提高能量密度和循環(huán)壽命。高分子材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用生物相容性材料高分子材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。例如，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等材料制成的醫(yī)療器械，如導(dǎo)管、人工關(guān)節(jié)等。藥物緩釋載體高分子材料可用于制備藥物緩釋系統(tǒng)，控制藥物釋放速率，提高治療效果。組織工程可用于構(gòu)建生物支架，促進(jìn)組織再生和修復(fù)，例如，聚乳酸、聚羥基乙酸等生物可降解材料。高分子材料在電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用高分子材料的獨(dú)特性質(zhì)高分子材料在電子信息領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，例如輕便、耐用、可加工性強(qiáng)和成本低廉等。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛高分子材料可用于制造電子器件的絕緣層、保護(hù)