高分子科學高分子化學

1、緒論高高 分分 子子 科科 學學高高 分分 子子 化化 學學研究高分子化合物合成和反研究高分子化合物合成和反應(yīng)應(yīng)。選擇原料、確定路線、。選擇原料、確定路線、尋找引發(fā)劑、制定合成工藝尋找引發(fā)劑、制定合成工藝等。等。研究聚合物的結(jié)構(gòu)與性能的研究聚合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系關(guān)系，為設(shè)計合成預(yù)定性能，為設(shè)計合成預(yù)定性能的聚合物提供理論指導(dǎo)，是的聚合物提供理論指導(dǎo)，是溝通合成與應(yīng)用的橋梁。溝通合成與應(yīng)用的橋梁。高高 分分 子子 物物 理理高高 分分 子子 工工 程程研究聚合物加工成型的原研究聚合物加工成型的原理與工藝。理與工藝。天天 然然 高高 分分 子子的的 直直 接接 利利 用用天天 然然 高高 分分

2、子子的的 化化 學學 改改 性性天然橡膠的硫化天然橡膠的硫化, , 硝化纖硝化纖維的合成等維的合成等淀粉、蛋白質(zhì)、棉麻絲、竹、淀粉、蛋白質(zhì)、棉麻絲、竹、木等木等縮聚反應(yīng)，自由基、配位、離縮聚反應(yīng)，自由基、配位、離子聚合等子聚合等高高 分子合分子合 成成高分高分 子時子時 代代高分子化學高分子化學發(fā)展簡史發(fā)展簡史19世紀中期以前世紀中期以前 19世紀中期世紀中期20世紀早期世紀早期20世紀世紀21世紀世紀解解 決決 途途 徑：徑：（1）延長使用壽命延長使用壽命：減少廢棄：減少廢棄（2）回收回收利用：低性能應(yīng)用；降解利用：低性能應(yīng)用；降解（3）自然）自然降解降解：自然分解回歸自然：自然分解回歸自然

3、制制 約約 因因 素素：老化老化 高分子制品廢棄后對環(huán)境的污染高分子制品廢棄后對環(huán)境的污染 （白色污染、黑色污染）（白色污染、黑色污染） Staudinger （施陶丁格）（施陶丁格） 1881年年3月月23日生于德國，日生于德國， 19201920年，年， 發(fā)表發(fā)表“論聚合反應(yīng)論聚合反應(yīng)”的的論文，論文，提出高分子的概念；提出高分子的概念； 19531953年獲諾貝爾化學獎。年獲諾貝爾化學獎。 1965年年9月月8日逝世，終年日逝世，終年84歲。歲。高分子化學領(lǐng)域獲諾貝爾獎的科學家高分子化學領(lǐng)域獲諾貝爾獎的科學家 20世紀世紀50年代中期，德國人年代中期，德國人Kal Ziegler（齊格勒

4、）、（齊格勒）、意大意大利人利人Giulio Natta（納塔）（納塔）等人等人發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了金屬有機絡(luò)合引發(fā)體系，金屬有機絡(luò)合引發(fā)體系，在較低的溫度和壓力下，制得在較低的溫度和壓力下，制得了高密度聚乙烯和聚丙烯。他了高密度聚乙烯和聚丙烯。他們兩人因而在們兩人因而在1963年獲得了諾年獲得了諾貝爾獎。貝爾獎。Flory(弗洛里弗洛里) 1910年年6月月19日生于美國伊利諾伊州日生于美國伊利諾伊州斯特靈；斯特靈；1953年當選為美國科學院院士；年當選為美國科學院院士；因在高分子化學、高分子物理性質(zhì)與因在高分子化學、高分子物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的研究方面的巨大成就，于結(jié)構(gòu)的研究方面的巨大成就，于1974年

5、獲得了諾貝爾化學獎。年獲得了諾貝爾化學獎。 2000年，美國人年，美國人Alan.J.Hegger（艾倫艾倫黑格）黑格）、Alan.J.Macdiarmid（艾倫艾倫馬克迪爾米德）馬克迪爾米德）和日本人和日本人白川白川英樹英樹因在導(dǎo)電高分子的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展領(lǐng)域的杰出貢獻獲諾因在導(dǎo)電高分子的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展領(lǐng)域的杰出貢獻獲諾貝爾化學獎。貝爾化學獎。1.1 聚合物聚合物的基本概念的基本概念 1. 高分子化合物（高分子化合物（聚合物聚合物、高聚物、大分子、高分子）、高聚物、大分子、高分子） polymer 由許多由許多相同的、簡單的相同的、簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵重復(fù)重復(fù)連接連接而成的而成的

6、相對分子質(zhì)量很大相對分子質(zhì)量很大的一類化合物。的一類化合物。CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH Cl Cl Cl Cl CH2CH n Cl 重復(fù)結(jié)構(gòu)單元重復(fù)結(jié)構(gòu)單元 n表示方法表示方法包括天然高分子化合物和合成高分子化合物。包括天然高分子化合物和合成高分子化合物。常用聚合物的相對分子質(zhì)量一般在常用聚合物的相對分子質(zhì)量一般在104106。（。（P13表表1-10）具有與低分子同系物完全不同的物理性能。 化學組成簡單。（化學組成簡單。（P8表表1-5）分子形態(tài)多樣。分子形態(tài)多樣。 2.單體單體 (monomer) 能夠形成聚合物中結(jié)構(gòu)單元的小分子化合物。能夠形成聚合物中結(jié)構(gòu)單元的小分子化合

7、物。 CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH Cl Cl Cl Cl3. 3. 結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元 重復(fù)結(jié)構(gòu)單元重復(fù)結(jié)構(gòu)單元 與單體結(jié)構(gòu)有關(guān)的與單體結(jié)構(gòu)有關(guān)的最大單元最大單元稱為結(jié)構(gòu)單元。稱為結(jié)構(gòu)單元。 大分子鏈中可重復(fù)的大分子鏈中可重復(fù)的最小單元最小單元稱為重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，又稱稱為重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，又稱為鏈節(jié)、重復(fù)單元。為鏈節(jié)、重復(fù)單元。 聚氯乙烯聚氯乙烯結(jié)構(gòu)單元與重復(fù)結(jié)構(gòu)單元相同結(jié)構(gòu)單元與重復(fù)結(jié)構(gòu)單元相同結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元重復(fù)結(jié)構(gòu)單元重復(fù)結(jié)構(gòu)單元CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH Cl Cl Cl Cl 尼龍尼龍-66 結(jié)構(gòu)單元和重復(fù)結(jié)構(gòu)單元不同結(jié)構(gòu)單元和重復(fù)結(jié)構(gòu)單元不同nCOCHNHCOC

8、HNH)()(4262 結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元 結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元重復(fù)結(jié)構(gòu)單元重復(fù)結(jié)構(gòu)單元 由一種單體聚合成的聚合物結(jié)構(gòu)單元和重由一種單體聚合成的聚合物結(jié)構(gòu)單元和重復(fù)結(jié)構(gòu)單元相同；復(fù)結(jié)構(gòu)單元相同； 由兩種單體聚合成的聚合物結(jié)構(gòu)單元和重由兩種單體聚合成的聚合物結(jié)構(gòu)單元和重復(fù)結(jié)構(gòu)單元不同。復(fù)結(jié)構(gòu)單元不同。 4.單體單元單體單元 原子種類和數(shù)目與單體相同，僅電子結(jié)構(gòu)有原子種類和數(shù)目與單體相同，僅電子結(jié)構(gòu)有所改變的結(jié)構(gòu)單元稱為單體單元。所改變的結(jié)構(gòu)單元稱為單體單元。 例如聚氯乙烯例如聚氯乙烯比較結(jié)構(gòu)單元、重復(fù)結(jié)構(gòu)單元、單體單元三個概念比較結(jié)構(gòu)單元、重復(fù)結(jié)構(gòu)單元、單體單元三個概念。CH2CHCH2CHCH2CH

9、CH2CH Cl Cl Cl Cl 單體單元單體單元 結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元 重復(fù)重復(fù) 結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元5. 均聚物均聚物(homopolymer) 共聚物共聚物(copolymer) 共混物共混物(blend ) 由由一種單體聚合一種單體聚合而成的高聚物稱為均聚物。而成的高聚物稱為均聚物。 由由兩種或兩種以上的單體聚合兩種或兩種以上的單體聚合而成的高聚物稱為共聚物。而成的高聚物稱為共聚物。 由由兩種或兩種以上的兩種或兩種以上的混合混合而成的高聚物稱為共聚物。而成的高聚物稱為共聚物。 6.6.平均聚合度平均聚合度 平均相對分子質(zhì)量平均相對分子質(zhì)量 。 平均聚合度：平均每個大分子所具有的結(jié)構(gòu)單元數(shù)平均

10、聚合度：平均每個大分子所具有的結(jié)構(gòu)單元數(shù)。 nX0MXMnn平均相對分子質(zhì)量：大分子的平均聚合度和結(jié)構(gòu)單元平均相對分子質(zhì)量：大分子的平均聚合度和結(jié)構(gòu)單元 分子質(zhì)量的乘積。分子質(zhì)量的乘積。 1.2 聚合反應(yīng)聚合反應(yīng) 由單體合成聚合物的反應(yīng)稱為聚合反應(yīng)由單體合成聚合物的反應(yīng)稱為聚合反應(yīng)。n CH2 CH CH2 CH nOCOCH3OCOCH3nCH2=CH2 CH2-CH2 nH OCH2CH2O C C nOH + (2n-1)H2OOO n HOCH2CH2OH + n HOOC COOH 聚合反應(yīng)的分類方法主要有兩大類：聚合反應(yīng)的分類方法主要有兩大類： 按單體和聚合物在反應(yīng)前后組成和結(jié)構(gòu)上

11、的變化分類按單體和聚合物在反應(yīng)前后組成和結(jié)構(gòu)上的變化分類 加聚反應(yīng)加聚反應(yīng) 烯類單體通過打開雙鍵相互聯(lián)結(jié)起來的反應(yīng)。烯類單體通過打開雙鍵相互聯(lián)結(jié)起來的反應(yīng)。 得到的聚合物為得到的聚合物為加聚物。加聚物。 縮聚反應(yīng)縮聚反應(yīng) 由單體分子的官能團間反應(yīng)，在形成縮聚物由單體分子的官能團間反應(yīng)，在形成縮聚物 的同時，伴有小分子產(chǎn)物的失去。的同時，伴有小分子產(chǎn)物的失去。 得到的聚合物為得到的聚合物為縮聚物。縮聚物。（Carothers分類法）分類法） 逐步聚合逐步聚合 反應(yīng)是逐步進行的。先生成低聚物，再聚合反應(yīng)是逐步進行的。先生成低聚物，再聚合 成高聚物。成高聚物。 連鎖聚合連鎖聚合 反應(yīng)是以連鎖方式進行

12、的。一旦開始，便可以反應(yīng)是以連鎖方式進行的。一旦開始，便可以 自發(fā)進行下去直到終止。自發(fā)進行下去直到終止。按聚合反應(yīng)機理和動力學分類按聚合反應(yīng)機理和動力學分類（Flory分類法）分類法）（1）按性質(zhì)和用途分類按性質(zhì)和用途分類 三大合成材料三大合成材料1.3 聚合物的分類與命名聚合物的分類與命名助推器殼體：碳助推器殼體：碳/環(huán)氧復(fù)合材料環(huán)氧復(fù)合材料 塑料塑料 通用通用“四烯四烯”：PE、PP、PVC、PS 橡膠橡膠 “四膠四膠”：丁苯橡膠（：丁苯橡膠（SBR）、順丁橡膠）、順丁橡膠(BR)、異戊橡膠異戊橡膠(IBR)、乙丙橡膠、乙丙橡膠(EPR)。 纖維纖維 “四綸四綸”：滌綸（：滌綸（PET）

13、、腈綸）、腈綸(PAN)、維尼綸、維尼綸、 錦綸（尼龍）錦綸（尼龍）PA。功能高分子材料功能高分子材料隱形眼鏡隱形眼鏡（聚甲基丙烯酸羥乙酯）（聚甲基丙烯酸羥乙酯）發(fā)光材料發(fā)光材料生物功能高分子材料生物功能高分子材料隱形眼鏡隱形眼鏡（聚甲基丙烯酸羥乙酯）（聚甲基丙烯酸羥乙酯）發(fā)光材料發(fā)光材料 碳鏈高聚物碳鏈高聚物 主鏈完全由碳原子組成，如主鏈完全由碳原子組成，如PP、PE、 PS 、 PMMA 等等 雜鏈高聚物雜鏈高聚物 主鏈除碳原子外，還有主鏈除碳原子外，還有S、Si、O、 P 等等 雜原子，如聚酯、聚醚雜原子，如聚酯、聚醚 元素有機高聚物元素有機高聚物 主鏈中無碳原子，側(cè)鏈由有機基團組主鏈中

14、無碳原子，側(cè)鏈由有機基團組 成，如有機硅氧烷成，如有機硅氧烷 無機高聚物無機高聚物 主、側(cè)鏈全由雜原子組成，如石英主、側(cè)鏈全由雜原子組成，如石英 按主鏈的元素組成分類按主鏈的元素組成分類按按反應(yīng)和參加反應(yīng)的單體分類反應(yīng)和參加反應(yīng)的單體分類加聚物加聚物 由加聚反應(yīng)得到由加聚反應(yīng)得到縮聚物縮聚物 由縮聚反應(yīng)得到由縮聚反應(yīng)得到 命名命名 既要表明其結(jié)構(gòu)特征；也要反映其與原料單體的聯(lián)系。既要表明其結(jié)構(gòu)特征；也要反映其與原料單體的聯(lián)系。 參照單體名稱參照單體名稱 以單體或以單體或假想單體假想單體為基礎(chǔ)，前面加以為基礎(chǔ)，前面加以“聚聚”，如聚乙烯、，如聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇等；聚丙烯、聚乙烯醇等； “聚

15、聚”+單體名稱單體名稱 由兩種單體合成的聚合物，在兩單體簡稱后加由兩種單體合成的聚合物，在兩單體簡稱后加“樹脂樹脂”或或“橡膠橡膠”，；，； “單體簡稱單體簡稱” 樹脂或橡膠樹脂或橡膠 如如 酚醛樹脂、丁苯橡膠酚醛樹脂、丁苯橡膠 以聚合物的結(jié)構(gòu)特征命名，以聚合物的結(jié)構(gòu)特征命名， “聚聚”高分子主鏈結(jié)構(gòu)中的特征功能團高分子主鏈結(jié)構(gòu)中的特征功能團 如聚酯、聚醚；如聚酯、聚醚； 聚對苯二甲酸乙二醇聚對苯二甲酸乙二醇酯酯、聚己二、聚己二酰酰己二己二胺胺商品名稱商品名稱 有機玻璃、滌綸有機玻璃、滌綸 英文縮寫英文縮寫 PVC、 PS、PVA 系統(tǒng)命名法系統(tǒng)命名法1.4聚合物的相對分子質(zhì)量聚合物的相對分子質(zhì)量 相對分子質(zhì)量巨大相對分子質(zhì)量巨大 一般在一般在104106之間。之間。 相對分子質(zhì)量具有多分散性相對分子質(zhì)量具有多分散性 高分子相對分子質(zhì)量的高分子相對分子質(zhì)量的多分散性多分散性可用相對分子質(zhì)量分布可用相對分子質(zhì)量分布來表示，常用來表示，常用相對分子質(zhì)量分布曲線相對分子質(zhì)量分布曲線和和相對分子質(zhì)量分布指相對分子質(zhì)量分布指數(shù)數(shù)。nMmMVMZM 根據(jù)統(tǒng)計方法的不同，常用的平均分子量有：根據(jù)統(tǒng)計方法的不同，常用的平均分子量有：數(shù)均相對分數(shù)均相對分子質(zhì)量子質(zhì)量 、質(zhì)均相對分子質(zhì)量、質(zhì)均相對分子質(zhì)量 、粘均相對分子質(zhì)量粘均相對分子質(zhì)量 Z均相對分子質(zhì)量均相對