《高分子化學(xué)第一章》課件

第一章緒論本章將介紹高分子化學(xué)的定義、研究對(duì)象、發(fā)展歷程和研究方法,以及其在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。了解這些基本概念和知識(shí),為后續(xù)高分子化學(xué)的深入學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。ppbypptppt1.1高分子化學(xué)的定義高分子化學(xué)是研究由大量小分子單體通過共價(jià)鍵連接形成的大分子聚合物的化學(xué)科學(xué)。它關(guān)注高分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、合成和應(yīng)用等方方面面,在材料科學(xué)、化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。分子結(jié)構(gòu)高分子由重復(fù)單元構(gòu)成,有線型、網(wǎng)狀、支鏈等不同分子結(jié)構(gòu)。合成方法高分子可通過鏈?zhǔn)骄酆?、步驟聚合等不同聚合反應(yīng)來制備。性能特點(diǎn)高分子普遍具有優(yōu)良的機(jī)械、熱、電等物理化學(xué)性質(zhì)。1.2高分子化學(xué)的研究對(duì)象單體高分子化學(xué)研究小分子單體如何通過化學(xué)反應(yīng)連接形成大分子聚合物。聚合反應(yīng)關(guān)注聚合反應(yīng)的機(jī)理、動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素,以合成出性能優(yōu)良的聚合物。高分子結(jié)構(gòu)探討高分子的分子量、分子量分布、分子構(gòu)型等內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。性能特性研究高分子材料的熱、力學(xué)、電磁等物理化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用。1.3高分子化學(xué)的發(fā)展歷程119世紀(jì)-早期發(fā)現(xiàn)高分子化學(xué)的雛形在19世紀(jì)逐步建立,人們發(fā)現(xiàn)自然界存在大分子化合物。220世紀(jì)初-理論建立20世紀(jì)初,科學(xué)家提出了高分子鏈狀結(jié)構(gòu)理論,為這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。320世紀(jì)中期-快速發(fā)展二戰(zhàn)后,高分子合成和應(yīng)用技術(shù)得到快速發(fā)展,高分子材料廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。1.4高分子化學(xué)的研究方法分析測(cè)試?yán)酶鞣N先進(jìn)的理化分析手段,精確測(cè)定高分子的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。理論研究運(yùn)用量子化學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)等理論方法,深入探討高分子的分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)制備通過各種聚合反應(yīng)工藝,合成出目標(biāo)性能的高分子材料進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。1.5高分子化學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域材料工程高分子材料廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、纖維等領(lǐng)域,是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)材料。生物醫(yī)學(xué)生物相容性高的高分子材料被用于生物醫(yī)用植入物、人工器官、藥物載體等領(lǐng)域。能源環(huán)境高分子電池、膜材料等在新能源、節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。電子電氣高分子絕緣材料、導(dǎo)電聚合物廣泛應(yīng)用于電子電氣工業(yè)中的元件和部件。2.1單體的概念和種類單體的定義單體是指可以通過化學(xué)反應(yīng)連接形成高分子化合物的小分子化合物。單體的分類單體可分為烯烴單體、芳香烴單體、環(huán)狀單體、雜環(huán)單體等不同類型。天然和合成單體常見單體包括乙烯、丙烯、苯乙烯等天然和人工合成的化合物。2.2單體的命名按化學(xué)結(jié)構(gòu)單體可按分子式、取代基等化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來命名,如乙烯、苯乙烯等。采用編號(hào)對(duì)于復(fù)雜單體,也可采用按序編號(hào)的方式進(jìn)行命名,如環(huán)己烯等。商品牌名某些工業(yè)單體還以商品商標(biāo)命名,如氯乙烯(PVC)、丙烯腈(AN)等。2.3單體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)碳骨架單體通常由碳原子組成線性或環(huán)狀的碳骨架,碳原子上還可連接其他官能團(tuán)。極性基團(tuán)單體分子中含有極性基團(tuán)如氫、鹵素、氨基等,影響單體的反應(yīng)活性和聚合性能。不飽和鍵單體常包含碳碳雙鍵或三鍵,為后續(xù)聚合反應(yīng)提供反應(yīng)活性中心。剛性環(huán)一些環(huán)狀單體如苯乙烯具有穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu),有利于形成高強(qiáng)度聚合物。2.4單體的反應(yīng)性親電性含有缺電子基團(tuán)的單體,如鹵素、硝基等,具有較強(qiáng)的親電性,易與親核試劑發(fā)生反應(yīng)。親核性含有富電子基團(tuán)的單體,如氨基、羥基等,具有較強(qiáng)的親核性,容易與親電試劑發(fā)生反應(yīng)。不飽和鍵單體分子中的碳碳雙鍵或三鍵是最活躍的反應(yīng)位點(diǎn),易發(fā)生加成或取代反應(yīng)。3.1聚合反應(yīng)的概念定義聚合反應(yīng)是指小分子單體通過化學(xué)反應(yīng)連接形成大分子高分子化合物的過程。機(jī)理聚合反應(yīng)可以通過鏈?zhǔn)交虿襟E的方式進(jìn)行,生成具有不同分子結(jié)構(gòu)和性能的高分子材料。條件單體必須具有反應(yīng)活性基團(tuán),如碳碳雙鍵、環(huán)狀結(jié)構(gòu)等,在特定條件下發(fā)生聚合反應(yīng)。3.2聚合反應(yīng)的分類鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)通過單體活性中心連續(xù)加成的方式生長(zhǎng)形成高分子鏈,反應(yīng)速度快、產(chǎn)率高。步驟聚合反應(yīng)步驟聚合反應(yīng)則是通過兩種反應(yīng)基團(tuán)逐步縮合而形成高分子,反應(yīng)機(jī)制相對(duì)復(fù)雜。聚合反應(yīng)機(jī)理不同類型的聚合反應(yīng)會(huì)涉及自由基、離子、配位等不同的反應(yīng)機(jī)理和中間體。3.3鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)1引發(fā)活性單體與引發(fā)劑發(fā)生反應(yīng),生成活性中心。2傳播活性中心不斷接受單體分子的加入,高分子鏈不斷延長(zhǎng)。3終止活性中心被終止劑捕獲或相互反應(yīng),反應(yīng)停止。鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)是最常見的聚合方式,通過單體活性中心逐步加成的方式高效合成高分子。該過程包括引發(fā)、傳播和終止三個(gè)基本步驟,可以在較溫和的條件下快速進(jìn)行,產(chǎn)率和分子量控制性都較好。3.4步驟聚合反應(yīng)1反應(yīng)活性基團(tuán)單體需含有兩種反應(yīng)活性基團(tuán),如羥基和羧基。2縮合反應(yīng)兩種反應(yīng)基團(tuán)通過縮合反應(yīng)形成共價(jià)鍵連接。3逐步生長(zhǎng)高分子鏈逐步通過基團(tuán)間的縮合反應(yīng)而延長(zhǎng)。步驟聚合反應(yīng)是通過兩種反應(yīng)基團(tuán)的逐步縮合而形成高分子的過程。相比鏈?zhǔn)骄酆?步驟聚合的反應(yīng)機(jī)理更為復(fù)雜,通常需要較高的溫度和壓力條件。但它可以合成出結(jié)構(gòu)多樣化的高分子材料,在一些特殊應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。3.5聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率聚合反應(yīng)的速率由活性中心的濃度和單體的反應(yīng)性決定,隨溫度升高而加快。分子量分布鏈?zhǔn)骄酆现?活性中心的終止方式影響分子量分布的狹窄程度。步驟聚合分子量分布較寬。動(dòng)力學(xué)模型不同聚合機(jī)理可建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型,用于預(yù)測(cè)聚合物性能并優(yōu)化反應(yīng)條件。影響因素聚合反應(yīng)速率和分子量受溫度、濃度、時(shí)間等諸多因素影響,需要系統(tǒng)研究。4.1高分子的分子量1定義高分子的分子量是指整個(gè)高分子鏈上所有結(jié)構(gòu)單元的質(zhì)量總和。2分類高分子的分子量可分為數(shù)平均分子量和重平均分子量?jī)煞N。3測(cè)定可通過凝fixed點(diǎn)法、滲透壓法、粘度法等測(cè)定高分子的分子量。4意義高分子的分子量直接影響其物理性能,是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。4.2高分子的分子量分布分布曲線高分子的分子量并非完全一致,會(huì)呈現(xiàn)一定的分布?？梢酝ㄟ^分子量分布曲線來表示。影響因素高分子的分子量分布受聚合方式、反應(yīng)條件、終止機(jī)理等多方面因素的影響。分布類型高分子的分子量分布可以是正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布或其他類型。4.3高分子的均聚物和共聚物均聚物均聚物是由單一種類的結(jié)構(gòu)單元聚合而成的高分子,分子結(jié)構(gòu)均一一致。共聚物共聚物是由兩種或多種不同結(jié)構(gòu)單元統(tǒng)一聚合而成的高分子,分子結(jié)構(gòu)不均一。結(jié)構(gòu)比較均聚物和共聚物在分子結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用等方面都存在顯著差異。4.4高分子的結(jié)構(gòu)主鏈結(jié)構(gòu)高分子的主鏈由一系列結(jié)構(gòu)單元連接而成,可為直鏈、支化或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。主鏈的結(jié)構(gòu)直接決定了高分子的性能特點(diǎn)。側(cè)基取代高分子鏈上可能存在各種側(cè)基團(tuán),如羥基、氨基或鹵素等。側(cè)基的種類和數(shù)量會(huì)影響高分子的極性和溶解性。缺陷結(jié)構(gòu)由于聚合反應(yīng)的復(fù)雜性,高分子鏈中可能存在缺陷結(jié)構(gòu),如斷裂、交聯(lián)或不規(guī)則取代基等。這些缺陷會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響。4.5高分子的構(gòu)型順式和反式構(gòu)型對(duì)于碳碳雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的高分子,其基團(tuán)在空間排列上可以呈現(xiàn)順式或反式的構(gòu)型。這會(huì)影響高分子鏈的剛性和卷曲程度。立體規(guī)則性高分子鏈上連接基團(tuán)的立體位置可以是同手性的isotactic、對(duì)稱的syndiotactic或無規(guī)的atactic。這種立體規(guī)則性會(huì)決定高分子的結(jié)晶性和力學(xué)性能。手性構(gòu)型當(dāng)高分子鏈上含有手性碳原子時(shí),會(huì)產(chǎn)生左旋或右旋的手性構(gòu)型。這種手性特征可以賦予高分子光學(xué)性質(zhì)和生物活性。規(guī)整性高分子可以通過結(jié)構(gòu)單元的有序排列形成規(guī)整的構(gòu)型,如螺旋、折疊和Π-共軛結(jié)構(gòu)。這些規(guī)整結(jié)構(gòu)提高了高分子的剛性和導(dǎo)電性。5.1高分子的物理性質(zhì)熱性質(zhì)高分子材料具有獨(dú)特的熱膨脹、熱導(dǎo)率、熱容等特性,決定了其在溫度變化下的行為。分子結(jié)構(gòu)高分子的分子量、分子量分布、分子構(gòu)型等結(jié)構(gòu)特征直接影響其物理性質(zhì)。相轉(zhuǎn)變高分子材料會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶、熔融等相變,這些轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)用有重要意義。5.2高分子的熱性質(zhì)熱膨脹高分子材料在受熱時(shí)會(huì)發(fā)生熱膨脹,這是由于分子鏈節(jié)段的熱運(yùn)動(dòng)增加導(dǎo)致。熱膨脹系數(shù)是描述這一性質(zhì)的重要參數(shù)。熱傳導(dǎo)高分子材料的熱導(dǎo)率較低,主要通過分子間的熱振動(dòng)和缺陷傳導(dǎo)。對(duì)于結(jié)晶態(tài)聚合物,熱傳導(dǎo)性能優(yōu)于無定形態(tài)。熱容高分子在受熱時(shí)會(huì)吸收熱量,導(dǎo)致溫度上升。熱容是描述這一特性的重要參數(shù),與分子結(jié)構(gòu)和相變密切相關(guān)。5.3高分子的溶解性溶劑-高分子相互作用高分子溶解性主要取決于溶劑分子與高分子鏈之間的相互作用力,包括范德華力、氫鍵等。溶劑性好的分子能更好地溶解高分子。分子結(jié)構(gòu)的影響高分子的分子量、極性、親和力等結(jié)構(gòu)特性會(huì)顯著影響其溶解性。一般來說,分子量越小、親和力越強(qiáng)的高分子更易溶解。溶解過程高分子溶解是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程,需要克服鏈段摩擦力并增加分子熵。良好的溶解性有助于提高高分子加工性能。5.4高分子的機(jī)械性質(zhì)1抗拉強(qiáng)度高分子材料抗拉強(qiáng)度高低取決于分子鏈的長(zhǎng)度、取向和結(jié)晶度,體現(xiàn)了材料承受外力的能力。2延伸性高分子可以在一定程度上發(fā)生可逆或不可逆的變形,展現(xiàn)出良好的拉伸延展性。3彈性模量彈性模量反映了高分子材料的剛性,即在外力作用下產(chǎn)生的單位變形。不同聚合物彈性模量差異較大。4沖擊韌性高分子材料在受到?jīng)_擊荷載時(shí)的破壞行為,與分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)、取向和結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)。5.5高分子的其他性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)高分子材料可以表現(xiàn)出導(dǎo)電、絕緣或半導(dǎo)體等不同的電學(xué)特性,這取決于分子結(jié)構(gòu)和取向。光學(xué)性質(zhì)高分子可以吸收、發(fā)射或調(diào)節(jié)光的性質(zhì),如透明性、折射率和發(fā)光等。通過化學(xué)修飾可實(shí)現(xiàn)功能性光學(xué)材料?；瘜W(xué)性質(zhì)高分子的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性和反應(yīng)活性與其分子結(jié)構(gòu)和取代基密切相關(guān)。這些性質(zhì)決定了高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域。6.1高分子材料的分類按分子結(jié)構(gòu)分類包括線型、支鏈、環(huán)狀和網(wǎng)狀等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高分子。按組成單體分類如均聚物、共聚物、嵌段共聚物等,根據(jù)單體種類的不同進(jìn)行劃分。按熱處理性能分類可分為熱塑性和熱固性兩大類,前者可多次軟化,后者經(jīng)加熱后固化不可逆。按功能性分類如結(jié)構(gòu)材料、電子材料、生物醫(yī)用材料等,根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類。6.2