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1、高分子物理和化学本讲稿第一页，共三十九页材料天然或人造的、用于满足人类某种使用要求、并在储存或使用过程中保持形状相对不变的物质。本讲稿第二页，共三十九页材料是人类文明的里程碑，是人类材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和发展的物质基础。赖以生存和发展的物质基础。材料的地位与作用材料的地位与作用本讲稿第三页，共三十九页石器石器石器，石器，陶陶、玉、砖瓦、玉、砖瓦旧石器时代旧石器时代 250万年前万年前新石器时代新石器时代 1万年前万年前 高分子时代高分子时代（新材料时代）（新材料时代）铁器时代铁器时代2500年前年前青铜器时代青铜器时代 5000年前年前本讲稿第四页，共三十九页Organic
2、polymerMetalInorganicNon-metal composite 本讲稿第五页，共三十九页小汽车原材料构成小汽车原材料构成钢钢/铸铁铸铁 70有色金属有色金属 10有机高分子有机高分子 14玻璃玻璃 3其它其它 3本讲稿第六页，共三十九页金金属属材材料料黑色金属黑色金属铸（生）铁铸（生）铁（含炭量（含炭量2.1）钢钢（含炭量（含炭量0.042.1）纯铁（含炭量纯铁（含炭量2.7 35绝缘绝缘 X 隔热隔热 X 耐腐蚀耐腐蚀 X 耐热耐热 室温室温 几百几百 上千上千耐老化耐老化 X 燃烧性燃烧性 易燃易燃 不燃不燃 不燃不燃 硬度硬度 低低 高高 高高制造制造 合成合成 冶炼冶
3、炼 烧结烧结加工加工 塑造塑造 机加机加 X 本讲稿第十四页，共三十九页本讲稿第十五页，共三十九页1.2 为什么要学为什么要学1.高分子材料是材料大家庭中不可或缺的重要成员之一高分子材料是材料大家庭中不可或缺的重要成员之一 高分子是人类生活不可或缺的材料高分子是人类生活不可或缺的材料高分子是高技术、国防现代化不可或缺的材料高分子是高技术、国防现代化不可或缺的材料衣、食、住、行、用衣、食、住、行、用航空、航天、卫星、导弹、信息、电子、化学、化工、文体航空、航天、卫星、导弹、信息、电子、化学、化工、文体2.高分子与生命现象息息相关高分子与生命现象息息相关 蛋白质（蛋白质（Protein）DNA，R
4、NA：生命的基础：生命的基础纤维素（纤维素（Cellulose）：）：植物的主体植物的主体3.高分子科学是年轻而充满活力的学科高分子科学是年轻而充满活力的学科4.高分子的研究与应用已经渗透到材料科学与工程的各个领域高分子的研究与应用已经渗透到材料科学与工程的各个领域本讲稿第十六页，共三十九页中国合成树脂产量1949 200吨(赛璐珞,电木粉)1958 第一套PVC装置(辽宁锦州)1962 5000吨/年乙烯工程(兰州石化)1976 30万吨/年乙烯工程投产(燕山石化)1990 227万吨2008 合成树脂 3130万吨 世界第一(2亿吨)合成纤维 2241万吨 世界第一(4000万吨)合成橡胶
5、 222万吨 世界第二(1200万吨)涂料 600万吨 世界第二(2800万吨)中国中国-生产大国生产大国-消费大国消费大国本讲稿第十七页，共三十九页生物材料人工骨，人工脏器生物材料人工骨，人工脏器电子材料光致抗蚀剂，电子材料光致抗蚀剂，投影屏，投影屏，复合材料有机无机复合材料复合材料有机无机复合材料（压电、磁电、摩擦、耐磨（压电、磁电、摩擦、耐磨.)有机金属复合材料有机金属复合材料(导电浆料、塑料磁铁）导电浆料、塑料磁铁）新型陶瓷制备浇注、注射、挤出、流延新型陶瓷制备浇注、注射、挤出、流延能源材料聚合物固态电解质能源材料聚合物固态电解质（锂离子电池）（锂离子电池）固态离子交换膜固态离子交换膜
6、（燃料电池）（燃料电池）材料系材料系本讲稿第十八页，共三十九页1.3 高分子科学的发展历史高分子科学的发展历史1.高分子合成工业的发展高分子合成工业的发展高分子远在人类诞生以前就存在高分子远在人类诞生以前就存在人类在认识高分子之前就一直在使用高分子材料人类在认识高分子之前就一直在使用高分子材料棉、麻、丝、毛皮、木、竹、大漆棉、麻、丝、毛皮、木、竹、大漆1839年橡胶硫化美年橡胶硫化美Goodyear1846年硝化纤维素瑞士年硝化纤维素瑞士Schonbein1868年赛璐珞（年赛璐珞（Celluloid）美）美Hyatt1870年赛璐珞的工业化标志着塑料时代的开始年赛璐珞的工业化标志着塑料时代的
7、开始本讲稿第十九页，共三十九页1865年醋酸纤维素（年醋酸纤维素（Cellulose acetate），），1924年制成塑料、纤维年制成塑料、纤维1889年年 Regenerated cellulose fibers（铜氨纤维）（铜氨纤维）1892年年Viscose rayon fibers（粘胶纤维）（粘胶纤维）1912年年celluphane（赛璐玢）玻璃纸（赛璐玢）玻璃纸天然或天然改型高分子天然或天然改型高分子本讲稿第二十页，共三十九页1872年拜耳（德），后来克莱贝格年拜耳（德），后来克莱贝格Phenol formaldehyde 树脂状物树脂状物 冷冷 硬物硬物 1907年年Bac
8、kland(美）美）控制反应条件、配比和加工条件，制得塑料控制反应条件、配比和加工条件，制得塑料1909年工业化（称年工业化（称Bakelite，是第一种合成塑料），是第一种合成塑料）1909年酚醛树脂的工业化标志着高分子时代的开始年酚醛树脂的工业化标志着高分子时代的开始2030s，合成一大批高分子，合成一大批高分子4560s 高分子合成工业迅速发展高分子合成工业迅速发展本讲稿第二十一页，共三十九页2.高分子科学的诞生高分子科学的诞生 1877年年 F.A.Kekuler指出：绝大多数与生命直接联系在一起指出：绝大多数与生命直接联系在一起的天然有机物蛋白质、淀粉、纤维素可以由很长的链的天然有机
9、物蛋白质、淀粉、纤维素可以由很长的链组成，并且这种特殊的结构决定了它们具有特殊的性质组成，并且这种特殊的结构决定了它们具有特殊的性质 有机和胶体化学传统否认有机和胶体化学传统否认 1893年年 E.Fischer设想：设想：Cellulose是由葡萄糖连成的长链是由葡萄糖连成的长链未得到证明未得到证明合成了聚合度为合成了聚合度为30的单分散度肽的单分散度肽1920年，年，H.Staudinger(德）提出大分子理论，第一次用德）提出大分子理论，第一次用“大分子大分子”（macromolecule）概念）概念受到胶体缔合论的强力反对，至受到胶体缔合论的强力反对，至1930年获普遍接受，年获普遍接
10、受，1953年年Nobel化学奖化学奖本讲稿第二十二页，共三十九页 1929年年 Carothers(Dupont)高分子合成系统研究高分子合成系统研究,开发聚酯，聚酰胺开发聚酯，聚酰胺 30s初初 50s初初 高分子科学迅速高分子科学迅速发展和完善展和完善 高分子化学与物理的基本理论初步建立和形成高分子化学与物理的基本理论初步建立和形成 一大批新型高分子开发成功一大批新型高分子开发成功 （PMMA，PS，PVC，PVAc，UF，EP，ABS）50s 后期，后期，K.Ziegler（德）（德）G.Natta（意）（意）发明配位（定向）发明配位（定向）聚合方法聚合方法,开发开发HDPE，PP 1
11、963年年Nobel化学奖化学奖同期，同期，M Swarc（美）发明活性聚合方法（美）发明活性聚合方法 开发出开发出POM，PC，顺式聚异戊二烯，顺丁橡胶，顺式聚异戊二烯，顺丁橡胶，EPR，PI，PPO等等本讲稿第二十三页，共三十九页 P.J.Flory（美）（美）在高分子物理化学方面贡献杰出，在高分子物理化学方面贡献杰出，1974年年Nobel化学奖化学奖 Alan J.Heeger（美）（美）,Alan G.MacDiarmid（美）（美）,白川英树（日）白川英树（日）导电高分子领域贡献杰出，导电高分子领域贡献杰出，2000年年Nobel化学奖化学奖本讲稿第二十四页，共三十九页施陶丁格尔小
12、传施陶丁格尔小传(Hermann Staudinger)(18811965)1881年年3月月23日生于德国莱因兰日生于德国莱因兰法耳次法耳次州的沃尔姆斯；州的沃尔姆斯；1907年毕业于施特拉斯堡大学，获博士学年毕业于施特拉斯堡大学，获博士学位。位。同年聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授。同年聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授。19121912年于苏黎世工业大学任为化学教授。年于苏黎世工业大学任为化学教授。1920年，发表年，发表“论聚合反应论聚合反应”的论文，提的论文，提出高分子的概念；出高分子的概念；1932年，出版划时代的巨著年，出版划时代的巨著高分子有高分子有机化合物机化合物 1953年获诺贝尔化
13、学奖；年获诺贝尔化学奖；1965年年9月月8日在弗赖堡逝世，终年日在弗赖堡逝世，终年84岁。岁。本讲稿第二十五页，共三十九页3.中国的高分子研究中国的高分子研究1950年，年，长春应化所，长春应化所，合成橡胶与纤维素化学研究合成橡胶与纤维素化学研究 1951年，年，唐敖庆唐敖庆首篇论文（橡胶尺寸计算，首篇论文（橡胶尺寸计算，中国化学会誌）中国化学会誌）在吉林大学开展高分子统计理论研究在吉林大学开展高分子统计理论研究50s初，初，王葆仁王葆仁（52），中科院上海有机所建立有机玻璃和尼龙），中科院上海有机所建立有机玻璃和尼龙6研究组研究组 冯新德冯新德在北大开设高分子化学专业在北大开设高分子化学专
14、业何炳林何炳林在南开大学开展离子交换树脂研究在南开大学开展离子交换树脂研究 钱人元钱人元（52）在长春应化所，）在长春应化所，53年在上海有机所分别建立高分子年在上海有机所分别建立高分子 物理化学研究组，开展高分子溶液性质研究物理化学研究组，开展高分子溶液性质研究 （56年迁京入北化所）年迁京入北化所）钱保功钱保功在长春应化所开展高聚物粘弹性及辐射化学研究在长春应化所开展高聚物粘弹性及辐射化学研究徐僖徐僖在成都工学院（现川大）开设塑料工程专业，在成都工学院（现川大）开设塑料工程专业，开展塑料成型加工研究开展塑料成型加工研究本讲稿第二十六页，共三十九页高分子科学高分子科学追踪、学习的过程中成长、
15、壮大和提高追踪、学习的过程中成长、壮大和提高高分子工业高分子工业引进消化再引进引进消化再引进 中国高分子科学的发展对中国高分子工业推动多用的潜力远未发挥出来中国高分子科学的发展对中国高分子工业推动多用的潜力远未发挥出来总体：追踪、仿效国外科学前沿，难以产生在国际上有创新总体：追踪、仿效国外科学前沿，难以产生在国际上有创新 意义的重大成果，与国际水平有相当大的差距意义的重大成果，与国际水平有相当大的差距本讲稿第二十七页，共三十九页1.4 高分子的分类和命名高分子的分类和命名1.4.1 命名命名 1.习惯命名习惯命名 均聚均聚加聚物加聚物：对应单体前加对应单体前加“聚聚”聚乙烯，聚丁二烯，聚甲醛聚
16、乙烯，聚丁二烯，聚甲醛 特例：聚乙烯醇特例：聚乙烯醇 共聚共聚加聚物加聚物：？共聚物？共聚物 乙烯醋酸乙烯酯共聚物（乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA），乙丙共聚物），乙丙共聚物 线型线型缩聚物缩聚物：以官能团类型命名：以官能团类型命名 聚酯，聚酯，聚氨酯，聚碳酸酯，聚醚，聚酰胺，聚酰亚胺聚氨酯，聚碳酸酯，聚醚，聚酰胺，聚酰亚胺 体型体型缩聚物缩聚物：？树脂？树脂 酚醛树脂，环氧树脂，醇酸树脂酚醛树脂，环氧树脂，醇酸树脂商业名称商业名称纤维：？纶纤维：？纶 涤纶，氰纶，锦纶，氨纶涤纶，氰纶，锦纶，氨纶橡胶：？橡胶橡胶：？橡胶 丁苯橡胶，顺丁橡胶丁苯橡胶，顺丁橡胶尼龙（尼龙（Nylon），特富龙（），
17、特富龙（Teflon）本讲稿第二十八页，共三十九页1.4.2 分类分类1.按用途按用途2 按来源按来源5 按主链元素组成按主链元素组成3.按热行为按热行为7.按合成路线按合成路线6.按分子形态按分子形态从不同侧面从不同侧面描述高分子描述高分子4.按力学行为按力学行为本讲稿第二十九页，共三十九页化学功能分离功能电功能光功能医用其它 塑料Plastics 橡胶Rubbers 纤维Fibers 涂料Coatings 粘合剂Adhesives 通用通用高分子高分子 功能功能高分子高分子1.按用途按用途本讲稿第三十页，共三十九页2 按来源按来源天然高分子天然高分子Protein,Cellulose,NR
18、半合成高分子半合成高分子改性纤维素改性纤维素,改性淀粉改性淀粉合成高分子合成高分子PE,PP,.3.按热行为按热行为热塑性高分子热塑性高分子热固性高分子热固性高分子可多次加热熔融而无明显物理化学变化，可多次加热熔融而无明显物理化学变化，如如PE，PVC加热后发生化学反应生成具有三维网状结构的不熔不溶产物，加热后发生化学反应生成具有三维网状结构的不熔不溶产物，如如PF，EP4.按力学行为按力学行为弹性体弹性体非弹性体非弹性体本讲稿第三十一页，共三十九页5 按主链元素组成按主链元素组成有机高分子有机高分子有机无机高分子有机无机高分子无机高分子无机高分子碳链高分子：主链仅由碳链高分子：主链仅由C元素
19、组成，如元素组成，如Polyolefin，PVC.杂链高分子：主链中除杂链高分子：主链中除C外，外，还含有还含有O、N、S、P、等有机物中、等有机物中 常见元素，如常见元素，如PA、Polyester、Polyether主链中主要含主链中主要含Si、B、Al、Ti等元素，与氧连接，侧基为有机基团，等元素，与氧连接，侧基为有机基团，如聚硅氧烷如聚硅氧烷高分子中无含碳有机基团，高分子中无含碳有机基团，如玻璃，如玻璃，石棉石棉本讲稿第三十二页，共三十九页7.按分子形态按分子形态线形线形(linear)枝形枝形(branched)梳形梳形(Comb)星形星形(star)梯形梯形(Ladder)网状网状
20、(network,Cross-linking)超枝化超枝化 6.按合成路线按合成路线加聚物加聚物-PE,PP,PS.缩聚物缩聚物-PA,PET,.本讲稿第三十三页，共三十九页1.5 高分子的分子量和分子量分布高分子的分子量和分子量分布 Molecular weight&Molecular weight distribution 除少数几种蛋白质外，无论是天然的还是合成的高分子除少数几种蛋白质外，无论是天然的还是合成的高分子,其分子其分子量都是不均一的，称高分子分子量的多分散性（量都是不均一的，称高分子分子量的多分散性（Polydispersity)。故聚合物的分子量只有统计意义，实验测定的分子
21、量只是具有故聚合物的分子量只有统计意义，实验测定的分子量只是具有统计意义的平均值。统计意义的平均值。测定聚合物分子量的方法有许多，如端基分析、沸点升高、光测定聚合物分子量的方法有许多，如端基分析、沸点升高、光散射、小角散射、小角X射线衍射、粘度法等。它们有各自优缺点和适用射线衍射、粘度法等。它们有各自优缺点和适用的分子量范围，其结果表达的分子量意义和数值也不相同的分子量范围，其结果表达的分子量意义和数值也不相同本讲稿第三十四页，共三十九页1 数均分子量（数均分子量（Number-average molecular weight）按物质的数量统计按物质的数量统计(First moment)2 重
22、数均分子量重数均分子量（weight-average molecular weight）按物质的重量统计按物质的重量统计(Second moment or Second power average)通常由光散射法测定通常由光散射法测定通常由渗透压、蒸汽压、沸点升高等依数法测定。通常由渗透压、蒸汽压、沸点升高等依数法测定。本讲稿第三十五页，共三十九页3Z均分子量均分子量 （Z-average molecular weight）由超速离心（由超速离心（ultracentrifugation)方法测定方法测定(Third moment or Third power average)按按Z量（量（mi
23、Mi）进行统计）进行统计4 粘均分子量粘均分子量（Viscosity-average molecular weight）0.51为为Mark-Houwink 方程中的参数方程中的参数 由稀溶液粘度法测得由稀溶液粘度法测得 本讲稿第三十六页，共三十九页 Mn Mv Mw Mz多分散系数（多分散系数（polydispersity index)D Mw/Mn本讲稿第三十七页，共三十九页1.6 课程学习的内容课程学习的内容组成组成成型成型性质性质结构结构使用使用环境环境合成合成设备设备本讲稿第三十八页，共三十九页2 按主链元素组成按主链元素组成有机高分子有机高分子有机无机高分子有机无机高分子无机高分子无机高分子碳链高分子：主链仅由碳链高分子：主链仅由C元素组成，如元素组成，如Polyolefin，PVC.杂链高分子：主链中除杂链高分子：主链中除C外，外，还含有还含有O、N、S、P、等有机物中、等有机物中 常见元素，如常见元素，如PA、Polyester、Polyether主链中主要含主链中主要含Si、B、Al、Ti等元素，与氧连接，侧基为有机基等元素，与氧连接，侧基为有机基团，团，如聚硅氧烷如聚硅氧烷高分子中无含碳有机基团，高分子中无含碳有机基团，如玻璃，如玻璃，石棉石棉本讲稿第三十九页，共三十九页