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1、高分子物理学高分子物理学Polymer Physics 高分子物理高分子物理 国家级精品课程教学团队国家级精品课程教学团队上篇上篇 结构与分子运动篇结构与分子运动篇第第1 1章章 绪论绪论 第第2 2章章 高分子的链结构高分子的链结构 第第3 3章章 高分子材料的凝聚态结构高分子材料的凝聚态结构 第第4 4章章 大分子运动及高分子材料的力学状态大分子运动及高分子材料的力学状态 下篇下篇 材料性能与功能篇材料性能与功能篇第第5章章 高分子材料的高弹性和黏弹性高分子材料的高弹性和黏弹性 第第6章章 高分子材料的力学强度及破坏高分子材料的力学强度及破坏 第第7章章 高分子溶液性质及应用高分子溶液性质
2、及应用 第第8章章 高分子液体的流变性高分子液体的流变性 目目 录录Contents第第1章章 绪论绪论知识点知识点1 高分子材料分类和命名高分子材料分类和命名知识点知识点2 高分子材料的主要结构特点高分子材料的主要结构特点知识点知识点3 高分子物理学发展简史高分子物理学发展简史本章主要内容本章主要内容青岛科技大学青岛科技大学第第1章章 绪论绪论 以高分子化合物为基材的一大类材料的总称。以高分子化合物为基材的一大类材料的总称。高分子材料（高分子材料（polymer materials）高分子化合物高分子化合物Macromolecular compound 由一种或几种由一种或几种结构单元结构单
3、元通过通过共价键共价键连接起来的连接起来的分子量很高分子量很高的化的化合物；又称聚合物合物；又称聚合物 polymer或大分子或大分子macromolecule。高分子材料高分子材料由大量聚合物分子在一定环境温度、压力下由大量聚合物分子在一定环境温度、压力下凝聚而成的物质凝聚而成的物质状态，通常为状态，通常为固态或液态固态或液态（高分子材料无气态）。（高分子材料无气态）。高分子物理学是高分子科学最重要的组成部分。高分子物理学是高分子科学最重要的组成部分。高弹性、黏弹性、强度与破坏、流变性、热性能、光电性能高弹性、黏弹性、强度与破坏、流变性、热性能、光电性能核心内容和主要线索核心内容和主要线索研
4、究高分子材料研究高分子材料结构与性能结构与性能的关系。的关系。结构结构性能性能高分子链结构、高分子材料凝聚态结构、溶液态结构高分子链结构、高分子材料凝聚态结构、溶液态结构青岛科技大学青岛科技大学知识点知识点1 高分子材料分类和命名高分子材料分类和命名11 高分子材料的分类高分子材料的分类111 按材料的来源和产生方式分类按材料的来源和产生方式分类天然高分子材料天然高分子材料人工合成高分子材料人工合成高分子材料时间时间材料品种材料品种缩写符号缩写符号生产厂家生产厂家19091927192919301936193619391943195419601982酚醛树脂酚醛树脂聚氯乙烯聚氯乙烯苯乙烯丁二烯
5、无规共聚物苯乙烯丁二烯无规共聚物聚苯乙烯聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯尼龙尼龙66聚乙烯聚乙烯聚二甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺聚酰亚胺聚酰亚胺PFPVCSB copolym.PSPMMAPA-66PEPDMSPETPPTAPEIG.Bakelite Co.（通用酚醛树脂公司）（通用酚醛树脂公司）Goodrich Co.（固特异公司）（固特异公司）Farben Co.（法本公司）（法本公司）Farben/Dow Co.（法本（法本-道公司）道公司）Rohm and Haas Co.（罗本哈斯公司）（罗本哈斯公司
6、）Du Pont Co.（杜邦公司）（杜邦公司）ICI（帝国化学公司）（帝国化学公司）Dow Corning Co.（道（道-康宁公司）康宁公司）ICI（帝国化学公司）（帝国化学公司）Du Pont Co.（杜邦公司）（杜邦公司）GEC（通用电气公司）（通用电气公司）一些人工合成高分子材料的商业化时间一些人工合成高分子材料的商业化时间112 按材料的性能和用途分类按材料的性能和用途分类如导电、磁性、发光、阻尼性能、环保功能等如导电、磁性、发光、阻尼性能、环保功能等塑料塑料橡胶橡胶纤维纤维黏合剂黏合剂涂料涂料功能高分子材料功能高分子材料生物生物-医用高分子材料医用高分子材料113 按大分子主链结
7、构分类按大分子主链结构分类碳链高分子碳链高分子杂链高分子杂链高分子元素有机高分子元素有机高分子无机高分子无机高分子绝大多数烯烃类和二烯烃类聚合物都属于碳链高分子绝大多数烯烃类和二烯烃类聚合物都属于碳链高分子 聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、聚砜、聚硫橡胶等聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、聚砜、聚硫橡胶等 有机硅橡胶有机硅橡胶 聚氯化磷腈（聚二氯氮化磷）聚氯化磷腈（聚二氯氮化磷）12 高分子材料的命名高分子材料的命名单体冠以单体冠以“聚聚”字命名字命名 聚乙烯（聚乙烯（polyethylene，缩写，缩写PE）、聚丙烯（）、聚丙烯（polypropylene，缩写，缩写PP）、）、聚苯乙烯（聚苯乙烯（pol
8、ystyrene，缩写，缩写PS）、聚丁二烯（）、聚丁二烯（polybutadiene，缩写，缩写PB）、聚）、聚甲基丙烯酸甲酯（甲基丙烯酸甲酯（poly(methyl methacrylate)，缩写，缩写PMMA）以材料中共有的特征化学单元名称来命名以材料中共有的特征化学单元名称来命名 环氧环氧树脂（树脂（epoxide resin，缩写，缩写EP）、聚）、聚酰胺酰胺（polyamide，缩写，缩写PA）、）、聚聚酯酯（polyester）、聚）、聚氨氨酯（酯（polyurethane，缩写，缩写PU）以生产该聚合物的原料名称来命名以生产该聚合物的原料名称来命名 酚醛树脂（酚醛树脂（phe
9、nol-formaldehyde resin，缩写，缩写PF），），系统命名法系统命名法 共聚物名称多从其共聚单体的名称中各取一字组成共聚物名称多从其共聚单体的名称中各取一字组成 ABS树脂、丁苯橡胶（树脂、丁苯橡胶（SBR）、乙丙橡胶（）、乙丙橡胶（EPR）商品名称、专利商标名称、习惯名称商品名称、专利商标名称、习惯名称 聚酯纤维涤纶聚酯纤维涤纶聚丙烯腈纤维腈纶聚丙烯腈纤维腈纶尼龙纤维锦纶尼龙纤维锦纶 知识点知识点2 高分子材料的主要结构特点高分子材料的主要结构特点21 巨大的相对分子质量巨大的相对分子质量分子量巨大分子量巨大 UHMwPE 重均分子量超过重均分子量超过100万万分子量的多分
10、散性分子量的多分散性 22 独特的分子几何形状独特的分子几何形状线形分子链（线形分子链（linear chain）支化分子链（支化分子链（branched chain）交联分子链网络（交联分子链网络（crosslinked network）聚乙烯（聚乙烯（PE）大分子是由乙烯单体通过聚合反应首尾重复连接而成的长链：）大分子是由乙烯单体通过聚合反应首尾重复连接而成的长链：CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2一是柔顺性。一是柔顺性。二是长链分子间的相互作用很强。二是长链分子间的相互作用很强。三是长链分子的几何结构各向异性使其物理性质产生各向异性。三是长链分子的几何结构各向异性使其物理性质产生
11、各向异性。白线为其中一条分子链白线为其中一条分子链（a）稀溶液中）稀溶液中 （b）浓溶液或本体中）浓溶液或本体中 （c）受力状态下分子链取向）受力状态下分子链取向柔性长链分子在不同状态下分子链构象示意图柔性长链分子在不同状态下分子链构象示意图长链结构使大分子具有独特的性质长链结构使大分子具有独特的性质23 结构的多分散性和多尺度性结构的多分散性和多尺度性结构多分散性结构多分散性结构单元键接方式（键合顺序）不同结构单元键接方式（键合顺序）不同顺序异构体顺序异构体结构单元立体构型不同结构单元立体构型不同旋光异构体、几何异构体旋光异构体、几何异构体双烯类单体碳原子上键接基团排列方式不同双烯类单体碳原
12、子上键接基团排列方式不同顺反异构体顺反异构体 线性分子链、支化分子链、交联网络线性分子链、支化分子链、交联网络共聚分子共聚分子无规共聚分子无规共聚分子嵌段共聚分子嵌段共聚分子交替共聚分子交替共聚分子接枝共聚分子接枝共聚分子千差万别的分子链构象千差万别的分子链构象结构多尺度性结构多尺度性空间尺度空间尺度时间尺度时间尺度浓度尺度浓度尺度链的近程结构链的近程结构链的远程结构链的远程结构凝聚态结构凝聚态结构均相体系均相体系凝聚态结构凝聚态结构多相体系多相体系织态结构织态结构键长、键角松弛时间键长、键角松弛时间浓溶液、极浓溶液浓溶液、极浓溶液极稀溶液、稀溶液极稀溶液、稀溶液10-7m-10-8m 10-
13、10m 10-6m链段松弛时间链段松弛时间分子整链松弛时间分子整链松弛时间相分离松弛时间相分离松弛时间10-12s101-102sday-year10-710010-4m-知识点知识点3 高分子物理学发展简史高分子物理学发展简史 第第1阶段阶段2020世纪世纪30306060年代年代 第第2阶段阶段2020世纪世纪60608080年代年代第第3阶段阶段2020世纪世纪9090年代至今年代至今高分子物理主要原理和基本概念初步建立高分子物理主要原理和基本概念初步建立Kuhn关于大分子尺寸的研究；关于大分子尺寸的研究；Flory关于良溶剂中单链溶胀理论的研究；关于良溶剂中单链溶胀理论的研究；Hugg
14、ins和和Flory关于溶液热力学的研究；关于溶液热力学的研究；Flory和和Stockmayer关于凝胶化和硫化理论的研究；关于凝胶化和硫化理论的研究；Kuhn、James和和Guth关于橡胶熵弹性理论的研究；关于橡胶熵弹性理论的研究；Rouse和和Zimm关于孤立分子链模型及其黏弹性的研究。关于孤立分子链模型及其黏弹性的研究。研究的焦点从理想分子链发展到真实分子链，从稀溶液研究的焦点从理想分子链发展到真实分子链，从稀溶液发展到亚浓溶液及浓厚体系发展到亚浓溶液及浓厚体系。de Gennes建立的现代稀溶液理论；建立的现代稀溶液理论；Edwards建立的分子链约束管模型；建立的分子链约束管模型
15、；de Gennes建立的链扩散爬行理论；建立的链扩散爬行理论；Doi-Edwards发展的聚合物熔体流变本构理论。发展的聚合物熔体流变本构理论。高分子科学在各个领域取得新成就，呈现一个新发展高峰。高分子科学在各个领域取得新成就，呈现一个新发展高峰。显著特点是高分子科学与其他自然科学交叉显著特点是高分子科学与其他自然科学交叉。高分子凝聚态物理学高分子凝聚态物理学 在高分子物理发展的第三阶段，发现了高分子统计学与在高分子物理发展的第三阶段，发现了高分子统计学与相变一种相互关系。这一发现使高分子科学可以得益于临界相变一种相互关系。这一发现使高分子科学可以得益于临界现象已经积累的大量知识，以及大量相
16、当简单的现象已经积累的大量知识，以及大量相当简单的标度性质标度性质。de Gennes的论述的论述de Gennes发现，高分子链具有自相似结构，许多特性函数可以写成一个系数因发现，高分子链具有自相似结构，许多特性函数可以写成一个系数因子乘以一个标度的形式。其中由单体所决定的化学性质出现在前面的系数因子中，子乘以一个标度的形式。其中由单体所决定的化学性质出现在前面的系数因子中，而由长链所决定的物理性质出现在标度律（而由长链所决定的物理性质出现在标度律（scaling laws，即幂次律）中。，即幂次律）中。如大分子链的均方根末端距如大分子链的均方根末端距:其中系数其中系数b为分子链为分子链Kuhn结构单元的长度，由化学结构决定；而结构单元数目结构单元的长度，由化学结构决定；而结构单元数目N上的幂指数上的幂指数仅由长链性质决定。仅由长链性质决定。不同化学结构的分子链遵循相同的幂律，具有不同化学结构的分子链遵循相同的幂律，具有普适性普适性。