高分子化学全册配套精品完整课件.ppt
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1、高分子化学全册配套高分子化学全册配套精品完整课件精品完整课件第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言1.2 聚合物分类及命名聚合物分类及命名1.3 聚合反应聚合反应1.5 聚合物结构聚合物结构1.4 分子量及分子量分布分子量及分子量分布 天天 然然 高高 分分 子子的的 化化 学学 改改 性性天天 然然 高高 分分 子子的的 直直 接利接利 用用高高 分分 子合子合 成成高分子时代高分子时代淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等天然橡胶的硫化天然橡胶的硫化, 硝化纤维的合成硝化纤维的合成等等缩聚反应,自由基、配位、离子聚合等缩聚反应,自由基、配位、离子聚合等1.1.1 高分
2、子科学史高分子科学史1.1 引言引言 Lord ToddThe Nobel Prize in Chemistry 1957 I am inclined to think that thedevelopment of polymerizationis perhaps the biggest thing thatchemistry has done, where it hashad the biggest effect on everyday Life. 把把“高分子高分子”这个概念引进这个概念引进科学领域,并确立了高分子溶液的粘度与分子量科学领域,并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系之间的
3、关系 (1953年诺贝尔奖)。年诺贝尔奖)。 建立缩聚反应理论。建立缩聚反应理论。 乙烯、丙烯配位聚合乙烯、丙烯配位聚合 (1963年诺贝尔奖)年诺贝尔奖) 聚合聚合反应反应原理、高分子物理性质与原理、高分子物理性质与 结构的关系(结构的关系(1974年诺贝尔奖)。年诺贝尔奖)。 对导电聚合物的发现和发展(对导电聚合物的发现和发展(2000年诺贝尔年诺贝尔奖)。奖)。Hermann StaudingerCarothersKarl Ziegler, Giulio Natta Karl Ziegler, Giulio NattaPaul J. FloryHideki Shirakawa, Alan
4、 G. MacDiarmid, Alan J. Heeger高高 分分 子子 科科 学学高高 分分 子子 化化 学学研究聚合反应和高分子化学反应原理,研究聚合反应和高分子化学反应原理,选择原料、确定路线、寻找催化剂、选择原料、确定路线、寻找催化剂、制订合成工艺等。制订合成工艺等。研究聚合物的结构与性能的关系,为设研究聚合物的结构与性能的关系,为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导,计合成预定性能的聚合物提供理论指导,是沟通合成与应用的桥梁。是沟通合成与应用的桥梁。高高 分分 子子 物物 理理高高 分分 子子 加加 工工研究聚合物加工成型的原理与工艺。研究聚合物加工成型的原理与工艺。 高分子科学
5、既是一门应用学科,也是一门基础学高分子科学既是一门应用学科,也是一门基础学科,它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、科,它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。新兴学科。1.1.2 高分子学简介高分子学简介制制 约约 因因 素素解解 决决 途途 径径(1 1)延长使用寿命:减少废弃)延长使用寿命:减少废弃(2 2)回收利用:低性能应用;降解)回收利用:低性能应用;降解(3 3)自然降解:自然分解回归自然)自然降解:自然分解回归自然高分子制品废弃后对环境的污染高分子制品废弃后对环境的污染 通俗说法
6、:塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂化学家: 由许多相同结构单结构单元元通过共价键重复键接而成的化合物1.1.3 高分子的定义和基本概念高分子的定义和基本概念1.1.3.1 定义定义(definition)(definition)CH2CHCln单体,单体,Monomer单体单元单体单元结构单元结构单元重复单元重复单元链节链节1.1.3.2 基本概念基本概念(concept)(concept)聚合度(Degree of Polymerization, DP)分子量分子量(molecular weight)1.2 聚合物分类及命名聚合物分类及命名 (classificationand nomencl
7、ature)使用性能和用途使用性能和用途受热行为受热行为主链主链(main chain)(main chain)结构结构聚合物聚合物命名命名命名命名习惯命名法习惯命名法系统命名法系统命名法单体单体结构特征结构特征商品商品n按反应单体: 均聚、共聚或单烃、双烯烃n反应活性中心:自由基和离子(阳离子、阴离子)n反应分类:线形、开环、环化、转移、异构化聚合n元素组成: 加聚、缩聚n动力学(机理):连锁、逐步 n聚合反应:单体 聚合物1.3 聚合反应聚合反应(polymerization) 聚合反应聚合反应单体和聚合物组成和结构单体和聚合物组成和结构变化变化加聚反应加聚反应缩聚反应缩聚反应聚合机理或动
8、力学聚合机理或动力学连锁聚合连锁聚合逐步聚合逐步聚合Carothers 的分类依据:单体的分类依据:单体与聚合物的结构、组成的变与聚合物的结构、组成的变 化;有无小分子生成等。化;有无小分子生成等。20世纪世纪50年代年代Flory提出提出1.4 分子量及分子量分布分子量及分子量分布(Molecular weight and Molecular weight Distribution) 高分子化合物是一系列分子量大小不一的同系物高分子化合物是一系列分子量大小不一的同系物的混合物的混合物,这种分子量的不均一性这种分子量的不均一性,称为多分散性称为多分散性平均分子量平均分子量(average mo
9、lecular weight) 多分散性多分散性分子量分布(分子量分布(MWD)(Molecular Weight Distribution)分布指数分布指数(HIHI) 分子量分布曲线分子量分布曲线(MWD)(MWD) 1.5 聚合物结构聚合物结构对映体异构对映体异构聚聚合合物物结结构构大分子链结构大分子链结构聚聚集集态态结结构构宏观结构宏观结构微观结构微观结构线型线型支链型支链型体型体型重复单元重复单元序列结构序列结构立体异构立体异构几何异构几何异构构象构象结晶结晶无定型无定型玻璃态玻璃态高弹态高弹态粘流态粘流态n掌握高分子的基本概念:结构单元、重复单元、掌握高分子的基本概念:结构单元、重
10、复单元、单元单体聚合度、分子量、链节等。单元单体聚合度、分子量、链节等。n掌握逐步、连锁,加聚、缩聚的机理、特点。掌握逐步、连锁,加聚、缩聚的机理、特点。n了解聚合物的分类、命名,采用单体的名字了解聚合物的分类、命名,采用单体的名字n了解聚合物分子量的表示式、分子量分布等了解聚合物分子量的表示式、分子量分布等 。n了解聚合物的聚集态了解聚合物的聚集态本章要点本章要点补充习题1、在聚合反应过程中,分子量随转化率变化规律是,、在聚合反应过程中,分子量随转化率变化规律是,随转化率提高,自由基聚合的分子量随转化率提高,自由基聚合的分子量 ,逐步聚合分,逐步聚合分子量子量 ,阴离子聚合的分子量是,阴离子
11、聚合的分子量是 。2、聚合物是、聚合物是 的混合物,其分子量是一平均值,这的混合物,其分子量是一平均值,这种分子量的不均一性称做种分子量的不均一性称做 3、尼龙、尼龙-810是由是由 和和 缩聚而成的,缩聚而成的,“8”代表代表 ;“10”代表代表 。其反应机理是。其反应机理是 。4、何谓分子量的多散性?如何表示聚合物分子量的多、何谓分子量的多散性?如何表示聚合物分子量的多分散性?分散性?谢谢谢谢Hermann Staudinger(18811965)1920年,发表年,发表“论聚合反应论聚合反应”的的论文,提出高分子的概念论文,提出高分子的概念把把“高分高分子子”这个概念引进科学领域,并确这
12、个概念引进科学领域,并确立了高分子溶液的粘度与分子量之立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系间的关系1932年,出版划时代的巨著年,出版划时代的巨著高高分子有机化合物分子有机化合物 1953年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖Wallace Hume Carothers(18961937) 1935年发明尼龙年发明尼龙66主要成果:主要成果:v建立缩聚反应理论建立缩聚反应理论v合成出氯丁二烯及其聚合物合成出氯丁二烯及其聚合物v 以己二酸与己二胺为原料制得以己二酸与己二胺为原料制得尼龙尼龙66 一生中发表过一生中发表过60多篇论文,取多篇论文,取得近得近70项专利项专利Giulio Natta(19
13、031979)Karl Ziegler (18981973)乙烯、丙烯配位聚合乙烯、丙烯配位聚合1963年共同获得年共同获得诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖1974年因对聚合年因对聚合反应反应原理、高原理、高分子物理性质与结构的关系研分子物理性质与结构的关系研究而获诺贝尔奖究而获诺贝尔奖Paul J. Flory(19101985)Shirakawa Hideki(1936)Alan J. Heeger(1936)Alan G. MacDiarmid(1929)2000年因年因对导电聚合物的发现和发对导电聚合物的发现和发展的研究而共同获得诺贝尔奖展的研究而共同获得诺贝尔奖 Lord ToddThe N
14、obel Prize in Chemistry 1957 I am inclined to think that thedevelopment of polymerizationis perhaps the biggest thing thatchemistry has done, where it hashad the biggest effect on everyday Life. Natural Polymers硫化硫化The first true synthetic plastic再生真皮再生真皮(硅橡胶硅橡胶)液晶显示液晶显示裸鼠背上的人工耳朵裸鼠背上的人工耳朵(硅橡胶硅橡胶)pla
15、sticrubber单体(单体(monomer) : 合成聚合物的低分子原料合成聚合物的低分子原料 聚合物聚合物 单体单体 CH2CHClnCH2CHnOCH2CH2OOCOnC-HOCH2CH2OHHOOCCOOH结构单元结构单元(structural unit) :组成大分子链的最基本单元。:组成大分子链的最基本单元。 聚合物聚合物 结构单元结构单元 CH2CHClnCH2CHnOCH2CH2OOCOnC重复单元重复单元(repeating unit) :大分子链上重复出现:大分子链上重复出现 的结构的结构单元,组成高分子的化学组成的最小基本单元单元,组成高分子的化学组成的最小基本单元 。
16、CH2CHClnCH2CHnOCH2CH2OOCOnC- 聚合物聚合物 重复单元重复单元 单体单元单体单元(monomer unit) :与单体相比,除电子结构:与单体相比,除电子结构有有 变化外,原子种类及个数完全相同的结构单元。变化外,原子种类及个数完全相同的结构单元。 聚合物聚合物 单体单元单体单元 CH2CHClnCH2CHnOCH2CH2OOCOnC-? :重复出现的结构单元类似大:重复出现的结构单元类似大分子链中的一个环节,故又俗称链节。分子链中的一个环节,故又俗称链节。链节链节(chain) 聚合物聚合物 链节链节CH2CHClnCH2CHnOCH2CH2OOCOnC- 衡量高分
17、子大小的指标衡量高分子大小的指标 以重复单元数为基准: 以结构单元数为基准: 聚合物是不同聚合度的同系物的混合物 ,聚合度是一统计平均值DPDPnXnXnXDPn聚合度聚合度(degree of polymerization) 聚合物聚合物 聚合度聚合度(n)CH2CHClnCH2CHnOCH2CH2OOCOnC-nXDPn2/nXDPn重复单元的分子量与重复单元数的乘积 M = DP M0或或结构单元分子量与结构单元数的乘积 M = Xn M1 M0:重复单元数的分子量 M1:结构单元数的分子量 DP:重复单元数 Xn :结构单元数聚合物的分子量聚合物的分子量(molecular weigh
18、t)聚合物聚合物塑料塑料橡胶橡胶涂料涂料纤维纤维粘结剂粘结剂1.2.1.1 按使用性能和用途粗分成大类按使用性能和用途粗分成大类热塑性塑料热塑性塑料(thermoplastics) 线型或支链型 可熔可溶如聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、有机玻璃等。热固性塑料热固性塑料(thermoset) 交联结构 不溶不熔如酚醛树脂、脲醛树脂 、环氧树脂等。根据受热行为分根据受热行为分(书(书 表表1-1,1-2)1)碳链碳链(carbon chain)(carbon chain)聚合物聚合物:主链由碳原子组成。 大多数烯类和二烯类的加聚物,如聚氯乙烯,聚丁二烯等 2)杂链杂链( (heterochainhe
19、terochain) )聚合物聚合物: 主链上除C外,有O、N、S等杂原子。 如:聚酯(polyester)、聚醚(polyether)、聚氨酯(polyurethane)、 聚硫橡胶(thio rubber)等缩聚物3)元素有机聚合物元素有机聚合物(半有机高分子)(半有机高分子): 主链上无碳原子,由硅、硼、铝、氧、氮、硫等元素组成, 但侧基为有机基团,如烷基、芳基等。如:有机硅橡胶4)无机高分子)无机高分子:主链和侧基均无碳原子,如硅酸盐。1.2.1.3 按主链按主链(main chain)(main chain)结构分结构分Natural rubber 塑料塑料(plastics) 具有
20、塑性行为的材料具有塑性行为的材料 通用塑料通用塑料:PVC PS PP PMMA 工程塑料工程塑料: 强度高,耐热性好,可以替代金属、木材强度高,耐热性好,可以替代金属、木材等的塑料。等的塑料。 如如尼龙尼龙, PC 橡胶橡胶(rubber)弹性体弹性体通用橡胶:通用橡胶:天然(natural)橡胶、 丁苯(butadiene styrene)橡胶、 顺丁(cis 1.4 polybutadiene)橡胶特种橡胶:特种橡胶:具有特殊性能的橡胶。具有特殊性能的橡胶。 丁腈(butyronitrile)橡胶、硅(silicone)橡胶、 氯丁(chlorobutadiene)橡胶。 纤维纤维(fi
21、ber)天然纤维天然纤维(nature fiber) :棉、毛、丝、麻等人造纤维人造纤维(rayon) :天然高分子经化学加工纺制而成。 如粘胶纤维、醋酸纤维等合成纤维合成纤维(synthetic fiber):合成:合成聚合物纺制而成。 如 涤纶(terylene)、尼龙(nylon)、腈纶(acrylon)、 维纶(vinylon ) 塑料、橡胶、纤维塑料、橡胶、纤维 并无严格的界限如: 聚氯乙烯聚氯乙烯(polyvinyl Cloride):既是通用塑料,又可纺制纤维(氯纶) 聚丙烯聚丙烯(polypropylene):接近工程塑料,也可纺制丙纶纤维 聚酰胺聚酰胺(polyamide):
22、主要纺制纤维,也可作工程塑料助剂助剂 :成膜物质成膜物质:形成漆膜的物质,是决定该膜性质的主要因素。形成漆膜的物质,是决定该膜性质的主要因素。颜料颜料: 不仅能使漆膜呈现颜色和遮盖力,还能增强物理机不仅能使漆膜呈现颜色和遮盖力,还能增强物理机械性能、耐久性能和其他特殊性能,如防锈、耐污等。械性能、耐久性能和其他特殊性能,如防锈、耐污等。溶剂溶剂 :能降低涂料的粘度,以符合施工工艺的要求,能降低涂料的粘度,以符合施工工艺的要求,同时能提高该膜的质量,如光泽、致密性等。同时能提高该膜的质量,如光泽、致密性等。在涂料中的用量虽小,但对涂料的物理机械性在涂料中的用量虽小,但对涂料的物理机械性能、耐久性
23、、施工件都起着明显的作用。能、耐久性、施工件都起着明显的作用。涂料涂料粘结剂粘结剂习惯命名法:习惯命名法:简明易记,但不严格,不能充分反映聚合物的组成及结构特征OCH2CH2nOCH2CH2nCH2CH2O开环HOCH2CH2OHOCH2CH2n脱水ClCH2CHOHOCH2CH2nHClClCH2OCH3OCH2CH2nHCl 习惯上称为聚习惯上称为聚环乙烷,若按结环乙烷,若按结构,它应称为聚构,它应称为聚氧化乙烯氧化乙烯习惯命名法优缺点习惯命名法优缺点1) 参照单体名来命名参照单体名来命名CH2CHClnCH2CHnCH2CHOHn聚假想的单体:聚乙烯醇聚乙烯醇 (polyvinyl al
24、cohol)均聚物:聚均聚物:聚+单体名单体名聚氯乙烯聚氯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯它是聚醋酸乙烯它是聚醋酸乙烯(polyvinyl acetate)的水解产物的水解产物。树脂树脂(resin)未加助剂的聚合物粉料、粒料等, 苯酚 + 甲醛 酚醛树脂酚醛树脂 尿素 + 甲醛 脲醛树脂脲醛树脂 甘油 + 邻苯二甲酸酐 醇酸树脂醇酸树脂橡胶:有共单体简名橡胶:有共单体简名 + “橡胶橡胶”作词尾作词尾 丁二烯 + 苯乙烯丁苯橡胶丁苯橡胶 丁二烯 + 丙烯腈丁腈橡胶丁腈橡胶 乙 烯 + 丙 烯 乙丙橡胶乙丙橡胶共聚物:共聚单体简名共聚物:共聚单体简名 + “树脂树脂”或或“橡胶橡胶”作词尾作词尾 含酰胺键
25、CONH 聚酰胺聚酰胺(polyamide) 含酯键COO 聚酯聚酯(polyester) 含醚键O 聚醚聚醚(polyether) 含 -SO2- 聚砜聚砜(polysulfone)2) 参照聚合物的结构特征命名参照聚合物的结构特征命名3)商品命名法)商品命名法含酰胺键CONH的聚酰胺类,统称尼龙尼龙尼龙-66 已二胺(hexanediamine)和己二酸(adibic acid)的缩聚物,学名聚已二酰已二胺尼龙-610已二胺(hexanediamine)和癸二酸(sebacic acid)的缩聚物,学名聚癸二酸已二胺尼龙-6 已内酰胺(caprolactam)或-氨基已酸的聚合产物,学名:
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