高分子世界PolymerWorld-高分子科学与工程系课件.ppt

1、“高分子概论高分子概论”课程介绍课程介绍目的及要求：目的及要求：介绍高分子学科与材料的概貌，希望对介绍高分子学科与材料的概貌，希望对 高分子学科有初步的了解。高分子学科有初步的了解。学时及学分：学时及学分：40学时，学时，2学分。学分。学时分配：学时分配：上课上课30学时，作业学时，作业10学时学时(写论文）。写论文）。考核成绩：考核成绩：写一篇论文，不少于写一篇论文，不少于3500字，字，6月月14日前交。日前交。课件下载：课件下载：高分子科学与工程系网页高分子科学与工程系网页 “教育培养教育培养”“本科生教育本科生教育”“高分子概论高分子概论”课件课件章章 目目内内 容容授课老师授课老师周

2、次周次月月日日第一章第一章绪论：神奇的高分子世界绪论：神奇的高分子世界 白如科白如科二二223第二章第二章高分子的设计与合成高分子的设计与合成洪春雁洪春雁三三3 2第三章第三章光与高分子材料光与高分子材料邹邹 纲纲四四 9第四章第四章光子学聚合物光子学聚合物张其锦张其锦五五 16第五章第五章高分子导体及半导体高分子导体及半导体张兴元张兴元六六 23第六章第六章聚合物在生物高分子中的分离作用聚合物在生物高分子中的分离作用王延梅王延梅七七30第七章第七章凝聚与溶解凝聚与溶解朱平平朱平平八八 4 6第八章第八章高分子化学与超分子功能材料高分子化学与超分子功能材料刘世勇刘世勇九九13第九章第九章高分子

3、复合材料高分子复合材料刘和文刘和文十十20第十章第十章电离辐射与高分子材料电离辐射与高分子材料葛学武葛学武十一十一27第十一章第十一章环境与高分子材料环境与高分子材料陈昶乐陈昶乐十二十二54第十二章第十二章生物医用高分子生物医用高分子尤业字尤业字十三十三11第十三章第十三章超分子化学与纳米高分子材料超分子化学与纳米高分子材料徐航勋徐航勋十四十四18第十四章第十四章DNA组装与分子机器组装与分子机器梁好均梁好均 十五十五25高分子科学与材料概论课程上课时间表高分子科学与材料概论课程上课时间表高分子科学与材料概论第一章 绪 论神奇的高 分 子 世 界 Magic Polymer World人类从起

4、源以来人类从起源以来就与高分子结下了不解之缘就与高分子结下了不解之缘u 生命体系其根本 都是由高分子组成 u 衣食住行 离不开高分子材料一、高分子基本概念一、高分子基本概念什么是高分子？定义：高分子量的化合物(10000)别称：聚合物 Polymer 高聚物High polymer 大分子Macromolecule 对应：低聚物(10000)Oligomer 或齐聚物，寡聚物。聚合反应聚合反应Polymerization 小分子化合物小分子化合物 聚合物聚合物聚合物聚合物(Polymer):聚乙烯聚乙烯（Polyethylene，PE）单体单体(Monomer):乙烯乙烯（Ethylene）H

5、2CCH2CH2CH2nn结构式：结构式：CH2CHnu 聚合度：聚合度：大分子中的重复单元数或结构单元数，大分子中的重复单元数或结构单元数，n。NH(CH2)6NHCO(CH2)4COnwXnXnMwMu分子量：分子量：数均分子量数均分子量 、重均分子量、重均分子量 。数均聚合度数均聚合度 、重均聚合度重均聚合度 。线型线型 Linear Polymer 支化型支化型 Branched Polymer 交联型交联型 Crosslinked Polymer 星型及树状星型及树状 Star Polymer Dendrimer碳纳米管碳纳米管石石 墨墨石墨烯石墨烯单壁碳纳米管单壁碳纳米管多壁碳纳米

6、管多壁碳纳米管金刚石金刚石二、高分子科学与材料二、高分子科学与材料高分子学科高分子学科 高分子化学高分子化学（Polymer chemistry)合成机理、结构设计、控制方法。高分子物理高分子物理（Polymer physics)物理性质、结构与性能的关系。高分子工艺学高分子工艺学（Polymer technology）合成工艺、加工工艺。后起之秀，生气勃勃后起之秀，生气勃勃l石器时代(Stone age)l新石器时代(Neolithic age)l青铜时代(Bronze age)l铁器时代(Iron age)l高分子时代高分子时代(Polymer age)高分子材料高分子材料 6060陶瓷陶

7、瓷1010金属金属3030三分天下有其一三分天下有其一 信息信息能源能源左右逢源左右逢源化化 学学天然高分子材料 (Natural polymer)纤维素(Cellulose)、淀粉(Starch)、天然橡胶(Natural rubber)等。人造高分子材料 (Artificial polymer)硝化纤维素（塑料、电影胶片、炸药）、粘胶纤维等。合成高分子材料 (Synthetic polymer)有机玻璃、涤纶、尼龙等。从来源从来源 塑料塑料 (Plastics)橡胶橡胶 (Rubber)纤维纤维 (Fiber)涂料涂料 (Coating)粘合剂粘合剂 (Adhesive)从用途有机高分子

8、(Organic Polymer)主链以碳氢为主，如聚乙烯、聚丙烯等。主链以碳氢为主，如聚乙烯、聚丙烯等。无机高分子 (Inorganic Polymer)主链由杂原子构成主链由杂原子构成,如如SiO2等。等。复合高分子材料 (Polymer Composite)聚合物与无机材料复合，如玻璃钢，轮胎。聚合物与无机材料复合，如玻璃钢，轮胎。生物高分子 (Biopolymer)具有生物功能,如蛋白质(Protein)、核酸(Nucleic acid)等。从组成及功能 质轻：常用塑料的密度为1g/cm3，是钢铁的1/10。耐温范围宽：硅橡胶(80)聚苯并咪唑（600)碳纤维（4000）性能优异：高强

9、度（Kevlar，比强度为钢的8倍）高模量 高弹性（伸长率1000）透明性好 抗腐蚀好 光、电、磁等功能 种类多：满足不同的需求。易加工：节能、低成本。Angew.Chem.Int.Ed.,2013，52，9422-9441.PU 或或 PVC三、发展历程三、发展历程天然高分子利用天然高分子利用 7000多年前，天然油漆 我国已使用天然油漆涂饰船只。中国漆(大漆)1839年，天然橡胶硫化 美国人古德伊尔（Charlers Goodyear）。1869年，第一种人工塑料 赛璐珞（Celluloid，硝化纤维素）美国 人海厄特（Jhon Wesley Hyatt）。1887年，第一种人造丝 硝化纤

10、维素，Count Hilaire de Chardonnet.合成高分子问世 1909年，第一种合成塑料 酚醛树脂，美国人酚醛树脂，美国人 贝克兰德贝克兰德（Leo Baekeland）。大分子概念提出 1920年，提出聚合反应生成高分子。施陶丁格施陶丁格（Hermann Staudinger）。奠定基础 193040年代，聚合方法及理论发展。卡罗瑟斯卡罗瑟斯（Carothers），美国人。弗洛里弗洛里（Paul Flory），美国人。大发展 1950年代，配位聚合（Coordination Polymerization)齐格勒齐格勒（Karl Ziegler），），德国人。德国人。纳塔纳塔（

11、Giulio Natta），），意大利人。意大利人。196070年代，高性能化，特种高分子合成 高强度、高模量、耐高温等。高强度、高模量、耐高温等。功能、复合高分子材料 198090年代，功能高分子：功能高分子：导体和半导体高分子、磁性高分子、光敏高分子、光导高分子、生物医用高分子、液晶高分子、高分子催化剂等等。高分子合金：高分子合金：不同的高分子混合。复合高分子材料：复合高分子材料：与玻璃纤维、碳纤维等复合，如玻璃钢等。四、辉煌的成就四、辉煌的成就u 起步晚：起步晚：2020世纪初世纪初u 发展迅猛发展迅猛 成就卓著成就卓著 举世瞩目举世瞩目塑料塑料 2亿吨（2003年）纤维纤维 3790万

12、吨（天然天然 2410万吨）橡胶橡胶 1136万吨（天然天然 775万吨）l 塑料增产迅猛，过去40年，美国增长100倍。l 全世界塑料产量上世纪90年代初超过钢铁超过钢铁(体积体积)。国家国家 产量产量（千万吨）（千万吨）消量消量（千万吨）（千万吨）美国 48 51中国 18 40德国 16 12日本 14 10 韩国 10 05 高分子材料无处不在,以塑代木、以塑代金属。尖端技术:航天飞行器，卫星、火箭等用材。工业：电子元器件、电缆、信息记录储存传输等。农业：地膜、大棚、滴灌设备、高吸水树脂（10001000倍倍）等。衣：服装、防弹衣、消防服等。食：包装、不粘锅等。住：装饰、门窗、家电、家

13、具等。行：飞机、汽车、自行车等交通工具用材。医：接触眼镜、一次性医疗用具、人工脏器等。塑料塑料 Plastics通用塑料：通用塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。工程塑料：工程塑料：尼龙、聚甲醛、聚酯、聚碳酸酯等。特种塑料：特种塑料：聚四氟乙烯、Kevlar等。塑料塑料 Plastics 热塑性塑料热塑性塑料(Thermoplastics)聚乙烯聚乙烯,Polyethylene：产量最大，结构最简单。产量最大，结构最简单。聚丙烯聚丙烯,Polypropylene：最轻的塑料。最轻的塑料。聚氯乙烯聚氯乙烯，Polyvinyl chloride：全能的塑料，价格低廉。全能的塑料，价格低廉。

14、聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯，Poly(methyl methacylate)：最透明的最透明的 塑料，不会碎的玻璃。塑料，不会碎的玻璃。塑料塑料 Plastics 热固性塑料(Thermosetts)环氧树脂环氧树脂 (Epoxy resins)：复合材料，粘合剂等。复合材料，粘合剂等。酚醛树脂酚醛树脂(Phenolic resins)：电器绝缘材料等。电器绝缘材料等。聚酯树脂聚酯树脂(Polyester resins)：玻璃钢等。玻璃钢等。家庭中的聚乙烯制品家庭中的聚乙烯制品 聚丙烯制品聚丙烯制品 含氟聚合物含氟聚合物ABS树脂树脂纤纤 维维 Fibers天然纤维：棉、麻、丝人造纤维：

15、粘胶纤维(Viscose fiber)：醋酸纤维 (Acetate fiber)硝酸纤维 合成纤维：尼龙（Nylon）：结实耐磨 涤纶（Polyester fiber）:最挺括纤维 腈纶：最耐晒的纤维 氯纶：保暖性最好的纤维 丙纶：最轻的纤维特种纤维：碳纤维航天飞机降落伞航天飞机降落伞碳纤维复合材料碳纤维复合材料Kevlar纤维纤维大飞机制造大飞机制造法拉利法拉利F1F1车队车队赛车底盘由碳纤维和铝合金制成赛车底盘由碳纤维和铝合金制成天然橡胶天然橡胶(Natural rubber)：综合性能最好，生产受地域限制。合成橡胶合成橡胶(Synthetic rubber)丁苯橡胶：产量最大（占80）。

16、氯丁橡胶：用途广泛，价廉物美。丁腈橡胶：耐油性好。乙丙橡胶：比重最轻。顺丁橡胶：弹性最好。丁基橡胶：气密性最好。硅橡胶：低温性能最好。氟橡胶：全能橡胶，在最恶劣条件下使用。橡橡 胶胶 Rubber橡胶园橡胶园轮胎轮胎高弹性高弹性熵弹性熵弹性建立了理论体系和实验方法建立了理论体系和实验方法 高分子化学 高分子物理 高分子工艺学 涉及多个领域涉及多个领域 生物、材料、信息、医学、能源等。诺贝尔奖诺贝尔奖 高分子领域有数位科学家获奖。1953 施陶丁格施陶丁格(Hermann Staudinger)1963 齐格勒齐格勒(Karl Ziegler)和和纳塔纳塔(Giulio Natta)1974 弗

17、洛里弗洛里(Paul J.Flory)1991:德让纳德让纳(Pierre-Gilles de Gennes)2000:黑格黑格(Alan J.Hegger)、马克迪尔米德马克迪尔米德(Alan G.MacDiarmid)和和白川英树白川英树(Hideki Shirakawa)高分子科学高分子科学NobelNobel奖获得者奖获得者 突破有机化学的传统观念，首先提出了高分子的概念，以大量先驱性工作为高 分子化学奠基开创了高分子 学科。“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”H.Staudinger(德德)195

18、3年化学奖年化学奖 高分子科学高分子科学NobelNobel奖获得者奖获得者 K.Ziegler(德德)、G.Natta(意意)1963 化学奖化学奖 1953年，年，Ziegler：Ziegler催化剂，低压聚乙烯合成方法；催化剂，低压聚乙烯合成方法；1954年，年，Natta：改进改进Ziegler催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。Karl Ziegler Giulio Natta“for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers”Isot

19、actic polymer（全同立构聚合物）（全同立构聚合物）Syndiotactic polymer（间同立构聚合物）（间同立构聚合物）Stereoregular Polymers高分子科学高分子科学NobelNobel奖获得者奖获得者P.J.Flory（美（美)1974 化学奖化学奖 l利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高分子分子量分布，即最可几分布，并利用动力学分子分子量分布，即最可几分布，并利用动力学实验证实了等活性假设；实验证实了等活性假设；l引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性分子，产生

20、了凝胶理论；分子，产生了凝胶理论；lFlory-Huggins格子理论；格子理论；l1948年作出了最重要的贡献，即提出年作出了最重要的贡献，即提出“排除体积排除体积”理论和理论和温度概念；温度概念；l他的著作他的著作“Principles of polymer chemistry”（1953）是高分子学科中的）是高分子学科中的Bible。“For his fundamental achievements,both theoretical and experimental,in the physical chemistry of the macromolecules”Paul J.Flory高

21、分子科学高分子科学NobelNobel奖获得者奖获得者De Gennes（法（法)1991 物理奖物理奖 l 对液晶和高分子物质有序现象提出了对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论标度理论l 从临界现象认识分子，在从临界现象认识分子，在物理物理-化学化学之间架设了桥梁之间架设了桥梁l 提出提出“软物质软物质”概念概念“for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter,in

22、 particular to liquid crystals and polymers”De Gennes高分子科学高分子科学NobelNobel奖获得者奖获得者Heeger、MacDiarmid(美美)、白川英树白川英树(日日)2000 化学奖化学奖l导电高分子研究，聚乙炔掺杂后，电导率从导电高分子研究，聚乙炔掺杂后，电导率从 3.2x103.2x10-6-6-1-1cmcm-1-1增加到增加到3838-1-1cmcm-1-1，提高了提高了10001000万倍万倍（接（接近铝、铜）近铝、铜）l提出孤子概念提出孤子概念Alan J.Heeger1936Alan G.MacDiarmid b.1

23、936b.1927Hideki Shirakawa l 白川英树白川英树（Shirakawa）从事聚乙炔聚合机理研究从事聚乙炔聚合机理研究 韩国研修生出现幸运的失误，使白川得到膜状聚乙炔韩国研修生出现幸运的失误，使白川得到膜状聚乙炔 偶然的机遇，偶然的机遇，麦克迪尔米德麦克迪尔米德（MacDiarmid）首先注意首先注意 到白川的聚乙炔膜。到白川的聚乙炔膜。l 三人在美国合作研究。三人在美国合作研究。l 黑格黑格（Heeger）为了说明聚乙炔的导电性，提出孤子的为了说明聚乙炔的导电性，提出孤子的 概念，才有了概念，才有了薄膜显示材料的诞生薄膜显示材料的诞生。高分子科学高分子科学NobelNob

24、el奖获得者奖获得者“For the discovery and development of conductive polymers”五、发展前景五、发展前景可持续发展可持续发展 高分子材料再利用高分子材料再利用 天然高分子的利用天然高分子的利用发展新的高分子合成方法发展新的高分子合成方法功能、智能高分子功能、智能高分子超分子高分子及纳米结构超分子高分子及纳米结构软物质软物质与与 软物理软物理 可持续发展可持续发展高分子材料再利用高分子材料再利用聚合物的再利用 例如,聚烯烃柴油 轮胎沥青 可降解聚合物的循环利用 例如，涤纶、有机玻璃降解为单体。利用天然高分子生产塑料利用天然高分子生产塑料 淀

25、粉生成塑料。乳酸生产聚乳酸。纤维素、甲壳素的利用纤维素、甲壳素的利用 功能化，可加工化。天然高分子生物质能源天然高分子生物质能源 气化、液化作为生物质油；利用玉米生成乙醇汽油燃料等。利用生物方法利用生物方法 如，通过微生物或酶催化合成聚合物。合成具有生物功能的高分子合成具有生物功能的高分子 如多糖，蛋白质，核糖核酸等。人工仿生方法人工仿生方法 在环境友好条件下生成 聚合物。精确控制组成与结构，如多肽等 电致发光高分子 聚合物发光二极管（Polymer light emitting diodes,PLED)可折叠彩色显示屏。PLEDs can be used to provide light o

26、f almost any visible hue and beyond智能高分子（对环境有相应特性）高分子凝胶 人工肌肉 形状记忆高分子 免熨衬衣、高分子绷带。隐身高分子医用高分子：靶向药物、药物缓释 生物活性高分子 生物组织工程，人造器官等。光能转换高分子 聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池:光电转换率再刷新达到光电转换率再刷新达到10.6%10.6%（硅：硅：17-20%17-20%）20102010年光电转换率最高可达年光电转换率最高可达100%100%新型太阳能电池研发成功新型太阳能电池研发成功(98%(98%聚合物，聚合物，2%2%硅）硅）超分子化学（超分子化学（Supramolecu

27、lar Chemistry)利用非共价键(氢键、离子建、配位键)构建高分子材料。高分子自组装高分子自组装(Polymer Self-assembly)聚合物空心球（Hollow polymer sphere)聚合物管（Polymer tube)分子导线（Molecular wire)等。分子器件（Molecular device)纳米结构纳米结构(Nano Structure)超疏水材料（荷叶的疏水原理）荷叶托珠模拟壁虎腿模拟壁虎腿 (Gecko feet)Dry adhesive based on Van Der Waals interaction ab40gA spider-man toyS E M o f m i c ro f a b r i c a t e d polyimide pillars(diameter 0.5m,height 2m,separation between pillars 1.6m)敢上九天揽月，敢上九天揽月，敢下五洋捉鳖。敢下五洋捉鳖。海阔凭鱼跃，海阔凭鱼跃，天高任鸟飞。天高任鸟飞。Thank youfor your attention