高分子化学导论第1章命名及结构分子量特征课件.ppt
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- 高分子 化学 导论 命名 结构 分子量 特征 课件
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1、高分子化学高分子化学Polymer Chemistry绪 论Polymer Chemistryu 生命体系生命体系 由由高分子高分子组成组成 u 衣食住行衣食住行 离不开离不开高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料 6060陶瓷陶瓷1010金属金属3030三分天下有其一三分天下有其一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 举世瞩目举世瞩目原因:结构原因:结构 性质性质 用途用途合成高分子结构具有几乎无穷变化的合成高分子结构具有几乎无穷变化的可能性,可能性,赋予材料性能的潜力远胜于赋予材料性能的潜力远胜于其它物质。其它物质。:研究高分子化合物的:研究高分
2、子化合物的合成合成和和反应反应:研究高分子的:研究高分子的结构结构与与性能性能间的关系间的关系:研究高分子的研究高分子的性能性能与与应用应用间的关系间的关系 聚合聚合反应反应(聚合物合成)(聚合物合成)(polymerization)聚合物的聚合物的反应反应:(polymer reaction)反应机理反应机理反应动力学反应动力学反应的影响因素反应的影响因素 反应的实施方法反应的实施方法Polymer Chemistry1.1 高分子的基本概念高分子的基本概念高(大)分子高(大)分子高分子化合物高分子化合物聚合物聚合物高聚物高聚物由由结构单元结构单元以以共价键形式连共价键形式连结结而成的大分子
3、量而成的大分子量同系物的同系物的混合物混合物。Polymer Chemistryp 由由一种一种结构单元组成的高分子结构单元组成的高分子p 由由两种两种结构单元组成的高分子结构单元组成的高分子p 由由无规排列无规排列的结构单元组成的高分子的结构单元组成的高分子高分子是由高分子是由结构单元结构单元以以共价键形式连结共价键形式连结而成的而成的Polymer Chemistry一个大分子往往是由许多相同的、简单的一个大分子往往是由许多相同的、简单的结构单结构单元元通过共价键通过共价键重复重复连接而成。连接而成。例如:聚苯乙烯例如:聚苯乙烯CH2 CHCH2-CH-CH2-CH-CH2-CHn缩写成缩
4、写成1.由一种结构单元组成的高分子由一种结构单元组成的高分子单体单体(Monomer):合成聚合物的:合成聚合物的起始原料起始原料结构单元结构单元(Structure unit):在大分子链中出):在大分子链中出现的现的以单体结构为基础以单体结构为基础的原子团的原子团Polymer Chemistry结构单元单体单元重复单元链节结构单元单体单元重复单元链节聚合度聚合度(Degree of polymerization)衡量高分子大小的一个指标。有两种表示法:衡量高分子大小的一个指标。有两种表示法:u 以大分子链中的以大分子链中的结构单元数目结构单元数目表示,记作表示,记作u 以大分子链中的以大
5、分子链中的重复单元数目重复单元数目表示,记作表示,记作重复单元数重复单元数=链节数链节数=聚合度聚合度Polymer Chemistry由聚合度可计算出高分子的分子量:由聚合度可计算出高分子的分子量:在这里,两种聚合度相等,都等于在这里,两种聚合度相等,都等于 nM0 是结是结构单元的构单元的分子量分子量Polymer Chemistry2.由两种结构单元组成的高分子由两种结构单元组成的高分子此时此时 ,两种结构单元构成一个重复单元两种结构单元构成一个重复单元nnPolymer Chemistry单体在形成高分子的过程中要失掉一些原子单体在形成高分子的过程中要失掉一些原子结构单元结构单元 重复
6、单元重复单元 单体单元单体单元重复单元重复单元链节链节M0 是两种结构单是两种结构单元的平均分子量元的平均分子量nnPolymer Chemistry例题例题1:尼龙尼龙-66和涤纶的分子量分别为和涤纶的分子量分别为22600和和9600,分别计算两种聚合物结构单元的平均分子,分别计算两种聚合物结构单元的平均分子量和聚合度。量和聚合度。解:解:分别写出两种聚合物的重复单元:分别写出两种聚合物的重复单元:HN(CH2)6HNHCO(CH2)4CO OHn尼龙尼龙-66:涤纶:涤纶:M0=(112+114)/2=113Xn=Mn/M0=22600/113=200M0=(132+60)/2=96Xn
7、=Mn/M0=9600/96=100不考虑大分不考虑大分子的端基子的端基Polymer Chemistry3.由无规排列的结构单元组成的高分子由无规排列的结构单元组成的高分子由一种单体聚合而成的高分子称为由一种单体聚合而成的高分子称为均聚物均聚物,由两种由两种或两种以上的单体或两种以上的单体加聚加聚而成的高分子则称为而成的高分子则称为共聚物共聚物例如:丁苯橡胶例如:丁苯橡胶-(CH2-CH=CH-CH2-)-(-CH2-CH-)-xynx,y为任意值,结构单元的排列是任意的:为任意值,结构单元的排列是任意的:M1M2M1M1M2M1M2M2M2 在这种情况下,无法确定它的重复单元,仅在这种情况
8、下,无法确定它的重复单元,仅 结构单元单体单元结构单元单体单元Polymer Chemistry1.2 高分子化合物的基本特点高分子化合物的基本特点1.分子量大分子量大p分子量大是高分子的分子量大是高分子的根本性质根本性质p高分子的许多特殊性质都与分子量大有关,高分子的许多特殊性质都与分子量大有关,如:如:高分子的溶液性质。高分子的溶液性质。难溶,甚至不溶,溶解过程往往要经过溶胀阶段难溶,甚至不溶,溶解过程往往要经过溶胀阶段溶液粘度比同浓度的小分子高得多溶液粘度比同浓度的小分子高得多分子之间的作用力大分子之间的作用力大,只有液态和固态只有液态和固态,不能汽化不能汽化固体聚合物具有一定的力学强度
9、固体聚合物具有一定的力学强度,可抽丝、能制膜可抽丝、能制膜Polymer Chemistry并无明确界限,一般地并无明确界限,一般地 分子量多大才算是高分子?分子量多大才算是高分子?一般高分子的分子量在一般高分子的分子量在 104 106 范围范围超高分子量的聚合物的分子量高达超高分子量的聚合物的分子量高达106 以上以上Polymer Chemistry 高分子的强度与分子量密切相关高分子的强度与分子量密切相关AC强度强度聚合度聚合度BA 点是初具强度的最低聚合度,点是初具强度的最低聚合度,A点以上强度随分子点以上强度随分子量量迅速增迅速增加加B 点是临界点,强度增加逐点是临界点,强度增加逐
10、 渐渐减慢减慢C 点以后强度不再明显增加点以后强度不再明显增加 不同高分子初具强度的聚合度不同高分子初具强度的聚合度和临界点的聚合度不同和临界点的聚合度不同 A B尼龙尼龙 40 150纤维素纤维素 60 250乙烯基聚合物乙烯基聚合物 100 400Polymer Chemistry 高分子的加工性能与分子量密切相关高分子的加工性能与分子量密切相关 分子量过大分子量过大,聚合物熔体粘度过高聚合物熔体粘度过高,难以成型加工难以成型加工 分子量过小,机械强度小分子量过小,机械强度小 综合考虑综合考虑机械性能和成型加工性能机械性能和成型加工性能确定分子量确定分子量常用聚合物的分子量(万)常用聚合物
11、的分子量(万)塑料塑料 分子量分子量 纤维纤维 分子量分子量 橡胶橡胶 分子量分子量聚乙烯聚乙烯 630 涤纶涤纶 1.82.3 天然橡胶天然橡胶 2040聚氯乙烯聚氯乙烯 515 尼龙尼龙-66 1.21.8 丁苯橡胶丁苯橡胶 1520聚苯乙烯聚苯乙烯 1030 维呢纶维呢纶 67.5 顺丁烯胶顺丁烯胶 2530Polymer Chemistry2.分子量具有多分散性分子量具有多分散性(Polydispersity)定义定义 高分子不是由单一分子量的化合物所组成。即使是高分子不是由单一分子量的化合物所组成。即使是一种一种“纯粹纯粹”的高分子,也是由化学组成相同、的高分子,也是由化学组成相同、
12、分子量不等、结构不同的同系聚合物的混合物所分子量不等、结构不同的同系聚合物的混合物所组成。组成。高分子的分子量不均一高分子的分子量不均一(即分子量大小不一、即分子量大小不一、参差不齐)的特性称为分子量的多分散性参差不齐)的特性称为分子量的多分散性一般测得的高分子的分子量都是平均分子量一般测得的高分子的分子量都是平均分子量聚合物的平均分子量相同,但分散性不一定相同聚合物的平均分子量相同,但分散性不一定相同 Polymer Chemistry(1)数均分子量)数均分子量(Number-average molecular weight)按聚合物中含有的分子数目统计平均的分子量按聚合物中含有的分子数目
13、统计平均的分子量高分子样品中所有分子的总重量除以其分子高分子样品中所有分子的总重量除以其分子(摩尔摩尔)总总数数 iiiiiiiiinMN)MW(WNMNNWM 平均分子量的表示方法平均分子量的表示方法Wi,Ni,Mi,Ni分别为分别为i-聚体的重量、分子数、分聚体的重量、分子数、分子量,子量,摩尔分数,摩尔分数,i =1测定方法:测定方法:依数性方法依数性方法(冰点降低冰点降低法法、沸点升高法、沸点升高法、渗透压法、蒸汽压法渗透压法、蒸汽压法)、端基滴定法端基滴定法Polymer Chemistry(2)重均分子量)重均分子量(Weight-average molecular weight)
14、是按照聚合物的重量进行统计平均的分子量是按照聚合物的重量进行统计平均的分子量i-聚体的分子量乘以其重量分数的加和聚体的分子量乘以其重量分数的加和 Wi,Wi 分别为分别为i-聚体的重量和重量分率,聚体的重量和重量分率,i =1-测定方法:测定方法:光散射法光散射法iiiiiiiiiwMWMNMNWWM2MPolymer Chemistry 对于一定的聚合物溶剂体系,其对于一定的聚合物溶剂体系,其特性粘数特性粘数和和分子量的关系如下:分子量的关系如下:一般,一般,值在值在0.50.9之间,故之间,故 MKK,是与聚合物、溶剂有关的常数是与聚合物、溶剂有关的常数1iiii1iiivMNMNWMWM
15、1wvMM(3)粘均分子量)粘均分子量(Viscosity-average molecular weight)Polymer Chemistry设聚合物样品中各含有设聚合物样品中各含有1mol的的104和和105分子分子量的组分,求三种平均分子量量的组分,求三种平均分子量9053010110110101918201011011011015500011101101.801548.151.8454252454nvWMMM设设=0.8iiinMNNWMiiiiiwMWWMWM11iiiivMNMNM例题例题2:Polymer Chemistryn n 低分子量部分对低分子量部分对 影响较大影响较大n
16、 高分子量部分对高分子量部分对 影响较大影响较大n 一般用一般用 来表征聚合物更恰当,因为来表征聚合物更恰当,因为聚合物的性能如强度、熔体粘度更多地依赖聚合物的性能如强度、熔体粘度更多地依赖于样品中较大的分子。于样品中较大的分子。说明Polymer Chemistry 分子量多分散性的表示方法分子量多分散性的表示方法单独一种平均分子量不足以表征聚合物的性能,还需单独一种平均分子量不足以表征聚合物的性能,还需要了解分子量多分散性的程度要了解分子量多分散性的程度 以以分子量分布指分子量分布指数数表示表示即重均分子量与数均分子量的比值,即重均分子量与数均分子量的比值,Mw/Mn (DI)Mw/Mn
17、分子量分布情况分子量分布情况 1 均一分布均一分布 接近接近 1 (2)分布较宽分布较宽 Polymer Chemistry 以以分子量分布曲线分子量分布曲线表示表示将高分子样品分成不同分子量的级分,这一实将高分子样品分成不同分子量的级分,这一实验操作称为验操作称为分级。分级。以被分离的各级分的重量分以被分离的各级分的重量分率对平均分子量作图,得到率对平均分子量作图,得到分子量重量分率分分子量重量分率分布曲线布曲线。可通过曲线形状,直观判断分子量分。可通过曲线形状,直观判断分子量分布的宽窄布的宽窄常用凝胶渗透色谱仪常用凝胶渗透色谱仪(Gel Permeation Chromatography,
18、GPC)测定。)测定。Polymer Chemistry 分子量分布是影响聚合物性能的因素之一。分子量分布是影响聚合物性能的因素之一。分子量过高部分使聚合物的强度增加,但加工成分子量过高部分使聚合物的强度增加,但加工成型时塑化困难;型时塑化困难;低分子量部分使聚合物强度降低,但易于加工。低分子量部分使聚合物强度降低,但易于加工。不同用途的聚合物应有其合适的分子量分布不同用途的聚合物应有其合适的分子量分布:合成纤维:分子量分布宜窄合成纤维:分子量分布宜窄塑料、橡胶:分子量分布可宽塑料、橡胶:分子量分布可宽说明Polymer Chemistry组成高分子的原子数目虽然成千上万,但所涉及的组成高分子
19、的原子数目虽然成千上万,但所涉及的元素种类却十分有限,以元素种类却十分有限,以C、H、O、N四种非金属四种非金属元素最为普遍,元素最为普遍,S、Cl、F、Si 也存在于一些高分也存在于一些高分子中。子中。高分子的主链由结构单元以共价键形式高分子的主链由结构单元以共价键形式重复重复连接。连接。3.组成简单、结构有规律组成简单、结构有规律Polymer Chemistry绝大多数聚合物呈长链线型,因此有绝大多数聚合物呈长链线型,因此有“分子链分子链”之称。之称。4.分子形态呈多样性分子形态呈多样性 体形体形线形线形支链形支链形Polymer Chemistry 线形高分子线形高分子长链可能比较伸展
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