高分子化学 chap1绪论课件.ppt

1、南京大学化学化工学院高分子科学与工程系王昭群制作，请勿外传长径比：103 105CH2CHCH2CH3CHCH2CHCH3CH3CH2CHCH3Polyamideimide/聚酰胺酰亚胺的立体示意图王昭群制作，请勿外传高分子/Polymer单体/Monomer王昭群制作，请勿外传王昭群制作，请勿外传成型、加工成型、加工聚合物聚合物结结 构构性性 能能改性改性高分子高分子化学反应化学反应应应 用用天然高分子天然高分子分子运动分子运动小分子小分子王昭群制作，请勿外传 人类发展的历史证明，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变

2、化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步 王昭群制作，请勿外传 数百万年前数十万年前 数千年前数千年前王昭群制作，请勿外传（20世纪下半叶）（200年不到）在人类历史上，几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献。在二十世纪初，可靠的聚合方法的发现，加上有关高分子理论，物理和工程的巨大进展，导致并推动了一场材料革命，这场材料革命至今仍在继续地进行着。O.Vogl,G.D.Jaycox,“Trends in Polymer Scinece”王昭群制作，请勿外传服装、面料服装、面料玩具、生活用品玩具、生活用品电气产品外壳、绝缘电气产品外壳、绝缘体体包装、装饰材料包装、装饰材料

3、涂料、粘合剂涂料、粘合剂隐形眼镜隐形眼镜 王昭群制作，请勿外传 一般在塑料瓶的底部有一个由三个箭头组成的三角形，当中有一个3-7的数字，箭头表示可回收利用1 PET：适用于矿泉水、碳酸饮料：适用于矿泉水、碳酸饮料（不耐油，（不耐油，70C以上易变形，有害物易溶出）以上易变形，有害物易溶出）2 HDPE：可装洗发、沐浴等清洗类：可装洗发、沐浴等清洗类3 PVC4 LDPE：常用于一般塑料制品如雨衣、建材、塑：常用于一般塑料制品如雨衣、建材、塑料膜、塑料盒等，不宜用于食品包装料膜、塑料盒等，不宜用于食品包装5 PP：可用于微波炉：可用于微波炉6 PS：不宜用于强酸碱，温度高时释放有害物：不宜用于强

4、酸碱，温度高时释放有害物7 other：聚乙烯（聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（）、聚氯乙烯（PVC）聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（）、聚丙烯（PP）王昭群制作，请勿外传价廉轻便强度高易于加工成型性能易于控制使用安全废弃物易于处理 食品的生产和储存健康、医疗建筑能源开发和利用娱乐、体育军事、航空、航天 在一定程度上，的强度已经超过了钢铁王昭群制作，请勿外传王昭群制作，请勿外传 每年全球生产超过2亿吨聚合物材料以满足全世界的60亿人的使用需要。在这一生产过程中，只消耗了全球原油年产量的。比较而言，全球每年采伐的木材量所等效的石油消耗却要比聚合物大一个数量级。与全球每年产生的约500亿吨生物物质相

5、比，聚合物的产量是如此的微不足道。然而，聚合物材料的使用却对全球经济产生了巨大的影响，它对美国GDP的贡献达到4%。当全世界人口比现在翻一番时，聚合物的生产规模可能是现在的三倍甚至四倍。王昭群制作，请勿外传木材棉麻丝毛漆橡胶皮革各种树脂 各种天然的高分子材料皮革的鞣制棉麻的丝光处理 改性创建前(不知道其化学组成和结构)()王昭群制作，请勿外传v 合成树脂：德国开发出酚醛树脂（1907年）作为绝缘材料：俗称电木醋酸纤维和塑料、醇酸树脂、聚乙烯醇 v 学科创建：本阶段的末期，高分子科学作为一个独立的学科初步建成v 天然高分子的改性：橡胶的硫化（1839年），使天然橡胶实用化 硝基纤维素发明推动塑料

6、工业的发展（1868年）POH+HNO3 PONO2+H2O 火药(N%:13%)赛璐珞塑料(11%)涂料(12%)胶片(12%)第一阶段第一阶段 (19(19世纪世纪3030年代年代-1930-1930年年)王昭群制作，请勿外传v 高分子和聚合的概念得到普遍的接受第二阶段第二阶段 （1930-19601930-1960年）年）1936年，以纤维素乙酰化前后分子量变化极小的实验事实再次证实“链式大分子”观点的正确性，终于得到化学界普遍认可H.Staudinger(1881-1965)Germany1926年，依据测定聚茚氢化前后分子量变化极小的实验事实，提出了“链式大分子”概念（茚：一种烃类液

7、体 indene C9H8，很易聚合）高分子的链式结构Nobel Prize,1953Staudinger十年间两次提出1920年，发表了他划时代意义的文献论聚合,提出了大分子是由大量的小分子聚合起来的概念最终被确立王昭群制作，请勿外传塑料和工程塑料：尼龙-66的工业化生产（1938年）有机玻璃（合成聚甲基丙烯酸甲酯）聚苯乙烯的工业化 环氧树脂 ABS树脂合成橡胶：丁二烯及其共聚类(如聚丁二烯、丁氰、丁苯、丁基等)聚氨酯v 在材料开发及其应用方面都得到了很大的发展 聚酯纤维 腈纶合成纤维：二次世界大战客观上刺激了科学技术和工业的发展，因此，高分子科学的全面发展不仅在基础研究方面，而且在应用方面

8、王昭群制作，请勿外传Wallace H.Carothers(18961937),USA1935年2月28日 聚酰胺66(polyamide66),1938年10月27日 Nylon66,du Pont,第一种合成纤维聚氯乙烯聚苯乙烯聚醋酸乙烯酯聚甲基丙烯酸甲酯高压聚乙烯丁苯橡胶丁腈橡胶氯丁橡胶聚四氟乙烯 ABS树脂 工业化聚酰胺聚酯 30到40年代工业合成王昭群制作，请勿外传可以实现分子链立体构型的控制制备出高密度线型PE和等规PP Karl Ziegler(1898-1973)Germany烯烃聚合中的有机金属混合物催化剂高密度聚乙烯(High density Polyethylene,HD

9、PE)Giulio Natta(1903-1979)Italy立构规整聚合物等规聚丙烯(Polypropylene,PP)Nobel Prize,1974（1963）可以实现分子链结构和形状的控制，开发了聚甲醛、聚氨酯等王昭群制作，请勿外传50年代，美国化学家P.J.Flory提出了高分子溶液的格子模型，创建了高分子溶液的统计热力学和高分子构象的统计力学方面的基础理论，大大促进了高分子物理以至整个高分子科学的发展Paul J.Flory(1910-1985),USAPrinciples of Polymer Chemistry高分子化学原理,1953;Statistical Mechanics

10、 of Chain Molecules 长链分子的统计力学,1979Nobel Prize,1974Pierre-Gilles de Gennes(1932-),FranceScaling Concepts in Polymer Physics高分子物理学的标度概念,1985引入现代凝聚态物理学中有关软物质、标度律、复杂流体、分形、魔梯、图样动力学和临界动力学等新概念，丰富了高分子学说Nobel Prize,1991王昭群制作，请勿外传有机化学物理化学物理学数学电子学各种工程学生物学医药学其它化学化工机械 基础科学 技术科学交叉渗透融合链结构溶液性质聚集态结构性能成型加工合成、改性、分子设计王

11、昭群制作，请勿外传第三阶段第三阶段 （2020世纪世纪6060年代以后）年代以后）v 材料：新的材料不断涌现，无法列举，得到全面应用v 科学研究：各种聚合理论趋于成熟，体系完善o 聚甲醛、聚碳酸酯、聚醚、聚酰亚胺等工程塑料大批量投向市场，各种耐高温的高强度聚合物材料层出不穷。各种通用高分子材料走向成熟、并不断涌现出新的高分子材料 光敏性高分子、高分子半导体和导体、光导体、高分子分离膜、高分子试剂和催化剂、高分子药物等方面的研究与应用都取得巨大进展。这是功能高分子和生物医用高分子理论和材料大发展时期o 王昭群制作，请勿外传 通过建立结构与性能、功能之间的关系，合成具有指定结构及性能与功能的聚合物

12、，或者通过改性提高性能，通过修饰等手段赋予聚合物新的功能。王昭群制作，请勿外传 新型、有用的高分子化合物的分子设计，新的聚新型、有用的高分子化合物的分子设计，新的聚合反应，新的聚合方法的研究等内容是高分子化学的主合反应，新的聚合方法的研究等内容是高分子化学的主要任务，也始终是其研究前沿要任务，也始终是其研究前沿 新型高分子材料的工业合成技术；新型高分子材料的工业合成技术；聚合物的新型成型加工技术；聚合物的新型成型加工技术；成型工艺过程与聚合物结构控制的相关性成型工艺过程与聚合物结构控制的相关性 高分子的各级结构；高分子的各级结构；高分子溶液、液晶态、多相体系等新现象和方法；高分子溶液、液晶态、

13、多相体系等新现象和方法；高分子聚集态及其性能、功能与微观结构的关系高分子聚集态及其性能、功能与微观结构的关系王昭群制作，请勿外传 为满足航天航空、电子信息、汽车工业、家用电器等多方面技术领域的需要，在机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等方面性能进一步提高 合成新的高分子 改性 通过新聚合反应控制分子结构(如:阴离子活性聚合)通过聚合方法和聚合过程的控制、提高性能(如:齐格勒纳塔聚合)除机械性能外，高分子还具特定功能：光导、电导性光敏性、光致变色性磁性生物活性液体性催化性高度选择能力的反应活性对特定金属离子的螯合性透过特定气体 王昭群制作，请勿外传 电子技术变化日新月异，要求原材料向高纯化、超净

14、化、精细化、功能化方向发展 使材料本身带有生物所具有的高级功能，如预知预告性、自我诊断、自我修复、自我增殖、认识识别能力、刺激反应性、环境应答性等。材料的智能化是一项带有挑战性的未来的重大课题 高性能的结构复合材料是新材料革命的一个重要方向。如，以玻璃纤维增强材料为主的复合材料不仅在当前已进入大规模生产和应用阶段，而且在将来仍会有所发展。王昭群制作，请勿外传 金属 陶瓷 王昭群制作，请勿外传有机硅聚合物有机硅聚合物处理的陶瓷纤维隔热层覆盖在神处理的陶瓷纤维隔热层覆盖在神舟五号返回舱表面：舟五号返回舱表面：有机硅聚合物有机硅聚合物良好的耐高良好的耐高低温性能使之在高空低温和大气层再入时的高低温性

15、能使之在高空低温和大气层再入时的高温环境中得以延长器件的寿命温环境中得以延长器件的寿命外表面温度超过1000C,内部温度约30C 吸收电磁波、声波的隐身材料吸收电磁波、声波的隐身材料 减震、降噪的阻尼材料减震、降噪的阻尼材料 航天器用王昭群制作，请勿外传火箭整流罩、卫星接口支架、液氢/液氧发动机共底、固体火箭发动机壳体等：碳纤维/环氧树脂复合材料王昭群制作，请勿外传钛合金：41%；铝合金：15%；钢：5%树脂基复合材料:24%环氧树脂、聚双马来酰环氧树脂、聚双马来酰亚胺。用于雷达罩、进亚胺。用于雷达罩、进气道、机翼气道、机翼(含整体油含整体油箱等箱等)、襟翼、副翼、襟翼、副翼、垂尾、平尾、减速

16、板及垂尾、平尾、减速板及机身蒙皮等。机身蒙皮等。王昭群制作，请勿外传王昭群制作，请勿外传 由数层玻璃和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)胶片粘结而成的特种夹层玻璃。56式7.62mm冲锋枪，56式7.62mm普通弹(钢芯)，15米距离射击三发，弹速约750m/s，弹着点10010mm呈正三角形，防弹玻璃背部没有飞溅物，背部玻璃表面光滑，弹伤深度5mm。OOC3H7n玻璃和高分子的复合材料王昭群制作，请勿外传抗拉强度模量断裂伸长强度断裂伸长达复合材料生物医学降落伞绳索头盔、防弹背心芳纶，全芳香族聚酰胺王昭群制作，请勿外传带有特异功能能够调节自身环境温度。环境温度上升时，有储热作用；温度下降时，放出热量能隔

17、绝外界雨、雪、风、霜侵入到人体皮肤，同时也能将皮肤上的汗水排放到大气中去，具备天然纤维（棉、麻、丝等）的功能具有防水透气性，能透过人体汗液蒸发的水蒸气，但却透不过雨水，即具有两种相逆的功能具有亲水性，可防出汗、防闷热，穿着舒适可永远保持形状不变弹性纤维适宜动作和身体伸展。使用的聚氨酯纤维，其弹性可接近橡胶王昭群制作，请勿外传 最初的是用象牙制成，量稀而贵，有人悬赏1万美元征求制造台球的替代材料。1869年，美国人海厄特把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，然后在常压下硬化成型制出了廉价台球，赢得了这笔奖金。这种由纤维素制得的材料就是王昭群制作，请勿外传 不论是遗传现象，或是酶的活动，都与

18、高分子物质有密切的关系。在人体中，最重要的高分子物质莫如蛋白质和核酸。高分子科学家已经开始探索如何去合成或模拟天然的高分子也就是具有生物活性的高分子，因为天然的动、植物本身就是由高分子所组成的。一旦能够合成生物高分子，就可以合成部分或，在解救人的生命的旅程中又可大大地向前迈一步了生命活动的基本物质 生命活动是各式各样的：新陈代谢、肌肉收缩、神经传导以至于传种接代(遗传现象)等等。不论哪种活动，都需要有生物酶的参与。遗传现象则更是十分神秘而复杂的生命活动现象王昭群制作，请勿外传生命科学和材料科学的交叉 生物材料是指与体液接触的异体材料，除少数金属、陶瓷和碳素外，绝大部分是橡胶、纤维、模制塑料等合

19、成高分子材料。全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品。西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%-20%的速度增长人体替代和修复材料 医疗器械、医护用品药用高分子 智能型 复合型 功能型王昭群制作，请勿外传CHEMTECH,1983,13,542-55Silicone medical devices and the Body形同钮扣，2.5x0.5cm,在之间夹装从猪胰脏中取出的可分泌胰岛素的细胞。外部用硅包封装，减轻排异反应：聚酯、聚氨酯、环氧树脂：硅橡胶半透膜(肩、髋、膝):聚四氟乙烯：透析膜、目前，从天灵盖到脚趾骨，从人体的内脏到皮肤，从血液到五官，除了脑以及大多数内分

20、泌器官外，大都有了代用的人工器官王昭群制作，请勿外传聚醚型聚氨酯聚酯编织管环氧树脂聚酯硅油王昭群制作，请勿外传生物相容性可选择的强度、降解吸收时间无需二次手术取出将纳米类骨晶体与聚酰胺复合，该材料在生物活性、柔韧性和强度方面均与人体组织接近，可用于颅骨、关节及喉管支架、穿皮器件与修复领域Resomer Resorbable Polyester：Polylactide,Polyglycolide or the copolymers Boehringer Ingelheim KG王昭群制作，请勿外传 所用的高分子材料具有良好的力学性能而作为承力替代物，同时具有良好的生物相容性和骨传导性，新生骨组织

21、在其上以爬行方式生长，一定程度上可使骨缺损尺寸降低到可自身修复的程度。依据缺损骨头的形状，用高分子材料作成支架，在上面“种”上成骨细胞，再植入体内。材料为细胞提供养份，当骨头渐渐长成后，支撑材料随之降解、吸收而消失王昭群制作，请勿外传药物的控制释放)控制释放速度 在需要的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放 控制释放地点 靶向控制释放体系，使药物在预定的部位按设计的剂量富集于病灶处 体系不仅能提高药效，简化给药方式，大大降低了药物的毒副作用王昭群制作，请勿外传用硅橡胶制造的医疗器械Dow Corning 医用硅橡胶是最早也是最成功的商品化医用高分子材料之一 王昭群制作，请勿外传：将各种导电性的

22、无机材料如炭黑、金属粉末、金属丝和碳纤维等物理掺混进各种聚合物中：在电场作用下产生电流载流子(电子、离子等)，如：大共轭结构的高分子Polyimide/聚酰亚胺102(cm)-1 电导率10-10(cm)-1 半导体优良的绝缘材料导电高分子导电高分子掺杂Polypyrrole/聚吡咯酚醛树脂第一个合成高分子从苯酚和甲醛聚合而成，最初的主要应用就是制备电器和仪表的绝缘件王昭群制作，请勿外传最高达103(cm)-1（上升了上升了12个数量级个数量级）(室温电导率)10-9（顺式）10-5(cm)-1（反式）日本的白川,1970年代初MacDiarmid,1977,1977年年Nobel Prize

23、,2000碘掺杂碘掺杂Alan J.Heeger王昭群制作，请勿外传聚乙炔的四种结构式 聚乙炔(PA,1977,Shirakawa)聚苯胺(PAn,1983,MacDiarmid)聚吡咯(PPy)聚噻吩(PTh)聚对苯(PPP)聚苯亚乙烯(PPV)反-反结构顺-反结构反-顺结构顺-顺结构特点：长程共轭、无机掺杂王昭群制作，请勿外传除具有导电性外，还具备高分子的特性低比重可挠性成膜性透明性粘着性（金属材料不具备）便于加工成型制成各种所需形状导电涂料粘合剂导电薄膜电气部件 导电高分子可以作为结构材料，进一步改变已有的一些产品的制造方式王昭群制作，请勿外传 高分子发光二极管(PLED)是有机发光二极

24、管(OLED)中的一种在基板上P型和N型半导体材料为有机物和高分子材料工作电压很低（可低达2.0 v以下）；工作电流很小（可低达1mA以下）王昭群制作，请勿外传 飞利浦公开的13英寸高分子有机EL面板,厚度只有1m 王昭群制作，请勿外传 如古典的建筑物，既有飞檐，又有圆柱，倘若照明设施能做到取势造型、依形布局，对于保持古建筑的风格尤为重要；家庭居所的灯光可以发自天花板或墙上的壁纸，既节省了空间，又能美化居室环境，可谓两全其美 塑料军用地图 像变色龙一样的迷彩服王昭群制作，请勿外传王昭群制作，请勿外传直径一旦小于0.1毫米时，因其耐冲击性能差及不易连接，使用便比较困难，而且生产成本较高使直线传播

25、的实现了像一样的传导在弯曲状态传光，柔韧性好，耐冲击，重量轻，加工容易，数值孔径大，耦合容易，寿命长，使用方便。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)王昭群制作，请勿外传负极 无漏液、安全问题使用胶态的固体，不含液态电解液，不产生漏液和燃烧爆炸，仅由碳、氢、氮构成，对环境的影响较小 薄、体积小以3.6V、400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm 形状可变可设计成多种形状，且可弯曲变形，最大可弯曲90度左右 重量轻、容量大体积能量密度在470Wh/L以上，重量能量密度在190Wh/kg以上 单颗高电压由于无液体，可在单颗内作成多层组合达到高电压无需通过数颗电池的串联得到高电压王昭群制作，请勿外传王昭群制

26、作，请勿外传重量体积分类王昭群制作，请勿外传 塑料不会腐烂也不会生锈，原本是相对于金属材料而言的一个优点。但是，这一性质也给人类带来一个严重的问题：由于塑料不易腐烂，大量的塑料废弃无法被自然界吸收、分解，从而造成一定程度的环境污染 随着科学技术的进步，人类生活水平的提高，特别是由于世界人口的迅速增加，资源的加速枯竭，生态环境的不断恶化，21世纪对材料科学技术提出更高的要求王昭群制作，请勿外传 生物技术 王昭群制作，请勿外传合成便于降解、生物降解而可循环使用或再生利用的材料v 原料方面利用植物和微生物进行高分子合成，可生物降解，实现环境同化v 合成过程生物合成方法，如酶促合成法。或在环境友好的水

27、或二氧化碳等化学介质中进行合成，如，采用乳液聚合、悬浮聚合v 材料降解v 用于环保利用高分子材料处理污水和毒物等，如吸油性树脂、絮凝剂王昭群制作，请勿外传 英国专家最近培育成功了一种能生产塑料的油菜。利用基因遗传技术成功地把各种能产生聚合物的生物基因移植到油菜籽中，用这种油菜籽长出的油菜，其种子和叶片中都含有大量的聚合物。把这种聚合物提炼后，就可用来加工成各种家用塑料制品以及塑料管道等。这种天然塑料的特点是不会对生态环境产生污染，将其埋在地下，6个月后就可分解为水和二氧化碳王昭群制作，请勿外传 王昭群制作，请勿外传PolymerMonomerPolymerizationCCHHHHCCHHHH

28、聚合Structure unitDegree of polymerizationMonomer unitRepeating unitChain element王昭群制作，请勿外传王昭群制作，请勿外传由聚合度可计算出高分子的分子量：高分子的平均分子量高分子的平均分子量M=Xn M0=DP M0 nDPXn=王昭群制作，请勿外传NH2(CH2)6NH2+HOOC(CH2)4COOH H HN(CH2)6 NH2OC(CH2)4CO nOH+(2n-1)H2O王昭群制作，请勿外传nDPxn22=002MDPMxMn=一个重复单元由两个结构单元组成，所以，结构单元的数目是重复单元的数目的两倍王昭群制作，请勿外传王昭群制作，请勿外传第一个数字表示二元胺的碳原子数第二个数字表示二元酸的碳原子数只附一个数字表示内酰胺或氨基酸的碳原子数王昭群制作，请勿外传CCHHCH2Cn王昭群制作，请勿外传COOCH3CH3nC CH2CH CH2n(NH-(CH2)6-NHCO-(CH2)4-CO)nC王昭群制作，请勿外传王昭群制作，请勿外传王昭群制作，请勿外传王昭群制作，请勿外传+n C-N-R-N-C-O-R-On