高分子物理第1章绪论

第1章绪论（2学时）浙江工业大学材料科学与工程学院本科教学课程《高分子物理》主讲教师：徐立新/马猛叶会见；总学时：48个人简介00徐立新（1973.3－），教授浙江大学高分子化学与物理博士：2010.03；加拿大Laurentian大学访问学者：2008.03；加拿大Laurentian大学博士后：2010.09；主持“国家自然科学基金”等项目8项；石墨烯制备、功能化及应用[e-mail]@zjut.edu.cn;13757143597;存中楼230#；西配楼329#；QQ：1417859019个人简介00马猛（1984.10－），讲师四川大学高分子材料博士：2013.07；主持“国家自然科学基金”等项目5项；高分子材料结晶、聚合物复合材料、多相多组分材料的表面与界面、高分子相转变、高分子材料功能高性能化等研究领域；[e-mail];15924164969（664969）;存中楼至真园Y2；QQ：405151817个人简介00叶会见（1983.6－），校聘副教授哈尔滨工业大学材料学博士：2015.03；宾州州立大学联合培养博士生：2012.10-2014.09现主持省自然科学基金等项目4项；电活性高分子[e-mail];13600519245;存中楼二楼至真园；西配楼329#目录1.1高分子科学的发展简史1.2高分子的基本定义及类型1.3高分子物理研究内容1.4课程教学安排001.1高分子科学发展简史1.1.1高分子蒙昧时期19世纪中叶前01（b）图1.木材图2.竹子1.1.1高分子蒙昧时期19世纪中叶前（b）02图3.虎皮图4.蛇皮二胡1.1.1高分子蒙昧时期19世纪中叶前（b）03图5.木船油漆图6.木盆油漆图7.油纸伞1.1.1高分子蒙昧时期19世纪中叶前（b）04图8.“弹棉花”图9.棉花图10.棉制品1.1.1高分子蒙昧时期19世纪中叶前（b）05图11.橡胶树图12.胶乳1.1.1高分子蒙昧时期19世纪中叶前（b）06蚕宝宝蚕茧丝绸图13.蚕丝及丝绸1.1.1高分子蒙昧时期19世纪中叶前（b）07蕃薯鸡蛋面条米饭图14.各类天然食物1.1.1高分子蒙昧时期19世纪中叶前08很久以前，各类天然高分子材料已经在人类生活和生产中存在并得到广泛应用，但人们并不知道它们的化学组成与结构。这是高分子学科的蒙昧时期（19世纪中叶前）。1.1.2高分子科学萌芽时期19世纪后期－20世纪初09天然橡胶的硫化1839年，美国人CharlesGoodyear(查尔斯·固特异)发明了天然橡胶硫化工艺，使天然橡胶得到广泛应用。图15.CharlesGoodyear图16.Goodyear轮胎1.1.2高分子科学萌芽时期19世纪后期－20世纪初10赛璐璐塑料的发明：1869年，美国人JohnWesleyHyatt对纤维素进行硝化后溶解于乙醚和乙醇，并加入樟脑后蒸发获得赛璐璐塑料（也称为人造塑料）。图17.赛璐璐的发明人JohnWesleyHyatt1.1.2高分子科学萌芽时期19世纪后期－20世纪初11酚醛树脂的合成：1872年德国化学家阿道夫·冯拜尔发明酚醛树脂的合成，进一步由比利时化学家贝克兰改进并实现工业化生产。第一个合成的高分子材料。BelgiumLeoBaekeland图18.酚醛树脂产品1.1.2高分子科学萌芽时期19世纪后期－20世纪初12高分子学科的萌芽时期：自19世纪后期，直至20世纪初期，化学家们开始关注羊毛、蚕丝等天然高分子的结构与组成，并对其进行了人工改性，同时合成了一批新的高分子化合物，通常以粘稠的混合物存在。1.1.3高分子学说的诞生20世纪20－40年代131925理查德·席格蒙德年诺贝尔化学奖获得者1926年诺贝尔化学奖获得者西奥多·斯维德伯格与胶体缔合理论的争论：当时认为纤维素、淀粉、蛋白质、橡胶等既无明确熔点又不能蒸馏或重结晶的材料，通常都被看作是具有“胶体行为”的小分子缔合体。1.1.3高分子学说的诞生20世纪20－40年代14HermannStaudinger德国化学家1953年诺贝尔化学奖；1920年《论聚合》发表；天然橡胶具有线型直链价键结构；建议了部分聚合物的结构式；分子量的多分散性特点等。论证了聚合过程是由小分子相互结合的过程。1.1.3高分子学说的诞生20世纪20－40年代15高分子这一新兴的学科有力地推动了高分子工业的生产发展。聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、丁苯橡胶、氯丁橡胶以及高压法聚乙烯等合成高分子材料新品种不断投入工业化生产，合成材料迅速进入人类的生活之中。1.1.3高分子学说的诞生20世纪20－40年代16Flory（1910-1985）美国科学院院士1974年获Nobel化学奖Flory在高分子溶液的热力学性质和聚合反应动力学的统计学研究方面做了大量工作，他的科学成果包括导致工业化的尼龙与合成橡胶的研究和开发，以及对于聚合物形成过程及其本体和在溶液中的性质研究。1.1.3高分子学说的诞生20世纪20－40年代17Ziegler（1898-1973）,德国有机化学家,1963年获Nobel化学奖Natta（1903-1979）意大利高分子化学家，1963年获Nobel化学奖1953年发明了齐格勒催化剂以及低压聚乙烯合成方法，使聚乙烯的工业化生产取得了重大进展。1954年-1956年纳塔改进了齐格勒催化剂，使其能适用于聚丙烯的生产，从而建立了有规立构聚丙烯的合成方法。1.1.3高分子学说的诞生20世纪20－60年代181930/PS聚苯乙烯1934/PMMA有机玻璃、PVC聚氯乙烯1939/PE聚乙烯、PA聚酰胺1943/PTFE聚四氟乙烯、PUR聚氨酯1946/UP聚酯1947/EP环氧树酯1953/PET聚酯、ABS工程塑料、HDPE聚乙烯1957/PP聚丙烯1959/PC聚碳酸酯1960/PI聚酰亚胺1.1.4高分子学科的新发展19活性阴离子聚合发明人M.Szwarc活性阴离子聚合；原子转移自由基聚合；可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合；氮氧自由基聚合；“活性”配位聚合；。。。。。。“活性”/可控聚合技术的发展1.1.4高分子学科的新发展20特殊环境下使用的特种高分子材料开发耐高温高分子材料；耐低温高分子材料；耐超高电场高分子；海水环境使用高分子；。。。。。。1.1.4高分子学科的新发展21各类功能高分子的合成及应用导电高分子；高分子分离膜；液晶高分子；聚合物锂离子电池隔膜；太阳能电池；生物医用高分子材料能源材料。。。。。。液晶显示屏1.1.4高分子学科的新发展22与生命科学紧密结合Merrifield（1921-）美国生物化学家1984年获Nobel化学奖R.B.Merrifield以交联高分子为载体合成聚肽，多肽的人工合成是高分子时代的辉煌成果。1965年中国用人工合的方法制成结晶牛胰岛素，这是世界上出现的第一个人工合成的蛋白质，对于揭开生命奥秘有着重大意义。1.2高分子定义及类型1.2.1高分子基本定义23链中的碳原子数材料的状态和性质用途1~45~1116~2525~5050~10001000~500030万~60万单纯气体单纯液体高粘度液体结晶固体半结晶固体韧性塑料固体纤维瓶装燃气汽油油和脂石蜡黏合剂与涂料容器药用手套，防弹背心从小分子到大分子----建立大分子的概念1.2.1高分子基本定义24基本术语定义高分子Macromolecule是指分子量很高的化合物；例如将分子量高于10000以上称为高分子，否则低分子。可同时包括天然高分子和人工合成高分子。聚合物polymer由特定小分子重复连接而成的高分子。一般指人工合成的高分子，而不包括天然高分子。高聚物Highpolymer与聚合物定义相同大分子Macromolecule与高分子定义相同1.2.1高分子基本定义25基本术语定义塑料Plastic是指由常温下处于玻璃态的聚合物与添加助剂等共同组成的高分子材料。橡胶Rubber是指由常温下处于高弹态的聚合物与助剂共同组成的高分子材料。涂料Paint指聚合物溶液，通常含有助剂等。胶粘剂Adhesionagent指聚合物溶液，通常含有助剂。纤维Fiber由聚合物经熔融或溶液态纺丝而获得。树脂Resin指聚合物。最初指天然高分子。1.2.2高分子基本类型26（1）按照来源分类天然高分子材料Naturalpolymer石棉；石墨；金刚石；淀粉；纤维素；丝；毛；蛋白质；天然橡胶；遗传物质如酶、DNA等；合成高分子材料Synthesizedpolymer酚醛树脂；聚氯乙烯；聚乙烯；聚丙烯；聚苯乙烯；尼龙－66；聚对苯二甲酸乙二醇酯；ABS；顺丁橡胶；丁基橡胶；1.2.2高分子基本类型27（2）按性能和用途分类传统分类：塑料；橡胶；涂料；油墨；纤维；薄膜；粘合剂；。。。。。。按特殊功能分类：导电高分子；发光聚合物；阻尼高分子材料；磁性高分子材料；可降解高分子；生物医用高分子；。。。。。。1.3高分子物理研究内容、任务目的1.3.1高分子课程体系28聚合物合成与化学性质聚合物结构与性能表征聚合物改性聚合物成型聚合物应用《高分子化学》聚合物近代测试技术聚合物改性原理聚合物成型工艺聚合物成型模具聚合物成型机械高分子物理如此的长链必然引起聚合物分子结构诸多特点：长链互相缠绕分子间相互作用力大-范德华力的叠加粘度高机械强度高结晶不完善因此，在让聚合物为我们的生活生产服务之前，我们有必要充分了解大分子的结构。也就是学习高分子物理的目的1.3.2高分子物理研究内容烷烃中的C原子数超过1000，才是我们常规意义上的聚合物（大分子）—聚乙烯。化学结构如下：nCH2CH229原子结构主价力分子结构分子间力凝聚态结构以聚乙烯为例：原子？主价力？分子结构？分子间力？凝聚态结构？那么高分子物理？我们学习什么呢？聚合物结构与性能相互关系学习高分子物理的主线-----1.3.2高分子物理研究内容301.3.2高分子物理研究内容31加工不同制品相同分子串晶球晶伸直链晶体模量0.5-2GPa中空容器模量200GPa，比强度为钢7倍的高模量纤维模量0.01-0.05GPa弹性泡沫聚乙烯1.3.2高分子物理研究内容32高分子物理是一门研究高分子结构、运动及外在性能三者间关系的一门学科。高分子的结构；高分子结构的变化（运动）；高分子内在结构与外在性能间的关系；高分子物理：物构——物化——物性结构～性能的研究是合成与应用之间的桥梁中心内容：结构～～～大分子运动～～～性能微观宏观基础、本质桥梁表现多层次多模式多种多样1.4课程教学安排1.4.1学习内容与重点33第一章：绪论；第二章：高分子链结构；重点第三章：聚合物聚集态结构（结晶）；重点第四章：聚合物聚集态结构（非晶）；重点第五章：聚合物分子结构与运动变化；重点第六章：聚合物力学性能；重点第七章：聚合物其它性能；第八章：聚合物分析测试技术。总学时：481.4.2学习特点和方法34学习特点：注重基本概念的理解；建立形象的结构图景；注重讨论式学习与理解；注重微观结构与宏观现象的关联。学习方法：牢固树立结构决定性能，性能反映结构的观点；掌握和理解分子运动的桥梁作用；掌握和记忆一些曲线图；理论联系实际，创造性的或开拓性的学习。1.4.3成绩评价35课堂讨论：20%作业情况：30%考试成绩：50%1.4.4教材及参考数目36高分子物理,王德海主编化学工业出版社；教材高分子物理,何曼君主编复旦大学出版社；参考高分子物理,金日光主编，化学工业出版社;参考高聚物结构与性能，马德柱主编，科学出版社;参考PolymerPhysics,MichaelRubinsteinandRalph,OXFORDUniversityPress.参考Thankyou!