高分子化学课件资料全

1高分子化学PolymerChemistry绪论2/67第一章绪论（一）绪论3/671.高分子科学的历史和发展2.高分子的重要性和特点3.高分子化学在学科中的地位4.高分子化学的研究趋势5.高分子材料的应用和未来4/67绪论何为高分子？分子量大（≥10,000）由重复单元链接而成长径比：103~105CH2CHCH2CH3CHCH2CHCH3CH3CH2CHCH3Polyamideimide/聚酰胺酰亚胺的立体示意图5/67绪论高分子/Polymer单体/Monomer合成高分子——由单体聚合而成通过不同的聚合反应6/67绪论COOCOHOCOHCHHHHCOHOCOHOCOHCHOHHHH+n带双官能团的化合物逐步聚合带双键的烯类化合物CCHHHH连锁聚合CCHHHHn7/67绪论高分子科学成型、加工聚合结构性能改性高分子化学反应应用合成天然高分子分子运动高分子工程高分子物理高分子化学8/67绪论学科：高分子科学高分子化合物合成结构性能高分子材料的应用成型加工基础性学科应用性学科绪论9/67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化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步历史的划分材料人类文明10/67绪论旧石器数百万年前新石器数十万年前青铜器数千年前铁器数千年前11/67绪论高分子时代（20世纪下半叶）三大合成材料：塑料、橡胶、纤维其他合成材料：涂料、胶粘剂复合材料功能高分子材料••••••（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,“TrendsinPolymerScinece”12/67绪论无处不在的高分子服装、面料玩具、生活用品电气产品外壳、绝缘体包装、装饰材料涂料、粘合剂隐形眼镜衣食住行，无处不在！13/67绪论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以塑代钢——在一定程度上，工程塑料的强度已经超过了钢铁可应用于各个领域14/67绪论020004000600080001000012000140001600018000200001940196019801998三大材料总量全世界高分子材料已超过2亿吨，虽然重量不及钢铁，但由于其比重仅为钢铁的1/7~1/8，因此，世界高分子材料总体积远远超过钢铁。发达国家钢铁的产量基本已经稳定了，但高分子材料的产量还在增长高分子材料具备金属和陶瓷等材料的性能特点，在几乎所有的应用领域大量地取代它们，甚至综合性能更优良。高分子材料的发展和应用，是20世纪改变人类生活、生产的20项发明之一15/67绪论每年全球生产超过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，只消耗了全球原油年产量的4%。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。能源消耗量效比16/67绪论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改性日常生活和生产创建前——蒙昧期(不知道其化学组成和结构)高分子科学的历史(时间短却发展迅猛)17/67绪论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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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工业的发展（1868年）P－OH+HNO3P－ONO2+H2O•火药(N%:13%)•赛璐珞塑料(11%)•涂料(12%)•胶片(12%)第一阶段——高分子科学的创建(19世纪30年代-1930年)18/67绪论高分子和聚合的概念得到普遍的接受第二阶段——重要发展阶段（1930-1960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：一种烃类液体[indene]C9H8，很易聚合）高分子的链式结构，最终被确立NobelPrize,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19/67绪论塑料和工程塑料：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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20/67绪论WallaceH.Carothers(1896～1937),USA1935年2月28日聚酰胺66(polyamide66),1938年10月27日Nylon66,duPont,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科学研究链式自由基聚合反应理论工业化缩聚反应理论聚酰胺聚酯缩聚反应理论链式自由基聚合反应理论30到40年代工业合成21/67绪论可以实现分子链立体构象的控制制备出高密度线型PE和等规PPKarlZiegler(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(HighdensityPolyethylene,HDPE)GiulioNatta(1903-1979)Italy立构规整聚合物等规聚丙烯(Polypropylene,PP)NobelPrize,1974Ziegler-Natta催化剂及其配位聚合（1963）活性阴离子聚合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22/67绪论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PaulJ.Flory(1910-1985),USAPrinciplesofPolymerChemistry《高分子化学原理》,1953;StatisticalMechanicsofChainMolecules《长链分子的统计力学》,1979NobelPrize,1974高分子物理Pierre-GillesdeGennes(1932-),FranceScalingConceptsinPolymerPhysics《高分子物理学的标度概念》,1985NobelPrize,199123/67绪论有机化学高分子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高分子科学基础科学技术科学交叉渗透融合高分子物理高分子工程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24/67绪论第三阶段——全面发展阶段（20世纪60年代以后）材料：新的材料不断涌现，无法列举，得到全面应用科学研究：各种聚合理论趋于成熟，体系完善o高性能化聚甲醛、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多功能化25/67绪论结构物性合成与改性分子设计高分子科学的更高、更新阶段高分子化学的重任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，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。实现聚合物的分子设计和材料设计的目标应用需求26/67绪论研究趋势和前沿新型、有用的高分子化合物的分子设计新的聚合反应的研究新的聚合方法的研究27/67绪论可控制反应物空间立构、聚合物相对分子质量及相对分子质量分布的所谓可控聚合活性聚合、酶催化聚合、微生物催化聚合新型功能高分子材料的设计及合成基于分子识别、分子有序组装的分子设计、组装化学和组装方法包括分子改性和表面改性在内的聚合物改性方法和原理28/67绪论具有耐高温、高强度、高模量“三高”性能的聚合物分子设计及合成医用高分子和生物大分子的改性、结构及功能化研究纳米聚合物的合成及应用各种有机－无机分子内杂化高分子材料的分子设计与合成环境问题29/67绪论高分子的应用和未来为满足航天航空、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高性能化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)多功能化除机械性能外，高分子还具特定功能：光导性导电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30/67绪论精细化电子技术变化日新月异，要求原材料向高纯化、超净化、精细化、功能化方向发展智能化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复合化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。31/67绪论支柱生物技术先进材料信息技术能源环境结构材料军事航空、航天三大材料金属陶瓷高分子材料是人类进化史的里程碑，现代文明的重要支柱，发展高新技术的基础和先导。高分子材料扮演着极为重要的角色基础先导应用前景32/67绪论防热材料有机硅聚合物处理的陶瓷纤维隔热层覆盖在神舟五号返回舱表面：有机硅聚合物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温环境中得以延长器件的寿命外表面温度超过1000˚C,内部温度约30˚C高比强、高比模结构材料超低温，超高温防护材料吸收电磁波、声波的隐身材料减震、降噪的阻尼材料航天器用高分子材料33/67绪论高比强、高比模结构材料火箭整流罩、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34/67绪论F-22的材料组成钛合金：41%；铝合金：15%；钢：5%树脂基复合材料:24%环氧树脂、聚双马来酰亚胺。用于雷达罩、进气道、机翼(含整体油箱等)、襟翼、副翼、垂尾、平尾、减速板及机身蒙皮等。35/67绪论F-22的动力：F-119发动机F119发动机正在执行用树脂基复合材料取代钛合金制造风扇送气机区的计划，可节省结构重量6.7公斤，并正在考虑用树脂基复合材料风扇叶片取代现在的钛合金空心风扇叶片，以期减轻结构重量30％。36/67绪论防弹玻璃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100±10mm