高分子化學(xué)與物理-第1章-緒論-精簡(jiǎn)

1、高分子材料化學(xué)與物理高分子材料化學(xué)與物理生物醫(yī)學(xué)工程系生物醫(yī)學(xué)工程系敖寧建敖寧建第第1 1章章 重點(diǎn)重點(diǎn)1 1、高分子材料在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用實(shí)例、高分子材料在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用實(shí)例序序應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍材料名稱材料名稱序序應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍材料名稱材料名稱1導(dǎo)尿管導(dǎo)尿管天然橡膠、硅橡膠天然橡膠、硅橡膠9人工氣管人工氣管聚乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡膠、硅橡膠、聚乙烯聚乙烯醇醇2手術(shù)手套手術(shù)手套天然橡膠、聚氨酯橡膠天然橡膠、聚氨酯橡膠10人工輸尿人工輸尿管管聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、硅橡膠、硅橡膠、水凝膠水凝膠3輸血膠管輸血膠管天然橡膠天然橡膠11人工膀胱人工膀胱硅橡膠硅橡膠4人工心臟

2、人工心臟聚氨酯橡膠、硅橡膠、天然橡聚氨酯橡膠、硅橡膠、天然橡膠、膠、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚四氟乙烯、滌綸聚四氟乙烯、滌綸12人工食道人工食道聚乙烯醇、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、硅硅橡膠橡膠5人造血管人造血管人造絲、尼龍、腈綸，人造絲、尼龍、腈綸，硅橡膠硅橡膠、聚四氟乙烯聚四氟乙烯13人工頭蓋人工頭蓋骨骨聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、碳纖聚碳酸酯、碳纖維維6人工心臟人工心臟瓣膜瓣膜聚氨酯橡膠、硅橡膠聚氨酯橡膠、硅橡膠、聚四氟乙、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯14人工血漿人工血漿右旋糖肝、聚乙烯醇

3、、右旋糖肝、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮聚乙烯吡咯酮7心臟起搏心臟起搏器器硅橡膠、硅橡膠、聚氨酯橡膠聚氨酯橡膠15人工眼球人工眼球泡沫硅橡膠泡沫硅橡膠8人工喉人工喉硅橡膠、硅橡膠、聚乙烯聚乙烯16避孕套避孕套天然橡膠、聚氨酯橡天然橡膠、聚氨酯橡膠膠2、大分子鏈的形狀、大分子鏈的形狀3、高分子材料類型高分子材料類型 按用途按用途分塑料、橡膠、纖維、膠分塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、涂料等。粘劑、涂料等。 按聚合物反應(yīng)類型按聚合物反應(yīng)類型分為加聚物和分為加聚物和縮聚物?？s聚物。 按聚合物的熱行為按聚合物的熱行為分為熱塑性聚分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物合物和熱固性聚合物 按主鏈上的化學(xué)組成按主鏈上的化學(xué)組成

4、分為碳鏈聚分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機(jī)聚合物合物、雜鏈聚合物和元素有機(jī)聚合物 根據(jù)高分子的用途分類根據(jù)高分子的用途分類 塑料、橡膠、化學(xué)纖維、涂料、粘合劑和功能高分塑料、橡膠、化學(xué)纖維、涂料、粘合劑和功能高分子六大類。子六大類。 橡膠：橡膠：具有良好的延伸性和回彈性，彈性模量較低。具有良好的延伸性和回彈性，彈性模量較低。大多為熱固性高分子。近年來(lái)也發(fā)展了熱塑性彈性體，例如大多為熱固性高分子。近年來(lái)也發(fā)展了熱塑性彈性體，例如SBS、TPO、TPU等。等。 化學(xué)纖維：化學(xué)纖維：在外觀上為纖維狀，彈性模量很高。對(duì)溫在外觀上為纖維狀，彈性模量很高。對(duì)溫度的敏感性較低，尺寸穩(wěn)定性良好。重要的化學(xué)

5、纖維高分子度的敏感性較低，尺寸穩(wěn)定性良好。重要的化學(xué)纖維高分子有滌綸樹(shù)脂、尼龍、聚丙烯腈、聚氨酯等。有滌綸樹(shù)脂、尼龍、聚丙烯腈、聚氨酯等。 塑料：塑料：的性能一般介于橡膠和化學(xué)纖維之間。的性能一般介于橡膠和化學(xué)纖維之間。 涂料：涂料：在一定條件下能成膜，對(duì)基材起到裝飾和保護(hù)作在一定條件下能成膜，對(duì)基材起到裝飾和保護(hù)作用。大部分高分子均可用作涂料。重要的涂料高分子有：用。大部分高分子均可用作涂料。重要的涂料高分子有：聚丙烯酸酯、聚酯樹(shù)脂、氨基樹(shù)脂、聚氨酯、醇酸樹(shù)脂、酚聚丙烯酸酯、聚酯樹(shù)脂、氨基樹(shù)脂、聚氨酯、醇酸樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂有機(jī)硅樹(shù)脂等。醛樹(shù)脂有機(jī)硅樹(shù)脂等。 粘合劑：粘合劑：對(duì)基材有很高的粘結(jié)性

6、，通過(guò)其可將不同材質(zhì)對(duì)基材有很高的粘結(jié)性，通過(guò)其可將不同材質(zhì)的材料粘合在一起。重要的粘結(jié)劑高分子有：環(huán)氧樹(shù)脂、聚的材料粘合在一起。重要的粘結(jié)劑高分子有：環(huán)氧樹(shù)脂、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚氨酯、醋酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚氨酯、 聚乙烯醇等。聚乙烯醇等。 功能高分子：功能高分子：是一些具有特殊功能的高分子，如導(dǎo)電性、是一些具有特殊功能的高分子，如導(dǎo)電性、感光性、高吸水性、高選擇吸附性、藥理功能、醫(yī)療功能等。感光性、高吸水性、高選擇吸附性、藥理功能、醫(yī)療功能等。是近年來(lái)高分子研究中最活躍的領(lǐng)域。是近年來(lái)高分子研究中最活躍的領(lǐng)域。 4 、聚合度的表示方法：、聚合度的表示方法： 可用重復(fù)單元的數(shù)量表

7、示，即：可用重復(fù)單元的數(shù)量表示，即： DP = n 也可用結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量表示，記為也可用結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量表示，記為Xn，則：，則： Xn = 2 DP = 2 n 5、常見(jiàn)高分子英文縮寫(xiě)、常見(jiàn)高分子英文縮寫(xiě) 當(dāng)聚合物結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)，聚合物名稱往往較長(zhǎng)，使用當(dāng)聚合物結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)，聚合物名稱往往較長(zhǎng)，使用不方便，因此常用英文縮寫(xiě)表示。例如：不方便，因此常用英文縮寫(xiě)表示。例如：PE：polyethylene； PP：polypropylenePVC：poly（vinyl chloride）；）； PS：polystyrene；PVA：poly（vinyl alcohol）；）； PC：polycarbo

8、natePMMA：poly（methyl methacrylate）PET：poly（ethylene terephthalate）PA：polyamide；PUR： polyurethane6、聚合反應(yīng)分類、聚合反應(yīng)分類 A. 按單體和聚合物的組成和結(jié)構(gòu)變化分類按單體和聚合物的組成和結(jié)構(gòu)變化分類 早期的分類方法：早期的分類方法：加聚反應(yīng)加聚反應(yīng)和和縮聚反應(yīng)?？s聚反應(yīng)。 B. 按聚合機(jī)理分類按聚合機(jī)理分類 20世紀(jì)世紀(jì)50年代開(kāi)始，按聚合機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過(guò)年代開(kāi)始，按聚合機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，將聚合反應(yīng)分：程，將聚合反應(yīng)分：鏈?zhǔn)骄酆湘準(zhǔn)骄酆虾秃椭鸩骄酆现鸩骄酆蟽纱箢?。兩大類?、高分子的相對(duì)分子質(zhì)量及

9、其分布、高分子的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布 A. 分子量與性能關(guān)系：分子量與性能關(guān)系： 小分子化合物沒(méi)有機(jī)械強(qiáng)度，而高分子通常具有較高小分子化合物沒(méi)有機(jī)械強(qiáng)度，而高分子通常具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。顯然，材料的機(jī)械性能隨著相對(duì)分子質(zhì)量的的機(jī)械強(qiáng)度。顯然，材料的機(jī)械性能隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增加逐漸提高。圖增加逐漸提高。圖1為高分子的機(jī)械性能與相對(duì)分子質(zhì)為高分子的機(jī)械性能與相對(duì)分子質(zhì)量間的一般關(guān)系。量間的一般關(guān)系。0100200300400500600700020406080100120140160DP = 400DP = 30機(jī)機(jī)械械性性能能聚聚 合合 度度圖圖1 高分子聚合度與機(jī)械性能之間的關(guān)系高分子聚合度

10、與機(jī)械性能之間的關(guān)系B. 高分子的平均相對(duì)分子質(zhì)量高分子的平均相對(duì)分子質(zhì)量 聚合物是由相對(duì)分子質(zhì)量不等的同系物組成的混合聚合物是由相對(duì)分子質(zhì)量不等的同系物組成的混合物，存在物，存在多分散性。多分散性。因此常用因此常用平均相對(duì)分子質(zhì)量平均相對(duì)分子質(zhì)量來(lái)表示。來(lái)表示。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法不同，平均相對(duì)分子質(zhì)量可分根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法不同，平均相對(duì)分子質(zhì)量可分為數(shù)均分為數(shù)均分子量、質(zhì)均分子量、子量、質(zhì)均分子量、Z均分子量、粘均分子量均分子量、粘均分子量。其中尤以。其中尤以數(shù)均分子量最為常用。數(shù)均分子量最為常用。 以上幾種平均分子量之間的大小關(guān)系為：以上幾種平均分子量之間的大小關(guān)系為： 非常容易記憶的關(guān)系非常容易記

11、憶的關(guān)系!010iiiiiiiinMnMnMmMmM1201iiiiiiiiwMnMnMmMmM232iiiiiiiizMnMnMmMmM MnMzM wM C. 高分子的分子量分布高分子的分子量分布 由于高分子材料的多分散性，平均分子量并不能完全表由于高分子材料的多分散性，平均分子量并不能完全表征其中各種分子的數(shù)量，因此還有征其中各種分子的數(shù)量，因此還有分子量分布分子量分布的概念。的概念。 目前有三種表示分子量分布的方法：目前有三種表示分子量分布的方法： 分子量分布指數(shù)分子量分布指數(shù)D D值越大，表示分布越寬。天然高分子的值越大，表示分布越寬。天然高分子的D值可達(dá)值可達(dá)1，完，完全均一，合成

12、高分子的全均一，合成高分子的D值一般在值一般在1.550之間。之間。 nwMMD8、高分子化學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史、高分子化學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 高分子的概念始于高分子的概念始于20世紀(jì)世紀(jì)20年代，但應(yīng)用更早。年代，但應(yīng)用更早。 1839年，美國(guó)人年，美國(guó)人Goodyear發(fā)明發(fā)明硫化橡膠。硫化橡膠。 1868年，英國(guó)科學(xué)家年，英國(guó)科學(xué)家Parks用硝化纖維素與樟腦混合制得用硝化纖維素與樟腦混合制得 賽璐珞。賽璐珞。 1893年，法國(guó)人年，法國(guó)人De Chardonnet發(fā)明發(fā)明粘膠纖維粘膠纖維。 1907年，第一個(gè)合成高分子年，第一個(gè)合成高分子酚醛樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂誕生。誕生。 1920年，德國(guó)人年，德國(guó)人Staud

13、inger發(fā)表了發(fā)表了“論聚合論聚合”的論文，的論文，提提 出了高分子的概念，并預(yù)測(cè)了聚氯乙烯和聚甲基丙烯出了高分子的概念，并預(yù)測(cè)了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的結(jié)構(gòu)。酸甲酯等聚合物的結(jié)構(gòu)。1953年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 1935年，年，Carothes發(fā)明發(fā)明尼龍尼龍66，1938年工業(yè)化。年工業(yè)化。 30年代，許多烯烴類加聚物被開(kāi)發(fā)出來(lái)，年代，許多烯烴類加聚物被開(kāi)發(fā)出來(lái)，PVC（19271937）, PMMA（19271931）, PS（19341937）, PVAc（1936）, LDPE（1939）。）。自由基聚合發(fā)展。自由基聚合發(fā)展。 高分子溶液理論高分子溶液理論在

14、在30年代建立，并成功測(cè)定了聚合物的年代建立，并成功測(cè)定了聚合物的分子量。分子量。Flory為此于為此于1974年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。 40年代，二次大戰(zhàn)促進(jìn)了高分子材料的發(fā)展，一大批年代，二次大戰(zhàn)促進(jìn)了高分子材料的發(fā)展，一大批重重要的橡膠和塑料要的橡膠和塑料被合成出來(lái)。丁苯橡膠（被合成出來(lái)。丁苯橡膠（1937）, 丁腈橡膠丁腈橡膠（1937）, 丁基橡膠（丁基橡膠（1940）, 有機(jī)氟材料（有機(jī)氟材料（1943）, 滌綸滌綸樹(shù)脂（樹(shù)脂（19401950）, ABS（1947）。）。 50年代，年代，Ziegler和和Natta發(fā)明發(fā)明配位聚合催化劑配位聚合催化劑，制得高，制得高密度

15、密度PE和有規(guī)和有規(guī)PP，低級(jí)烯烴得到利用，低級(jí)烯烴得到利用。1963年，年， Ziegler和和Natta分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 1956年，美國(guó)人年，美國(guó)人Szwarc發(fā)明發(fā)明活性陰離子聚合活性陰離子聚合，開(kāi)創(chuàng)了，開(kāi)創(chuàng)了高分高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先河。的先河。 50年后期至年后期至60年代，大量年代，大量高分子工程材料高分子工程材料問(wèn)世。聚甲問(wèn)世。聚甲醛醛（1956），聚碳酸酯（），聚碳酸酯（1957），聚砜（），聚砜（1965），聚苯醚），聚苯醚（1964），聚酰亞胺（），聚酰亞胺（1962）。）。 60年代以后，年代以后，特種高分子和功能高分子特種高分子和功能高分子得

16、到發(fā)展。得到發(fā)展。 特種高分子：特種高分子：高模量高強(qiáng)度、耐高低溫、耐輻射、高頻絕高模量高強(qiáng)度、耐高低溫、耐輻射、高頻絕緣、半導(dǎo)體等。緣、半導(dǎo)體等。 功能高分子：功能高分子：分離材料（離子交換樹(shù)脂、分離膜等）、導(dǎo)分離材料（離子交換樹(shù)脂、分離膜等）、導(dǎo)電高分子、感光高分子、高分子催化劑、高吸水性樹(shù)脂、醫(yī)電高分子、感光高分子、高分子催化劑、高吸水性樹(shù)脂、醫(yī)用高分子、藥用高分子、高分子液晶等。用高分子、藥用高分子、高分子液晶等。 為表彰在導(dǎo)電高分子的發(fā)展方面所作的貢獻(xiàn)，為表彰在導(dǎo)電高分子的發(fā)展方面所作的貢獻(xiàn)， 2000年，日本科學(xué)家年，日本科學(xué)家白川英樹(shù)（白川英樹(shù)（H.Shirakawa）、美國(guó)科學(xué)

17、家）、美國(guó)科學(xué)家黑格（黑格（A.J.Heeger）和麥克迪爾米德（）和麥克迪爾米德（A.G.MacDiarmid）分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 80年代以后，新的聚合方法和新結(jié)構(gòu)的聚合物不斷出現(xiàn)年代以后，新的聚合方法和新結(jié)構(gòu)的聚合物不斷出現(xiàn)和發(fā)展。和發(fā)展。 新的聚合方法：新的聚合方法：陽(yáng)離子活性聚合、基團(tuán)轉(zhuǎn)移聚合、活性陽(yáng)離子活性聚合、基團(tuán)轉(zhuǎn)移聚合、活性自由基聚合、等離子聚合等等；自由基聚合、等離子聚合等等； 新結(jié)構(gòu)的聚合物：新結(jié)構(gòu)的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星狀聚合物、樹(shù)枝狀聚合物、超支化聚合物、含富勒烯星狀聚合物、樹(shù)枝狀聚合物、超支化聚合物、含富勒烯(C60)聚合物等等。聚合物等等。人類活動(dòng)是高分子科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力。人類活動(dòng)是高分子科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力。第第1章章 問(wèn)題問(wèn)題1 、為什么說(shuō)高分子科學(xué)既是一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)，也是一門(mén)應(yīng)用科學(xué)？、為什么說(shuō)高分子科學(xué)既是一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)，也是一門(mén)應(yīng)用科學(xué)？2 、天然高分子有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？為什么要發(fā)展合成高分子？、天然高分子有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？為什么要發(fā)展合成高分子？3 、合成高分子的研究是經(jīng)歷一個(gè)怎么樣的過(guò)程？、