chaper 1_高分子的鏈結(jié)構(gòu)——第01講_緒論

1、高分子物理高分子物理Polymer Physics主講教師主講教師: 趙亞奇趙亞奇 Office：化工學(xué)院樓化工學(xué)院樓9#C407Tel加微信可加微信qq：81765176教教 學(xué)學(xué) 目目 的的o本課程是高分子材料科學(xué)與工本課程是高分子材料科學(xué)與工程系本科生的程系本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課，是，是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課和從事本專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課和從事本專業(yè)的科研、生產(chǎn)工作必備的理論的科研、生產(chǎn)工作必備的理論基礎(chǔ)?；A(chǔ)。o通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌掌握高分子物理的基本概念和基握高分子物理的基本概念和基本規(guī)律本規(guī)律，正確地理解和掌握高正確地理解和掌握高聚

2、物結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系聚物結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，為分析和解決高分子材料的科為分析和解決高分子材料的科研和生產(chǎn)中的問題提供堅(jiān)實(shí)的研和生產(chǎn)中的問題提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。理論基礎(chǔ)。o本課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)要側(cè)重于本課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)要側(cè)重于準(zhǔn)確理解準(zhǔn)確理解高分子物理的高分子物理的基本概基本概念和基本規(guī)律念和基本規(guī)律；o掌握高聚物結(jié)構(gòu)和性能之間的掌握高聚物結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系關(guān)系；o對(duì)對(duì)重要的公式重要的公式要會(huì)推導(dǎo)，要會(huì)推導(dǎo)，明確明確這些公式的這些公式的物理意義物理意義，結(jié)合課，結(jié)合課后的后的習(xí)題練習(xí)習(xí)題練習(xí)和和專專業(yè)實(shí)驗(yàn)業(yè)實(shí)驗(yàn)加深加深對(duì)高分子物理的理解。對(duì)高分子物理的理解。o使學(xué)生能順利學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)使學(xué)生

3、能順利學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)課，提高自學(xué)與更新本專業(yè)知課，提高自學(xué)與更新本專業(yè)知識(shí)的能力。識(shí)的能力。教教 學(xué)學(xué) 要要 求求請(qǐng)同學(xué)們例舉日常生活中用到或看到的請(qǐng)同學(xué)們例舉日常生活中用到或看到的高分子材料，并說說它們的優(yōu)缺點(diǎn)。高分子材料，并說說它們的優(yōu)缺點(diǎn)。高分子的種類高分子的種類塑塑 料料高分子的種類高分子的種類橡橡 膠膠高分子的種類高分子的種類合成纖維合成纖維高分子的種類高分子的種類涂涂 料料高分子的種類高分子的種類膠黏劑膠黏劑塑塑 料料合成纖維合成纖維橡橡 膠膠膠膠 黏黏 劑劑涂涂 料料天然高分子天然高分子生物物質(zhì)生物物質(zhì)POLYMER高分子家族高分子家族MACROMOLECULEBIO-MACRO

4、MOLECULE橡橡 膠：膠：約占整車重的約占整車重的3 3-6-6，其中輪胎約占橡膠件總重的其中輪胎約占橡膠件總重的7070，此外，此外，還有各種橡膠配件如膠管、膠帶、密封件、減振墊等約還有各種橡膠配件如膠管、膠帶、密封件、減振墊等約300300多件。多件。塑塑 料：料：約占整車重的約占整車重的9 9左右左右，主要應(yīng)用在汽車，主要應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)件和內(nèi)外裝件結(jié)構(gòu)件和內(nèi)外裝件，滿足，滿足轎車輕量化、提高安全性、節(jié)約能源消耗、降低生產(chǎn)成本等要求轎車輕量化、提高安全性、節(jié)約能源消耗、降低生產(chǎn)成本等要求車胎：丁苯橡膠，順丁橡膠，異戊橡膠，天然橡膠車胎：丁苯橡膠，順丁橡膠，異戊橡膠，天然橡膠車用玻璃：車

5、用玻璃：PC，PMMA保險(xiǎn)杠：保險(xiǎn)杠：PP，PC，PU，PA車用涂料：聚酯，車用涂料：聚酯，PAA，環(huán)氧，環(huán)氧車內(nèi)座椅，靠枕：聚氨酯泡沫，車內(nèi)座椅，靠枕：聚氨酯泡沫，PVC儀表盤：儀表盤：ABS轉(zhuǎn)向盤：轉(zhuǎn)向盤：PP，PU窗貼膜窗貼膜什么是高分子？什么是高分子？高分子：高分子：由由多多個(gè)個(gè)單元單元體通過聚合反應(yīng)連接而成的體通過聚合反應(yīng)連接而成的鏈狀分子。鏈狀分子。討論：討論：高分子高分子與小分子與小分子在結(jié)構(gòu)上在結(jié)構(gòu)上有什么差異？有什么差異？高分子量高分子量鏈狀結(jié)構(gòu)鏈狀結(jié)構(gòu)高分子結(jié)構(gòu)的多層次性高分子結(jié)構(gòu)的多層次性分子量的多分散性，不均一性分子量的多分散性，不均一性高聚物結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原因高聚物結(jié)構(gòu)復(fù)

6、雜的原因高分子的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)：高分子的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)：高分子是由成千上萬個(gè)（高分子是由成千上萬個(gè)（10103 310105 5 數(shù)數(shù)量級(jí)）相當(dāng)于小分子的結(jié)構(gòu)單元組成的。量級(jí)）相當(dāng)于小分子的結(jié)構(gòu)單元組成的。高分子鏈的柔順性：高分子鏈的柔順性：高分子鏈中單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，可以使主高分子鏈中單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，可以使主鏈彎曲而具有柔性。鏈彎曲而具有柔性。高分子鏈之間的作用力很大，互相之間可以發(fā)生交聯(lián)。高分子鏈之間的作用力很大，互相之間可以發(fā)生交聯(lián)。高分子凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性：高分子凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性：晶態(tài)、非晶態(tài)，球晶、串晶晶態(tài)、非晶態(tài)，球晶、串晶、單晶、伸直鏈晶等。其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)高分子材料的物、單晶、伸直鏈晶等。其聚集

7、態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)高分子材料的物理性能有很重要的影響。理性能有很重要的影響。高分子材料中常有一些添加劑，使分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。高分子材料中常有一些添加劑，使分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。緒緒 論論從小分子到大分子從小分子到大分子From little molecules to large molecules正烷烴同系物正烷烴同系物CHHHHCCHHHHHHCCHHHCHHHHH1 4氣體氣體罐裝液化氣罐裝液化氣5 11液體液體汽油汽油9 16中黏度液體中黏度液體柴油柴油16 25高黏度液體高黏度液體潤滑油和潤滑脂潤滑油和潤滑脂25 50結(jié)晶固體結(jié)晶固體石蠟和蠟燭石蠟和蠟燭50 1000半結(jié)晶固體半結(jié)晶固體紙板用膠黏劑或涂

8、料紙板用膠黏劑或涂料1000 5000韌性塑料固體韌性塑料固體各種瓶或容器各種瓶或容器3 6105纖維纖維外科手套、防彈衣外科手套、防彈衣碳原子數(shù)碳原子數(shù)n物質(zhì)狀態(tài)物質(zhì)狀態(tài)應(yīng)用應(yīng)用石蠟與聚乙烯結(jié)構(gòu)上的不同石蠟與聚乙烯結(jié)構(gòu)上的不同分子量增加分子量增加范德華力范德華力范德華力范德華力纏結(jié)纏結(jié)Entanglements 強(qiáng)度高強(qiáng)度高韌性好韌性好高分子鏈間的纏結(jié)高分子鏈間的纏結(jié)小分子小分子大分子大分子由小分子到大分子是由小分子到大分子是本質(zhì)上的變化！本質(zhì)上的變化！結(jié)構(gòu)上的改變，使大分子的性能發(fā)生了結(jié)構(gòu)上的改變，使大分子的性能發(fā)生了巨大的變化巨大的變化1. 大分子的合成與結(jié)構(gòu)大分子的合成與結(jié)構(gòu)1.1 自

9、由基聚合自由基聚合COOOCO COO2RR+H2C CH2H2CCH2RH2CCH2RCH2CH2CH2CH2RCH2CH2CH2CH2nRCH2CH2CH2CH2nRCH2CH2CH2CH3nimpurityRCH2CH2CH2CH2nRCH2CH2R2n+22CH2CH2n結(jié)構(gòu)單元或結(jié)構(gòu)單元或單體單元或單體單元或重復(fù)單元或重復(fù)單元或鏈節(jié)鏈節(jié)n 聚合度聚合度CH2HCnRR =HPolyethylene, PE, 聚乙烯聚乙烯R =CH3Polypropylene, PP, 聚丙烯聚丙烯R =ClPoly(vinyl chloride), PVC, 聚氯乙烯聚氯乙烯R =Polystyre

10、ne，PS，聚苯乙烯聚苯乙烯R =OCOCH3Poly(vinyl acetate), 聚醋酸乙烯聚醋酸乙烯R =OHPoly(vinyl alcohol)，PVA，聚乙烯醇聚乙烯醇OCH2CH2OCOCOOHnH(2n-1)H2O+1.2 逐步聚合逐步聚合H3CCH2OHH3CCOOH+H3CCH2OCOCH3+H2OHOCH2CH2OHHOOCCOOH+nnHOCH2CH2OCOCOOH結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元重復(fù)單元重復(fù)單元OCH2CH2OCOCOnOCH2CH2OCOCOnPoly(ethylene terephthalate), Dacron聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，PET

11、的確良的確良HNCOCH25nPolycaprolactam, Polyamide 6Nylon 6, 尼龍尼龍6, 尼龍尼龍-6，PA6H2CHNCOnO4mPolyurethane聚氨酯，聚氨酯，PUH2CHNCOCH2C4nHN6OPolyamide 6,6 Nylon 6,6尼龍尼龍66, 尼龍尼龍-66，PA66基本術(shù)語基本術(shù)語聚合物聚合物 polymer高聚物高聚物 high polymer高分子高分子 macromolecule大分子大分子 macromolecule聚合物分子聚合物分子 分子鏈分子鏈 高分子鏈高分子鏈高分子鏈結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)高分子鏈結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)o具有鏈狀結(jié)構(gòu)具有

12、鏈狀結(jié)構(gòu)o高分子的分子量是不均一的！高分子的分子量是不均一的！(多分散性多分散性)n高分子可以看成是由許多同系物組成的混合物高分子可以看成是由許多同系物組成的混合物n只能對(duì)高分子的分子量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到其只能對(duì)高分子的分子量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到其統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)平均值平均值2. History of Polymerso15世紀(jì)，天然橡膠，世紀(jì)，天然橡膠，Mayano1839年，天然橡膠的硫化，年，天然橡膠的硫化，C. Goodyearo1869年，賽璐珞年，賽璐珞(Celluloid), J. W. Hyatto1907年，酚醛塑料年，酚醛塑料(Bakelite), Leo Baekelando1920年，論

13、聚合反應(yīng)，年，論聚合反應(yīng)，Hermann Staudingero PVC，Teflon(PTFE), PS，PE, 丁鈉橡膠和丁苯橡膠丁鈉橡膠和丁苯橡膠o1938年，尼龍，年，尼龍，W. Carothers; 聚酯纖維聚酯纖維(1940)o1950s, 低壓低壓PE和和PP，Ziegler-Natta Catalysto 各種功能高分子材料各種功能高分子材料1869年年31歲的印歲的印刷工人約翰刷工人約翰海阿海阿特發(fā)明賽璐珞特發(fā)明賽璐珞1909年貝克蘭發(fā)明年貝克蘭發(fā)明酚醛樹脂酚醛樹脂1855年瑞士人奧蒂瑪斯把纖維素放在硝酸中得到硝年瑞士人奧蒂瑪斯把纖維素放在硝酸中得到硝化纖維素溶液，制得第一根

14、人造纖維；化纖維素溶液，制得第一根人造纖維；1883年查唐納脫把硝化纖維素放在酒精和乙醚中得年查唐納脫把硝化纖維素放在酒精和乙醚中得到溶液，得到人造絲；到溶液，得到人造絲；1839年年 美國人固特異美國人固特異(Charles Goodyear)發(fā)現(xiàn)天然橡膠與硫磺共發(fā)現(xiàn)天然橡膠與硫磺共熱后明顯地改變了性能，使它從熱后明顯地改變了性能，使它從硬度較低、遇熱發(fā)黏軟化、遇冷硬度較低、遇熱發(fā)黏軟化、遇冷發(fā)脆斷裂的不實(shí)用的性質(zhì)，變?yōu)榘l(fā)脆斷裂的不實(shí)用的性質(zhì)，變?yōu)楦挥袕椥?、可塑性的材料。富有彈性、可塑性的材料。GoodyearGoodyear（1800 - 18601800 - 1860） 如今，如今，Go

15、odyear（固特異）（固特異）是僅次于是僅次于Michelin（米其林）（米其林）和和Bridgestone（普利司通）（普利司通）的世界的世界第三大輪胎制造商第三大輪胎制造商 Polymer Science and Nobel Prize o1953, Hermann StaudingerH. Staudinger (1881-1965)“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”o1963， Karl Ziegler and Giulio NattaKarl Ziegler (1903-1979)Giulio

16、 Natta (1898-1973)for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers o1974, Paul J. FloryPaul J. Flory(1910-1985)for his fundamental achievements, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of the macromolecules o1991, Pierre-Gilles de Gennes for di

17、scovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers Pierre-Gilles de Gennes(1932 2007)o2000, Hideki Shirakawa, Alan J. Heeger and Alan G. MacDiarmid for the discovery and dev

18、elopment of conductive polymers Hideki Shirakawa(1936 )Alan J. Heeger(1936 )Alan G. MacDiarmid(19272007 )l l 我國我國高分子研究起步于高分子研究起步于50年代初，唐敖慶于年代初，唐敖慶于1951年，發(fā)表了年，發(fā)表了首篇高分子科學(xué)論文。首篇高分子科學(xué)論文。 l l 長春應(yīng)化所長春應(yīng)化所1950年年開始合成橡膠工作（王佛松，沈之荃）；開始合成橡膠工作（王佛松，沈之荃）；l l 馮新德馮新德20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代在北京大學(xué)開設(shè)高分子化學(xué)專業(yè)。在北京大學(xué)開設(shè)高分子化學(xué)專業(yè)。l l 何炳林何炳林

19、20世紀(jì)世紀(jì)50年代中期在南開大學(xué)開展了離子交換樹脂的年代中期在南開大學(xué)開展了離子交換樹脂的研究。研究。l l 錢人元于錢人元于1952年在應(yīng)化所建立了高分子物理研究組，開展了年在應(yīng)化所建立了高分子物理研究組，開展了高分子溶液性質(zhì)研究。高分子溶液性質(zhì)研究。l l 錢保功錢保功20世紀(jì)世紀(jì)50年代初在應(yīng)化所開始了高聚物粘彈性和輻射年代初在應(yīng)化所開始了高聚物粘彈性和輻射化學(xué)的研究?；瘜W(xué)的研究。l l 徐僖先生徐僖先生20世紀(jì)世紀(jì)50年初成都工學(xué)院（四川大學(xué)）開創(chuàng)了塑料年初成都工學(xué)院（四川大學(xué)）開創(chuàng)了塑料工程專業(yè)。工程專業(yè)。l l 王葆仁先生王葆仁先生1952年上海有機(jī)所建立了年上海有機(jī)所建立了PM

20、MA、PA6研究組研究組 我國高分子科學(xué)的發(fā)展我國高分子科學(xué)的發(fā)展中國高分子領(lǐng)域院士及從事的領(lǐng)域中國高分子領(lǐng)域院士及從事的領(lǐng)域馮新德馮新德 北大北大 高分子化學(xué)高分子化學(xué)王佛松王佛松 長應(yīng)化長應(yīng)化 順丁橡膠國產(chǎn)化順丁橡膠國產(chǎn)化沈芝荃沈芝荃 浙大浙大 高分子合成高分子合成林尚安林尚安 中山大學(xué)中山大學(xué) 高分子化學(xué)高分子化學(xué)沈家驄沈家驄 吉大吉大 功能高分子及生物大分子合成功能高分子及生物大分子合成卓仁喜卓仁喜 湖北大學(xué)湖北大學(xué) 生物高分子生物高分子 周其鳳周其鳳 北京大學(xué)北京大學(xué) 高分子液晶高分子液晶 高分子化學(xué)高分子化學(xué)高分子物理高分子物理高分子材料高分子材料與工程與工程錢人元錢人元 中化所中

21、化所 高分子物理，凝聚態(tài)物理的研究高分子物理，凝聚態(tài)物理的研究唐敖慶唐敖慶 吉大吉大 量子物理與統(tǒng)計(jì)在高分子中應(yīng)用量子物理與統(tǒng)計(jì)在高分子中應(yīng)用徐僖徐僖 四川大學(xué)四川大學(xué) 聚合物的加工成型理論聚合物的加工成型理論徐端夫徐端夫 化學(xué)所化學(xué)所 高分子物理及纖維材料高分子物理及纖維材料中科院化學(xué)中科院化學(xué)所何嘉松研所何嘉松研究員獲得究員獲得“Paul J. Flory Polymer Research Prize” o 在在2008年年P(guān)OLYCHAR 16先進(jìn)先進(jìn)材料世界論壇上，何嘉松研究員被材料世界論壇上，何嘉松研究員被授予授予“Paul J. Flory Polymer Research Pri

22、ze”，該獎(jiǎng)項(xiàng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)2000年年由國際由國際POLYCHAR委員會(huì)為紀(jì)念委員會(huì)為紀(jì)念高分子界著名科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲高分子界著名科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者得者Paul J. Flory而設(shè)立，用于表而設(shè)立，用于表彰對(duì)高分子科學(xué)和工程領(lǐng)域的概念彰對(duì)高分子科學(xué)和工程領(lǐng)域的概念、模型、理論、過程或發(fā)現(xiàn)有原始、模型、理論、過程或發(fā)現(xiàn)有原始創(chuàng)新和突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。創(chuàng)新和突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。o 何嘉松研究員因提出何嘉松研究員因提出“原位混雜原位混雜復(fù)合材料復(fù)合材料”的概念、發(fā)現(xiàn)的概念、發(fā)現(xiàn)“流變混流變混雜效應(yīng)雜效應(yīng)”及其產(chǎn)生于填充聚合物熔及其產(chǎn)生于填充聚合物熔體的條件，而成為本年度該獎(jiǎng)項(xiàng)的體的條件，而成為本年度

23、該獎(jiǎng)項(xiàng)的唯一獲獎(jiǎng)?wù)?。唯一獲獎(jiǎng)?wù)摺?3. 高分子物理的研究內(nèi)容高分子物理的研究內(nèi)容o高分子科學(xué)與工程的三個(gè)基礎(chǔ)性分支學(xué)科高分子科學(xué)與工程的三個(gè)基礎(chǔ)性分支學(xué)科n高分子化學(xué)高分子化學(xué) ( (合成方法與結(jié)構(gòu)控制合成方法與結(jié)構(gòu)控制) )n高分子物理高分子物理 ( (結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系) )n高分子工程高分子工程 ( (聚合反應(yīng)工程和高分子成型聚合反應(yīng)工程和高分子成型) ) 高分子科學(xué)是以高分子化合物為研究對(duì)象，在有機(jī)化學(xué)、高分子科學(xué)是以高分子化合物為研究對(duì)象，在有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展物理化學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展而成的一門新興學(xué)

24、科。而成的一門新興學(xué)科。高高 分分 子子 科科 學(xué)學(xué)高高 分分 子子 化化 學(xué)學(xué)研究聚合反應(yīng)基本原理，基本方法，聚研究聚合反應(yīng)基本原理，基本方法，聚合物性能與聚合反應(yīng)條件之間的相關(guān)性合物性能與聚合反應(yīng)條件之間的相關(guān)性原理以及聚合物合成與使用過程中所涉原理以及聚合物合成與使用過程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)過程。及的化學(xué)反應(yīng)過程。研究聚合物的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，與其各研究聚合物的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，與其各種物理、機(jī)械性能之間的關(guān)系，以及高種物理、機(jī)械性能之間的關(guān)系，以及高聚物中分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，是溝通合聚物中分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，是溝通合成與應(yīng)用的橋梁。成與應(yīng)用的橋梁。高高 分分 子子 物物 理理高高 分分 子子

25、 加加 工工從應(yīng)用的角度研究各種類型聚合物加工從應(yīng)用的角度研究各種類型聚合物加工成型的原理與工藝條件，影響因素和設(shè)成型的原理與工藝條件，影響因素和設(shè)備等。備等。功能高分子功能高分子高分子的結(jié)構(gòu)高分子的結(jié)構(gòu)高分子的運(yùn)動(dòng)高分子的運(yùn)動(dòng)高分子的性能高分子的性能高分子結(jié)高分子結(jié)構(gòu)與性能構(gòu)與性能的聯(lián)系的聯(lián)系物理：物理：物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)。物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)。 亞里士多德亞里士多德高分子物理：高分子物理：高分子高分子的運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)的的運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)的高分子。高分子。高分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容高分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容o高分子的鏈結(jié)構(gòu)高分子的鏈結(jié)構(gòu)(單個(gè)高分子鏈的結(jié)構(gòu)單個(gè)高分子鏈的結(jié)構(gòu))n包括：包括：單個(gè)高分子鏈的構(gòu)造與構(gòu)型、單個(gè)高分單個(gè)高分子鏈的構(gòu)造與構(gòu)型、單個(gè)高分子鏈的大小、形態(tài)子鏈的大小、