高分子化學(xué)課件1

高分子化學(xué)PolymerChemistry1第一章緒論〔一〕21.高分子科學(xué)的歷史和開展2.高分子的重要性和特點(diǎn)3.高分子化學(xué)在學(xué)科中的地位4.高分子化學(xué)的研究趨勢(shì)5.高分子材料的應(yīng)用和未來3何為高分子？分子量大〔≥10,000〕由重復(fù)單元鏈接而成長(zhǎng)徑比：103~105Polyamideimide/聚酰胺酰亞胺的立體示意圖4高分子/Polymer單體/Monomer合成高分子——由單體聚合而成通過不同的聚合反響5COOCOHOCOHCHHHHCOHOCOHOCOHCHOHHHH+n帶雙官能團(tuán)的化合物逐步聚合帶雙鍵的烯類化合物CCHHHH連鎖聚合CCHHHHn6高分子科學(xué)成型、加工聚合結(jié)構(gòu)性能改性高分子化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用合成天然高分子分子運(yùn)動(dòng)高分子工程高分子物理高分子化學(xué)7學(xué)科：高分子科學(xué)高分子化合物合成結(jié)構(gòu)性能高分子材料的應(yīng)用成型加工根底性學(xué)科應(yīng)用性學(xué)科8

歷史的劃分人類開展的歷史證明，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和利用，都會(huì)把人類支配和改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平，給社會(huì)生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大的變化，把人類物質(zhì)文明和精神文明向前推進(jìn)一步歷史的劃分材料人類文明9舊石器

數(shù)百萬(wàn)年前

新石器

數(shù)十萬(wàn)年前青銅器

數(shù)千年前

鐵器

數(shù)千年前10高分子時(shí)代〔20世紀(jì)下半葉〕三大合成材料：塑料、橡膠、纖維其他合成材料：涂料、膠粘劑復(fù)合材料功能高分子材料

??????〔200年不到〕——O.Vogl,G.D.Jaycox,“TrendsinPolymerScinece〞11無處不在的高分子服裝、面料玩具、生活用品電氣產(chǎn)品外殼、絕緣體包裝、裝飾材料涂料、粘合劑隱形眼鏡

衣食住行，無處不在！12價(jià)廉輕便強(qiáng)度高易于加工成型性能易于控制使用安全廢棄物易于處理

食品的生產(chǎn)和儲(chǔ)存健康、醫(yī)療建筑能源開發(fā)和利用娛樂、體育軍事、航空、航天

以塑代鋼——在一定程度上，工程塑料的強(qiáng)度已經(jīng)超過了鋼鐵可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域13全世界高分子材料已超過2億噸，雖然重量不及鋼鐵，但由于其比重僅為鋼鐵的1/7~1/8，因此，世界高分子材料總體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼鐵。興旺國(guó)家鋼鐵的產(chǎn)量根本已經(jīng)穩(wěn)定了，但高分子材料的產(chǎn)量還在增長(zhǎng)高分子材料具備金屬和陶瓷等材料的性能特點(diǎn)，在幾乎所有的應(yīng)用領(lǐng)域大量地取代它們，甚至綜合性能更優(yōu)良。高分子材料的開展和應(yīng)用，是20世紀(jì)改變?nèi)祟惿睢⑸a(chǎn)的20項(xiàng)創(chuàng)造之一14每年全球生產(chǎn)超過2億噸聚合物材料以滿足全世界的60億人的使用需要。在這一生產(chǎn)過程，只消耗了全球原油年產(chǎn)量的4%。比較而言，全球每年采伐的木材量所等效的石油消耗卻要比聚合物大一個(gè)數(shù)量級(jí)。與全球每年產(chǎn)生的約500億噸生物物質(zhì)相比，聚合物的產(chǎn)量是如此的微缺乏道。然而，聚合物材料的使用卻對(duì)全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了巨大的影響，它對(duì)美國(guó)GDP的奉獻(xiàn)到達(dá)4%。當(dāng)全世界人口比現(xiàn)在翻一番時(shí)，聚合物的生產(chǎn)規(guī)模可能是現(xiàn)在的三倍甚至四倍。能源消耗量效比15木材棉麻絲毛漆橡膠皮革各種樹脂

各種天然的高分子材料皮革的鞣制棉麻的絲光處理

改性日常生活和生產(chǎn)創(chuàng)立前——蒙昧期(不知道其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu))高分子科學(xué)的歷史(時(shí)間短卻開展迅猛)16合成樹脂：德國(guó)開發(fā)出酚醛樹脂〔1907年〕作為絕緣材料：俗稱電木醋酸纖維和塑料、醇酸樹脂、聚乙烯醇

學(xué)科創(chuàng)立：本階段的末期，高分子科學(xué)作為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科初步建成天然高分子的改性：橡膠的硫化〔1839年〕，使天然橡膠實(shí)用化硝基纖維素創(chuàng)造推動(dòng)塑料工業(yè)的開展〔1868年〕P－OH+HNO3P－ONO2+H2O第一階段——高分子科學(xué)的創(chuàng)立(19世紀(jì)30年代-1930年)17高分子和聚合的概念得到普遍的接受第二階段——重要開展階段〔1930-1960年〕1936年，以纖維素乙?；昂蠓肿恿孔兓瘶O小的實(shí)驗(yàn)事實(shí)再次證實(shí)“鏈?zhǔn)酱蠓肿莹曈^點(diǎn)的正確性，終于得到化學(xué)界普遍認(rèn)可H.Staudinger(1881-1965)Germany1926年，依據(jù)測(cè)定聚茚氫化前后分子量變化極小的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，提出了“鏈?zhǔn)酱蠓肿莹暩拍睢曹幔阂环N烴類液體[indene]C9H8，很易聚合〕高分子的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，最終被確立NobelPrize,1953Staudinger十年間兩次提出1920年，發(fā)表了他劃時(shí)代意義的文獻(xiàn)?論聚合?,提出了大分子是由大量的小分子聚合起來的概念18塑料和工程塑料：尼龍-66的工業(yè)化生產(chǎn)〔1938年〕有機(jī)玻璃〔合成聚甲基丙烯酸甲酯〕聚苯乙烯的工業(yè)化環(huán)氧樹脂ABS樹脂合成橡膠：丁二烯及其共聚類(如聚丁二烯、丁氰、丁苯、丁基等)

聚氨酯在材料開發(fā)及其應(yīng)用方面都得到了很大的開展聚酯纖維腈綸合成纖維：19聚氯乙烯聚苯乙烯聚醋酸乙烯酯聚甲基丙烯酸甲酯高壓聚乙烯丁苯橡膠丁腈橡膠氯丁橡膠聚四氟乙烯ABS樹脂

科學(xué)研究鏈?zhǔn)阶杂苫酆戏错懤碚摴I(yè)化縮聚反響理論縮聚反響理論鏈?zhǔn)阶杂苫酆戏错懤碚?0到40年代工業(yè)合成20可以實(shí)現(xiàn)分子鏈立體構(gòu)象的控制制備出高密度線型PE和等規(guī)PP

KarlZiegler(1898-1973)Germany烯烴聚合中的有機(jī)金屬混合物催化劑高密度聚乙烯(HighdensityPolyethylene,HDPE)GiulioNatta(1903-1979)Italy立構(gòu)規(guī)整聚合物等規(guī)聚丙烯(Polypropylene,PP)NobelPrize,1974Ziegler-Natta催化劑及其配位聚合〔1963〕

活性陰離子聚合可以實(shí)現(xiàn)分子鏈結(jié)構(gòu)和形狀的控制，開發(fā)了聚甲醛、聚氨酯等2150年代，美國(guó)化學(xué)家P.J.Flory提出了高分子溶液的格子模型，創(chuàng)立了高分子溶液的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)和高分子構(gòu)象的統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面的根底理論，大大促進(jìn)了高分子物理以至整個(gè)高分子科學(xué)的開展PaulJ.Flory(1910-1985),USAPrinciplesofPolymerChemistry?高分子化學(xué)原理?,1953;StatisticalMechanicsofChainMolecules?長(zhǎng)鏈分子的統(tǒng)計(jì)力學(xué)?,1979NobelPrize,1974

高分子物理Pierre-GillesdeGennes(1932-),FranceScalingConceptsinPolymerPhysics?高分子物理學(xué)的標(biāo)度概念?,1985NobelPrize,199122有機(jī)化學(xué)高分子化學(xué)物理化學(xué)物理學(xué)數(shù)學(xué)電子學(xué)各種工程學(xué)生物學(xué)醫(yī)藥學(xué)其它化學(xué)化工機(jī)械

高分子科學(xué)交叉滲透融合高分子物理高分子工程鏈結(jié)構(gòu)溶液性質(zhì)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)性能

成型加工合成、改性、分子設(shè)計(jì)23第三階段——全面開展階段〔20世紀(jì)60年代以后〕材料：新的材料不斷涌現(xiàn)，無法列舉，得到全面應(yīng)用科學(xué)研究：各種聚合理論趨于成熟，體系完善

高性能化光敏性高分子、高分子半導(dǎo)體和導(dǎo)體、光導(dǎo)體、高分子別離膜、高分子試劑和催化劑、高分子藥物等方面的研究與應(yīng)用都取得巨大進(jìn)展。這是功能高分子和生物醫(yī)用高分子理論和材料大開展時(shí)期

多功能化24結(jié)構(gòu)物性合成與改性分子設(shè)計(jì)高分子科學(xué)的更高、更新階段高分子化學(xué)的重任

通過建立結(jié)構(gòu)與性能、功能之間的關(guān)系，合成具有指定結(jié)構(gòu)及性能與功能的聚合物，或者通過改性提高性能，通過修飾等手段賦予聚合物新的功能。實(shí)現(xiàn)聚合物的分子設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)用需求25研究趨勢(shì)和前沿新型、有用的高分子化合物的分子設(shè)計(jì)新的聚合反響的研究新的聚合方法的研究26可控制反響物空間立構(gòu)、聚合物相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布的所謂可控聚合活性聚合、酶催化聚合、微生物催化聚合新型功能高分子材料的設(shè)計(jì)及合成基于分子識(shí)別、分子有序組裝的分子設(shè)計(jì)、組裝化學(xué)和組裝方法包括分子改性和外表改性在內(nèi)的聚合物改性方法和原理27具有耐高溫、高強(qiáng)度、高模量“三高〞性能的聚合物分子設(shè)計(jì)及合成醫(yī)用高分子和生物大分子的改性、結(jié)構(gòu)及功能化研究納米聚合物的合成及應(yīng)用各種有機(jī)－無機(jī)分子內(nèi)雜化高分子材料的分子設(shè)計(jì)與合成環(huán)境問題28高分子的應(yīng)用和未來高性能化合成新的高分子改性通過新聚合反響控制分子結(jié)構(gòu)(如:陰離子活性聚合)通過聚合方法和聚合過程的控制、提高性能(如:齊格勒納塔聚合)多功能化除機(jī)械性能外，高分子還具特定功能：光導(dǎo)性導(dǎo)電性光敏性光致變色性磁性生物活性液體性催化性高度選擇能力的反響活性對(duì)特定金屬離子的螯合性透過特定氣體

29復(fù)合化高性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是新材料革命的一個(gè)重要方向。如，以玻璃纖維增強(qiáng)材料為主的復(fù)合材料不僅在當(dāng)前已進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用階段，而且在將來仍會(huì)有所開展。

30支柱先進(jìn)材料能源環(huán)境結(jié)構(gòu)材料軍事航空、航天

三大材料金屬陶瓷

高分子根底先導(dǎo)應(yīng)用前景31防熱材料有機(jī)硅聚合物處理的陶瓷纖維隔熱層覆蓋在神舟五號(hào)返回艙外表：有機(jī)硅聚合物良好的耐上下溫性能使之在高空低溫和大氣層再入時(shí)的高溫環(huán)境中得以延長(zhǎng)器件的壽命外外表溫度超過1000?C,內(nèi)部溫度約30?C

高比強(qiáng)、高比模結(jié)構(gòu)材料

超低溫，超高溫防護(hù)材料吸收電磁波、聲波的隱身材料減震、降噪的阻尼材料

航天器用高分子材料32高比強(qiáng)、高比模結(jié)構(gòu)材料33F-22的材料組成34F-22的動(dòng)力：F-119發(fā)動(dòng)機(jī)F119發(fā)動(dòng)機(jī)正在執(zhí)行用樹脂基復(fù)合材料取代鈦合金制造風(fēng)扇送氣機(jī)區(qū)的方案，可節(jié)省結(jié)構(gòu)重量6.7公斤，并正在考慮用樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片取代現(xiàn)在的鈦合金空心風(fēng)扇葉片，以期減輕結(jié)構(gòu)重量30％。35防彈玻璃由數(shù)層玻璃和聚乙烯醇縮丁醛(PVB)膠片粘結(jié)而成的特種夾層玻璃。56式7.62mm沖鋒槍，56式7.62mm普通彈(鋼芯)，15米距離射擊三發(fā)，彈速約750m/s，彈著點(diǎn)100±10mm呈正三角形，防彈玻璃背部沒有飛濺物，背部玻璃外表光滑，彈傷深度≤5mm。玻璃和高分子的復(fù)合材料36——帶有特異功能特種合成纖維調(diào)溫纖維——能夠調(diào)節(jié)自身環(huán)境溫度。環(huán)境溫度上升時(shí)，有儲(chǔ)熱作用；溫度下降時(shí)，放出熱量保溫纖維——能隔絕外界雨、雪、風(fēng)、霜侵入到人體皮膚，同時(shí)也能將皮膚上的汗水排放到大氣中去，具備天然纖維〔棉、麻、絲等〕的功能呼吸纖維——具有防水透氣性，能透過人體汗液蒸發(fā)的水蒸氣，但卻透不過雨水，即具有兩種相逆的功能防暑纖維——具有親水性，可防出汗、防悶熱，穿著舒適記憶纖維——可永遠(yuǎn)保持形狀不變彈性纖維——彈性纖維適宜動(dòng)作和身體伸展。使用的聚氨酯纖維，其彈性可接近橡膠37高強(qiáng)纖維的代表:Kevlar抗拉強(qiáng)度3.4GPa模量〔59～190〕GPa斷裂伸長(zhǎng)5%蜘蛛絲強(qiáng)度優(yōu)于Kevlar斷裂伸長(zhǎng)達(dá)30%復(fù)合材料生物醫(yī)學(xué)降落傘繩索頭盔、防彈背心38和體育結(jié)緣最初的臺(tái)球是用象牙制成，量稀而貴，有人懸賞1萬(wàn)美元征求制造臺(tái)球的替代材料。1869年，美國(guó)人海厄特把硝化纖維、樟腦和乙醇的混合物在高壓下共熱，然后在常壓下硬化成型制出了廉價(jià)臺(tái)球，贏得了這筆獎(jiǎng)金。這種由纖維素制得的材料就是賽璐珞39撐竿跳——器械的勝利

材質(zhì)：木、竹、合金、玻纖復(fù)合材料、碳纖復(fù)合材料40

不管是遺傳現(xiàn)象，或是酶的活動(dòng)，都與高分子物質(zhì)有密切的關(guān)系。在人體中，最重要的高分子物質(zhì)莫如蛋白質(zhì)和核酸。高分子科學(xué)家已經(jīng)開始探索如何去合成或模擬天然的高分子——也就是具有生物活性的高分子，因?yàn)樘烊坏膭?dòng)、植物本身就是由高分子所組成的。一旦能夠合成生物高分子，就可以合成局部生物組織或器官，在解救人的生命的旅程中又可大大地向前邁一步了高分子——生命活動(dòng)的根本物質(zhì)生命活動(dòng)是各式各樣的：新陳代謝、肌肉收縮、神經(jīng)傳導(dǎo)以至于傳種接代(遺傳現(xiàn)象)等等。不管哪種活動(dòng)，都需要有生物酶的參與。遺傳現(xiàn)象那么更是十分神秘而復(fù)雜的生命活動(dòng)現(xiàn)象41生物醫(yī)用高分子材料——生命科學(xué)和材料科學(xué)的交叉生物材料是指與體液接觸的異體材料，除少數(shù)金屬、陶瓷和碳素外，絕大局部是橡膠、纖維、模制塑料等合成高分子材料。全世界在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的高分子材料就有90多個(gè)品種、1800余種制品。西方國(guó)家在醫(yī)學(xué)上消耗的高分子材料每年以10%-20%的速度增長(zhǎng)人體替代和修復(fù)材料醫(yī)療器械、醫(yī)護(hù)用品藥用高分子

●●●●●●智能型

復(fù)合型功能型42生物相容性好，不引起刺激、炎癥、致癌和過敏等反響生物活性優(yōu)異生物降解性好化學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)惰性無毒無副作用容易制備、純化、加工和消毒有所需的物理性能(尺寸、強(qiáng)度、彈性、滲透性等)，并能在使用期間保持其不變，抗老化、耐疲勞對(duì)生物醫(yī)用高分子材料的要求43CHEMTECH,1983,13,542-55SiliconemedicaldevicesandtheBody人造胰臟形同鈕扣，Φ2.5x0.5cm,在兩層高分子膜之間夾裝從豬胰臟中取出的可分泌胰島素的細(xì)胞。外部用硅包封裝，減輕排異反響人工器官

人工心臟：聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂

人工肺：硅橡膠半透膜

關(guān)節(jié)(肩、髖、膝):聚四氟乙烯

人工腎：透析膜

人工血管、人造血液

人工皮膚

??????目前，從天靈蓋到腳趾骨，從人體的內(nèi)臟到皮膚，從血液到五官，除了腦以及大多數(shù)內(nèi)分泌器官外，大都有了代用的人工器官44人造心臟聚醚型聚氨酯聚酯編織管環(huán)氧樹脂聚酯硅油45人工骨Resomer?ResorbablePolyester：Polylactide,Polyglycolideorthecopolymers—BoehringerIngelheimKG46如：以乳酸為主要成分的可降解聚合物和促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的磷酸三鈣制成薄片，敷貼在骨骼受損傷的部位，周圍的骨骼細(xì)胞不久就會(huì)再生出新骨。而薄片中的可降解物質(zhì)可自然分解，乳酸和磷酸三鈣那么在體內(nèi)進(jìn)行新陳代謝乳酸是乳酸桿菌產(chǎn)生的一種碳水化合物，是生物體中常見的天然化合物。通過乳酸環(huán)化二聚物的化學(xué)聚合或乳酸的直接聚合可以得到高分子量的聚乳酸。聚乳酸(PLA)性能：制品具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及很好的生物降解性，并且在可降解熱塑性高分子材料中PLA具有最好的抗熱性原料：可從谷物中取得，其制品廢棄后在土壤或海水中經(jīng)微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時(shí)不會(huì)散發(fā)毒氣，不會(huì)造成污染47再生骨所用的高分子材料具有良好的力學(xué)性能而作為承力替代物，同時(shí)具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，新生骨組織在其上以爬行方式生長(zhǎng)，一定程度上可使骨缺損尺寸降低到可自身修復(fù)的程度。依據(jù)缺損骨頭的形狀，用高分子材料作成支架，在上面“種〞上成骨細(xì)胞，再植入體內(nèi)。材料為細(xì)胞提供養(yǎng)份，當(dāng)骨頭漸漸長(zhǎng)成后，支撐材料隨之降解、吸收而消失48藥用高分子(藥物的控制釋放)控制釋放速度在需要的時(shí)間范圍內(nèi)以一定的速度在體內(nèi)緩慢釋放控制釋放地點(diǎn)靶向控制釋放體系，使藥物在預(yù)定的部位按設(shè)計(jì)的劑量富集于病灶處緩釋膠囊

體系不僅能提高藥效，簡(jiǎn)化給藥方式，大大降低了藥物的毒副作用49硅橡膠醫(yī)療制品用硅橡膠制造的醫(yī)療器械—DowCorning醫(yī)用硅橡膠是最早也是最成功的商品化醫(yī)用