1高分子科學(xué)導(dǎo)論

IntroductiontoPolymerScience

2為什么把“高分子科學(xué)導(dǎo)論”作為化學(xué)學(xué)科本科生的基礎(chǔ)課？化學(xué)一級(jí)學(xué)科的五個(gè)二級(jí)學(xué)科

無機(jī)、分析、物化、有機(jī)、高分子

高分子科學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系生命科學(xué)信息科學(xué)材料科學(xué)環(huán)境科學(xué)

農(nóng)業(yè)科學(xué)高分子科學(xué)

1972的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者P.J.Flory說，高分子科學(xué)既是一門基礎(chǔ)科學(xué)，又是一門應(yīng)用科學(xué)。在美國，從事化學(xué)研究的人當(dāng)中，有1/2到2/3的人從事與高分子科學(xué)有關(guān)的研究。3高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行”——衣5高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行”——住6高分子科學(xué)的重要性“衣、食、住、行”——行HyundaiQarmaQ

Lexan?（PC）

Xenoy

iQ?（PBT）

Noryl?（PPO）BayerAll-plastic-car

Makrolon（PC）

Desmopan（TPU）7塑料制品產(chǎn)量/萬t增長率/%構(gòu)成比/%薄膜528.714.118.9（其中農(nóng)用薄膜）86.111.53.1異型材/片材308.412.011.0管材288.115.110.3纖維301.334.110.8人造革/合成革136.722.54.9發(fā)泡制品113.022.24.0包裝箱/容器148.711.85.3日用品301.922.910.8其他675.014.524.1合計(jì)2,801.917.91002007年中國塑料制品產(chǎn)量及構(gòu)成9●高分子科學(xué)的基本概念●高分子化學(xué)與物理基礎(chǔ)●高分子材料的性能與應(yīng)用●高分子科學(xué)的研究與應(yīng)用前沿教學(xué)內(nèi)容101、緒論（2學(xué)時(shí)）2、高分子和合成與化學(xué)性質(zhì)（4學(xué)時(shí)）3、高分子的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系（2學(xué)時(shí)）4、高分子的表征與分析（2學(xué)時(shí)）5、熱塑性高分子（2學(xué)時(shí)）6、工程塑料（2學(xué)時(shí)）7、熱固性樹脂（2學(xué)時(shí)）教學(xué)大綱8、橡膠（2學(xué)時(shí)）9、纖維（2學(xué)時(shí)）10、涂料與粘合劑（2學(xué)時(shí)）11、功能高分子材料（2學(xué)時(shí)）12、高分子復(fù)合材料（2學(xué)時(shí)）13、天然高分子（2學(xué)時(shí)）14、超分子（2學(xué)時(shí)）15、高分子材料的添加劑（2學(xué)時(shí)）11ReferencebookJoelRFried,PolymerScienceandTechnology,2ndEd.2003，PearsonEducation,Inc.《聚合物科學(xué)與工程》，第二版（英文影印版），2005，化學(xué)工業(yè)出版社CharlesECharraher,GiantMolecules,2ndEd.2003,JohnWiley&Sons,Inc.HerbertMorawetz,Polymer-TheOriginsandGrowthofaScience,AWiley-IntersciencePublication,198513DefinitionandFoundation第一章緒論Monomer（單體）Amonomerisanysubstancethatcanbeconvertedintoapolymer.Structureunit（結(jié)構(gòu)單元）

Astructuralunitisabuildingblockofapolymerchain,andrelatedtotherepeatunit.Itistheresultofamonomerwhichhasbeenpolymerizedintoalongchain.Repeatingunit（重復(fù)單元）Arepeatingunitistheidenticalandrepeatedstructuralunitofthepolymer.CH2CH2CH2CH2()nrepeatingunitmonomerNH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+NH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()nmonomermonomerstructuralunitstructuralunitrepeatingunit14Dimers（二聚體）,Trimers（三聚體）……andOligomers（齊聚物）Adimer

canbeformedfromthereactionoftwomonomermolecules;thedimermayreactwithathirdmonomertoyieldatrimer,andsoon.Dimersareusuallylinearmolecules,buttrimers,

tetramers,pentamers,andsoon,canbelinearorcyclic.areknownasoligomers.Generally,moleculeswithfewerthan10repeatingunitsaretermedoligomers.NNNNH2NH2H2NL-lactideDimerofL-lacticacidOOOOMelamineTrimerofcyanamide15DefinitionandFoundationThedegreeofpolymerization,orDP,isthenumberofrepeatunitsinanaveragepolymerchain.EndgroupORterminalgroupCH2CH2()nCH3CH2CH2CH3TerminalgroupNH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()nHOOC(CH2)4CONH(CH2)6NH2TerminalgroupTerminalgroupTerminalgroup17根據(jù)高分子的加工特性分類：熱塑性聚合物（Thermoplastics）Thosepolymersthatcanbeheat-softenedinordertoprocessintoadesiredformarecalledthermoplastics.熱固性聚合物（Thermosets）Theyarepolymerswhoseindividualchainshavebeenchemicallylinkedbycovalentbondsduringpolymerizationorbysubsequentchemicalorthermaltreatmentduringfabrication.Classification

ofPolymers18根據(jù)高分子的使用用途劃分：塑料（Plastics）橡膠（Rubbers）纖維（Fiber）涂料（Coating）

粘合劑（Adhesive）功能高分子（Functionalpolymer）Classification

ofPolymers19Classification

ofPolymers按聚合物主鏈結(jié)構(gòu)劃分：碳鏈聚合物：主鏈上的原子均為碳原子的聚合物。Polyolefinanditsderivatives–C–C–、–C=C–雜鏈聚合物：聚合物主鏈中不僅含有碳原子還含有氮、氧、硫、磷等雜原子。元素有機(jī)聚合物：大分子主鏈中沒有碳原子，而是由硅、硼等無機(jī)原子和氮、氧、硫、磷構(gòu)成。Polysiloxane

–Si–O–Polyether

–O–Polyester

–OCO–Polyamide

–NHCO–Polyurethane

–NHOCO–Polyurea

–NHCONH–Polysulfone

–SO2–

Polythioether

–S–Polyphospahte

–OPOO–21

最常用的簡單命名法一般參照聚合物單體命名，對(duì)于一種單體聚合得到的聚合物直接在其單體名字前面加前綴“聚”（Poly）即可。PolymerNomenclatureCH2CH2CH2CH2()n聚乙烯（polyethylene）乙烯（ethylene）對(duì)于由兩種單體經(jīng)過縮聚反應(yīng)得到的均聚物按其結(jié)構(gòu)單元命名，并在名字前加前綴“聚”。NH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+NH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()n己二胺（hexamethylenediamine）聚已二酰己二胺（polyhexamethyleneadipamide）

己二酸（adipicacid）22PolymerNomenclature國際純粹化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（International

UnionofPureandAppliedChemistry,IUPAC）于1972年首次提出了聚合物的系統(tǒng)命名法。系統(tǒng)命名法基于聚合物的結(jié)構(gòu)，遵循以下程序原則：首先確定聚合物重復(fù)單元的結(jié)構(gòu)；然后按有機(jī)化合物標(biāo)準(zhǔn)命名法排好重復(fù)單元中次級(jí)單元（Subunit）的次序后重復(fù)單元命名；最后在重復(fù)單元前加上前綴“聚”，就成為聚合物的名稱。OOOCH2()nCCH2CH2OOOp-dioxanone對(duì)二氧環(huán)己酮poly1,4-dioxan-2-oneIUPAC：聚1,4-二氧雜己烷-2-酮普通命名法：聚對(duì)二氧環(huán)己酮23HistoryofPolymerScienceStoneageBronzeageIronageSteelagePolymerageB.C.8000~B.C.4000B.C.4000~B.C.1000B.C.1000~A.D.1800A.D.1800~A.D.1900A.D.1900~Now25HistoryofPolymerScience第一階段：第一世界大戰(zhàn)爆發(fā)前，人工合成聚合物的出現(xiàn)C.Sh?nbein1846：第一種人造纖維-硝化纖維素J.W.Hyatt1868：第一種熱塑性塑料-賽璐珞1830：第一種硫化橡膠C.Goodyear1907：第一種熱固性塑料-BakeliteL.Baekeland26第二階段：1914-1942高分子科學(xué)的經(jīng)典階段主要代表人物：Staudinger,Mark,Meyer,Carothers,Schultz,Kuhn,Flory等產(chǎn)生了存在長鏈分子的概念；結(jié)晶學(xué)為某些大分子提供了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息；聚合的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)被闡明；在試圖分析長鏈分子結(jié)構(gòu)的物理序列結(jié)果的同時(shí)，提出了柔性“分子線團(tuán)”概念。第三階段：1942-1960經(jīng)典高分子科學(xué)達(dá)到充分成熟的階段Flory和Huggins似晶格模型導(dǎo)出高分子溶液熱力學(xué)性質(zhì);Debeye和Zimm發(fā)展光散射法研究高分子溶液性質(zhì)；Flory和Fox把熱力學(xué)和流體力學(xué)聯(lián)系起來，使高分子溶液的粘度、擴(kuò)散、沉降等宏觀性質(zhì)與分子的微觀結(jié)構(gòu)有了聯(lián)系；Williams,Landel,Ferry,Tobolsky,Rouse,Bueche,Zimm等在高分子聚集態(tài)的粘彈性質(zhì)的研究取得了重要的成果；Watson和Crick用X射線衍射法研究高分子晶態(tài)結(jié)構(gòu)，于1953年確定了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。HistoryofPolymerScience29

Staudinger的觀點(diǎn)一提出就遭到膠體論者的激烈反對(duì)，爭論持續(xù)了10年，但這一新觀點(diǎn)一開始并不為主流所認(rèn)同。諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)獲得者HeinrichWieland曾勸告Staudinger說：Dearcolleague,leavetheconceptoflargemoleculeswellalone:organicmoleculeswithamolecularweightabove5000donotexist.Purifyyourproducts,suchasrubber,thentheywillcrystallizeandprovetobelowermolecularsubstances.”1926年瑞典化學(xué)家T.Svedberg等人設(shè)計(jì)并用超離心機(jī)測定出蛋白質(zhì)的分子量。1928年K.H.Meyer和H.F.Mark用X射線技術(shù)測定纖維素和天然橡膠中大分子的晶區(qū)尺寸。1935年W.H.Carothers在Staudinger的理論基礎(chǔ)上合成出了尼龍。30HedeservesadoublecreditinthehistoryofpolymerssincenotonlydidhisteamatDuPontdevelopthefirstcommercialsyntheticelastomer(polychloroprene),whichisstillcommerciallyandtechnicallyimportanttoday,butalso,afewyearslater,hewasresponsibleforthediscoveryofarguablyoneofthegreatestfamiliesofplastics(NylonandPolyesters)evercommercialized.Hewasthepioneerofcondensationpolymerization;Hisworkledtonylonfibersandmodernmeltspinningtechnology.1896～1937WallaceH.Carothers31

TheNobelPrizeinChemistry1963“Fortheirdiscoveriesinthefieldofthechemistryandtechnologyofhighpolymers"KarlZiegler

Max-Planck-InstituteforCarbonResearch,Mülheim/Ruhr,FederalRepublicofGermanyb.1898d.1973GiulioNattaInstituteofTechnology

Milan,Italyb.1903d.197920世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)和發(fā)展了Ziegler-Natta催化劑第一章緒論32

USA,StanfordUniversity,Stanford,CA,USAb.1910d.1985TheNobelPrizeinChemistry1974“Forhisfundamentalachievements,boththeoreticalandexperimental,inthephysicalchemistryofthemacromolecules"Flory在大分子物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論兩方面做出了根本性貢獻(xiàn)。PaulJ.Flory33

RockefellerUniversity,NewYork,NY,USAb.1921d.2006

"forhisdevelopmentofmethodologyforchemicalsynthesisonasolidmatrix"1974年將功能化的聚苯乙烯用于多肽和蛋白質(zhì)的合成，大大提高了涉及生命物質(zhì)合成的效率并縮短了合成時(shí)間。RobertBruceMerrifieldTheNobelPrizeinChemistry198434Pierre-GillesdeGennes，TheNobelPrizeinPhysics1991France,CollègedeFrance,Paris,Franceb.1932.d.2007提出“軟物質(zhì)”的概念，建立高分子物理的現(xiàn)代理論，如蛇行理論等"fordiscoveringthatmethodsdevelopedforstudyingorderphenomenainsimplesystemscanbegeneralizedtomorecomplexformsofmatter,inparticulartoliquidcrystalsandpolymers"35AlanJ.Heeger

UniversityofCalifornia

SantaBarbara,CA,USAb.1936AlanG.