1、高高 分分 子子 化化 學學Polymer Chemistry主講教師： 余木火、顧 莉 琴東 華 大 學 材 料 學 院化學化學分析化學分析化學無機化學無機化學有機化學有機化學物理化學物理化學高分子化學高分子化學高高 分分 子子 化化 學學第一章第一章 緒緒 論論第一節第一節 高分子科學研究的范圍和內容高分子科學研究的范圍和內容第二節第二節 高分子化合物的基本概念高分子化合物的基本概念第三節第三節 高聚物的結構高聚物的結構第四節第四節 高分子化合物的命名高分子化合物的命名第五節第五節 高聚物合成方法簡介高聚物合成方法簡介一、高分子科學的研究范圍衣：棉、麻、絲、毛及合成纖維食：糧食（淀粉）；肉

2、、蛋（蛋白質）?。耗静?、塑料、粘合劑、涂料行：汽車、自行車用的輪胎、塑料等 航天、航空中的復合材料 這些材料都是高分子化合物第一節第一節二、高分子科學研究的內容PolymerChemistryTechnicPhysics1 1、高分子化學、高分子化學 高分子化合物的合成高分子化合物的合成 高分子的合成機理、動力學 合成反應與高分子的分子結構、相 對分子質量和相對分子質量分布之 間的關系 高分子化合物的化學反應、改性、防高分子化合物的化學反應、改性、防 老化等老化等。2 2、高分子物理、高分子物理 高分子的表征 高分子化合物的物理性質 高分子化合物結構與性能之間的關系3 3、高分子工程學、高分子

3、工程學 高分子的生產工藝 高分子產品的成型 高分子科學把合成、結構、性能和應用這四方面的研究用“四角關系四角關系”表示：合成合成 結構結構應用應用 性能性能 高分子化學領域的研究目標高分子化學領域的研究目標： 創造新物質及提高已有物質的性能。 高分子化學具體的研究思路：高分子化學具體的研究思路： 研究高分子化合物的分子設計及合成； 研究高分子合成、改性的新聚合反應、新 聚合方法； 研究高分子有序結構及特定凝聚態結構的 控制合成或組裝方法。 三、高分子科學的發展概況與趨勢三、高分子科學的發展概況與趨勢 1 1、高分子科學的發展、高分子科學的發展概況概況 19世紀中葉以前 天然高分子的利用與加工1

4、9世紀中葉20世紀30年代 天然高分子的改性 18551855年 英國 Parks 由硝纖維素和樟腦制得賽璐塑料 18831883年 法國 de Chardoniret 發明了人造絲 2020世紀世紀2020年代年代 高分子概念的形成和高分子科學的出現高分子概念的形成和高分子科學的出現 19201920年 德國 staudingerstaudinger 提出了高分 子的長鏈結構，形成高分子高分子概念 2020世紀初開始合成高分子合成高分子 1907年 酚醛樹脂 1927年 聚氯乙稀 2020世紀3030年代高分子研究的發展時期 1938年 尼龍（聚酰胺）66 1950年 PAN (聚丙烯腈纖維

5、） 1953年 PET （聚酯纖維） 1957年 PP （聚丙烯纖維） 2 2、我國高分子科學研究概況、我國高分子科學研究概況 中國的高分子科學研究起步于2020世紀5050年代初 19501950年 合成橡膠和纖維素化學的研究 19521952年 有機玻璃和尼龍-6 19531953年 高分子溶液性質、高聚物粘彈性 及高分子輻射化學的研究 5050年代末 高分子化學首先發展壯大并形 成學科基本內涵 6060年代中 高分子物理學科形成 8080年代后期 高分子工程領域初步形成 學科基礎研究內涵 3 3、高分子在現代化建設中的重要作用、高分子在現代化建設中的重要作用 高分子材料生產的發展速度十分

6、迅速 塑 料： 每隔十年產品增加1倍 合成橡膠：1970年 世界總產量550萬噸 2000年 世界總產量4400萬噸 合成纖維：80年代中期年產量已超過其它 各種天然纖維和人造纖維的總和 高分子材料在工業、農業、交通運輸、 建筑、國防科學、衛生醫藥、人民生活各 個方面都得到廣泛的應用。4 4、高分子化學的發展方向、高分子化學的發展方向（1 1）對重要通用高分子的改進，提高其）對重要通用高分子的改進，提高其使用性能和附加值。使用性能和附加值。 化學共聚、交聯、大分子基團反應 物理共混、增強、增塑、復合 差別化 高分子復合材料（3 3）高分子應用基礎和基礎理論的）高分子應用基礎和基礎理論的 研究研

7、究聚合理論、反應機理、聚合方法改性方法聚合反應引發體系新類型聚合物合成 高分子設計理論返回一、高分子化合物的特征一、高分子化合物的特征 1 1、分子量大、分子量大v低分子化合物：H2O 18O2 32SO2 64v高分子化合物： 天然纖維素 2,000,000 粘膠 48,00070,000 PET 20,000 PVA 75,00080,000第二節第二節 2 2、大分子具有鏈狀結構、大分子具有鏈狀結構- 大分子由基本鏈節（結構相同的、簡單的結構單元）通過共價鍵或配位鍵重復連接而成。 例如： 3 3、具有多分散性、具有多分散性 分子量有大小，即分子量的多分散性%& 結構也有差異，稱結構多分散

8、性 4 4、多種運動單元、多種運動單元 鏈段運動 基團振動 大分子運動（蠕動）聚乙烯大分子空間結構示意圖蛋白質大分子空間結構蛋白質大分子空間結構示意圖示意圖二、高分子的一些基本概念二、高分子的一些基本概念 1 1、單體（、單體（monomermonomer） 能夠形成聚合物中結構單元的小分子化合物稱為單體。 例如： 氯乙烯 2 2、聚合物（、聚合物（high polymerhigh polymer） 由相同的化學結構多次重復通過共價鍵或配位鍵連接而成的高分子化合物，稱聚合物。 3 3、單體單元（、單體單元（monomer unitmonomer unit） 由氯乙烯單體反應得到的聚氯乙稀，其結

9、構單元的元素、組成和排列都與單體相同，僅電子結構發生變化，故又稱單體單元。 4 4、結構單元（、結構單元（structure unitstructure unit） 聚氯乙稀這樣的聚合物，括號內的化學結構稱為結構單元。 5 5、重復單元（、重復單元（repeating unitrepeating unit） 聚氯乙稀分子鏈可以看作結構單元多次重復構成，因此括號內的化學結構也可稱為重復單元或鏈節（chain element）。 6 6、聚合度（、聚合度（degree of polymerigationdegree of polymerigation） 重復單元的數目，表征聚合物分子量大小的一個物

10、理參數。 還有一類聚合物是由兩種單體聚合生成高分子，如由己二胺和己二酸縮聚生成的聚己二酰己二胺（尼龍66） 這類聚合物的結構單元和重復單元含義不一樣，也不存在單體單元。三、分子量及分子量分布三、分子量及分子量分布 分子量是聚合物的重要結構指標，只有分子量很高的聚合物才具有高的機械強度。 隨著分子量增加（AB段），機械強度增加，但過了B點后，再提高分子量，強度上升很慢，C點為強度的飽和點。1 1、聚合物的平均分子量、聚合物的平均分子量 由于測定分子量的方法有多種，各種方法符合不同的統計數學模型，測定的統計平均值互不相等。 常見的分子量有以下幾種：常見的分子量有以下幾種：（1 1）數均分子量）數均

11、分子量 物理意義：物理意義：是各種不同分子量的分子所占的分數與其相對應的分子量乘積的總和。 測定方法：測定方法：聚合物稀溶液的冰點降低、沸點升高、滲透壓法和端基滴定法。 其中：分子量為Mi的大分子有ni個，相應的分子分數為Ni。（2 2）重均分子量）重均分子量 等于分子量乘上相應重量分數的加和 用光散射法測定 其中：分子量為Mi的大分子重量為wi， 相應的重量分數為Wi。（3 3）粘均分子量）粘均分子量 用聚合物稀溶液的特性粘度測定。 一般情況下，0.51 分子量多分散性 （2 2）分子量分布曲線）分子量分布曲線 一、高分子的化學結構一、高分子的化學結構（一次結構）（一次結構） 高分子化學結構

12、的多重性，包括： 1、結構單元的連接形式 2、立體異構 3、順反式結構 4、支鏈 5、交聯 第三節1 1、結構單元的連接形式、結構單元的連接形式 聚合物的序列結構序列結構：指聚合物大分子結構單元的連接方式。 乙烯基聚合物主要是頭-尾連接，少量頭-頭和尾-尾。例如：聚丙烯 （CH2-CH）n CH3v頭頭頭頭v頭頭尾尾v尾尾尾尾 2 2、立體異構、立體異構 大分子結構單元內的取代基可能有不同的排列方式形成立體異構立體異構 包括: 等規（全同）、等規（全同）、 間規（間同）、間規（間同）、 無規立構無規立構。3 3、順反式結構、順反式結構 主鏈中含有不飽和鍵時，可以出現順式和反式結構。順式1，4-

13、聚丁二烯 （橡（橡 膠）膠）反式1，4-聚丁二烯 （塑（塑 料）料） 4 4、支鏈（、支鏈（branched chainbranched chain） 支化高分子（接枝高聚物）支化高分子（接枝高聚物） 長支鏈、短支鏈、樹枝支鏈 LDPELDPE（低密度聚乙烯）比 HDPEHDPE（高密度聚乙烯）的大分子鏈 含有較多的支鏈。5 5、交聯（、交聯（crosslinkingcrosslinking） 高分子鏈之間通過支鏈連接成一個三維網狀體型分子稱為交聯結構。二、分子的二次和三次結構二、分子的二次和三次結構 高分子主鏈中常有單鍵，如（C-C單鍵），單鍵的旋轉使高分子鏈的構象發生變化，當完全伸展時為鋸

14、齒狀，也可以是無規纏結的柔軟線團、折疊鏈或螺旋狀等。這種單個分子鏈的構象結構稱為二次結構二次結構。 高分子鏈之間堆聚在一起可以有許多形式，可以是完全無規的無定形結構，也可以是有規的結晶，甚至二重螺旋結構，更多的為半結晶結構。這種高分子的聚集態結構稱為三次結構三次結構。蛋白質大分子空間結構蛋白質大分子空間結構示意圖示意圖二級結構二級結構三級結構三級結構四級結構四級結構高分子化學高分子化學的主要任務就是：合成具有指定化學結構及分子量大小、分子量分布的聚合物。第四節第四節 高聚物的命名高聚物的命名一、根據來源或制法命名一、根據來源或制法命名 很多聚合物的名稱是簡單的由單體或假想單體名稱前加一個“聚”

15、字而來，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀、聚甲基丙稀酸甲酯、聚乙烯醇等。 這種命名方法使用方便，又能把單體原料來源標明，所以已廣泛應用。第四節第四節二、根據聚合物的結構特征命名二、根據聚合物的結構特征命名 很多縮合聚合物是兩種單體通過官能團間縮合反應制得的，在結構上與單體有了差別。因此可根據結構單元的結構來命名，前面冠以“聚”字。 例如由對苯二甲酸和乙二醇制備的聚合物叫聚對苯二甲酸乙二酯，由己二胺和乙二酸反應制備的叫聚己二酰乙二胺等等。 三、根據商品命名三、根據商品命名1、用有機玻璃有機玻璃稱呼聚甲基丙烯酸類聚 合物 2、塑料類聚合物常加后綴“樹脂樹脂”3、將橡膠類的聚合物加上后綴“橡膠橡膠”4、將

16、應用作為纖維類的，在我國是用 “綸綸”作后綴的。 5、直接引用的國外商品名稱音譯四、四、IUPACIUPAC的系統命名法的系統命名法 為了避免聚合物命名中的多名稱或不確切而帶來的混亂，國際化學和應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry）提出了以結構為基礎的系統命名法系統命名法，其主要原則為：（1）確定聚合物的最小重復單元。 （2）排好重復單元中次級單元的次序。 （3）按小分子有機化合物的IUPAC命名法 來命名這個重復單元。（4）在此重復單元命名前加一個“聚聚”字。 按IUPACIUPAC命名比較嚴謹，但太繁瑣。除學術界

17、正式命名外尚不普及，IUPAC不反對繼續使用習慣命名習慣命名。第五節第五節 高聚物合成方法高聚物合成方法一、按單體和聚合物在組成和結構上發一、按單體和聚合物在組成和結構上發 生的變化分類生的變化分類1 1、加聚反應（、加聚反應（addition polymerigationaddition polymerigation） 烯類單體，通過打開雙鍵互相聯結起來而形成聚合物的反應。 例如: 聚苯乙烯的合成第五節第五節2 2、縮聚反應（、縮聚反應（polycondensationpolycondensation） 縮聚反應通常是經由單體分子的官 能團間的反應，在形成縮聚物的同時， 伴有小分子副產物的失去。 例如: 己二胺與己二酸的縮聚反應 二、按聚合反應機理和動力學分類二、按聚合反應機理和動力學分類 1 1、鏈、鏈( (增長）聚合（鏈式聚合，增長）聚合（鏈式聚合，chain chain