功能高分子材料2.pptx

功能高分子功能高分子1 绪论绪论本本本本章章章章内内内内容容容容1.1 1.1 高分子的基本概念高分子的基本概念高分子的基本概念高分子的基本概念1.2 1.2 聚合物的分类和命名聚合物的分类和命名聚合物的分类和命名聚合物的分类和命名1.6 1.6 线形、支链形和交联线形、支链形和交联线形、支链形和交联线形、支链形和交联1.5 1.5 大分子微结构大分子微结构大分子微结构大分子微结构1.41.4 分子量及其分布分子量及其分布分子量及其分布分子量及其分布1.3 1.3 聚合反应聚合反应聚合反应聚合反应（*）（）（*）1.7 1.7 聚集态和热转变聚集态和热转变聚集态和热转变聚集态和热转变1.8 1.8 高分子材料和力学性能高分子材料和力学性能高分子材料和力学性能高分子材料和力学性能教学目的及要求：教学目的及要求：1.掌掌握握：高高分分子子化化合合物物的的基基本本概概念念、聚聚合合反反应应的的分分类类方方法法；掌掌握握书书写写聚聚合合物物结结构构式式的的一一般般方方法法，掌掌握握聚聚合合物物平均分子量、分子量分布的几种表示方法；平均分子量、分子量分布的几种表示方法；2.熟熟悉悉：高高分分子子的的特特点点；线线型型、支支链链和和体体型型大大分分子子以以及及高分子的微观结构高分子的微观结构、聚合物的分类及几种命名方法、聚合物的分类及几种命名方法；3.了了解解：高高分分子子化化学学研研究究的的主主要要问问题题，了了解解聚聚合合物物分分子子量量、分分子子量量分分布布对对聚聚合合物物性性能能的的影影响响，聚聚合合物物的的物物理理状状态态和和主主要要性性能能、高高分分子子材材料料和和机机械械强强度度、高高分分子子化化学简史学简史 以及高分子科学及其工业发展历史和前景。以及高分子科学及其工业发展历史和前景。1.1 高分子的基本概念什么是高分子？什么是高分子？什么是高分子？什么是高分子？由由许许多多相相同同的的、结结构构简简单单的的单单元元(unit)通通过过共共价价键键(covalent bond)重复键接而成的相对分子质量很大的化合物。重复键接而成的相对分子质量很大的化合物。高分子高分子(大分子大分子)(macromolecule)高聚物高聚物 (high polymer)聚合物聚合物 (polymer)这些术语一般可以通用这些术语一般可以通用这些术语一般可以通用这些术语一般可以通用1.一一般般称称胰胰岛岛素素等等化化学学组组成成和和结结构构非非常常复复杂杂的的生生物物高高分分子子化化合合物物为为大大分子化合物，而称人工合成的塑料、橡胶和纤维等为聚合物或高聚物。分子化合物，而称人工合成的塑料、橡胶和纤维等为聚合物或高聚物。2.聚聚合合物物包包括括低低聚聚物物(oligomer)和和高高聚聚物物,但但通通常常所所称称的的聚聚合合物物即即指指高高聚物。聚物。低聚物（低聚物（Oligomer)：分子量较小的高分子化合物，重复单元数只有几个到十几分子量较小的高分子化合物，重复单元数只有几个到十几个。线型或环状结构。如聚乙二醇。个。线型或环状结构。如聚乙二醇。现在的倾向：现在的倾向：高分子的特征：高分子的特征：A、相对分子质量很大、相对分子质量很大-10-103 3 -10 -104 4 -10 -106 6 -低分子低分子低分子低分子 过渡区（齐聚物）过渡区（齐聚物）过渡区（齐聚物）过渡区（齐聚物）高聚物高聚物高聚物高聚物 超高分子量的聚合物超高分子量的聚合物超高分子量的聚合物超高分子量的聚合物一般高分子的分子量在一般高分子的分子量在104106B、共价键连接、共价键连接C、由相同的化学结构重复多次而成、由相同的化学结构重复多次而成高分子可看作是由许多重复单元所组成的一条长链高分子可看作是由许多重复单元所组成的一条长链 支链支链主链主链侧基侧基链原子链原子 构成高分子主链骨架的单个原子构成高分子主链骨架的单个原子聚丙烯聚丙烯聚乙二醇聚乙二醇高高 分分 子子单单 体体聚合反应聚合反应Polymerization能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。即成单元的小分子。即合成聚合物的合成聚合物的起始原料起始原料。单单 体体（Monomer）聚合聚合例如：聚苯乙烯例如：聚苯乙烯例如：聚苯乙烯例如：聚苯乙烯单体单体单体单体聚合物聚合物聚合物聚合物缩写成缩写成在在大大分分子子链链中中出出现现的的以以单单体体结结构构为为基基础础的的原原子子团团。即即构构成成大大分分子子链链的的基基本本结结构构单单元元。结结构构单单元元的的元元素素组成可以与单体的元素组成相同，也可以不同。组成可以与单体的元素组成相同，也可以不同。聚丙烯聚丙烯 尼龙尼龙66结构单元结构单元（Structure unit）聚合物中化学组成和结构均可重复出现的最小基本聚合物中化学组成和结构均可重复出现的最小基本单元，又可称单元，又可称链节链节（Chain Element）。）。在在聚聚合合物物链链节节中中，与与单单体体的的元元素素组组成成相相同同，仅仅部部分分电子状态稍有差别的（基本）结构单元。电子状态稍有差别的（基本）结构单元。和和聚氯乙烯的重复单元聚氯乙烯的重复单元尼龙尼龙-66-66的重复单元的重复单元单体单元（单体单元（单体单元（单体单元（Monomer unit ）重复单元重复单元 （Repeating unit）高分子的三种组成情况高分子的三种组成情况比比 较较n1.由一种结构单元组成的高分子由一种结构单元组成的高分子由一种结构单元组成的高分子由一种结构单元组成的高分子高分子的三种组成情况高分子的三种组成情况 例如：聚苯乙烯例如：聚苯乙烯例如：聚苯乙烯例如：聚苯乙烯聚合聚合高分子结构高分子结构高分子结构高分子结构可以缩写成可以缩写成可以缩写成可以缩写成单体单体单体单体结构单元单体单元重复单元链节结构单元单体单元重复单元链节此此时时说明说明：n n 表示表示表示表示重复单元数重复单元数重复单元数重复单元数，也称为，也称为，也称为，也称为链节数链节数链节数链节数,在此等于在此等于在此等于在此等于聚合度。聚合度。聚合度。聚合度。重复单元的元素组成与单体的元素组成相同重复单元的元素组成与单体的元素组成相同聚合度有两种表示法：聚合度有两种表示法：聚合度有两种表示法：聚合度有两种表示法：以大分子链中的以大分子链中的以大分子链中的以大分子链中的结构单元数目结构单元数目表示，记作表示，记作表示，记作表示，记作以大分子链中的以大分子链中的以大分子链中的以大分子链中的重复单元数目重复单元数目表示，记作表示，记作表示，记作表示，记作此时此时说说明明：由由于于绝绝大大多多数数高高聚聚物物都都是是由由不不同同链链长长的的大大分分子子组组成成，即即同同一一种种聚聚合合物物是是由由一一组组不不同同聚聚合合度度和和不不同同结结构构形形态态的的同同系系物物的的混混合合物物所所组组成成，因因此此，聚聚合合物物的的分分子子量量或或聚聚合合度度只只是是这这种种大大小小不不一一的的大大分子的统计平均值，或者说分子的统计平均值，或者说分子量或聚合度具有一定的分布范围分子量或聚合度具有一定的分布范围。一种结构单元一种结构单元组成的高分子组成的高分子聚合度（聚合度（Degree of polymerization，缩写为缩写为DP）聚合度是衡量高分子大小的一个指标。聚合度是衡量高分子大小的一个指标。聚合度是衡量高分子大小的一个指标。聚合度是衡量高分子大小的一个指标。另一种情况：结构单元重复单元链节结构单元重复单元链节结构单元重复单元链节结构单元重复单元链节 单体单元单体单元单体单元单体单元结结构构单单元元比比其其单单体体少少了了些些原原子子（氢氢原原子子和和氧氧原原子子），因因为为聚聚合合时时有小分子生成，所以此时的结构单元不等于单体单元。有小分子生成，所以此时的结构单元不等于单体单元。式中式中式中式中:M M 是高分子的分子量是高分子的分子量是高分子的分子量是高分子的分子量 MM0 0 是结构单元的分子量是结构单元的分子量是结构单元的分子量是结构单元的分子量 由聚合度可计算出高分子的分子量由聚合度可计算出高分子的分子量：重复单元的元素组成与单体的元素组成不同重复单元的元素组成与单体的元素组成不同结构单元结构单元结构单元结构单元 结构单元结构单元结构单元结构单元重复结构单元重复结构单元重复结构单元重复结构单元2.由两种结构单元组成的高分子由两种结构单元组成的高分子由两种结构单元组成的高分子由两种结构单元组成的高分子其重复单元由其重复单元由两种结构单元两种结构单元组成，且结构组成，且结构单元与单体的单元与单体的组成不尽相同，组成不尽相同，所以，不能称所以，不能称为单体单元。为单体单元。但单体在形成高分但单体在形成高分但单体在形成高分但单体在形成高分子的过程中要失掉子的过程中要失掉子的过程中要失掉子的过程中要失掉一些原子一些原子一些原子一些原子高分子的三种组成情况高分子的三种组成情况合成尼龙合成尼龙合成尼龙合成尼龙-66-66的特征：的特征：的特征：的特征：单个聚合物单个聚合物分子所含单体单元的数目。分子所含单体单元的数目。聚合物聚合物 单 体体 单体体单元元 聚聚合度合度2n聚对苯二甲酸乙二酯，聚对苯二甲酸乙二酯，涤纶，涤纶，PETn例：结构单元结构单元 重复单元重复单元 单体单元；但单体单元；但,重复单元链节重复单元链节 注意：注意：M Mo o为两种结构单元的平均分子量为两种结构单元的平均分子量例例1：以氯乙烯单体为原料，聚合得到的聚氯乙烯的分子量，根以氯乙烯单体为原料，聚合得到的聚氯乙烯的分子量，根 据其用途不同可在据其用途不同可在5万至万至15万之间，其结构单元的分子量万之间，其结构单元的分子量 为为62.5，计算其聚合度。，计算其聚合度。解：解：=50000-150000/62.5=800-2400=50000-150000/62.5=800-2400 通过计算可知，通过计算可知，聚氯乙烯的平均聚合度应在聚氯乙烯的平均聚合度应在800-2400,800-2400,聚氯乙烯聚氯乙烯 分子约由分子约由800-2400800-2400个氯乙烯单元组成。个氯乙烯单元组成。例例2 2：以对苯二甲酸与乙二醇为原料，经缩聚制得聚对苯二甲酸以对苯二甲酸与乙二醇为原料，经缩聚制得聚对苯二甲酸 乙二醇酯，其分子量一般在乙二醇酯，其分子量一般在2 2万左右，计算万左右，计算 及及 。解解：已知已知-O(CH-O(CH2 2)2 2O-O-结构单元分子量为结构单元分子量为6060，-OC-C-OC-C6 6H H5 5-CO-CO-结构单元分子量为结构单元分子量为132132。由由 =（M +M ）/2/2得：得：2000=2000=（60+13260+132）/2/2 则则 =208=208 =/2=104 =/2=1043.由无规排列的结构单元组成的高分子由无规排列的结构单元组成的高分子由无规排列的结构单元组成的高分子由无规排列的结构单元组成的高分子由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。聚合物分子有且只有一种聚合物分子有且只有一种重复结构单元，重复结构单元，并且该并且该重复重复结构单元可以只由一种（真实的、隐含的或假设的）结构单元可以只由一种（真实的、隐含的或假设的）单体衍生而来。单体衍生而来。判判别均聚物均聚物高分子的三种组成情况高分子的三种组成情况均聚物均聚物 (Homopolymer)齐聚物齐聚物：由几个或十几个单元相互键连而成；不能称为聚合物。均聚物均聚物：由一种单体聚合而成的聚合物。共聚物共聚物：由两种或两种以上单体共聚而成的聚合物。生成均聚物的聚合反应称生成均聚物的聚合反应称均聚反应均聚反应 （Homopolymerization)。氯乙烯单体氯乙烯单体由对苯二甲酸和乙二醇反应由对苯二甲酸和乙二醇反应生成的生成的“隐含单体隐含单体”：HOOC-Ph-COOCH2CH2OH“假设单体假设单体”：乙烯醇：乙烯醇例：例：说明：说明：x,yx,y为任意值，故在分子链上结构单元的排列是任意的：为任意值，故在分子链上结构单元的排列是任意的：为任意值，故在分子链上结构单元的排列是任意的：为任意值，故在分子链上结构单元的排列是任意的：M1M2M1M1M2M1M2M2M2 在这种情况下，无法确定它的重复单元，仅在这种情况下，无法确定它的重复单元，仅在这种情况下，无法确定它的重复单元，仅在这种情况下，无法确定它的重复单元，仅 例如：丁苯橡胶（由单体例如：丁苯橡胶（由单体例如：丁苯橡胶（由单体例如：丁苯橡胶（由单体1,3-1,3-丁二烯和苯乙烯聚合而成）丁二烯和苯乙烯聚合而成）丁二烯和苯乙烯聚合而成）丁二烯和苯乙烯聚合而成）由由两种或两种以上两种或两种以上（真实的、隐含的或假设的）单体聚合（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。生成共聚物的聚合反应称为而成的聚合物。生成共聚物的聚合反应称为共聚反应共聚反应。共共 聚聚 物物 （Copolymer）无规共聚物：无规共聚物：在高分子链中不同单体单元的序列分布无规则。在高分子链中不同单体单元的序列分布无规则。两种单元在链中的排列顺序是不能预测的。两种单元在链中的排列顺序是不能预测的。在在烯烯类类单单体体自自由由基基共共聚聚合合时时,通通常常得得到到的的是是无无规规共共聚物，其性质与相应的均聚物是大不相同的。聚物，其性质与相应的均聚物是大不相同的。-A-B-A-A-B-A-B-B-A-A-B-A-B-B-A-B-A-B-A-A-B-A-B-B-A-A-B-A-B-B-A-B-交替共聚物：交替共聚物：顾名思义，交替共聚物就是顾名思义，交替共聚物就是A A和和B B两种结构单元两种结构单元 在高分子链中交替排列。在高分子链中交替排列。通过特定的烯类聚合能得到交替共聚物，其性通过特定的烯类聚合能得到交替共聚物，其性 能与两类均聚物的性质也大不相同。能与两类均聚物的性质也大不相同。-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-嵌段共聚物：嵌段共聚物：高分子链中由一种结构单元链段和另一种结构高分子链中由一种结构单元链段和另一种结构 单元链段相接组成。兼具有两种均聚物的性质。单元链段相接组成。兼具有两种均聚物的性质。-A-A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-B-接技共聚物：接技共聚物：共共聚聚物物的的主主链链是是一一种种均均聚聚物物，支支链链是是另另一一种种均均聚聚物物称称接接枝枝共共聚聚物物。可可用用两两类类均均聚聚物物相相互互反反应应生生成成，也也可可由由A A种种均均聚聚物物的的主主链链上上引引人人一一些些可可反反应应的的基基团团，再再接接上上由由B B形形成成的的支支链链构构成成接接枝枝共共聚聚物物。接接枝枝共共聚聚物物的的性性质质是是两两类类均均聚聚物物的的加加合。合。HOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-隐含单体隐含单体HOOC-Ph-COOCH2CH2OHHOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OHHO(CH2)3OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-(OC-Ph-COOCH2CH2CH2O)m-HO-(CH2)5COOHHOCH2COOH-O(CH2)5COm-OCH2COn-共聚物共聚物共聚物共聚物均聚物均聚物例：例：涤纶：涤纶：高分子链的末端结构单元。高分子链的末端结构单元。末末 端端 基基 团团（End Groups）聚乙烯：聚乙烯：CH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH3 由由于于通通常常聚聚合合物物的的分分子子量量很很大大，末末端端基基团团相相对对于于整整个个高高分分子子而而言言是是很很小小的的组组成成单单元元，而而且且通通常常是是未未知知的的，因因此此若若非非需需要要特特别别指指出出末末端端基基团团，在书写高分子的结构式时，常忽略不写。在书写高分子的结构式时，常忽略不写。假假如如高高分分子子的的末末端端基基团团是是反反应应性性的的，能能进进一一步步进进行行聚聚合合反反应应，这这样样的的高高分分子子称称为为遥遥爪爪高高分分子子或或预预聚聚物物分分子子，其其反反应应性性末末端端基基团团常常常常是是有有目目的地引入的。的地引入的。第一讲课后作业第一讲课后作业 预习预习：1.聚合物的分类和命名；聚合物的分类和命名；2.聚合反应分类；聚合反应分类；3.聚合物平均分子量及其分布聚合物平均分子量及其分布作业：P16 1