Transcript 白如科：高分子概论－绪论 - 中国科学技术大学高分子科学与工程系

“高分子概论”课程介绍
目的及要求：介绍高分子学科与材料的概貌，希望对
高分子学科有初步的了解。
学时及学分：40学时，2学分。
学时分配：上课28学时，作业8学时(写论文）。
考核成绩：写一篇论文，不少于3500字，6月24日前交。
ppt的地址: http://polymer.ustc.edu.cn
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内容安排
第一章 绪论
白如科
第二章 高分子的设计与合成
洪春雁
第三章 光与高分子材料
施文芳
第四章 光子学聚合物
张其锦
第五章 高分子导体与半导体
张兴元
第六章 聚合物在生物高分子中的分离作用
王延梅
第七章 凝聚与溶解
朱平平
第八章 高分子粘合剂
洋
刘世勇/杨海
第九章 高分子复合材料
刘和文
第十章 高分子科学中的计算机模拟
梁好均
第十一章 电离辐射与高分子材料
葛学武
第十二章 环境与高分子材料
张国颖
第十三章 生物医用高分子
尤业字
第十四章 超分子化学与纳米高分子材料
何卫东
高分子科学与材料概论
第一章
绪 论
神奇的高 分 子 世 界
Magic Polymer World
人类从起源以来
就同高分子结下不解之缘
 生命体系其根本
都是由高分子组成
 衣食住行
离不开高分子材料
一、高分子基本概念
什么是高分子？
 定义：高分子量的化合物 (>10000)
 别称：聚合物 － Polymer
高聚物－High polymer
大分子－Macromolecule
 对应：低聚物(<10000)－Oligomer
或齐聚物，寡聚物。
什么是聚合反应？
聚合反应－Polymerization
小分子化合物
聚合物
聚合物 (Polymer): 聚乙烯（Polyethylene，PE）
单体 (Monomer):
乙烯（Ethylene）
聚合物聚合度与分子量
 结构式：
NH(CH2)6NH
CO(CH2)4CO
n
结构单元
结构单元
重复单元
 聚合度：大分子中的重复单元数或结构单元数，n。
数均聚合度Xn 、重均聚合度Xw 。
分子量：数均分子量 Mn 、重均分子量 Mw
。
聚合物结构类型
 线型
Linear Polymer
 支化型
Branched Polymer
 交联型
Crosslinked Polymer
 星型及树状
Star Polymer
Dendrimer
二、高分子科学与材料
高分子学科
 高分子化学（Polymer chemistry)
合成机理、结构设计、控制方法。
 高分子物理（Polymer physics)
物理性质、结构与性能的关系。
 高分子工艺学（Polymer technology）
合成工艺、加工工艺。
后起之秀，生气勃勃
高分子材料
材料与时代
 石器时代 (Stone age)
 新石器时代 (Neolithic age)
 青铜时代 (Bronze age)
 铁器时代 (Iron age)
 高分子时代
(Polymer age)
地位与关联
陶瓷
10％
高分子材料
60％
金属
30％
三分天下有其一
能源
左右逢源
Energy
信息
Information
高分子材料
Polymer Materials
环境
生物
Environment
Biology
化
学
高分子材料分类
从来源
 天然高分子材料 (Natural polymer)
纤维素(Cellulose)、淀粉(Starch)、天然橡胶(Natural rubber)等。
 人造高分子材料 (Artificial polymer)
硝化纤维素（塑料、电影胶片、炸药）、粘胶纤维等。
 合成高分子材料 (Synthetic polymer)
有机玻璃、涤纶、尼龙等。
高分子材料分类
从用途
 塑料
(Plastics)
 橡胶
(Rubber)
 纤维
(Fiber)
 涂料
(Coating)
 粘合剂
(Adhesive)
高分子材料分类
从组成及功能
 有机高分子 (Organic Polymer)
主链以碳氢为主，如聚乙烯、聚丙烯等。
 无机高分子 (Inorganic Polymer)
主链由杂原子构成, 如SiO2等。
 复合高分子材料 (Polymer Composite)
聚合物与无机材料复合，如玻璃钢，轮胎。
 生物高分子 (Biopolymer)
具有生物功能, 如蛋白质(Protein)、核酸 (Nucleic acid)等。
高分子材料的特点
 质轻：常用塑料的密度为1g/cm3，是钢铁的1/10。
 耐温范围宽：硅橡胶(－80℃)
聚苯并咪唑（600℃)
碳纤维（4000℃）
 性能优异：高强度（Kevlar，比强度为钢的8倍）
高模量
高弹性（伸长率1000％）
透明性好
抗腐蚀好
光、电、磁等功能
 种类多：满足不同的需求。
 易加工：节能、低成本。
三、发展历程
天然高分子利用
7000多年前，天然油漆
我国已使用天然油漆涂饰船只。中国漆
(大漆)
1839年，天然橡胶硫化
美国人古德伊尔（Charlers Goodyear）。
1869年，第一种人工塑料
赛璐珞（ Celluloid，硝化纤维素）
美国 人海厄特（Jhon Wesley Hyatt）。
1887年，第一种人造丝
硝化纤维素，Count Hilaire de Chardonnet.
 合成高分子问世
1909年，第一种合成塑料
酚醛树脂，美国人
贝克兰德（Leo Baekeland）。
 大分子概念提出
1920年，提出聚合反应生成高分子量化合物。
施陶丁格（Hermann Staudinger）。
 奠定基础
1930－40年代，聚合方法及理论发展。
卡罗瑟斯（Carothers），美国人。
弗洛里（Paul Flory），美国人。
大发展
1950年代，配位聚合（Coordination Polymerization)
齐格勒（Karl Ziegler）， 德国人。
纳塔（Giulio Natta），意大利人。
1960－70年代，高性能化，特种高分子合成
高强度、高模量、耐高温等。
 功能、复合高分子材料
1980－90年代，
功能高分子： 导体和半导体高分子、 磁性高分子、光敏高分子、
光导高分子、生物医用高分子、
液晶高分子、
高分子催化剂等等。
高分子合金： 不同的高分子混合。
复合高分子材料： 与玻璃纤维、碳纤维等复合，如玻璃钢等。
四、辉煌的成就

起步晚：20世纪初

发展迅猛
成就卓著
举世瞩目
高分子材料的工业生产
塑料
纤维
橡胶
2亿吨（2003年）
3790万吨（天然2410万吨）
1136万吨（天然775万吨）
 塑料增产迅猛，过去40年，美国增长100倍。
 全世界塑料产量上世纪90年代初超过钢铁（体
积）。
主要国家生产及消费量
国家
美国
中国
德国
日本
韩国
产量（千万吨）
4．8
1．8
1．6
1．4
1．0
消量（千万吨）
5．1
4．0
1．2
1．0
0．5
高分子材料的应用
 高分子材料无处不在, 以塑代木、以塑代金属。
尖端技术: 航天飞行器，卫星、火箭等用材。
工业：电子元器件、电缆、信息记录储存传输等。
农业：地膜、大棚、滴灌设备、高吸水树脂（1000倍）等。
衣：服装、防弹衣、消防服等。
食：包装、不粘锅等。
住：装饰、门窗、家电、家具等。
行：飞机、汽车、自行车等交通工具用材。
医：接触眼镜、一次性医疗用具、人工脏器等。
塑料 Plastics
 通用塑料：
聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。
 工程塑料：
尼龙、聚甲醛、聚酯、聚碳酸酯等。
 特种塑料：
聚四氟乙烯、Kevlar等。
家庭中的聚乙烯制品
身边的高分子材料
碳
纤
维
复
合
材
料
聚丙烯制品
法拉利F1车队
由碳纤维和铝合金
制成的赛车底盘
塑料 Plastics
热塑性塑料 (Thermoplastics)
聚乙烯, Polyethylene： 产量最大，结构最简单。
聚丙烯,Polypropylene：最轻的塑料。
聚氯乙烯，Polyvinyl chloride：全能的塑料，价格低廉。
聚甲基丙烯酸甲酯，Poly(methyl methacylate)：最透明的
塑料，不会碎的玻璃。
塑料 Plastics
热固性塑料( Thermosetts)
环氧树脂 (Epoxy resins )：用作复合材料，粘合剂等。
酚醛树脂 (Phenolic resins)：电器绝缘材料等。
聚酯树脂 (Polyester resins )：玻璃钢等。
纤 维 Fibers
天然纤维：棉、麻、丝
人造纤维：粘胶纤维 (Viscose fiber)：
醋酸纤维 (Acetate fiber)
硝酸纤维
合成纤维：尼龙（Nylon）：结实耐磨
涤纶（Polyester fiber）:最挺括纤维
腈纶：最耐晒的纤维
氯纶：保暖性最好的纤维
丙纶：最轻的纤维
特种纤维：碳纤维
橡 胶 Rubber
天然橡胶 (Natural rubber) ：
综合性能最好，生产受地域限制。
合成橡胶 (Synthetic rubber)
丁苯橡胶 ：产量最大（占80％）。
氯丁橡胶 ：用途广泛，价廉物美。
丁腈橡胶 ：耐油性好。
乙丙橡胶 ：比重最轻。
顺丁橡胶 ：弹性最好。
丁基橡胶 ：气密性最好。
硅橡胶 ： 低温性能最好。
氟橡胶：全能橡胶，在最恶劣条件下使用。
高弹性—熵弹性
轮胎
橡胶园
高分子科学研究
建立了理论体系和实验方法
高分子化学、高分子物理和高分子工艺学构
成了了一个完整的体系，基本理论已经形成，研
究方法已经建立，成为高分子材料的开发、生产
和应用的基石。
 涉及多个领域
生物、材料、信息、医学、能源等。
诺贝尔奖
高分子领域有数位科学家获奖。
高分子科学与诺贝尔奖
1953 施陶丁格(Hermann Staudinger)
1963 齐格勒(Karl Ziegler)和纳塔(Giulio Natta)
1974 弗洛里(Paul J. Flory)
1991:德让纳(Pierre-Gilles de Gennes)
2000:黑格(Alan J. Hegger)、马克迪尔米德(Alan
G. MacDiarmid)和白川英树(Hideki Shirakawa)
高分子科学Nobel奖获得者
H. Staudinger(德) 1953年化学奖
突破有机化学的传
统观念，首先提出了高分子的
概念，以大量先驱性工作为高
分子化学奠基开创了高分
子
学科。
“for his discoveries in the field of macromolecular
chemistry”
高分子科学Nobel奖获得者
K. Ziegler (德)、G.Natta(意)
1963 化学奖
1953年， Ziegler： Ziegler催化剂，低压聚乙烯合成方法；
1954年， Natta：改进Ziegler催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。
Karl Ziegler Giulio Natta
“for their discoveries
in the field of the
chemistry and
technology of high
polymers ”
Stereoregular Polymers
Isotactic polymer
（全同立构聚合物）
Syndiotactic polymer
（间同立构聚合物）
高分子科学Nobel奖获得者
P.J.Flory（美)





1974 化学奖
利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高
分子分子量分布，即最可几分布，并利用动力学
实验证实了等活性假设；
引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性
分子，产生了凝胶理论；
Flory-Huggins格子理论；
1948年作出了最重要的贡献，即提出“排除体积”
理论和θ温度概念；
他的著作“Principles of polymer chemistry”
（1953）是高分子学科中的Bible。
Paul J. Flory
“For his fundamental achievements, both theoretical and
experimental, in the physical chemistry of the macromolecules”
高分子科学Nobel奖获得者
De Gennes（法)
1991 物理奖
 对液晶和高分子物质有序现象提出了
标度理论
 从临界现象认识分子，在物理-化学
之间架设了桥梁
 提出“软物质”概念
De Gennes
“for discovering 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 ”
高分子科学Nobel奖获得者
Heeger、 MacDiarmid(美)、 白川英树(日) 2000 化学奖
 导电高分子研究，聚乙炔掺杂后，电导率从
3.2x10-6Ω-1cm-1增加到38Ω-1cm-1，提高了1000万倍（接
近铝、铜）
 提出孤子概念
Alan J. Heeger
1936
Alan G. MacDiarmid
b. 1927
Hideki Shirakawa
b. 1936
 白川英树（Shirakawa）从事聚乙炔聚合机理研究
韩国研修生出现幸运的失误，使白川得到膜状聚乙
炔
偶然的机遇，麦克迪尔米德（MacDiarmid）首先
注意
到白川的聚乙炔膜。
 三人在美国合作研究。
 黑格（Heeger）为了说明聚乙炔的导电性，提出孤子的
概念，才有了薄膜显示材料的诞生。
高分子科学Nobel奖获得者
“For the discovery and
development of
conductive polymers”
五、发展前景
 可持续发展
高分子材料再利用
天然高分子的利用
 发展新的高分子合成方法
 功能、智能高分子
 超分子高分子及纳米结构
 软物质与 软物理
可持续发展
高分子材料再利用
聚合物的再利用
例如,聚烯烃－柴油
轮胎－沥青
可降解聚合物的循环利用
例如，涤纶、有机玻璃降解为单体。
天然高分子的利用
 利用天然高分子生产塑料
淀粉生成塑料。
乳酸生产聚乳酸。
 纤维素、甲壳素的利用
功能化，可加工化。
 天然高分子－生物质能源
气化、液化作为生物质油；
利用玉米生成乙醇汽油燃料等。
聚乳酸
发展新的高分子合成方法
 利用生物方法
如，通过微生物或酶催化合成聚合物。
 合成具有生物功能的高分子
如多糖，蛋白质，核糖核酸等。
 人工仿生方法
在环境友好条件下生成 聚合物。
精确控制组成与结构，如多肽等
功能、智能高分子
 电致发光高分子
聚合物发光二极管（Polymer light emitting diodes,
可折叠彩色显示屏。
PLEDs can be used to provide light of
almost any visible hue and beyond
PLED)
40 inch full colour display prototype
功能、智能高分子
智能高分子（对环境有相应特性）
高分子凝胶－ 人工肌肉
形状记忆高分子－ 免熨衬衣、高分子绷带。
隐身高分子
医用高分子：
靶向药物、药物缓释
生物活性高分子
生物组织工程，人造器官等。
光能转换高分子
太阳能电池
超分子高分子及纳米结构
 超分子化学（Supramolecular Chemistry)
利用非共价键(氢键、离子建、配位键)构建高分子材料。
 高分子自组装(Polymer Self-assembly)
聚合物空心球（Hollow polymer sphere)
聚合物管（Polymer tube)
分子导线（Molecular wire)等。
分子器件（Molecular device)
 纳米结构(Nano Structure)
超疏水材料（荷叶的疏水原理）
荷叶托珠
模拟壁虎腿
(Gecko feet)
Dry Adhesive Based on Van der Waals nteraction
a
b
SEM
of
microfabricated
polyimide pillars (diameter 0.5μm,
height 2μm, separation between
pillars 1.6μm)
40g
A spider-man toy
海阔凭鱼跃，
天高任鸟飞。
敢上九天揽月，
敢下五洋捉鳖。
Thank you
for
your attention