高分子化学

Polymer Chemistry
彭志平 副教授
材料科学与工程学院A323 pengzhiping@
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• 高分子的重要性和特点 • 高分子科学的历史与发展 • 高分子化学在高分子学科中的地位 • 高分子化学研究趋势与未来
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一.什么是高分子？
定义：由许多结构相同的单元通过共 价键重复连接而成的相对分子量很大 的化合物
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三.《高分子化学》课程简介
高分子化学是高分子科学的基础。
高分子化学是研究高分子化合物合成和反应的一门科学，主 要研究聚合反应机理和聚合方法。 高分子化合物的合成: 高分子的合成机理、动力学、合成反应——寻找新的聚合反 应、合成新的材料 高分子的分子结构、分子量（相对分子质量）及其分布等设 计与控制； 高分子化合物的反应: 合成高分子和天然高分子的化学反应、 化学改性、防老化、降解、回收等。
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• 高分子科学是当代发展最迅速的学科之一。 • 高分子科学既是一门应用科学，又是一门基础科学。
• 1999年在《大学化学》(14(2),9-18)上发表的“理科化学
专业和应用化学专业化学教学基本内容”一文中，用法律 形式规定：高分子科学的基础知识是化学类本科生必修的 知识。
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O.Vogl, G. D. Jaycox, “Trends in Polymer Scinece”
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弗洛里(Paul J.Flory，1910~1985)
美国高分子物理化学家
工作几乎包括我们这门课的每一章内容。现 在，人们常把他视为高分子科学的奠基者。 《聚合物化学原理》一书被国际高分子科学 界誉为高分子科学的“圣经” 。 由于在高分子科学领域，尤其在高分
子物理性质与结构的研究方面取得巨大成
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（3）单体单元（ Monomer unit ） 在聚合物链节中，与单体的元素组成相同，仅部分电
子状态稍有差别的（基本）结构单元。
CH 2CH
和
CH 2 CH
Cl
Cl
(4）重复单元 （Repeating unit） 聚合物中化学组成和结构均可重复出现的最小基本单元， 又可称链节（Chain Element）。
成分/结构、制备 高分子化学 聚合反应工程 理论 和物质 高分子成型与加工 基础 高分子物理 高分子材料性能学 高分子材料 实用 价值
加工工艺、成型 结构与性能关系 材料的使用性能 材料的分类与应用
实际 应用
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高分子科学的历史与发展
1.萌芽期
天然高分子的利用 蛋白质、淀粉、棉、 毛、丝、麻、造纸、 油漆等
有机玻璃，PMMA
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高分子的特征
A、相对分子质量很大
- - - - - < 103 < - - - - - - - - - - - - - - < 104 < - - - - - - - - - < 106 < - - - - - - - - - - - - - - 低分子 过渡区（齐聚物） 高聚物 超高分子量的聚合物
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（1）单 体（Monomer） 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。即合成聚合物的起始原料。
单 体 例如：聚苯乙烯
n CH2 CH
聚合
聚合反应
Polymerization
高分子
CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH
缩写成
单体
CH2 CH

聚合物
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（2）结构单元（Structure unit）
甲基丙烯酸甲酯 MMA
C O O CH2CH2OH
甲基丙烯酸羟乙酯 HEMA
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“活生生的人工角膜”—美瞳
亲水性材料HEMA和MMA合成材料
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合成医用高分子材料
医用胶管
人造鼻梁 人工心脏隔膜
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超高分子量聚乙烯纤维
[CH2 CH2］n
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二.高分子科学简介
Polymer Science
一般高分子的分子量在104～106
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B、共价键连接
C、由相同的化学结构重复多次键接而成
[ CH 2CH ] n Cl
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高分子材料的特点 一）比重轻，强度高
常用树脂的密度在1g • cm-3左右，只有铝的1/5，钢铁 的1/10左右。
二）绝缘性和绝热性好 三）耐腐蚀性和化学稳定性好
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无处不在的高分子
就, 1974年荣获诺贝尔化学奖。
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2000年三位科学家因对导电聚合物的发现和发展获 得诺贝尔化学奖
美国物理学 家Heeger
美国化学家 MacDiarmid
日本化学家 Shirakawa
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4、高分子学科的发展展望
通过新型高效催化剂的开发，重要的通用高分子品种向 更大型工业化生产发展； 通过新型聚合方法、化学和物理改性以及复合，获得新 性能、新品种、新用途的聚合物； 开发功能高分子等。
在大分子链中出现的以单体结构为基础的原子团。即构成
大分子链的基本结构单元。结构单元的元素组成可以与单 体的元素组成相同，也可以不同。 • 聚丙烯
H H C C H CH 3 H H C C H CH 3 H H C C H CH 3
• 尼龙—66
O
6
O
[ NH ( CH 2 ) NH C ( CH2 )4 C ] n
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梅里菲尔德 (Robert Bruce Merrifield) 1974年美国生物化学家Merrifield将
功能化的聚苯乙烯用于多肽和蛋白质的合
成，大大提高涉及生命物质合成的效率并 缩短合成时间，开创了功能高分子材料在
生命物质合成领域应用的新纪元。
发明多肽固相合成法,对发展新药物和遗传 工程有重大贡献，获1984年诺贝尔化学奖
• Few scientific endeavors in human history have had a greater impact on mankind than those concentrated in the polymer science arena. “在人类历史上,几乎没有什么科学技术象高分子科 学这样对人类社会做出如此巨大的贡献.”
绪论 缩聚和逐步聚合 自由基聚合 自由基共聚合 聚合方法 离子聚合 配位聚合 开环聚合 聚合物的化学反应
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教学参考书
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1.1 高分子的基本概念
1.2 聚合物的分类和命名
1.3 聚合反应
第一章 绪论
1.4 分子量及其分布
1.5 大分子微结构
1.6 线形、支链形和交联型大分子 1.7 聚集态和热转变
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3、高分子学科的发展
1927-1931 年聚甲基丙烯酸甲酯( 有机玻璃, PMMA)和聚乙烯醇(PVA) 1927-1937年聚氯乙烯(PVC)，氯丁橡胶 1934-1937年聚苯乙烯
1936年聚醋酸乙烯酯 1935年尼龙66，第一根合成纤维 1940年丁苯橡胶和丁基橡胶 1941年聚对苯二甲酸乙二醇酯(涤纶PET) 1943年聚四氟乙烯 1950年聚丙烯腈
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施陶丁格(Hermann Staudinger)德国著名化学家
•1920年，在《德国化学会会誌》上发
表划时代的论著《论聚合》，提出： “聚合就是大量小分子依靠化学键结合 起来形成大分子的过程” 。 • 1932年，专著《高分子有机化合物》 问世，标志着高分子科学的诞生。 ������ 1953年，因“链状大分子物质的发现” 获诺贝尔化学奖。
1.8 高分子材料和力学性能
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教学基本要求
1.掌握高分子的基本概念、聚合物的命名方法及合成 反应、数均分子量和质均分子量及其分布。
2.了解高分子与低分子的区别、聚合物的种类及分类
方法。了解聚合物分子量、分子量分布对聚合物性能 的影响，聚合物的物理状态和主要性能、 高分子材 料和机械强度。
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1.1 高分子的基本概念
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高分子科学——重要的基础学科 研究高分子化合物的合成、反应及 机理，反应动力学、选择原料、确 定路线、寻找催化剂、制订合成工 艺等。 研 究聚合物 加工成型 的原理与工艺。
研究高分子的结构与性能的关系，为设 计合成预定性能的聚合物提供理论指导， 是沟通合成与应用的桥梁。
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高分子科学各课程间的关系
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例如
聚氯乙烯的重复单元
结构单元 单体单元 重复单元
尼龙-66的重复单元
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高分子的三种组成情况
（a） n CH2 CH
CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH
（b）
n H2N-(--CH2-)-COOH
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--NH-(--CH -)-CO-- + n H2O 2 5 n
（c）
n
H2N(CH2)6NH2 + HOOC(CH2)4COOH
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人工合成高分子的尝试
1907年Bakeland发明酚醛树脂——第一个
人工合成的缩聚物 1911年丁钠橡胶问世——第一个人工合成 的加聚物
但化学家仍不清楚“高分子”究竟是什么样的物质！
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2、高分子学科的创建
1894年Fisher简述纤维素和淀粉的“高分子”性质，但
否认其为高分子量的大分子。 1904年Harries设想异戊二烯橡胶的环状结构。 1907年Ostwald承认了大分子量的真“胶体”。 当时人们认为：“聚合物”不过是这些低分子的缔合体
由许多相同的、结构简单的单元(unit)通过共价键(covalent
bond)重复键接而成的相对分子质量很大的化合物。
相对分子量为104～106
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高分子(大分子) (macromolecule) 高聚物 (high polymer) 聚合物 (polymer) 区别： 1.一般称胰岛素等化学组成和结构非常复杂的生物高分子 这些术语一般可以通用