高分子化学第一章

工程塑料与特种高分子
• 汽车车体与内部结构材 料 • 机械零部件，工具 • 仪器外壳、支架 • 电路板，电子封装等 • 航空、航天等要求高强 度、耐高温、耐腐蚀的 特种材料
一、高分子的基本概念
合成橡胶 • • • • • • 轮胎 防水材料 绝缘材料 密封材料（圈、垫等） 日用橡胶制品 其它特种橡胶制品
CH2 CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH
CH
一、高分子的基本概念
高分子分子结构的共同点：
有限的几种基本结构单元（链节单元）相互连结成巨 大的分子 （分子量范围：104-107）
（结构的复杂程度体现在单元的排列顺序和高分子的立 体结构和构象方面，同一高分子内不可能包含太多种 结构单元。） 由于高分子的分子量太大，几乎不可能以气态存在， 一般以固态或液态存在
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
原理：只要原子的价数 ≧ 2，理论上均可以连接成无穷 大的分子---高分子。
实际上，C的成键能力最强，故绝大多数高分子为有机物， 无机高分子数量很少。
可进入高分子主链的元素：C，O，N，S，P，Si ,等。H 只能连在侧链。一些金属（Fe等）也可进入主链。
一、高分子的基本概念
高分子结构概念的拓展 除链形结构外，还可以有二维网状、三维立体形、 树枝形、大环形等结构形式
CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH2 CH CH2 CH2 CH2 CH CH2
CH2
CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
CH2
CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
CH2
Polymer Chemistry
参考书
• 冯新德，《高分子合成化学》 化学工业出版社， 1980。 • 林尚安 等，《高分子化学》科学出版社，2000。 • 赵德仁，张慰盛，《高聚物合成工艺学》化学 工业出版社，1997。 • George Odian, “Principles of Polymerization”, 2nd ed., John Wiley &Sons, Inc., New York, 1981.
O S O
NHC
e. 聚脲： NH2 + OCN f. 聚砜： g. 其它：酚醛，脲醛等
（3）元素有机高分子
有机硅为主
三、聚合物化学结构的描述与命名
1. 描述高分子结构的基本原则
聚合物的特点：结构的多分散性和复杂性 （链与链之间在分子量、链结构等方面有差异；同一链 内的不同部位间也有差异） 导致：不可能用简单的名称精确描述实际的化学结构 可行的办法：给出一种概括性的描述 （抓住主要结构特征，忽略分子量分布、少量结构缺陷 等次要的差异）
小结：（1）有重复单元时，可用（重复单元）n表示结构； （2）无重复单元时，用名称或文字描述结构。
三、聚合物化学结构的描述与命名
2. 聚合物的命名
（1）简单命名法 • 加聚均聚物 ：聚(单体名) （原则：参照单体名称来命名） （聚合前后原子种类、数目未变）
聚苯乙烯 (polystyrene PS); 聚甲基丙烯酸甲酯 (poly(methyl methacrylate), PMMA)
• 杂链高分子--主链有C和O（或N, S, P 等）
C C O C C O
• 元素有机高分子--主链不含C，侧链有C
CH3 Si CH3 O CH3 Si CH3 O CH3 Si CH3 O
二、聚合物的分类
（1）碳链高分子 通过 C==C 的加成反应或环烯烃的开环连接成聚合物 主要单体： C C
• 合成高分子的用途十分广泛，在经济、 社会生活、国防等各方面有不可替代的 作用 • 合成高分子的发展远快于其它材料，其 重要性日益增大 • 合成高分子的应用领域仍在扩大中，尤 其是功能高分子、仿生高分子的前景十 分广阔
一、高分子的基本概念
3. 高分子的分子结构概念
1930年Staudinger首次提出：高分子是由大量 原子按一定顺序连接成的长链形分子
一、高分子的基本概念
1. 高分子的存在 • 高分子是生物界的主要物质基础 （DNA，蛋白质，纤维素，淀粉等均为高 分子物质）
一、高分子的基本概念
• 天然高分子自古被人类广泛利用 （木材、皮革、天然纤维、树胶等） • 我国是利用天然高分子最早、技术发明 较多的国家 （生漆、桐油、蚕丝等发源于中国）
聚己二酰己二胺
CO ) n
( OCH2CH2OCO
聚对苯二甲酸乙二醇酯
三、聚合物化学结构的描述与命名
（2）习惯命名法 • 按原料来源命名 （往往是粗略的描述） 树脂（塑料原料）：酚醛树脂（苯酚+甲醛） 环氧树脂（双酚A+环氧氯丙烷） 醇酸树脂（丙三醇+邻苯二甲酸酐） 橡胶：乙丙橡胶（EPR）； 丁苯橡胶（SBR）； 丁基橡胶（聚异丁烯） • 按结构特征确定的类名：聚酯，聚醚， 等 （见表1-1）
（为研究固、液态的凝聚态物理开辟了新的研究领域，带来了生机）
一、高分子的基本概念
4. 高分子的生成途径
（1）生物途径---天然高分子和生物活性大分子 特点：反应机理复杂（酶催化，模板复制），产物结构精 细、往往有生物活性 （利用微生物制造高分子已成为新兴的研究领域） （2）人工合成途径---合成高分子
Cl
两种单体交替连接而成的缩聚物含有两种结构单元： 例： 单 体 1 HO CH2CH2 OH ( OCH2CH2OCO
单 体 2 HOCO COOH 结构单元1 结构单元2 重复单元
CO ) n
缩聚物有两种聚合度定义： (1) 结构单元数 Xn (2) 重复单元数 DP （Xn = 2n = 2 DP)
• 加聚共聚物：（单体1）+（单体2）+ 共聚物
乙烯-丙烯共聚物 （乙丙共聚物） （poly(ethylene-co-propylene), EPR) 氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 （氯醋共聚物）
• 两种原料的缩聚物：聚(结构单元1)(结构单元2) 或：聚(重复单元名)
( NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO )n
高分子材料的总体积早已超过金属材料的总和
一、高分子的基本概念
2. 高分子的用途
（1）结构材料
• 替代天然高分子---木材、纤维、纸张、皮革、涂料、橡胶等； • 替代金属、无机材料---具有质轻、单位重量强度高、易加工、低成 本、低能耗等优点（环保、绿色）； • 具有特异性能的结构材料---（如透明软质材料，耐腐蚀材料，自润 滑材料等） • 含高分子的复合材料（聚合物基复合材料，用高分子改进其它材料 的性能，等）
小分子（单体） 特定化学反应（聚合反应） 高分子（聚合物 Polymer）
特点：可合成出自然界不存在的高分子物质； 对聚合物结构的控制往往达不到高度精确。
一、高分子的基本概念
5. 高分子化学的主要研究内容
合成高分子的合成方法、聚合反应机理、反应动 力学，及高分子本身的化学反应（包括天然高分 子的化学反应）。高分子的结构、反应与结构的 关系也是重要的研究有重复出现的结构单元（链节单元） 最简单的线型链由一种结构单元顺序连接而成
n CH2 CH Cl CH2 CH CH2 Cl
CH Cl
n CH2 + m CH2 CH CH3 CH2 CH2CH2CH2CHCH2CH2CH2CHCH2CH CH3 CH3 CH3
6. 高分子的主要特点 （小结）
• 分子量大 • 分子内有一种或多种局部结构（结构单元）大量 重复出现 • 高分子量带来特有空间结构（线、网、体、环等）
• 常温下一般为固态，具有特殊的物理、力学性能
• 分子量、组成等结构参数的多分散性
第一章 绪论 二、聚合物的分类
1. 按材料特性和用途
塑料----结构材料（可用注塑、挤出、模压等 方式加工） 三大合成材料 橡胶----弹性体（常温下表现高弹性） 纤维----轴向拉伸强度大
（基础：有机化学，物理化学，结构化学，分析化学，无机、配位化 学等）
合成高分子开辟了用化学方法制造新物质、新材料的广 阔天地，展现了无穷的创新可能性。 与有生物活性的天然高分子相比，合成高分子在结构的 精细、复杂程度和功能的特异性、高效性方面有很大差距。 “仿生高分子”是一个重要的方向。
一、高分子的基本概念
（2）功能材料
光、电、磁效应、信息处理、存贮与显示、换能、分离富集、生物 医药、催化剂与试剂、表面活性剂等用途。 （用量小，作用大）
一、高分子的基本概念
高分子的主要用途举例 通用塑料 • 包装材料、农膜 • 容器、管材 • 建材（门、窗等） • 家电、日用品、家具 • 电气绝缘材料 • 医疗器械
一、高分子的基本概念
涂料----防腐、保护、装饰等作用 粘合剂----结构材料的连接与修补 其它精细高分子----各种用途 功能高分子----光电磁、生物医药、信息、换 能、分离、化学等特殊作用
精细、功能 材料
二、聚合物的分类
2. 按化学结构
按主链结构可将高分子分为三大类： • 碳链高分子--主链仅由C构成
C C C C C
• 商品名： （历史习惯形成） 常见如：涤纶（聚酯）；尼龙（尼龙-6，尼龙-66 等） 腈纶 （聚丙烯腈） （应注意在学习中逐步收集、积累）
C C X
C C
乙烯基类聚合物（vinyl polymers)---产量最大的一大类高分子： a. 聚烯烃类：产量最大。聚乙烯（PE），聚丙烯（PP）等，纯 C、H化合物，一般为全饱和结构； b. 聚苯乙烯类：PS及苯乙烯共聚物（ABS，SBS，SBR等）； c. 聚氯乙烯类：PVC及VC共聚物，聚偏氯乙烯等； d. 丙烯酸及衍生物类聚合物（acrylic polymers): R O PMMA,PAN等，品种多，用途广； CH2 C C O X e. 其它：聚醋酸乙烯酯、聚乙烯基醚等； 聚双烯烃类：主要用于合成橡胶（PBd, PIp 等）。