有机高分子材料课件PPT

聚合物的通俗名称、商品名称 及简写代号
通俗名称 商品名称 简写代号
聚氯乙烯 聚丙烯
丙烯腈-丁二烯-苯乙 烯 聚对苯二甲酸乙二 酯 聚甲基丙烯酸甲酯
氯纶
丙纶 ABS树脂 涤纶
PVC PP ABS PET
有机玻璃
聚苯乙烯
PMMA
PS
聚苯乙烯
高分子链的结构
链的结构 状态
拉伸或低温直线形 高温或稀溶液卷曲
低密度聚乙烯的支链型结构
Nonlinear
体型高分子
Cross-linked polymers: Chains are connected by covale nt bonds. Many rubbers have this structure. • 链之间由共价键连接，许多橡胶具有这种结构
网状高分子
影响柔顺性的因素 •主链结构
•侧基性质
主链结构
• 全部由单键组成时，柔顺性好，属 于柔顺链。 • －Si－O－Si－O－链柔顺性最大 • －C－O－C－O－链次之 • －C－C－C－C－链又次之
含孤立双键
• 主链有孤立双键时，柔顺性比不含 双键时更好。 • 比如聚异戊二烯橡胶
含芳杂环
• 主链上有一定数量的芳杂环时， 由于芳杂环不能内旋转，分子 链的柔顺性科很差。
按聚合物的热 行为
热塑性聚合物 热固性聚合物
碳（均）链聚合 物
一般为加聚物
一般为缩聚物 一般为缩聚物
按聚合物分子 的结构
杂键聚合物
元素有机聚合物
聚合物的命名
• 聚合物有系统命名法和通俗命名法， 主要采用通俗命名法。 • 天然高分子，一般按来源和性质有 专有名词。如纤维素、蛋白质等。
聚合物的命名
• 合成高分子，是在单体名称前冠以“聚” 字。 • 如由乙烯(H2C＝CH2)制得的聚合物叫聚 乙烯(polyethylene，简称PE)。是我們最 常看到的塑料，可制塑料袋、塑料杯、 塑料桶及塑料玩具等用品。
• 由氯乙烯加成聚合而成聚合物 叫聚氯乙烯[poly(vinyl chloride)]，简称(PVC）。是制 造雨衣、硬塑料水管、塑料布、 电线塑料外壳的原料。
聚合物的命名
• 由两种单体缩聚而成的聚合物， 如果结构比较复杂或不太明确， 往往在单体名称后加上“树脂” 二字来命名。
• 由尿素与甲醛的水溶液在硫酸的催化下 缩合而成的聚合物叫脲甲樹脂。因受熱 不会软化，且质轻并有絕緣性，是制造 电线插头与插座的塑料部分及炊具把手 的最佳原料。
尼龙66中氧原子与氨基中的氢原子之间形成氢键后，增 强了强度。
电学性能
• 高分子的结构是决定其导电性能的主要 因素。 • 结构对称的非极性分子，不能导电。 • 结构不对称的极性分子，由于在交流电 场中，极性基团或极性链节随电场方向 发生周期性的取向，具有一定的导电性。 • 含共轭双键的聚合物由双键中的∏电子 能在整个分子中运动，具有一定的导电 性。
粘流态
• 温度再升高，整个大分子链都 能发生相对移滑动，同小分子 液体类似，这种流动形变是不 可逆的，称为粘流形变，聚合 物所处状态叫粘流态。 • 由高弹态变到粘流态的温度称 为粘流化温度，及Tf表示。
非晶态和晶态聚合物的比较
非晶态和晶态聚合物的比较
聚合物使用的温度范围
• 塑料在室温下大都处于玻璃态， Tg 是其使用上限温度。 • 橡胶处于高弹态， Tf是其使用下限 温度。 • 大多数合成纤维是结晶聚合物，熔 点Tm是其使用上限温度。
基本概念
• 高分子又称大分子，一般是指 分子量大于104，链长度在103～ 105，甚至更 大的分子。 • 高分子化合物与低分子化合物 的根本区别，在于分子量大小 的不同。
• 造 成高分子分子量很大的原因，是它们 的分子是由特定的结构单元多次重复连 接组成的。例如聚氯乙烯分子是由 成千 上万个氯乙烯分子相互连接组成的。
线型高分子
Linear polymers: Van der Waals bonding between chains. Examples: polyethylene, nylon. 链之间的结合力是分子间力，例如：聚乙烯、 尼龙
高密度聚乙烯的线型结构
Linear
支链型高分子
Branched polymers:
链节 单体 聚合度
• 高分子里每个特定的结构单元也叫做链 节。 • 表示每 个高分子里链节的数目，叫做聚 合度(n)。 • 能够聚合生成高分子化合物的低分子化 合物叫做单体。 • 例如苯乙烯是合成聚苯乙烯的单体。
聚苯乙烯由苯乙烯聚合成
聚苯乙烯和聚氯乙烯
施陶丁格提出高分子链性学说
• 高分子具有重复链节结构这一概念， 是施陶丁格在20世纪20年代初提出 的。直到30年代初，通过了多次实 践，这一概念才被广泛承认。从而 使高分子有飞跃的发展。为了表彰 斯陶丁格的功绩，瑞典皇家科学院 授予他1953年诺贝尔化学奖。
Tg (oC) - 73 -125 -20 69 75 100 100 140
高分子化合物的性质
•机械性能
•电学性能 •老化与防老化
影响机械性能的因素
聚合度
结晶度 分子间力（包括氢键）
机械性能随聚合度的增大而增强， 同时粘度也迅速增大。
聚合物结晶度越大
机械性能越好
分子间作用力、氢键增大，可 显著提高聚合物的机械性能
• 如聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）
含共轭双键
• 含共轭双键（即两个双键被一 个单键隔开）的大分子链，不 能内旋转，具有极大的刚性。
聚异戊二烯
侧基性质
• 极性越大，柔顺性越差 • 侧基越大，柔顺性越差 • 对称性好，柔顺性好
极性越大，柔顺性越差
• 聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯睛柔顺 性依次递减：
＞ ＞
物理功能高分子材料
• 物理功能高分子材料如导电高 分子、高分子半导体、光导电 高分子、压电及热电高分子、 磁性高分子、光功能高分子、 液晶高分子和信息高分子材料 等。
化学功能高分子材料
• 化学功能高分子材料如反应性 高分子、离子交换树脂、高分 子分离膜、高分子催化剂、高 分子试剂及人工脏器等。
• 生物功能和医用高分子材料， 如生物高分子、模拟器、高分 子药物及人工骨材料等。
玻璃态
• 整个大分子被冻结，受力时能 发生键长和键角微小的改变， 形变与外力成正比，外力除去， 形变能立即恢复，称为普弹形 变。
高弹态
• 随着温度升高，分子热运动加剧， 当升高到玻璃化温度以上，链段可 随外力作用的方向而运动，产生很 大的形变，外力解除后，能恢复原 状，即发生高弹形变，所处状态称 为高弹态。 • 由玻璃态转变到高弹态的温度称为 玻璃化温度，用Tg表示。
单键内旋转示意图
• 纯碳－碳单键的内旋转是完全的。 • 高分子链中单键的内旋转受取代 基及邻近部分的影响，具有很大 的阻力。 • 阻力小容易卷曲的称为柔顺链。 • 阻力大不容易卷曲的称为刚性链。
链段
• 高分子中具有独立运动能 力的最小部分叫做链段。 一般包括十几到几十个 链 节。 • 柔顺性大，链段短。 • 柔顺性小，链段长。
侧基越大，柔顺性越差
• 比如聚苯乙烯具有较大的苯基， 内旋转困难，柔顺性差，性脆而
硬。
对称性好 柔顺性好
• 聚异丁烯的两个甲基在同一个 碳原子上对称取代，其单键内 旋转反而更容易，故柔顺性比 聚丙烯更好
高分子化合物的力学状态
• 高分子长链是曲曲折折的蜷曲 形。有规则的蜷曲(折叠)形成晶 态，无规则的蜷曲形成非晶态； 高分子的分子与分子堆砌在一 起。
• 聚合物玻璃化温度越高，耐热性越
高。 • 若聚合物常温下处于玻璃态，则可 用来 做塑料。 • 常温下处于高弹态则可用来做橡胶。 Tg~Tf是橡胶的使用温度范围，
一些聚合物的玻璃转化温度
• • • •
•
• • • •
聚合物 天然橡胶 低密度聚乙烯 (LDPE ) 聚丙烯 (不规则) 聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 聚氯乙烯 (PVC) 聚丙烯 (规则) 聚苯乙烯 聚碳酸酯
天然高分子与合成高分子
• 棉、毛、蚕丝和蛋白质等都是 天然高分子材料 。 • 合成高分子材料主要包括塑料、 橡胶与纤维三大合成材料，其 中塑料占总量的80％。
功能高分子材料
• 人们还可以通过各种手段，用物理 的或化学的方法，或者使高分子与 其他物质相互作用后产生物理或化 学变化，从而使高分子化合物成为 能完成特殊功能的功能高分子材料。
• 结晶高分子中既包含着有规整排列 部分（晶区），又包含着不Leabharlann Baidu整排 列部分（非晶区）。 • 高分子中晶区部分所占的质量分数， 叫做结晶度。 • 典型的结晶高分子化合物通常结晶 度只有50%~80%。
• 在高分子的分子与分子之间， 相同的链节也可排列成为片晶， 片晶再堆砌成为球晶或其他晶 态；小分子化合物，要么是结 晶的，要么是非晶态的；而高 分子化合物，则可以一部分是 晶态结构，另一部分是非晶态 结构。
高分子化合物的分子量
• 同一种高分子化合物在实质上， 是由许多链节结构相同而聚合 度不同的高分子所组成的混和 物。因此高分子化合物的分子 量只能是 平均分子量（Mr）。
Mr＝n×m
聚合物的分类
分类原则
按聚合物的来源
类别 天然聚合物 人造聚合物 合成聚合物
举例与特性
如天然橡胶、纤维素、 蛋白质
经人工改性的天然聚 合物，如硝酸纤维、 醋酸纤维（人造丝） 完全由低分子物质合 成的如聚氯乙稀、聚 酰胺等。
特点
弹性和可塑性，可 反复加工成型
性质及示例
热塑性聚合物，如聚氯乙 稀、聚乙稀、尼龙
线型
支链型
象一根“节上生枝” 树干
与线型基本相同
体型
线型或支链型高分子 以化学键交联而成 具有空间网状结构
弹性和可塑性 较小，硬度和 脆性大，一次 加工成型后不 再熔化，一般 溶剂不溶解
热固性聚合物 硫化橡胶、离子交换树脂
由加成聚合反应得到 的，如聚稀烃 由缩合聚合反应得到 的，如酚醛树脂
按生成聚合物的化 学反应
加聚物 缩聚物
分类原则
类别 塑料
举例与特性
有固定形状、热稳定性与 机械强度，如工程塑料
按聚合物的性 质
橡胶
纤维
具有高弹性，可做弹性材 料与密封材料
单丝强度高，可做纺织材 料 线型结构加热后仍不变 线型结构加热后变体型
老化与防老化
• 高分子在长期使用过程中，由于受 到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、 酸碱及微生物等因素作用，逐渐失 去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或 变软、发粘、变色等，从而使它的 物理机械性能越来越差的现象，叫 做高分子化合物的老化。
• 高分子的老化过程主要包括交联和裂解 两种反应。 • 交联是指在大分子链之间形成化学键， 从线型变为体型结构的过程。导致高分 子失去弹性、变脆、变硬。 • 裂解又称降解，是指大分子链发生断裂， 聚合物相对分子质量明显降低的过程。 使高分子变软、变粘并失去机械强度。
片晶
lites
球晶
结晶度对性质的影响
如果聚合物结晶程度比较高， 产品就会更坚硬结实但可塑性 差，反之亦然。在合成树脂、 纤维和橡胶中，合成橡胶是结 晶结构较少的聚合物。
非晶态聚合物的温度－形变曲线
线性非结晶 聚合物有三 种不同的力 学状态：玻 璃态、高弹 态、粘流态。
温度对热塑性的影响
A...... 硬而脆 B...... 硬度 延展性居中 C...... 柔软
Network polymers: 3D networks made from trifunctional mers. Examples: epoxies, phenolformaldehyde
高分子链的柔顺性
• 高分子链中含有很多的单键， 这些单键均可作内旋转，从而 使高分子链很容易卷曲成各种 不同形状。称为高分子链的柔 顺性。
有机高分子 化合物
内容提要
•1、基本概念：链节、聚合度、单体
•2、分类与命名 •3、高分子链的结构：线型、支链型、体型 •4、高分子化合物的力学性质：晶区模型 非晶态聚合物的温度变形曲线 玻璃态、高弹态、粘流态 高分子材料应用的适宜温度范围
高分子化合物
• 今天，大到国民经济，小到日 常生活都与高分子材料息息相 关，可称为“高分子化合物时 代”。 • 高分子材料在二战前后得到了 迅速发展；到上世纪末，光是 塑料在体积上就明显超过了钢 铁。
晶态高分子
非晶态高分子
晶区结构模型
• 同一种高分子化合物可以兼有晶态 和非晶体两种结构。 • 根据晶区结构模型，在结晶高分子 中存在着若干所谓晶区，在晶区中 间还存在所谓非晶区。 • 在晶区分子链有规则而紧密地排列， 非晶区分子链蜷曲和无规则的堆砌。
晶态和非晶体两种结构 同时存于高分子中
结晶度