有机高分子材料介绍

第四章有机高分子材料

第一节概述

有机高分子材料包括两种：

天然高分子材料：木材、棉花、皮革等；

有机聚合物合成材料：塑料、合成纤维、合成橡胶、涂料及粘合剂等。

有机高分子材料的特点：质地轻、原料丰富、加工方便、性能良好、用途广泛，因而发展速度很快。且随着合成、加工技术的发展，耐高温、高强度、高模量和具有特定性能和功能的高分子材料也应运而生。

有机聚合物（有机玻璃、橡胶等等）具有与金属相反的物理性能：

大部分是电和热的绝缘体

不透明

硬度低

大部分不能禁受200℃以上的温度

有机聚合物材料的加工工艺

有机聚合物材料的加工工艺路线

有机物原料或型材

成形加工

切削加工

零件

热处理、焊接等

热压、注塑、挤压、喷射、真空成形等

高分子材料的基本概念

高分子材料是由可称为单体的原料小分子通过聚合反应而合成的。绝大部分原料单体为有机化合物。在有机化合物中，除碳原子外，其他主要元素为氢、氧、氮等。在碳原子与碳原子之间、碳原子与其它元素的原子之间能形成稳定的共价键。由于碳原子是4价，所以可以形成为数众多、结构不同的有机化合物，已知的有机化合物的总数已接近千万，而且新的有机化合物还不断合成出来。

高分子的链结构

高分子的聚合度及其计算

立构规整性

碳链高分子与杂链高分子

共聚物

高分子的相对分子质量与机械强度

1、高分子的链结构

一个大分子往往由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成，因此高分子又称为聚合物(polymer)。

也就是说高分子化合物是由许多结构单元相同的小分子化合物通过化学键连接而成的。

高分子的一个重要特点：

当一个化合物的相对分子质量足够大，以至多一个链节或少一个链节不会影响其基本性能。

方括号内是聚氯乙烯结构单元，并简称结构单元。

许多重复单元连接成线型大分子，类似一条链子，因此有时又将重复单元称为链节。

由形成结构单元的小分子组成的化合物，称为单体，是合成高分子的原料。

式中括号表示重复连接，通常用n代表重复单元数，由又称聚合度。聚合度是衡量高分子大小的指标。

2、高分子的聚合度及其计算

由聚氯乙烯的结构式很容易看出，高分子的相对分子质量是重复单元的相对分子质量(M0)与聚合度( )(或重复单元数n)的乘积，即

根据化合物的相对分子质量大小来划分高分子和小分子：相对分子质量小于1000的，一般为小分子化合物；而相对分子质量大于10000的，称为高分子或高聚物；处于中间范围的可能为高分子（低聚物），也可能为小分子。

3、立构规整性

化学组成相同的高分子，链结构也相同，但立体构型不同，即原子或原子团在三维空间由化学键连结的排列不同，这种情况称为高分子的立体异构，简称立构异构。

立体异构分为两类：

一是手性碳原子产生的光学异构体；二是分子中双键或环上的取代基空间排列不同的几何异构体。对几何异构来说，有规几何异构包括顺式和反式两种，取代基处在双键同侧的为顺式，处在异侧的为反式。

高分子的立构规整性对材料性质极为重要

顺式1,4-聚丁二烯室温下是一种橡胶，Tg=-108℃；反式1,4-聚丁二烯容易结晶，熔点148 ℃，弹性很差，是一种塑料。

• 国际通用代号为BR ，是目前仅次于丁苯橡胶的世界上第二大通用合成橡胶；

• 具有弹性好，耐磨性强和耐低温性能好，生热低，滞后损失小，耐屈扰性；

• 抗龟裂性及动态性能好等优点，可与天然橡胶、氯丁橡胶以及丁腈橡胶等并用；

• 在轮胎、抗冲击改性、胶带、胶管以及胶鞋等橡胶制品的生产中具有广泛的应用。

4、碳链高分子与杂链高分子

高分子主链由碳原子组成，称为碳链高分子。

高分子主链上不仅含碳，还含有少量其它原子，称为杂链高分子。如尼龙6，6，它是由－NH(CH2)6NH －和－CO(CH2)4CO －两种结构单元组成。可将两种结构单元总数称为聚合度并记作 ，也可将重复单元数称为聚合度并记作 ，这是两种不同的表示法，显然

5、共聚物

两种或更多种的小分子一个接一个地连接成链状或网状结构而形成的高分子，称为共聚物(由两种或两种以上单体聚合而成的聚合物)。

例如由氯乙烯和醋酸乙烯酯共同聚合时，产物为：

根据各种单体单元在分子链中的排列状况，可将共聚物分为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物等

6、高分子的相对分子质量与机械强度

由高分子的相对分子质量高赋予的性质特点，主要是使高分子化合物具有一定的机械强度，可以作为结构材料使用。 高分子的平均相对分子质量

单体聚合物反应的随机性使得分子的聚合度不同，因此高分子材料是由大小不同的高分子的同系物组成的。测出的高分子相对分子质量实际上是大小不同的高分子混合物相对分子质量的统计平均值。算出的聚合度也是统计平均聚合度。不同大小的高分子所占的相对比例，即为该高分子试样的相对分子质量分布情况。这种相对分子量不均一的特殊性质称为多分散性。

根据统计方法不同，平均相对分子质量可分:

有数均相对分子质量3 、重均相对分子质量 1 、粘均相对分子质量2 等。

对于相对分子质量不均一的高分子试样来说，有

高分子的分子量分布

由于高分子材料的多分散性，平均分子量并不能完全表征其中各种分子的数量，因此还有分子量分布的概念。 目前常用的表示分子量分布的方法：

（1）分子量分布指数D n w M M D D 值越大，表示分布越宽。天然高分子的D 值可达1，完全均一，合成高分子的D 值一般在1.5～50之间。

（2）分子量分布曲线

第二节 高分子的合成、结构与性能

一、高分子的合成

由小分子单体通过化学方法得到高分子的过程称为聚合反应。聚合反应可从不同的角度进行分类，按机理可分为逐步聚合和链式聚合。