1、4. 高分子材料 材料与化学学院 4.1 概述 2014/2/20 3 聚合物： 也称 高分子 ， 是由成百上千个原子组成的大分子构成的 。 大分子 是由一种或多种小分子通过主价键一个接一个地连接而成的链状或网状分子 。 4.1.1聚合物材料的基本概念 2014/2/20 4 高分子化合物的分子式 ： A M MM B 高分子的通式： Mn M：结构单元或重复单元 ， 又称为链节 。 n： 聚合度 （ 常以 DP表示 ） 。 4.1.1聚合物材料的基本概念 2014/2/20 5 聚合物的分子量： M=n M0 低分子化合物分子量： 104 聚合物分子量： 104 106 4.1.1聚合物材料
2、的基本概念 2014/2/20 6 化学名称 根据大分子链的化学结构而确定的 。 以单体或假想单体 名称为基础 ， 前面冠以 “ 聚 ” 字 ， 就成为聚合物名称 。 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 ， 则往往在单体名称后面加上 “ 树脂 ” 二字来命名 。 4.1.2聚合物材料的命名 2014/2/20 7 4.1.2聚合物材料的命名 聚合物的结构特征来命名 ， 它是以该类材料中所有品种所共有的特征化学单元为基础的 。 如聚酰胺 、 聚酯 、 聚碳酸酯 、聚砜等 。 许多合成橡胶 是由两种或两种以上单体聚合的共聚物 ， 常从共聚单体中各取一字 ， 后附 “ 橡胶
3、” 二字来命名 。 NHCO COO 2014/2/20 8 4.1.2聚合物材料的命名 商品名称 或专利商标名称是由材料制造商命名的 ， 突出所指的是商品或品种 。 习惯名称 是沿用已久的习惯叫法 。如聚酰胺类的习惯名称为尼龙 ， 聚对苯二甲酸乙醇酯的习惯名称为涤纶等 。 2014/2/20 9 按大分子主链结构分类 ： 碳链 、 杂链和元素有机高分子 举例： 碳链 杂链 元素有机高分子 (CH2 CH)n (CH2 O)n CH3 CH3 (Si O)n CH3 4.1.3聚合物的分类 2014/2/20 10 按聚合物的热行为分类： 热塑性聚合物 、 热固性聚合物 按性能和用途分类： 橡
4、胶 、 纤维 、 塑料 、 粘合剂 、 涂料 、功能高分子 4.1.3聚合物的分类 2014/2/20 11 加成聚合： nM （ M） n 缩合聚合反应： nMN+nPQ （ MP） n+nNQ 4.1.4聚合反应 2014/2/20 12 高分子材料的成型加工是将高分子材料转变成所需形状和性质的实用材料或制品的工程技术 。 通常是使固体状态 （ 粉状或粒状 ） 、 糊状或溶液状态的高分子化合物熔融或变形 ， 经过模具形成所需的形状 ， 并保持其已经取得的形状 ， 最终得到制品的工艺过程 。 4.1.5 高分子材料的成型加工 2014/2/20 13 高分子材料工业： 高分子化工工业 、高分
5、子加工工业 。 高分子化工工业占石油化工工业的比重： 60%70% 4.1.6高分子材料的的发展趋势 2014/2/20 14 高分子材料科学发展趋势 高性能化： 要求材料的机械性能和耐热性、耐久性、耐腐蚀性能进一步提高。 高功能化： 各种功能高分子的开发、研究，已经取得了很大的进展。 复合化： 聚合物基复合材料。 精细化： 电子信息技术要求所用的原材料及的加工技术，向高纯、精细、功能化方向发展。 智能化： 智能材料是使材料本身带有生物所具有的高级功能。 2014/2/20 15 综合 利用原料，节省资源、能源，降低污染； 强化 生产，简化工艺，实现连续化、自动化和最佳化； 降低 成本，提高产
6、品质量。 高分子合成已开始进入 分子设计阶段 ，即根据高分子的性能要求，研究聚合原理，选择合适的原料，对传统聚合方法进行改进，研究新的合成方法，探索合成工艺条件，合成出预定结构的聚合物。 高分子材料 生产技术 (合成 )发展趋势 2014/2/20 16 研究在加工工程中材料结构的演变 ， 通过反应性加工实现预期的材料结构； 与辐照 、 力化学 、 电磁振荡等物理技术结合 ， 建立高效 、 清洁的聚合物加工新方法； 聚合物纳米材料的制备和加工新技术； 加工过程中定量化 ， 计算机模拟 、 工程优化 、 结构预测的研究； 加工过程和材料结构变化的在线检测 ， 可视化研究； 废弃高分子材料回收利用
7、技术等 。 高分子材料 生产技术（加工） 发展趋势 2014/2/20 17 绿色化技术： 制备易于解聚 、 降解 、 可循环再生利用的高分子材料 。 发展热塑性 、 无毒高分子材料： 采用物理交联替代化学交联 ， 改善材料的热塑性 、 加工流变性 ，为材料使用后的回收加工创造条件 。 高分子材料环境要求方面 4.2聚合物的结构 与性能 2014/2/20 19 4.2.1 高分子的 结构 高分子的结构 ： 包括高分子链的结构和聚集态结构这两方面 。 高分子链的结构 ： 分子链的近程结构和远程结构 ，近程结构主要指高分子链的化学结构 ， 远程结构主要是指高分子链的构象 、 形态和分子量 。 聚
8、集态结构 ： 大分子之间的几何排列 。 2014/2/20 20 （ 1） 大分子链的化学组成 按照主链的化学组成 ， 可分为 碳链大分子 、杂链大分子 、 元素有机大分子 等 。 （ 2） 结构单元的连接方式 CH2 CHn R 大分子链的近程结构 2014/2/20 21 CH=CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH=CH CH CH2 CH CH2 CH2 CH CH2 CH 顺式 反式 （ 3） 结构单元的空间排列方式 几何异构 大分子链的近程结构 2014/2/20 22 旋光异构 大分子链的近程结构 2014/2/20 23 （ 4） 大分子链骨架的几何形状 大分子链的近程结构
9、 2014/2/20 24 大分子的内旋转 （ 1）分子内旋转 C C， C N， C O， Si O 电子组成的 键 同 键连接的 两个原子 可以相对旋转 大分子链的 远 程结构 2014/2/20 25 （ 2） 构象 在分子内旋转作用下 ， 大分子链具有很大的柔曲性 ， 可采取各种可能的形态 ， 每种形态 所对应原子及链的空间排列称为 构象 。 构象是由分子内部热运动而产生的 ， 是一种 物理结构 。 大分子链的 远 程结构 2014/2/20 26 （ 3） 大分子链的柔顺性 由于分子的内旋转 ， 在自然状态下 ， 大分子链以卷曲状态存在 ， 这时相应的构象数最多 。 在外力作用下 ，
10、 大分子链可以伸展开来 ，构象数减少 ， 当外力除去后 ， 大分子链又回复到原来的卷曲状态 ， 这就是 大分子链的柔顺性 。 大分子链的 远 程结构 2014/2/20 27 （ 1） 非晶态结构 聚合物的非晶态结构是指 玻璃态 、橡胶态 、 粘流态 （ 或熔融态 ） 及结晶高聚物中 非晶区的结构 。 （ 2） 晶态结构 与一般低分子晶体相比 ， 聚合物晶体具有不完善 、 无完全确定的熔点及结晶速度较慢 （ 有例外 ， 如聚乙烯 ） 的特点 。 聚合物聚集态结构 2014/2/20 28 （ 3） 聚合物液晶态 液晶是介于液相 （ 非晶态 ） 和晶相之间的中介相 。 其物理学状态为液体 ， 而具有与晶体类似的有序性 。 （ 4） 聚合物取向态结构 链段 、 整个大分子链以及晶粒在外力场作用下沿一定方向排列的现象称为聚合物的取向 。 聚合物聚集态结构 2014/2/20 29 4.2.2高分子的物理状态 非晶态聚合物温度 形变曲线 2014/2/20 30 结晶聚合物的温度形变曲线 分子量较低，Tm Tf 分子量较高，Tm Tf 4.2.2高分子的物理状态
