高分子科學的基本概念

高分子科學的基本概念第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二基本定義CH2CH2CH2CH2()nNH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+NH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()nmonomermonomerstructuralunitstructuralunitrepeatingunitStructure/repeatingunitmonomerMonomer（單體）可以通過化學反應(yīng)形成聚合物的小分子化合物，稱為單體。Structureunit（結(jié)構(gòu)單元）

單體在大分子鏈中形成的單元。Repeatingunit（重復(fù)單元）聚合物中化學組成相同的最小單位稱為重復(fù)單元。第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二高分子的命名簡單命名法以單體名為基礎(chǔ)，前面冠以聚字。例如丙烯的聚合物稱為聚丙烯。對于兩種單體的共聚產(chǎn)物，常摘取兩種單體的簡稱，后綴“樹脂”（塑料）或“橡膠”。例如苯酚和甲醛的縮聚產(chǎn)物被稱為酚醛樹脂；丁烯與苯乙烯的共聚物被稱為丁苯橡膠。系統(tǒng)命名法IUPAC系統(tǒng)命名法：以聚合物的重復(fù)單元為基礎(chǔ)，按有機物的標準命名法加以命名。第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二高分子的命名

Example1Polymermonomer簡單命名法：聚乙烯醇，poly(vinylalcohol);PVA系統(tǒng)命名法：聚1-羥基乙烯第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二高分子的基本概念結(jié)構(gòu)單元有時也稱為單體單元（Monomerunit）重復(fù)單元（Repeatingunit）鏈節(jié)（Chainelement）n表示重復(fù)單元數(shù)，在此等于聚合度。聚合度（Degreeofpolymerization）聚合度是衡量高分子鏈大小的一個指標。有兩種表示法：以大分子鏈中的結(jié)構(gòu)單元數(shù)目表示，記作以大分子鏈中的重復(fù)單元數(shù)目表示，記作第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二高分子的分類按用途分類塑料（plastic）橡膠（rubber）纖維（fiber）涂料（coating）粘合劑（adhesive）功能高分子涂料是涂布于物體表面能結(jié)成堅韌保護膜的涂裝材料。功能高分子是指在高分子主鏈和側(cè)枝上帶有反應(yīng)性功能基團，并具有可逆或不可逆的物理功能或化學活性的一類高分子。粘合劑是指具有良好的粘合性能，可將兩種相同或不相同的物體粘接在一起的連接材料。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二塑料制品第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二橡膠制品第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二纖維制品第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二涂料與粘合劑第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二與高分子相關(guān)的化學反應(yīng)高分子的合成高分子的改性與功能化高分子的老化與降解

高分子化學是高分子科學的基礎(chǔ)。高分子化學研究高分子化合物的分子設(shè)計、合成及改性，它擔負著為高分子科學研究提供新化合物、為國民經(jīng)濟提供新材料及合成方法的任務(wù)。

高分子的反應(yīng)按聚合機理連鎖聚合活性中心引發(fā)單體，迅速連鎖增長的聚合。根據(jù)活性中心的不同可分為自由基聚合、陽離子聚合和陰離子聚合。逐步聚合逐步聚合反應(yīng)通常是由單體所帶的兩種不同的官能團之間發(fā)生化學反應(yīng)而進行按化學組成變化加成聚合縮合聚合新型聚合反應(yīng)第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二連鎖聚合鏈引發(fā)單體鏈增長聚合物第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二自由基聚合聚合時先由引發(fā)劑I形成自由基活性種，再進一步與單體加成，促使鏈增長。鏈引發(fā)（均裂）鏈增長鏈終止死聚合物常用的引發(fā)劑：偶氮類引發(fā)劑有機過氧類引發(fā)劑無機過氧類引發(fā)劑氧化還原引發(fā)體系引發(fā)方式：熱引發(fā)聚合光引發(fā)聚合輻射引發(fā)聚合第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二逐步聚合HO―CH(CH3)―COOH+HO―CH(CH3)―COOHHO―CH(CH3)―COO―CH(CH3)―COOH+HO―CH(CH3)―COOHHO―CH(CH3)―COO―CH(CH3)―COOH[]n第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二高分子的分子設(shè)計LinearBranchedCross-linkedComb-likeStar-likeDendrimerPolycatenane第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二支化結(jié)構(gòu)對性能的影響名稱密度（g/ml）結(jié)晶度（%）拉伸強度（MPa）斷裂伸長率（%）沖擊強度（J/m）HDPE0.94-0.9780-9521-3820-13027-1068LDPE0.91-0.9350-704.1-1690-800NobreakLLDPE0.92-0.9350-5520-30100-1000Nobreak不同支化結(jié)構(gòu)聚乙烯的基本性能參數(shù)第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二交聯(lián)交聯(lián)反應(yīng)是指線型高分子鏈之間進行化學反應(yīng)，由線型的聚合物轉(zhuǎn)變成為體型的網(wǎng)狀聚合物。交聯(lián)的目的在于消除永久變形，交聯(lián)后的體型聚合物不能熔融也不會溶解。常見的橡膠和熱固性樹脂制品均是交聯(lián)聚合物。表征交聯(lián)的幾個參數(shù)交聯(lián)點間分子量（molecularweightbetweencross-links）凝膠率（gelfraction）溶脹率（Swellingratio）SSSSSSSS+()nΔSnSnSnSnVulcanizationofnaturerubber第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二共聚含有兩種或兩種以上的重復(fù)單元的聚合物，稱為Copolymer（共聚物）共聚（Copolymerization）是改變聚合物性能的一種有效方法。根據(jù)共聚物中結(jié)構(gòu)單元的排列方式可分為以下幾類：無規(guī)共聚物（random）：A、B兩種結(jié)構(gòu)單元無規(guī)排列，隨機分布。交替共聚物（alternate）：A、B兩種結(jié)構(gòu)單元嚴格相間排列。嵌段共聚物（block）：由A聚合物鏈段和B聚合物鏈段交替構(gòu)成。第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二接枝主鏈由單元A構(gòu)成，而支鏈由另一種單元B構(gòu)成。BackboneAGraftchainsB***MonomerBMacro-initiator******Pre-polymerBPre-polymerAMacro-monomerMonomerAGraftfromGraftontoGraftthrough第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二高分子合成的發(fā)展合成原料產(chǎn)品高能效、低能耗、綠色環(huán)保是高分子合成未來發(fā)展的重要方向。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化溫和的反應(yīng)條件，不產(chǎn)生危險或有害物質(zhì)。環(huán)境友好可降解、可回收。生物圈循環(huán)綠色高分子合成第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二白色污染第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二新型高分子合成方法——

活性聚合活性聚合的特點Mn的增長與單體轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系；單體100%轉(zhuǎn)化后加入新單體，聚合反應(yīng)繼續(xù)進行，Mn進一步增加，且仍與單體轉(zhuǎn)化率成正比；所有聚合物分子都由引發(fā)劑分子所引發(fā)，并且其數(shù)目在整個聚合過程中保持恒定；分子量分布非常窄，接近單分散，Mw/Mn≈1.0活性聚合（LivingPolymerization）:

在適當?shù)暮铣蓷l件下，無鏈終止與鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)，鏈增長活性中心濃度保持恒定的時間要比完成合成反應(yīng)所需的時間長數(shù)倍。（IUPAC，1996）活性聚合首先發(fā)現(xiàn)于陰離子聚合(1950)，近年來發(fā)展到自由基聚合和陽離子聚合。第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二新型高分子合成方法——

活性聚合活性聚合最典型的特征是引發(fā)速度遠遠大于增長速度，并且在特定條件下不存在鏈終止反應(yīng)和鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)，亦即活性中心不會自己消失。這些特點導(dǎo)致了聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量可控、相對分子質(zhì)量分布很窄，并且可利用活性端基制備含有特殊官能團的高分子材料?；鶊F轉(zhuǎn)移聚合（GTP）原子自由基轉(zhuǎn)移聚合（ARTP）活性開環(huán)聚合活性開環(huán)歧化聚合第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二酶催化聚合以被分離的酶為催化劑，通過體外非生物過程的聚合反應(yīng).優(yōu)點

(與傳統(tǒng)化學催化聚合的比較)

具有高的區(qū)域和立構(gòu)選擇性具有高的催化活性有效抑制副反應(yīng)的發(fā)生可在較溫和條件下反應(yīng)非金屬催化劑多聚糖Glycodidase、糖基轉(zhuǎn)移酶、磷酸化酶、纖維素酶、CGTase多聚肽二肽酰轉(zhuǎn)移酶（組織蛋白酶

C）、木瓜蛋白酶、α-胰凝乳蛋白酶、BPN（枯草桿菌蛋白酶）聚酯、

聚酰胺聚碳酸酯脂肪酶、蛋白酶、解聚酶芳香族聚合物山葵過氧化物酶（HRP）大豆過氧化物酶（SBP）第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二新型高分子合成方法——

微生物聚合可微生物合成的聚合物遺傳物質(zhì)：DNA、RNA蛋白質(zhì)：多聚肽、酶多聚糖：淀粉、纖維素微生物聚酯（microbialpolyester）微生物通過生物活動合成聚合物作為自身的能量儲備，通過特殊方法提純即可得到相應(yīng)的高分子材料第25頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二高分子的化學反應(yīng)研究高分子化學反應(yīng)的意義：擴大高分子的品種和應(yīng)用范圍在理論上研究和驗證高分子的結(jié)構(gòu)研究影響老化的因素和性能變化之間的關(guān)系研究高分子的降解，有利于廢聚合物的處理高分子化學反應(yīng)的分類：聚合度基本不變的反應(yīng)：側(cè)基和端基變化（官能化）聚合度增大的反應(yīng)：交聯(lián)、接枝、嵌段、擴鏈聚合度減小的反應(yīng)：降解，解聚第26頁，共27頁，2023年，2月20日，星期二高分子化學反應(yīng)的特點高分子官能團可以起各種化學反應(yīng)由于高分子存在鏈結(jié)構(gòu)、聚集