《高分子概论》课件

高分子概论高分子是由一个或多个简单分子称为单体通过化学键连接而形成的大分子本课程将深入探讨高分子的基本理论知识包括结构、性质、合成及应用等方方面,面高分子概念及分类高分子概念天然高分子合成高分子高分子分类高分子是由大量相同或不同基木质素、淀粉、纤维素、蛋白通过人工合成方法制备的高分根据结构、组成、制备方法等本结构单元单体通过共价质等天然存在的高分子化合物子材料如塑料、橡胶、纤维不同特征高分子可分为不同,,,键连接而成的大分子高分子广泛分布于自然界中等在工业和日常生活中应用类型如线型、支链型、交联,,分子量通常在数万到数百万范广泛型、同型、共聚物等围内高分子链结构高分子材料的结构是决定其性能的关键因素高分子链由许多单体单元通过共价键连接而成可呈现各种不同的结构如线型、支化、网状等这些结构特征对高,,分子材料的机械性能、热稳定性、耐化学性等性质产生重要影响高分子链结构的研究有助于我们深入理解和设计满足特定应用需求的高分子材料通过调控高分子链的构型、取向和结晶性等因素可以实现高分子材料性能的有,效调控与优化平均分子量及其测定高分子材料由许多基本单元（单体）聚合而成，其分子量大小和分布是决定高分子物理化学性能的关键因素通过各种测定方法可以确定高分子的数均分子量、质量均分子量及其分布，从而了解其微观结构和性能特点高分子溶液性质分子结构溶剂效应温度效应浓度效应高分子溶液的性质主要取决于溶剂的极性、溶解度参数等会温度会影响高分子链的热运动高分子溶液的浓度会影响其溶,其分子结构如分子量、分子量影响高分子在溶液中的溶胀程从而改变溶液的粘度、溶胀性液特性如渗透压、粘度、光吸,,分布、侧基、极性基团等度和展开程度等性质收等高分子溶液粘度粘度与链长高分子溶液的粘度与溶质分子的大小及形状密切相关一般来说分子量越大粘,,,度越高粘度与浓度溶质浓度越高溶液粘度越大这是因为溶质分子间的相互作用增强,粘度与溶剂溶剂的性质会影响溶液的粘度极性强的溶剂可以增大高分子链的溶剂化程度,,从而提高粘度粘度及其测定通过毛细管粘度计和旋转粘度计等方法可以测定高分子溶液的固有粘度和相对粘度高分子相互作用分子间力疏水相互作用12高分子链之间存在范德华力、非极性基团间的疏水相互作用氢键等分子间相互作用力影响也是高分子链稳定的重要因素,高分子的物理性质之一离子相互作用交联作用34带电基团间的离子相互作用在通过共价键、物理交联等方式聚电解质中发挥重要作用形成的高分子网络赋予材料独,特的力学性能高分子电解质电离性高分子电离行为依赖性pH高分子电解质是在水溶液中能够离解出带电高分子电解质在水溶液中能发生电离形成高分子电解质的电离程度受溶液值的影,pH荷的离子的高分子其分子链上含有亲水性带正电荷或负电荷的聚离子这种电荷行为响在不同条件下其带电荷的强度和符pH,基团能在水中电离形成聚离子决定了高分子电解质的许多性质号会发生变化从而影响其性质和应用,,高分子表面性质高分子材料的表面性质对其应用性能有重要影响表面性质包括表面能、润湿性、粘附性等通过物理或化学方法可以改变高分子表面性质实现特定的功能如防粘、防污、抗菌、亲和等表面,,改性技术是高分子材料研发的关键高分子的微观结构高分子的微观结构体现了其独特的分子链构型及各种化学基团的排布情况这不仅决定了其物理化学性质也影响着高分子材料的宏观行为了解高分子的微观,结构对于设计和改性新型高分子材料至关重要高分子链的空间结构包括主链、侧链、交联结构等不同的结构会赋予高分子分子以特定的性能研究高分子的微观结构有利于深入认识高分子的整体特性高分子的取向性单向取向双向取向高分子链可通过牵引、压延等物理作用实现沿某一方向的有序排列高分子链可以在两个相互垂直的方向上均匀取向形成双向均匀取向,,形成单向取向结构结构晶体取向无定向高分子链通过结晶形成有序排列的晶体结构体现宏观的取向特性高分子链无规则排列呈现无定向状态通常表现为各向同性,,,高分子的结晶性结晶结构结晶度结晶过程高分子在冷却或受力时会形成有序的结晶结高分子的结晶度取决于分子链的规整性和链高分子从熔融状态冷却结晶是一个复杂的过构其中大量分子链平行排列形成晶格和晶间作用力决定了材料的力学、热和光学性程包括核化和晶体生长两个阶段受温度、,,,,,格间的无定型区域能冷却速率等因素影响高分子的力学性质应力应变关系弹性行为粘弹性特征韧性与耐久性-高分子材料在受力作用下会发高分子材料可表现出良好的弹高分子材料同时具有液体和固抗冲击性、耐磨损性和抗疲劳生可逆或不可逆的变形这种应性并能在卸载后恢复原状这是体的性质表现出时间依赖的复性等是衡量高分子材料力学性,,,,力应变关系是评估力学性能的其重要的力学特性杂力学行为能的重要指标-重要指标高分子的热性质热稳定性热膨胀系数高分子材料的热稳定性很重要决不同高分子材料的热膨胀系数差,定其在不同温度条件下的使用寿异很大需要根据应用情况合理选,命需要对热分解、热变形等进择避免热胀冷缩带来的问题,行严格控制热导率热容高分子材料的热导率普遍较低这高分子材料的热容大在吸收热量,,决定了其在隔热方面的优势但也时能充分利用在温度变化过程中,,限制了它在导热应用中的使用能有效缓冲高分子复合材料高分子复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组合而成的新型材料它们融合了各种材料的优点如高强度、耐腐蚀、耐温,等广泛应用于航天、汽车、电子等领域高分子复合材料的主要,组成包括基体高分子和增强材料如纤维、填料等通过协同作用提,,升整体性能高分子动态行为熔融状态1高分子在熔融状态下具有高度的分子运动性和松散的分子链排列这使得其在加热和施加外力时能够发生大规模的流动变形玻璃态2在玻璃化温度以下高分子分子链受到限制只能进行局部的振动,,运动这使得高分子在这种状态下表现出硬脆的特性橡胶态3在玻璃化温度和熔融温度之间高分子链具有较高的柔韧性和弹,性能够承受大的变形而不会破坏这是高分子发挥弹性作用的,关键状态高分子分子间力及其应用范德华力氢键作用12这种分子间的弱相互作用对高氢键能形成稳定的分子结构是,分子的溶解性、热性能、表面许多生物高分子如蛋白质和核性质等产生重要影响酸的关键作用力离子键及配位键疏水作用34这些强相互作用在聚电解质、疏水性相互作用是生物大分子离子交换树脂等高分子材料中自组装的重要驱动力在生物高,有广泛应用分子工程中应用广泛高分子界面性质表面能界面极性界面相互作用表面改性高分子材料表面具有较高的表高分子材料表面极性基团的分高分子材料表面与其他物质之通过表面改性技术如等离子,面自由能这决定了材料的润布和取向决定了界面极性从间存在各种物理化学相互作用体处理、化学改性等可以有,,,,湿性、亲和力、吸附性等性质而影响材料的润湿性、粘附性、如电荷、氢键、范德华力等效调控高分子材料的表面性质,,,对材料的功能特性有重要影响亲和力等通过引入亲水或疏这些作用对材料的界面黏附、从而实现界面性能的优化与调通过调控材料表面能可以实现水基团可以调控界面极性吸附、渗透等性质有重要影响控对界面性质的控制和优化高分子溶胀性及其应用水凝胶溶胀土壤改良防渗透涂层高分子水凝胶能吸收大量水产生强大的溶将高吸水性的高分子材料添加到土壤中可高分子材料可形成防渗透涂层广泛应用于,,,胀力广泛应用于医疗、个人护理等领域以提高土壤的持水性改善作物生长环境包装、建筑、防水等领域提高产品性能,,,高分子的可控合成单体选择1选择合适的单体种类和结构聚合机理2确定最佳的聚合反应机理反应条件3控制温度、压力、等反应条件pH分子量调控4精准调控高分子链的分子量高分子的可控合成是高分子化学的核心任务之一通过精心设计单体结构、优化聚合反应机理、控制反应条件以及调节分子量等可以合成出具有特,定性能和应用的高分子材料这一过程需要综合应用各种先进的合成技术体现了高分子化学的理论深度和实践能力,高分子链构象及其测定高分子的构象不仅反映了分子内力的平衡也影响着材料的性能通过光谱学、,电子显微镜等手段可以精确测定高分子链的空间构型和尺度为设计和改性提供,,依据测定技术信息内容射线衍射高分子链的晶格结构和取向X核磁共振高分子链的化学结构和构象激光光散射高分子链的尺寸和形状高分子的缩聚反应缩聚反应1通过水或其他小分子的有序脱除实现线性缩聚2生成线性高分子如尼龙、聚酯等,网状缩聚3生成交联高分子如酚醛树脂、酚醛橡胶,缩聚反应是高分子合成的重要方式之一通过有机小分子的有序缩合与脱除过程可以生成各种线性高分子和网状高分子这种反应可以精,,确地控制分子量和结构是高分子材料制备的基础,高分子的加聚反应链增长反应1通过活性末端不断加入单体而链长逐渐增长聚合度控制2可通过控制反应时间和单体浓度来调节聚合度机理分类3主要有自由基加聚、离子加聚和配位加聚三种高分子的加聚反应是通过活性末端不断地吸收单体分子来增长高分子链的过程这种连续性的链增长反应可以得到较高分子量的高分子材料通过控制反应时间和单体浓度等参数可以调节最终产品的聚合度加聚反应主要有自由基加聚、离子加聚和配位加聚等几种不同的机理高分子的共聚反应共聚单体选择根据目标性能选择两种或多种不同结构的共聚单体，以获得所需的共聚物性能共聚比例确定通过调整共聚单体的投料比例来调节共聚物的组成和性能反应机理分析了解共聚反应的具体机理如共单体的反应活性、共聚反应动力学等,共聚物性质评估对共聚物的化学结构、分子量、热稳定性等进行全面分析和测试高分子的离子聚合离子引发1离子聚合通过具有较高化学活性的离子发起如阳离子或阴离子,连续增长2离子链端活性很高能与单体分子连续反应形成长链高分子,,温和条件3离子聚合通常在室温下进行无需高温或高压条件,高分子的自由基聚合引发剂1产生自由基引发反应2自由基与单体结合链增长3持续吸收单体生长链条终止反应4自由基间相遇或与抑制剂反应自由基聚合是一种常见的高分子合成方法通过引发剂产生活性自由基引发单体聚合并成长为长链聚合物链增长过程中持续吸收单体直至两个自,,,由基链端相遇或与抑制剂反应而终止反应该方法适用于各种不饱和单体反应条件温和是制备多种高分子材料的重要手段,,高分子的配位聚合金属配位键配位聚合利用金属中心与大分子的配位键结合形成稳定的高分子链结构,选择合适的配体通过调整配体的种类和数量可以控制聚合反应的进程和产物性质,立体选择性配位聚合具有良好的立体选择性可以制备出具有特定构象的高分子,广泛应用配位聚合广泛应用于催化剂、生物医药、导电高分子等领域高分子的开环聚合环状单体1开环聚合的原料通常是环状的有机化合物如环氧乙烷、环丙烷、,环己烷等开环机理2通过断裂环状分子中的化学键单体分子以链式的方式连接起来,,形成高分子链催化剂3开环聚合通常需要使用金属催化剂或酸碱催化剂来促进反应进行如氧化物、卤化物等,高分子的缩聚聚合单体选择1选择具有两种以上反应官能团的单体缩聚反应2通过共价键形成连续的高分子链脱去小分子3反应过程中会脱去水、醇、氨等小分子高分子的缩聚聚合是一类重要的聚合反应形式它通过选择具有两种或更多反应官能团的单体进行共价键的形成最终生成连续的高分子,,链反应过程中会不断脱去水、醇、氨等小分子是一类常见的步骤式聚合反应,高分子的生物相容性生物相容性概念生物相容性评价生物相容性因素生物相容性应用生物相容性指高分子材料与生评价高分子生物相容性通常包材料表面性质、化学结构、分生物相容性高的高分子材料广物环境中的细胞和组织之间的括细胞毒性、刺激性、致敏性、子量、取向性等都会影响生物泛应用于生物医用领域如组,良好相互作用不会引起任何致炎性等测试确保材料无毒、相容性合理设计和表征有助织工程支架、缝合线、人工器,不可接受的生理反应这是评无过敏反应能促进组织修复于提高生物相容性实现材料官等具有良好的生理相容性,,,判高分子材料医用价值的关键和再生是关键的安全可控应用和生物功能指标之一高分子材料的表征化学结构分析分子量测定12通过、等技术手段采用、等方法可以FTIR NMR,GPC OSM可以确定高分子材料的化学组测量高分子的数均分子量和重成和官能团类型均分子量了解其分子量分布,热性能测试力学性能测试34利用、分析高分子的通过拉伸、压缩等试验可以测DSC TGA熔融点、玻璃化转变温度、热定高分子材料的强度、韧性、稳定性等性能参数模量等力学指标。