《有机化学课件：高分子专业导论》

有机化学与高分子专业导论课程概述与学习目标课程概述学习目标本课程涵盖有机化学基础知识、高分子化学基本原理、常见高分•掌握有机化学的基本理论和概念子材料的结构与性质，以及高分子材料的改性和加工工艺•了解高分子化学的基本原理和反应类型•熟悉常见高分子材料的结构、性质和应用什么是高分子化学高分子化学的发展历史19世纪1人们发现了天然高分子，如橡胶、纤维素、蛋白质等20世纪初2科学家开始研究合成高分子，如塑料、合成纤维等20世纪中后期3高分子化学取得了重大进展，例如聚合反应机理的阐明、新材料的合成等21世纪4高分子材料在现代生活中的应用电子产品汽车制造服装与纺织塑料、树脂、橡胶等高分子材料被广泛应高分子材料在汽车的内外饰、轮胎、发动用于手机、电脑等电子产品的制造中机等方面都有重要应用基础有机化学概念回顾1化学键原子之间相互作用形成的吸引力，包括离子键、共价键和金属键2分子结构分子中原子排列方式，包括空间结构和电子结构官能团分子中具有特定化学性质的原子团，例如羟基、羧基、醛基等分子结构与化学键分子结构化学键分子结构决定了物质的物理和化学性质有机化学研究分子结化学键是原子之间相互作用形成的吸引力，包括离子键、共价键构，包括原子排列方式、键角、键长和立体构型等和金属键等，是连接原子的纽带，决定了分子结构和稳定性有机化合物的命名规则命名法普通命名法IUPAC国际纯粹与应用化学联合会一些常用的有机化合物，例如甲（）制定的命名规则，用烷、乙醇等，有其特有的普通名IUPAC于系统地命名有机化合物称官能团命名法根据分子中主要官能团来命名化合物，例如醇类、醛类、酮类等常见官能团介绍羟基（）醛基（）酮基（）-OH-CHO-CO-醇类、酚类等物质的特醛类物质的特征官能酮类物质的特征官能征官能团，具有极性，团，具有还原性，可被团，不具有还原性，但可与水形成氢键氧化为羧酸可参与多种反应羧基（）-COOH羧酸类物质的特征官能团，具有酸性，可与碱反应生成盐有机反应类型概述取代反应消除反应分子中的一个原子或原子分子中失去一个小分子，氧化反应团被另一个原子或原子团例如醇脱水生成烯烃取代，例如烷烃的卤代反分子失去电子，例如醇氧应化为醛或酮加成反应还原反应两个或多个分子结合成一个分子，例如烯烃与卤素分子得到电子，例如醛或3的加成反应酮还原为醇2415单体的概念与分类单体是指能通过聚合反应形成聚合物的简单分子单体可以根据其结构和化学性质进行分类，主要包括烯烃单体、环状单体、含有活性基团的单体等单体是合成高分子材料的砖块，不同的单体可以聚合成不同的聚合物，从而“”制备具有不同性能的高分子材料常见单体的结构特征烯烃单体环状单体含有活性基团的单体具有碳碳双键的单体，例如乙烯、丙具有环状结构的单体，例如环己烯、环含有羟基、羧基、胺基等活性基团的单烯、丁二烯等氧乙烷等体，例如甲醇、甲酸、氨基酸等单体的制备方法石油裂解从石油中分离出烯烃单体，例如乙烯、丙烯等醇脱水醇类化合物在催化剂的作用下脱水生成烯烃单体，例如乙醇脱水生成乙烯环状化合物的开环反应环状化合物在适当的条件下开环生成线性单体，例如环己烯开环生成己烯1-其他方法例如，甲醛的制备可以通过甲醇氧化反应单体的纯化技术蒸馏利用单体和杂质沸点不同，将单体从杂质中分离出来重结晶利用单体在不同溶剂中的溶解度不同，将单体从杂质中分离出来色谱分离利用单体和杂质在色谱柱上的吸附能力不同，将单体从杂质中分离出来聚合反应概述聚合反应是指由单体分子通过化学键连接形成高分子链的过程根据聚合反应机理的不同，聚合反应可以分为加聚反应、缩聚反应、开环聚合反应、自由基聚合反应、离子型聚合反应和配位聚合反应等加聚反应机理加聚反应是指单体分子通过双键或三键的断裂，直接连接成高分子链的反应例如，乙烯的加聚反应生成聚乙烯加聚反应的反应条件较为温和，产物分子量较高，且没有副产物生成缩聚反应机理缩聚反应是指单体分子在反应过程中失去小分子（如水、甲醇等），并连接成高分子链的反应例如，二元酸与二元醇的缩聚反应生成聚酯缩聚反应的反应条件较为复杂，产物分子量通常比加聚反应低，且会生成副产物开环聚合反应开环聚合反应是指环状单体在催化剂的作用下开环，并连接成高分子链的反应例如，环氧乙烷的开环聚合反应生成聚乙二醇开环聚合反应的特点是反应条件温和，产物分子量可控，且可制备特殊结构的聚合物自由基聚合反应自由基聚合反应是指通过自由基中间体进行的聚合反应例如，乙烯在自由基引发剂的作用下发生聚合反应生成聚乙烯自由基聚合反应的特点是反应速度快，产物分子量较高，但容易产生支化和交联，造成聚合物性能变化离子型聚合反应离子型聚合反应是指通过离子中间体进行的聚合反应，包括阳离子聚合和阴离子聚合例如，异丁烯在阳离子引发剂的作用下发生聚合反应生成聚异丁烯离子型聚合反应的特点是反应速度快，可控性高，但对反应条件要求严格，易发生副反应配位聚合反应配位聚合反应是指在过渡金属催化剂的作用下，单体分子通过与催化剂形成配位络合物，然后发生聚合反应例如，乙烯在齐格勒纳塔催化剂的作用下发-生聚合反应生成高密度聚乙烯配位聚合反应的特点是反应条件温和，产物分子量高，且可以控制聚合物的立体结构聚合度与分子量聚合度是指聚合物链中重复单元的数目，而分子量是指聚合物链的总质量聚合度和分子量是描述高分子材料结构的重要参数，它们影响着高分子材料的物理性能、化学性能和加工性能分子量分布由于聚合反应过程中的随机性，实际生产的聚合物往往不是单一分子量，而是不同分子量聚合物的混合物，呈现出分子量分布分子量分布可以用多种方法来表征，例如凝胶渗透色谱法（）GPC聚合物的结构表征红外光谱分析通过分析聚合物中官能团的振动吸收峰，确定聚合物的结构和组成核磁共振分析通过分析聚合物中原子核的磁共振信号，确定聚合物的结构和序列X射线衍射分析通过分析聚合物中晶体的衍射信号，确定聚合物的晶体结构和结晶度热分析技术通过分析聚合物的热行为，确定其玻璃化转变温度、熔点、结晶度等热学性能红外光谱分析红外光谱分析是利用红外光照射样品，分析样品对不同波长红外光的吸收情况，从而识别物质的官能团，确定其结构和组成红外光谱分析是一种简单、快速、灵敏的分析方法，在高分子材料的结构表征中应用广泛核磁共振分析核磁共振分析是利用原子核在磁场中的自旋特性，分析原子核对特定频率电磁波的吸收情况，从而确定物质的结构和序列核磁共振分析是一种非常强大的结构表征技术，可以提供详细的分子结构信息紫外可见光谱分析紫外可见光谱分析是利用紫外可见光照射样品，分析样品对不同波长紫外可见光的吸收情况，从而识别物质的结构和组成紫外可见光谱分析通常用于研究聚合物的共轭体系、发光特性和溶液浓度等射线衍射分析X射线衍射分析是利用射线照射样品，分析样品对射线的衍射信号，从而X XX确定物质的晶体结构和结晶度射线衍射分析可以用于研究聚合物的结晶形X态、取向和晶体结构变化等热分析技术热分析技术是通过分析物质在温度变化过程中的热效应，确定其热学性能，例如玻璃化转变温度、熔点、结晶度、热焓等热分析技术广泛应用于高分子材料的性能研究、生产工艺控制和质量检测等高分子的力学性能高分子的力学性能是指高分子材料在外力作用下的变形和断裂行为，包括拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率等这些性能决定了高分子材料在不同应用场景下的使用性能，例如强度、韧性、刚度等拉伸强度测试拉伸强度是指材料在断裂前所能承受的最大拉伸应力，反映了材料抵抗拉伸破坏的能力拉伸强度测试通常用拉伸试验机进行，通过测量材料在拉伸过程中所受的力和变形量，计算出材料的拉伸强度弹性模量测定弹性模量是指材料在弹性范围内，应力与应变之比，反映了材料的刚度弹性模量越高，材料越硬，越不容易变形弹性模量可以通过拉伸试验机测定，通过测量材料在拉伸过程中所受的力和变形量，计算出材料的弹性模量断裂伸长率断裂伸长率是指材料在断裂时所产生的最大伸长率，反映了材料的韧性断裂伸长率越高，材料越韧，越不容易断裂断裂伸长率可以通过拉伸试验机测定，通过测量材料在拉伸过程中所受的力和变形量，计算出材料的断裂伸长率高分子的热学性能高分子的热学性能是指高分子材料在不同温度下的热行为，包括玻璃化转变温度、熔点、结晶度、热稳定性等这些性能决定了高分子材料在不同温度下的使用性能，例如耐热性、耐寒性、熔点等玻璃化转变温度玻璃化转变温度是指无定形高分子材料从玻璃态转变为橡胶态的温度在这个温度点，高分子的链段运动开始变得活跃，材料的性能发生显著变化，例如刚度降低，韧性增加熔点与结晶结晶是指高分子链排列成规则的晶格结构，形成晶体熔点是指结晶高分子材料从固态转变为液态的温度结晶度是指高分子材料中结晶部分所占的比例结晶度越高，材料的强度、刚度、耐热性等性能越好热稳定性分析热稳定性是指高分子材料在高温下抵抗降解的能力热稳定性分析可以通过热重分析法（）进行，通过测量材料在不同温度下的质量变化，确定其热TGA稳定性热稳定性是衡量高分子材料耐热性能的重要指标高分子的流变性能高分子的流变性能是指高分子材料在流动过程中的变形和流动行为，包括粘度、弹性、剪切稀释等流变性能决定了高分子材料的加工性能，例如可加工性、成型性、流动性等溶液性质研究高分子溶液是指高分子材料溶解在溶剂中的体系研究高分子溶液的性质，例如溶解度、粘度、光学性质等，可以了解高分子材料在不同溶剂中的行为，并为高分子材料的加工和应用提供理论依据高分子溶液理论高分子溶液理论是研究高分子材料在溶液中的行为规律的理论体系该理论主要基于理论，解释了高分子溶液的热力学性质、粘度、光学Flory-Huggins性质等常见合成高分子材料常见的合成高分子材料包括聚乙烯（）、聚丙烯（）、聚苯乙烯（）、聚氯乙烯（）、聚酰胺（）、聚酯（）PE PPPS PVCPA PET等这些材料具有不同的性能特点，广泛应用于各个领域聚乙烯（）PE聚乙烯是一种最常见的合成高分子材料，具有优良的柔韧性、耐化学性、防潮性等性能它被广泛应用于包装、薄膜、管道、容器等领域聚丙烯（）PP聚丙烯是一种高强度、高刚度、耐高温的合成高分子材料它被广泛应用于包装、容器、纤维、汽车零件等领域聚苯乙烯（）PS聚苯乙烯是一种透明、硬质的合成高分子材料，具有良好的绝缘性能和耐化学性它被广泛应用于包装、容器、保温材料、玩具等领域聚氯乙烯（）PVC聚氯乙烯是一种耐腐蚀、耐候性强的合成高分子材料，具有良好的机械强度和阻燃性它被广泛应用于建筑材料、管道、地板、门窗等领域聚酰胺（）PA聚酰胺是一种高强度、耐磨、耐油、耐热、耐化学性的合成高分子材料它被广泛应用于纤维、汽车零件、工程塑料、包装材料等领域聚酯（）PET聚酯是一种强度高、耐磨、耐化学性好、染色性能良好的合成高分子材料它被广泛应用于纤维、瓶子、薄膜、包装材料等领域高分子材料改性技术高分子材料改性技术是指通过对高分子材料的结构和性能进行调整，使其满足特定应用需求的技术常见的改性方法包括共聚改性、共混改性、填充改性、表面改性等共聚改性共聚改性是指将两种或多种单体混合在一起进行聚合反应，制备出性能优良的共聚物共聚改性可以改变聚合物的玻璃化转变温度、熔点、强度、韧性等性能共混改性共混改性是指将两种或多种高分子材料混合在一起，制备出性能优良的共混材料共混改性可以改变聚合物的机械性能、热性能、加工性能等，例如提高韧性、降低成本、改善加工性能等填充改性填充改性是指将无机填料或有机填料加入到高分子材料中，制备出性能优良的填充材料填充改性可以改变聚合物的机械性能、热性能、加工性能等，例如提高强度、刚度、耐热性、降低成本等表面改性表面改性是指通过对高分子材料表面进行处理，改变其表面性质的技术表面改性可以提高材料的耐磨性、耐腐蚀性、粘接性、亲水性或疏水性等高分子材料加工工艺高分子材料加工工艺是指将高分子材料制造成各种形状和尺寸的制品的技术常见的加工工艺包括注塑成型、挤出成型、吹塑成型、压制成型等注塑成型注塑成型是一种将熔融的高分子材料注入模具，冷却固化后得到制品的技术注塑成型可以制备各种形状复杂、尺寸精确的制品，例如手机壳、玩具、瓶子等挤出成型挤出成型是一种将熔融的高分子材料通过模具挤出成型的技术挤出成型可以制备各种形状的制品，例如管材、板材、薄膜等吹塑成型吹塑成型是一种将熔融的高分子材料吹入模具，冷却固化后得到空心制品的技术吹塑成型可以制备各种形状的空心制品，例如瓶子、桶、薄膜等压制成型压制成型是一种将粉末状或片状的高分子材料在模具中加热加压，使其熔融并固化成型的技术压制成型可以制备各种形状的制品，例如板材、管材、容器等功能高分子材料功能高分子材料是指具有特殊功能的高分子材料，例如导电高分子、光电功能高分子、生物医用高分子等这些材料具有特殊的物理、化学或生物学性质，在电子、光电、生物医药等领域具有重要的应用价值导电高分子导电高分子是指具有导电性能的高分子材料，例如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺等导电高分子在电子器件、传感器、能源存储等方面具有广泛的应用光电功能高分子光电功能高分子是指具有光电转换功能的高分子材料，例如有机太阳能电池、有机发光二极管（）等光电功能高分子在能源、照明、显示等领域具OLED有重要的应用价值。