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高分子物理高分子物理 polymer physicspolymer physics

主讲教师：周春华教授 张

志国讲师

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论

• 教材：高分子物理（北京化工大学 金日光主编） ( 第三版 )• 参考书：《高分子物理》何曼君（复旦大学）《高聚物结构与性能》（第二版）何平笙等（中国科技大学）《高分子物理》方正平等（浙江大学）《高分子物理》 兰立文（西北工大）《高分子物理》（第二版）刘凤歧等（吉林大学）《高分子化学》林尚安（中山大学） 《 AN INTRODUCTION TO POLYMER PHYSICS 》 David I. Bo

wer ( 化学工业出版社 ) 《 Principles of Polymer Chemistry 》 Paul J.Flory

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授课方式授课方式• 教师讲授为主；每一次课后有思考题、练习题；，每章节有自学内容；课堂互动

• 作业每周交一次

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本章的主要内容•一、高分子及其应用•二、高分子的发展史•三、高分子物理研究对象及内容

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人类的文明史 = 材料的发展史

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高分子（ macromolecule 、 polymer ）由许多结构相同的单元通过共价键重复连接而成的相对分子量很大的化合物

天然高分子

合成高分子：塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料、功能高分子等

高分子材料具有基本性质： 比重小，比强度高，韧性、可塑性，高弹性、耐磨性，绝缘性，耐腐蚀性，抗射线。

一 . 高分子及其应用

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轮胎天然橡胶和布粘合鼠标垫

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PMMA

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涤纶

PU

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高分子材料的消耗率

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生活中的塑料塑料已成为当今家庭、办公室，以及产业中不可缺少的存在。 用图片介绍塑料在各种场所的应用。

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论客 厅

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论厨 房

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浴 室

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   农业用塑料：①薄膜（透光性、强度、耐老化性）②灌溉用管

建筑工业：①给排水管 PVC 、 HDPE

塑料门窗：配方、制品设计、加工工艺（挤出温度，螺杆转速，剪切力）

涂料油漆：强度，溶解性。

复合地板 : 家具（人造木材），壁纸，地板革

PVC 天花板

包装工业：塑料薄膜： PE 、 PP 、 PS 、 PET 、 PA 等

中空容器： PET 、、 PE 、 PP 等

泡沫塑料： PE 、 PU 等

应 用

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汽车工业：塑料件、仪表盘、保险机、油箱内饰件、坐垫等

军工工业：固体燃料、低聚物、复合纤维等质轻（飞机和火箭）

电气工业：绝缘材料（导热性、电阻率）等、导电主分子

电子：通讯光纤、电缆、电线等，光盘、手机、电话

家用电器：外壳、内胆（电视、电脑、空调）等

医疗卫生中的应用： 人工心脏、人工脏器、人工肾（ PU）、人工肌肉、（智能型凝胶）输液管、血袋、注射器、可溶缝合浅药物释放。

防腐工程：耐腐蚀性，防腐结构材料。

（水管阀门） PTFE： 230 ～ 260℃长期工作，适合温度高腐蚀严重的产品。

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• 液晶高分子 : 降解高分子聚二氧化碳树脂• 导电高分子 : 电致发光高分子聚苯胺、塑料电池• 医用高分子：人工心脏、脏器、人工肾（ PU ）、人工肌肉。• 高吸水性树脂 • 智能高分子：汽车的抗磨损涂层等• 高分子在 IT 的应用：聚合物发光二极管 (OLED) 柔性显示

器 、塑料芯片等

功能高分子 Functional Polymer

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五光十色的塑料（ plastic ）、美观耐用的纤维（ fibres ）、性能优异的橡胶（ rubber ）致使高分子材料与金属材料、无机非金属材料并列为材料世界的三大支柱。

20 世纪的 20 项伟大发明之一： plastic

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Problems ：1 、高分子材料为何具有独特性能？如何划分三大合成材料：molecule weights of rubber （几十万）、 fibre （ 5 万左右）、plastic （介于二者之间）

2 、一种聚合物应用的多样性： e.g ： PE 、 PET 等

3 、高分子材料的环境适应性：

4 、高分子材料的改性

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高分子物理是高分子学科体系中最重要的专业基础课程之一。它以物理学、有机化学、物理化学和高分子化学等课程为基础，又为后续课程聚合物合成工艺学、聚合物加工原理、高分子分子设计等打下理论基础。

高分子物理课程为 2006 年山东省精品课程

高分子专业为省级特色专业、校级品牌专业

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二 . 高分子的发展史 History of Polymers

15 世纪 美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品1839 年 美国人古德伊尔 (Charles Goodyear) 发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹性、可塑性的材料

1869 年 美国的海厄特 (John Wesley Hyatt,1837-1920)把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料“赛璐珞” (cellulose)

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1887 年 Count Hilaire de Chardonnet 用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。

1909 年 美国人贝克兰德 (Leo Baekeland) 用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料 -- 酚醛树酯。

1920 年 施陶丁格 (Hermann Staudinger) 发表了 " 关于聚合反应 "(Uber Polymerization) 的论文提出：高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应( 聚合 ) ，通过化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一词即源于此。

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论1926 年 瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机，用它测量出蛋白质的分子量：证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。 1926 年 美国化学家 Waldo Semon 合成了聚氯乙烯，并于1927 年实现了工业化生产 1930 年 聚苯乙烯 (PS) 发明 1932 年 施陶丁格 (Hermann Staudinger) 总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志 1935 年杜邦公司基础化学研究所有机化学部的卡罗瑟斯 (Wallace H. Carothers ， 1896-1937) 合成出聚酰胺66 ，即尼龙。尼龙在 1938 年实现工业化生产

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论1936 年 德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶 1940 年 英国人温费尔德 (T.R.Whinfield,1901-1966) 合成出聚酯纤维 (PET)

1940 年 Peter Debye 发明了通过光散射测定高分子物质分子量的方法 1948 年 Paul Flory 建立了高分子长链结构的数学理论 1950 年 德国人齐格勒 (Karl Ziegler) 与意大利人纳塔(Giulio Natta) 分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。

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1971年 S.L Wolek 发明可耐 300oC高温的 Kevlar纤维。

1955年 美国人利用齐格勒 -纳塔催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。

20 世纪　 20 年代 staudinger首次提出高分子概念 40 年代 形成高分子物理理论 50 年代 出现高分子工程：聚合反应工程、成型加工

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• 60 年代高分子工业大发展时期：通用塑料： .PE 、 PP 、 PVC 、 PS (80%)PFUF 、 P

U 、 UP工程塑料： ABS 、 PA 、 PC 、 PPO 、 POM 、 PB

T合成纤维： PET 、 PAN 、 PP 、 PVA 、 nylon合成橡胶： SBR 、 NR 、顺丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶

近十年高分子的发展方向：高性能化 、高功能化、精细化 、智能化、复合化

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在高分子科学的形成和发展的过程中，世界上许多科学家作出了巨大的贡献，我们不应忘记他们

The Nobel Prizes and polymer scientists

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论1953 Hermann Staudinger (1881-1965)

    施陶丁格 (Hermann Staudinger) 是德国著名的化学家，1881 年 3月 23 日生于德国的沃尔姆斯 (Worms) ， 1965 年8月 8 日在弗赖堡 (Freiburg)逝世，终年 84岁。他是 1953年诺贝尔化学奖的获得者。 1947 年，他编辑出版了《高分子化学》 (Die makromolekulare Chemie)杂志，形象地描绘了高分子 (Macromolecules) 存在的形式。从此，他把“高分子”这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系，创立了确定分子量的粘度的理论( 后来被称为施陶丁格尔定律 ) 。他的科研成就对当时的塑料、合成橡胶、合成纤维等工业的蓬勃发展起了积极作用。由于他对高分子科学的杰出贡献， 1953 年 ,他以 72岁高龄，走上了诺贝尔奖金的领奖台

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For his discoveries in the field of macromolecular chemistry

H. Staudinger (1881-1965)

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论1963 Karl Ziegler (1903-1979)   Giulio Natta(1898-1973)

    德国人齐格勒 (Karl Ziegler) 与意大利人纳塔 (Giulio Natta) 分别发明用三乙基铝和三氧化钛组成的金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法。这种催化剂被统称为齐格勒－纳塔型催化剂。 1963 年 12月 10日，他们共享诺贝尔化学奖的崇高荣誉。

Karl Ziegler (1903-1979) Giulio Natta

(1898-1973)

"for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers"

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论1974 Paul J. Flory (1910-1985)

    美国高分子物理化学家弗洛里 (Paul J. Flory) 由于在高分子科学领域，尤其在高分子物理性质与结构的研究方面取得巨大成就， 1974年荣获瑞典皇家科学院授予的诺贝尔化学奖。

Polymer thermodynamics ,kenitics, molecular weight distribution, solution theory

Paul J. Flory(1910-1985)

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论1991 Pierre-Gilles de Gennes

    法国科学家吉尼 (Pierre-Gilles de Gennes) 提出高分子链性质的非平衡态统计理论和标度理论。成功地将高分子物理理论引向新阶段。 1991年被授予诺贝尔物理学奖。

Pierre-Gilles de Gennes

(1932~ )

"for discovering that methods developed for

studying order phenomena in simple systems can

be generalized to more complex forms of matter, in

particular to liquid crystals and polymers"

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2000 Hideki Shirakawa    Alan J. Heeger   Alan G. MacDiarmid 

2000 年 10月 10 日，日本筑波大学白川英树 (Hideki Shirakawa) ，美国加利福尼亚大学的黑格 (Alan J. Hegger) 和美国宾夕法尼亚大学的马克迪尔米德 (Alan G. MacDiarmid)因对导电聚合物的发现和发展 ( 塑料电池－聚乙炔 ) 而获得 2000 年度诺贝尔化学奖。

"for the discovery and development of conductive polymers"

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论 我国从 50 年代才开始研究高分子 我们的先驱： 王葆仁 (1907.1.20 ～ 1986.9.12 ）：中国最早从事高分子科学研究的化学家之一。 50 年代开始研究聚甲基丙烯酸甲酯、聚已内酰胺和有机硅高分子 •冯新德 ——自由基聚合•徐 僖 ——塑料加工•钱保功 ——橡胶合成 （顺丁橡胶）•唐敖庆 ——高分子统计理论•钱人元 ——高分子溶液理论及粘度的测定•（我国与高分子领域的中科院院士：唐敖庆、钱人元、钱保功、徐僖、冯新德、何炳林、王佛松，沈之荃、王佛松、程镕时、黄葆同、白春礼、周其凤等）

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我国成型加工的现状：引进消化再引进 中国取得的成就（独立知识产权）：•顺丁橡胶（长春应化所）•降温母料法生产衣用 PP 纤维（中科院化学所）•电磁动态聚合物成型原理及设备 （华南理工大学）

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Chapter1 Chapter1 绪论绪论

三 . 高分子物理研究对象和内容

合成 结构

应用 性能

高分子化学

分子设计

成型加工

高分子学科：

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What? —— What? —— 高分子物理研究对象高分子物理研究对象• 讨论高分子结构和性能，并通过研究分子运动来揭示结构与性能之间内在联系以及它们的基本规律，从而对高分子的合成材料的成型加工、测试、改性提供理论依据。高分子物物理核心：结构决定性能

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howhow ？—— 研究方法？—— 研究方法

决定结构与性能关系的内在因素在于高分子的运动及相互作用，探索各种环境下高分子各运动单元的运动规律，以分子运动的观点讨论各领域内的实际问题乃是高分子物理学的精髓。 学习高分子物理的两条主线：

结构决定性能

高分子运动的特点

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高分子化学的主要内容：

Rp

合成工艺条件 产品机理

粘弹性 力学性能 高弹性 流变

高分子物理主要内容：

结构 分子运动 性能

近程 远程 凝聚态各种转变（包括玻璃化转变等）

光学性能

电性能

Mn

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③ 加工过程： 聚碳酸酯，改变温度，降低粘度。粘度低，加工容易。 聚乙烯：改变螺杆转速，注射压力→剪切力→降低粘度。

高分子物理知识解决实际生产问题：

①分子量和分子量分布（高分子性能因素之一）：分子量大，材料强度大，但加工流动性变差，分子量要适中分子量分布：纤维来说，分布窄些，高分子量对强度性能不利。橡胶：平均分子量大，加工困难，一起增塑作用。所以经过塑炼，降低分子量，使分布变宽

②凝聚态结构： 结晶使材料强度↑，脆，韧性↓ 球晶大小也影响性能，球晶不能过大（ a）加成核 剂，减小球晶尺寸 （ b）改变结晶温度，多成核

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作业及思考题作业及思考题

• （ 1 ）以 PE 为例说明聚合物应用广泛， PE 的结构式 简单但是有许多用途？

• （ 2 ）饮料瓶为何盛热水则变软？• （ 3 ）汽车轮胎是否可取代飞机轮胎？

nCHCH )( 22