高分子物理课程电子教案

《高分子物理》课程电子教案《高分子物理》课程教学大纲英文名称： Polymer Physics课程类别：学科基础课学时：64学分：4适用专业：高分子材料与工程一、本课程的性质、任务高分子物理课程包括：高聚物的结构、高高分子物理学是高分子材料与工程专业的基础课。

通过本门课程的学习，要求学生对高分子的合成、加工、应用、改性等具有全面的了解。

并使学生重点掌握结构、性能及两者之间关系的一些基本概念、必要的知识、分析测试方法、一定的计算能力，从而为专业课的学习打下理论基础，并为高分子材料的合成、加工、选材、应用、改性、性能测试等提供理论依据，进而指导生产实践。

高分子物理课程教学包括理论教学和实验教学。

结合本门课程的实验，对学生进行相关的基本训练，培养学生分析问题和解决问题的实际工作能力。

总之，通过本门课程的学习及实验为后续专业课的学习提供必备的基础知识。

二、本课程的基本要求本课程包括高分子的链结构和聚集态结构、高分子的溶液性质、高分子的运动和高分子力学性能和电性能四大部分。

通过学习，要使学生对教学内容达到“了解”、“认识和理解”、“掌握”和“熟练掌握”层次要求。

即通过学习要求学生对基本分析方法、各种测试方法、各种实验的基本原理、高分子尺寸表示方法及其推导要全面了解。

对高聚物的结晶结构模型、非晶态结构、液晶结构、织态结构有明确的认识和理解。

掌握高聚物的各种力学状态、力学行为、各种性能曲线的详细分析和典型推导。

熟练掌握高聚物结构、性能及两者之间相互关系的基本概念、必要的知识。

熟练掌握高聚物的各种特征温度、测定方法。

三、讲授内容1 高分子链的结构1.1 概论1.1.1 高分子科学的诞生与发展1.I.2 高分子结构的特点I.1.3 高分子结构的内容1.2 高分子链的近程结构1.2.1 结构单元的化学组成1.2.2 键接结构1.2.3 支化与交联1.2.4 共聚物的结构1.2.5 高分子链的构型1.3 高分子链的远程结构1.3.1 高分子的大小1.3.2 高分子涟的内旋持构象1.3.3 高分子链的柔顺性1.4 高分子链的构象统计1.4.1 均方末端距的几何计算法1.4.2 均方末端距的统计计算法1.4.3 高分子链柔顺性的表征1.4.4 高分子链的均方旋转半径2 高分子的聚集态结构2.1 高聚物分子间的作用2.1.1 范德华力与氢链2.1.2 内聚能密度2.2 高聚物结晶的形态和结构2.2.1 高聚物结晶的形态学2.2.2 高分子在结晶中的构象和晶胞2.3 高分子的聚集态结构模型2.3.I 高聚物的晶态结构模型2.3.2 高聚物的非晶态结构模型2.4 高聚物的结晶过程2.4.1 高分子结构与结晶能力2.4.2 结晶速度及其测定方法2.4.3 Avrami方程用于高聚物的结晶过程2.4.4 结晶速度与温度的关系2.4.5 影响结晶速度的其他因素2.5 结晶对高聚物物理机械性能的影响2.5.1 结晶度概念及其测定方法2.5.2 结晶度大小对高聚物性能的影响2.5.3 结晶高聚物的加工条件—结构—性质的互相作用 2.5.4 分子量等因素对结晶高聚物的聚集态结核2.6 结晶热力学2.6.1 结晶高聚物的熔融与熔点2.6.2 结晶温度对熔点的影响2.6.3 晶片厚度与熔点的关系2.6.4 拉伸对高聚物熔点的影响2.7 高聚物的取向态结构2.7.1 高聚物的取向现象2.7.2 高聚物的取向机理2.7.3 取向度及其测定方法2.7.4 取向研究的应用2.8 高聚物的液晶态结构2.8.1 液晶态的结构2.8.2 高分子液晶的结构和性质2.8.3 高分子液晶的应用2.9 高分子合金的形态结构2.9.1 高分子混合物的概念2.9.2 高分子的相容性2.9.3 共混高聚物聚集态的主要特点2.9.4 非均相多组分聚合物的织态结构2.9.5 共混高聚物的聚集态结构对性能的影响3 高分子的溶液性质3.1 高聚物的溶解3.1.1 高聚物溶解过程的特点3.1.2 高聚物溶解过程的热力学解释3.1.3 溶剂的选择3.2 高分子溶液的热力学性质.3.2.1 Flory-Huggins高分子溶液理论3.2.2 Flory温区(θ温度)的提出3.3 高分子浓溶液3.3.1 高聚物的增塑3.3.2 纺丝液3.3.3 凝胶和冻胶3.4 共混聚合物的溶混性3.5 高分子溶液的流体力学性质3.5.1 高分子在溶液中的扩散3.5.2 高分子在溶液中的粘性流动4 高聚物的分子量4.1 高聚物分子量的统计意义 4.1.1 平均分子量4.1.2 平均分子量与分布函数 4.1.3 分子量分布宽度4.2 高聚物分子量的测定4.2.1 端基分析4.2.2 沸点升高和冰点降低4.2.3 膜渗透压4.2.5 光散射4.2.6 小角激光光散射(LALLS) 4.2.7 超速离心沉降4.2.8 粘度4.2.9 凝胶色谱5 高聚物的分子量分布5.1 分子量分布的表示方法 5.1.1 图解表示5.1.2 分布函数5.2 基于相平衡的分级方法 5.2.I 高分子溶液的相分离 5.2.3 分级实验方法5.2.4 数据处理5.3 凝胶色谱法5.3.1 基本原理5.3.2 仪器5.3.3 载体和色谱柱5.3.4 高效凝胶色谱5.4 凝胶色谱的特殊应用5.4.1 凝胶色谱与小角激光光散射联用5.4.2 高聚物长链支化度的测定5.4.3 共聚构组成分布与分子量分布的测定6 高聚物的分子运动6.1 高聚物的分子热运动6.1.1 高分子热运动的主要特点6.1.2 高聚物的力学状态和热转变6.1.3 高聚物的次级松弛6.2 高聚物的玻璃化转变6.2.1 玻璃化转变现象和玻璃化温度的测量6.2.2 玻璃化转变理论6.2.3 玻璃化温度的影响因素及调节途径6.2.4 玻璃化转变的多维性6.3 高聚物的粘性流动6.3.1 高聚物粘性流动的特点6.3.2 影响粘流温度的因素6.3.3 聚合物熔体的切粘度6.3.4 剪切粘度的测量方法6.3.5 高聚物熔体的流动曲线6.3.6 加工条件对高聚物熔体剪切粘度的影响6.3.7 高聚物分子结构因素对剪切粘度的影响6.3.8 剪切流动的法向应力和高聚物熔体的弹性效应6.3.9 拉伸粘度7 高聚物的力学性质7.1 玻璃态和结晶态高聚物的力学性质7.1.2 描述力学性质的基本物理量7.1.2 几种常用的力学性能指标7.1.3 几类高聚物的拉伸行为7.1.4 高聚物的屈服7.1.5 高聚物的破坏和理论强度7.1.6 影响高聚物实际强度的因素7.2 高弹态高聚物的力学性质7.2.1 橡胶的使用温度范围7.2.2 高弹性的特点7.2.3 橡胶弹性的热力学分析7.2.4 橡胶弹性的统计理论7.2.5 内能对橡胶弹性的贡献7.2.6 橡胶弹性与交联网结构的关系7.2.7 橡胶的极限性质7.3 高聚物的力学松弛7.3.1 高聚物的力学松弛现象7.3.2 粘弹性的力学模型7.3.3 粘弹性与时间、温度的关系——时温等效原理7.3.4 Boltzmann叠加原理7.3.5 测定高聚物粘弹性的实验方法7.3.6 高聚物的松弛转变及其分子机理8 聚合物的电学性质8.1 高聚物的极化及介电常数8.2 高聚物的介电损耗8.3 高聚物的导电性8.4 高聚物的介电击穿8.5 高聚物的静电现象四、实践性环节1．作业：讲授完两部分教学内容后，进行一次习题课，讲授完每一章的教学内容后，留一次作业题。

讲授完一半内容后进行期中考试。

2．其它：参观高分子材料工艺和性能测试实验室五、学时分配六、参考教材1．《高分子物理》.金日光、华幼卿编，化学工业出版社2．《高分子物理》修订版.何曼君、陈维孝、董西侠编.复旦大学出版社3．《高聚物的结构与性能》第二版.马德柱等.科学出版社4．《高分子物理基本概念与问题》.朱永群编.科学出版社5．《高分子物理》.杨玉良、胡汉杰.化学工业出版社6.《现代高分子物理学》.殷敬华,莫志深.科学出版社7．《Fundamentals of Polymer Physics》.Bincai Li. Chemical Industry Press七、本课程与其它课程的联系先修课程：无机化学、分分析化学、有机化学、物理化学。

本课程为专业课的学习打下理论基础，并为高分子材料的合成、加工、选材、应用、改性、性能测试等提供理论依据。

八、本课程的教学特点讲授完两部分教学内容后，进行一次习题课，讲授完每一章的教学内容后，留一次作业题。

讲授完一半内容后进行其中考试。

执笔人：陈延明2004年7月第一章高分子链的结构第一节绪论1 高分子科学简史kekule 1877 合成结构Fisher 1893Staudinger 19201932 应用性能2 高分子物理的研究内容及特点结构性能分子运动统计学高分子结构的特点：链式结构链的柔性多分散性凝聚态复杂性高分子性能的特点使用性能多变（塑料、橡胶、纤维）、力光热电磁加工性能高分子分子运动的特点结构单元多样性不同力场作用－宏观微观－内在因素分子设计链结构近程结构单元化学组成chemical composition结构单元键接方式the ways of connection支化与交联branching and crosslinking共聚物的结构copolymer高分子链的构型conformation远程高分子的大小结构molecular mass/distribution高分子涟的内旋转构象conformation高分子链的柔顺性flexibility非晶态结构晶态结构取向态结构聚集态结构液晶态结构织态结构第二节高分子链的近程结构1.2.1 结构单元的化学组成1.2.2 键接结构1.2.3 支化与交联1.2.4 共聚物的结构1.2.5 高分子链的构型掌握：近程结构各内容、表征方法/参数及研究意义1.2.1 结构单元的化学组成单链碳链高分子性能：由加聚反应制得，这类高聚物不易水解杂链高分子性能：由缩聚反应制得，这类高聚物主链有极性，易水解、醇解元素高分子性能：具有无机物的稳定性和有机物的弹性和塑性非单链：端基意义测定方法1.2.2 键接结构烯类头头、头尾，测定PVC/PMAA控制方法奇异聚合物，双烯类 1,2- 3,4- 1,4- 测定研究意义PVAl 1,2-/1,4-PB1.2.3 支化与交联线形支链形成原因分类：无规、梳形、星形对性能的影响表征方法网状对性能的影响表征方法1.2.4共聚物的结构定义、分类无规、交替、嵌段、接枝描述参数平均组成表征方法(化学、光谱)组成分布表征方法（交叉分级、密度梯度场、GPC）序列结构 A B AA BBB A BB AA BBBB AAA B平均序列长度LAN/嵌段数R（共聚物类型，大交替）物理意义、表征方法（长、短序列）共聚意义无规（PTFEPMMA）交替（ANST）嵌段（SBSABS）接枝（SPA）生物高分子胰岛素、镰刀型贫血病（谷cccooh-缬ch3ch-ch3）1.2.5 高分子链的构型构型定义旋光异构全同、间同、无规性能对比几何异构顺反异构性能第三节高分子链的远程结构1.3.1 高分子的大小1.3.2 高分子涟的内旋持构象** 1.3.3 高分子链的柔顺性1.3.1 高分子的大小衡量高分子大小的参数：分子量、聚合度多分散性，统计平均分子量分布分子量对高聚物材料的力学性能以及加工性能的影响分子量分布对高聚物材料的力学性能以及加工性能的影响1.3.2 高分子涟的内旋转构象高分子链的蜷曲倾向：轴对称单键内旋转－构象，统计性内旋转阻力：位垒位能：顺式>旁式>反式构象影响因素：温度、分子间相互作用、分子溶剂相互作用、力场1.3.3 高分子链的柔顺性柔顺性：静态柔顺性：x=lp/L 热力学平衡下动态柔顺性：tp 外力作用下分子结构对链柔顺性的影响：主链结构：C－H类杂原子 Si-O >C-O > C-C 杂原子、键长、键角内双键：邻近单键共轭双键、芳杂环：侧基；极性强弱对称距离非极性体积对称性链的长短：较短时较长时 104第四节高分子链的构象统计1.4.1 均方末端距的几何计算法1.4.2 均方末端炬的统计计算法.1.4.3 高分子链柔顺性的表征.1.4.4 高分子链的均方旋转半径.长链，单键内旋转，不同构象，热运动－微布朗运动，构象瞬息万变表征分子尺寸的参数：均方末端距h h2均方旋转半径S2 1.4.1 均方末端距的几何计算法自由结合链（freely jointed chain）n个键（统计单元）组成每个键（统计单元）长度为l自由连接、取向不占体积h2 = nl2自由旋转链（freely rotating chain）不能任意取向，每个键在键角允许的方向自由旋转无空间位阻影响1.4.2 均方末端炬的统计计算法等效自由结合链：把若干个键组成的一段链算作一个独立单元，称为“链段”，链段与链段自由结合，并且无规取向，这种链称为“等效自由结合链”，每根链包含ne个链段，每个链段的长度为le1.4.3 高分子链柔顺性的表征空间位阻参数分子无扰尺寸链段长度le极限特征比C∞1.4.4 高分子链的均方旋转半径.定义第二章高分子的聚集态结构聚集态结构：链间的排列与堆砌（超分子结构）与链结构的比较理论意义实际意义研究内容：相互作用力、各种聚集态结构第一节高聚物分子间的作用力2.1.1范德华力与氢键分子间作用力：范德华力（静电力、诱导力、色散力）与氢键范德华力：永久存在于一切分子间、无方向性和饱和性，范围<1nm静电力：极性分子间、永久偶极之间静电相互作用力（3～21KJ/mol）μ－偶极矩R－分子间距T－温度诱导力：极性分子与其它分子、永久偶极与诱导偶极间的相互作用力（6～13KJ/mol）α－分子极化率色散力：一切极性与非极性间，分子瞬时偶极之间的相互作用力（0.8～8KJ/mol）I－分子的电离能氢键：X－H……Y（H与点负性很大的Y上的孤对电子）相互吸引成键方向性、饱和性，<40KJ/mol，决定于X、Y的点负性和Y的半径分子内、分子间氢键2.1.2 内聚能密度高聚物分子间作用力大小的量度：内聚能、内聚能密度（CED）＝△E/VV－摩尔体积CED对强度、耐热性、聚集态都有影响>420 BJ/M3纤维420~290 BJ/M3 塑料<290 BJ/M3 橡胶第二节高聚物结晶的形态和结构2.2.1 高聚物结晶的形态学研究对象：单个晶粒的大小、形状以及它们的聚集方式形态：单晶、球晶、树枝状晶、孪晶、伸直链片晶、纤维状晶和串晶等1 单晶形成条件：一般在极稀的溶液中（浓度0.01—0.1%）缓慢结晶。