高分子材料研究方法绪论
高分子化学--绪论 ppt课件
第一章 绪论 Prolegomenon
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高分子材料的创生虽只有100多年， 但其发展速度远远快于金属和无机材料。 究其原因，是合成高分子的结构具有几乎 无穷变化的可能性，赋予材料性能的潜力 远胜于其它物质。
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精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
本例特点： 因两种单体参与聚合，故两种结构单元构成了一个重复
结构单元。
重复单元（链节） 结构单元
因聚合反应为官能团间的缩合反应，单体分子进入大分 子后失去了一些元素，故结构单元不能称单体单元。
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H--NH(CH2)6NH--CO(CH2)4CO--OH
n
5）聚合度（Degree of Polymerization）：聚合物分子量大 小的一个指标，在聚合物的分子结构式中以n 表示，也称 为链节数。有两种表示方法：
n 重复单元
结构单元
结构单元
3）结构单元（Structure Unit）：单体分子通过聚合反应进入 大分子链的基本单元。结构单元的元素组成可以与单体的元素 组成相同，也可以不同。
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4）单体单元（Monomer Unit）：单体分子通过聚合反应形 成的元素组成与单体完全相同的结构单元。
式中，M0＝重复单元的“分子量”，M10、M20 分别为 两种结构单元的“分子量”，且
M 0 M 10 +M 20
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Case 2：聚合物由一种单体聚合而生成，且重复结构单元 的元素组成与单体的元素组成完全相同。如：
高分子材料 绪论
材料的分类
按化学组成分： 化学组成分
金属材料，无机材料，有机材料（高分子材料 高分子材料） 高分子材料
按材料所起的作用分： 材料所起的作用分
社 2007
9.吴其晔，冯莺 编.高分子材料概论 机械工业出版社2004.6 吴其晔， 高分子材料概论. 高分子材料概论
问题
1. 身边常见的高分子材料有哪些？
2. 高分子材料的迅速发展的原因？
高分子材料
什么是材料？
石器时代 原始的人类逐渐使用石器作为武器和工 具等， 具等，属于天然材料 各 用可塑性好的粘土加热变硬可制成陶瓷， 用可塑性好的粘土加热变硬可制成陶瓷 ， 时 属于人工材料 代 耗费更大的能量将铜矿还原成铜， 耗费更大的能量将铜矿还原成铜 ， 制成 材 人工材料 料 耗费更大的能量将铁矿还原成铁， 耗费更大的能量将铁矿还原成铁 ， 制成 特 征 人工材料 高分子的使用量已超过金属， 高分子的使用量已超过金属 ， 属于合成 材料
结构材性
结构-性能 应用关系分： 性能-应用关系 按结构 性能 应用关系
金属材料，无机材料，高分子材料，复合材料
一、高分子材料与人类社会关系
当今社会，处处都是高分子材料， 没有高分子材料，就没有现代文明社会！
高分子材料的应用
汽车 火箭
飞机
生物降解高分子材料 医用高分子材料 药用高分子材料
其他
高分子食品添加剂 农用功能高分子材料 高分子染料
高分子除草剂 高分子化肥 高分子农用转光膜
四、高分子材料发展史
高分子材料与应用各章习题总结
高分子材料及应用各章试题总结第一章绪论1【单选题】材料研究的四要素是？∙A、合成/加工、结构/成分、性质、实用性能∙∙B、合成/加工、结构/成分、性质、使用性能∙∙C、分子结构、组分、性质、使用性能∙∙D、分子结构、组分、性质、实用性能∙我的答案：B2【多选题】未来新一代材料主要表现在哪些方面？∙A、既是结构材料又具有多种功能的材料∙∙B、具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料∙∙C、制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料∙∙D、充分利用自然资源，能循环作用的可再生材料∙我的答案：ABCD3【判断题】材料的性能可分为两类，一种是材料本身所固有的称之为功能物性，另一种是通过外场刺激所转化的性能称为特征性能。
∙我的答案：∙4【判断题】材料的特征性能是指在一定条件下和一定限度内对材料施加某种作用时，通过材料将这种作用转换为另一种作用的性质。
例如许多材料具有把力、热、电、磁、光、声等物理量通过“物理效应”、“化学效应”、“生物效应”进行相互转换的特性。
∙我的答案：∙5【判断题】材料的功能物性是指材料本身所固有的性质，包括热学、电学、磁学、力学、光学等。
∙我的答案：6【简答题】材料科学的内容是什么？∙我的答案：一是从化学角度出发，研究材料的化学组成，健性，结构与性能的关系规律；二是从物理学角度出发，阐述材料的组成原子，分子及其运动状态与各种物性之间的关系。
在此基础上为材料的合成，加工工艺及应用提出科学依据。
∙7【简答题】材料的基本要素有哪些？∙我的答案：1，一定的组成和配比∙2，具有成型加工性∙3，具有一定的物理性质，并能够保持∙4，回收，和再生性∙5，具有经济价值∙8【简答题】材料科学的主要任务是什么？∙我的答案：就是以现代物理学，化学等基础学科理论为基础，从电子，原子，分子间结合力，晶体及非晶体结构，显微组织，结构缺陷等观点研究材料的各种性能，以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构-性能-应用之间的规律关系，提高现有材料的性能，发挥材料的潜力并探索和发展新型材料以满足工业，农业，生产，国防建设和现代技术发展对材料日益增长的需求。
材料研究方法 第1章 绪论
按设备的分辨率划分 宏观结构 显微结构 亚微观结构 微观结构
以人眼的分辨率为界 以光学显微镜的分辨率为界
以扫描电子显微镜的分辨率为界
材料结构层次划分及所用设备
结构层次 宏观结构 显微结构 亚微观结构 物体尺寸 > 100 m 0.2-100 m 10-200 nm 研究对象 观测设备
材料研究方法
主讲人：于美燕
课程性质
本课程是一门实验方法课。
光学显微分析、 X 射线衍射分析、电子显 微分析、热分析、光谱分析、核磁共振分 析和质谱分析是现代材料研究的常用方法， 是材料工作者的眼睛，对材料进行宏观上 的性能测试和微观上的成分、结构、组织 的表征。
教学目的
Why：了解研究材料结构、性能的重要性 What：掌握材料结构、性能的测试方法 How：了解影响材料测试、分析结果的仪 器因素
料、信息、能源誉为现代文明的三大支柱，
同时把信息技术、生物技术和新型材料作为
新技术革命的重要标志。
材料科学的任务
使用、研究和制造材料
材料是人类文明的物质基础，每一种新 材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学 技术的发展，标志着人类文明的进步。
石器时代
青铜器时代
铁器时代
蒸汽机时代
材料的种类
按化学状态分：金属材料、无机非金属材料、 有机高分子材料、复合材料等。 按使用用途分：建筑材料、包装材料、信息材 料、生物医用材料等。
课程要求
掌握基本原理
了解常用的实验方法，能设计具体课题的 检测方案，并制备样品
能分析各种照片和图谱，看懂文献中的相 关内容
主要参考书
本课程以王培铭等主编的《材料研究方法》为基 本教材，其它可参考下列教材：
高分子化学与物理基础电子笔记(绪论)
高分子化学与物理基础电子笔记绪论目录（1）高分子的相关概念（2）单体（3）结构单元（4）单体单元（5）重复单元（6）聚合度（附1）聚合物-符号-重复单元-单体#表格（7）高分子的分子量（8）高分子的特征（9）高分子的组成情况（10）高分子合成反应的分类（附2）加聚与缩聚的区别（附3）逐步聚合和连锁聚合的区别（11）高分子的结构特点（12）高分子的物理状态（13）系统命名法（1）高分子：（小分子相互反应形成）又称高分子化合物、大分子化合物、高分子、大分子、高聚物、聚合物。
从严格的意义上讲，大分子是分子量比较高的一类化合物的总称，而聚合物指的是由结构单元通过共价键重复连接而成的大分子。
在塑料成型加工中常称高分子为高聚物。
（注：这些术语有时可以通用）高分子是由许多简单结构单元主要通过共价键重复键接而成，且相对分子量高达10⁴～10⁷，低分子<10³齐聚物< 10⁴高聚物<10⁷超高分子量聚合物（2）单体（Monomer)能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。
即合成聚合物的起始原料。
/带有某种官能团并且具有聚合能力的低分子化合物或能形成高分子化合物中结构单元的低分子化合物。
（3）结构单元（Structure unit）在大分子链中出现的以单体结构为基础的原子团。
即构成大分子链的基本结构单元。
/单体在大分子链中形成的单元与聚合单体相对应的化学单位，构成高分子的主链，并决定主链结构的最小的原子组合。
（4）单体单元（Monomer unit )聚合物中具有与单体相同化学组成而不同电子结构的单元。
/与单体相比，除电子结构改变外，原子种类及个数完全相同的结构单元。
（5）重复单元（Repeating unit)聚合物中化学组成相同的最小单位。
大分子链中重复出现的最小的基本单元，分子式中［］部分。
又叫链节。
（6）聚合度（Degree of polymerization，（缩写为DP）聚合度是衡量高分子大小的一个指标。
绪论
功能高分子材料－隐形眼镜
1950年开始。材质：聚甲 基丙烯酸甲酯（PMMA）， 具有优越的光学特性，又能 矫正角膜性散光。1960年捷 克学者利用十年的时间发明 了软性隐形眼镜的材料，就 是一直延用至今的聚甲基丙 烯酸羟乙酯（HEMA）。
功能高分子材料－－发光材料
在塑料中加入蓄光型发光材料经加工就 可制成发光塑料。
1.3
高 分 子 科 学 发
展
方
向
高分子材料的发展方向
高性能化 高功能化
复合化 精细化 智能化
1.5
存
在
问
题
制约因素
：高分子制品废弃后对环境的污染
解决途径
（1）延长使用寿命：减少废弃
（2）回收利用：低性能应用；降解
（3）自然降解：自然分解回归自然
生物降解高分子材料
目前自然界的污染存在“白色”（塑料）和“黑色”（橡胶） 垃圾。发展可生物降解的产品是必要而且急需的，但许多具体 问题不能解决。 1、可降解塑料袋承重能力低； 2、可降解塑料袋色泽暗淡发黄， 透明度低；3、是价格偏高，成本难以接受。
天然高分子 的直接利用 天然高分子 的化学改性
淀粉、蛋白质、橡胶、棉麻丝、竹、木等
天然橡胶的硫化,硝化纤维的合成，赛璐珞等
高 分 子 合 成 高 分 子 时 代
缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等， 酚醛树脂，PVC，PMMA……
塑料的发现
1869年31岁的印刷工人 约翰•海阿特发明赛璐珞
1909年贝克兰发明 酚醛树脂
高附加值新型功能材料。
交通领域通道标识、楼梯标识、标志线； 发光涂料、发光壁纸、工艺品、玩具、 体育休闲用品。
功能高分子材料－－发光材料
高分子化学 第1章 绪论
★ ★ ★
应用广，与人们的衣食住行息息相关 产量大，其产量超过其它材料的总和 高分子科学的知识是我们认识世界、改 造世界的有力武器
8
聚苯乙烯
纤维
我被高分子 聚氯乙烯 包围了呀！ 有机玻璃 淀粉
涤纶
酚醛塑料
蜜胺塑料
环保漆
PE塑料
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Hyundai QarmaQ
（龙途拉力）
Lexan®（PC）
Xenoy iQ ®（PBT）聚对苯
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第二种情况：聚合时有小分子生成
n H2N-(--CH 2-)-COOH
5
--NH-(--CH 2-)-CO-- + n H2O n 5
因为聚合时有小分子生成，结构单元比其单体少了 些原子（如：氢原子和氧原子），所以此时的结构 单元不等于单体单元。
结构单元＝重复单元＝链节 单体单元
Attention!
n
结构单元 重复单元
结构单元
结构单元 重复单元 单体单元；重复单元＝链节 结构单元数
xn 2DP 2n
M xn M 0 2DP M 0
注意：Mo为两种结构单元的平均分子量
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易混淆的
x n 、n及 DP
O C OH
H H O H O C C OH + HO C H H H H O H O C C O C H H
参考书目：
贾红兵主编《高分子化学（第四版）导读与题解》
何旭敏，董炎明《高分子化学学习指导》.2007.8
焦书科主编.《高分子化学习题及解答》. 2004.7
韩哲文主编，《高分子化学》. 2001.12
董炎明，张海良编著.《高分子科学教程》. 2004.9
武汉大学高分子化学_第一章绪论
5
1.1
天然高分子 的直接利用
高分子科学简史
淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等 天然橡胶的硫化, 硝化纤维的合成等
天然高分子 的化学改性
高分子合成
缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等
高分子时代
6
Hermann Staudinger : 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（1953年诺贝 尔奖）。 Carothers : 建立缩聚反应理论。 Karl Ziegler, Giulio Natta : 乙烯、丙烯配位聚合 （1963年诺贝 尔奖） Paul J. Flory : 聚合反应原理、高分子物理性质与结构的关系 （1974年诺贝尔奖）。
9
1.2 高分子基本概念
1. 由一种结构单元组成的高分子
一个大分子往往是由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复 连接而成。例如：聚苯乙烯
n CH2 CH
聚合
CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH
缩写成
CH2 CH
n
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基本概念
高分子：
单体：
分子量很大的一类化合物，其结构必须是由多个 重复单元所组成
以大分子链中的结构单元数目表示，记作 以大分子链中的重复单元数目表示，记作
xn
DP
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在这里, 两种聚合度相等，都等于 n
xn DP n
由聚合度可计算出高分子的分子量：
M xn M0 DP M0
式中: M 是高分子的分子量 M0 是结构单元的分子量
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另一种情况：
高 分 子 化 学
第一章 绪
张先正
(xz-zhang@)
论
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高分子材料研究方法
绪论
一、“高分子材料研究方法”教学目的：
Why：了解研究高分子材料结构、性能的重要性
What：掌握高分子材料结构、性能的测试方法
How：了解影响高分子材料测试、分析结果的仪器因素
二、高聚物结构和形态的特点：
高聚物是由许多巨大的分子构成的。
这些大分子有许多重复的结构单元组成，同时大分子之间又有各种联系。
因此必须从微观、亚微观直到宏观不同的结构层次来描述高聚物的分子结构、形态及聚集态等。
三、高聚物的状态及其行为：
结构是材料物理和力学性能的基础，但即使同一种结构已经确定的物质，由于处在不同的状态下，其分子运动方式也不一样，会显示出不同的物理和力学性能。
1. 不仅要了解高聚物结构，还需要考察它的分子运动时所表现的状态特点，才能建立高聚物结构与性能之间的内在联系。
2. 要弄清楚高聚物的结构和结构与性能的关系，需要借助现代分析技术从各个角度来进行研究考察才有可能实现。
3. 现在已发展了很多测试方法，但必须对这些方法的原理、特点和应用范围有所了解，才能正确地选择和使用，来获得所需要的信息，从而帮助对高聚物加工成型条件的掌握，改进或提高高聚物的性能，以及设计并合成具有指定性能的高聚物材料。
四、高聚物结构的测定方法：
高聚物结构是材料物理和力学性能的基础，所以人们了解高聚物的微观、亚微观直到宏观不同结构层次的形态和聚集态是必不可少的，而且十分重要。
1. 测定链结构的方法：X射线衍射法（大角），电子衍射法、中心散射法、裂解色谱一质谱、紫外吸收光谱、红外吸收光谱、拉曼光谱、微波分光法、核磁共振法、顺磁共振法、荧光光谱、偶极矩法、旋光分光法、电子能谱等。
2. 测定聚集态结构的方法：X射线小角散射、电子衍射法、电子显微镜（TEM、SEM）、光学显微镜、原子力显微镜、固体小角激光光散射等。
3. 测定结晶度的方法：X射线衍射法、电子衍射法、核磁共振吸收（宽线）、红外吸收光谱，密度法，热分析法。
4. 测定高聚物取向程度：双折射法、X射线衍射、圆二色性法、红外二色性法。
5. 测定高聚物分子链整体的结构形态：
（1）相对分子质量的测定：溶液光散射法、凝胶渗透色谱法、粘度法、扩散法、超速离心法、溶液激光小角光散射法、渗透压法、气相渗透压法、沸点升高法、端基滴定法。
（2）支化度的测定：化学反应法、红外光谱法、凝胶渗透色谱法、粘度法。
（3）交联度测定：溶胀法、力学测量法（模量）。
（4）相对分子质量分布的测定：凝胶渗透色谱、熔体流变行为、分级沉淀法、超速离心法。
五、高聚物分子运动（转变与松弛）的测定
高分子材料，在一定条件下总处于一定的分子运动状态，改变条件就能改变分子运动的状态。
高聚物本身从某种模式分子运动状态改变到另一种平衡模式分子运动的状态，这就是转
变，或称为松弛。
1. 转变或松弛现象一方面反映了高聚物的结构以及结构的变化，也使材料的热力学性能、粘弹性能和其他物理性能发生急剧的改变。
由此可见，研究转变或松弛是了解结构与性能关系的桥梁。
2. 了解高聚物多重转变与运动有各种方法，主要有四种类型：体积的变化、热力学性质及力学性质的变化和电磁效应。
（1）测定体积的变化：膨胀计法、折射系数测定法等；
（2）测定热学性质的方法：差热分析方法（DTA）和差示扫描量热法（DSC）等；
（3）测定力学性质的变化的方法：热机械法、应力松弛法等，还有动态测量法如动态模量和内耗等；
（4）测定电磁效应的方法：介电松弛、核磁共振等。
六、高聚物性能的测定
高聚物的性能：主要是指直接为生产使用服务的性质，这些表征材料某一性质的物理参数，对控制产品质量，了解加工性能和使用范围，评价和应用新型材料，研究结构与性能的关系有着重要的意义。
1. 高聚物的力学性能：主要是测定材料的强度和模量以及变形。
试验方法有拉伸、压缩、剪切、弯曲、冲击、蠕变、应力松弛等。
静态力学性能试验机有静态万能材料试验机，专用应力松弛仪、场变仪、摆锤冲击机、落球冲击机等，动态力学试验机有动态万能材料试验机、动态粘弹谱仪、高低频疲劳试验机。
2. 材料本体粘流行为：主要是测定粘度以及粘度和切变速率的关系、剪应力与切变速率的关系等，采用的仪器有旋转粘度计、熔触指数侧定仪、各种毛细管流变仪等。
3. 材料的电学性能：主要测材料的电阻、介电常数、介电损耗角正切、击穿电压，采用仪器有高阻计、电容电桥介电性能测定仪、高压电击穿试验机等。
4. 材料的热性能：主要测材料的导热系数、比热、热膨胀系数、耐热性、耐燃性、分解温度等。
测试仪器有高低温导热系数测定仪、差示扫描量热仪、量热计、线膨胀和体膨胀测定仪等。
参考书目
《聚合物近代仪器分析》，汪昆华，罗传秋，周啸编著，清华大学出版社；
《聚合物结构分析》，朱诚身主编，科学出版社；
《高聚物结构、性能与测试》，焦剑，雷渭媛主编，化学工业出版社；
《有机化合物结构鉴定与有机波谱学（第二版）》,宁永成,化学工业出版社；
《有机化合物的结构分析——波谱方法的组合应用》,[瑞士]J·T·克拉克 E·普雷特施等著,贾韵仪,董庭威译,科学出版社；
《分析化学手册（第二版）第八分册热分析》,刘振海,畠山立子,化学工业出版社；
《X射线结构分析与材料性能表征》,滕凤恩,王煜明,姜小龙,化学工业出版社；
《聚合物显微学》.张权主编.化学工业出版社；
《材料评价的分析电子显微方法》,[日]进藤大辅,[日]及川哲夫著,刘安生译.化学工业出版社；
《聚合物材料的动态力学分析》.T.穆腊亚马著谌福特译.化学工业出版社。