高分子物理课件(复旦大学)chapter1-2.ppt

1、高高 分分 子子 物物 理理第一章第一章 导导 论论n高分子科学的重要性高分子科学的重要性n高分子的特点高分子的特点n高分子物理的研究内容和重要性高分子物理的研究内容和重要性n高分子物理的发展简史高分子物理的发展简史n本课程所讲授的内容本课程所讲授的内容1.高分子科学的重要性高分子科学的重要性n现代工业的重要标志现代工业的重要标志n其他产业的重要支柱其他产业的重要支柱“I am inclined to think that the development of polymerization is,perhaps,the biggest thing chemistry has done,wher

2、e it has had the biggest effect on everyday life.The world would be a totally different place without artificial fibers(纤维纤维),plastics(塑料塑料),elastomers(弹性体弹性体),etc.Even in the field of electronics,what would you do without insulation?And there you come back to polymers again.”Lord Todd,president of

3、the Royal Society of London,quoted in Chem.Eng.News 1980,58(40),29,in answer to the question,What do you think has been chemistrys biggest contribution to science,to society?Polymers Related to Information TechnologyColor degradation and narrow viewing angle without negative compensation filmsHigh c

4、ontrast ratio and wide viewing angle with negative compensation filmsColor degradation and narrow viewing angle without negative compensation filmsHigh contrast ratio and wide viewing angle with negative compensation filmsPolymer light emitting diodes:RedYellowBlueLCD after using polymer optical com

5、pensation films:2.高分子的特点高分子的特点(1)长链分子长链分子N1合成高分子合成高分子 N102-104天然高分子天然高分子 N109-1010 DNA、RNA，Protein,AFM of Single Chains(2)影响物理性质的几大因素影响物理性质的几大因素a.聚合度聚合度 Nb.单体连接单体连接-缺少独立运动的自由度缺少独立运动的自由度-熵的损失熵的损失c.高分子链具有不同程度的柔顺性高分子链具有不同程度的柔顺性d.结构的多变性结构的多变性3.高分子物理的研究内容和重要性高分子物理的研究内容和重要性结构结构性能性能(1)研究内容研究内容包括：理论、实验表征等手段

6、包括：理论、实验表征等手段为高分子材料的分子、结构设计和性能为高分子材料的分子、结构设计和性能设计提供理论基础设计提供理论基础分子运动分子运动(2)重要性重要性-a.著名公司的材料研发流著名公司的材料研发流程程高分子物理高分子物理-设计设计-理论分析理论分析高分子化学高分子化学-合成合成,改性改性结构性能表征结构性能表征高分子产品高分子产品市场调研市场调研(2)重要性重要性-b.从印第安人穿的靴子谈从印第安人穿的靴子谈起起 O2乳液乳液固体固体 O21839年年Goodyear的硫化技术的硫化技术 S硫化橡胶硫化橡胶不不了解结构特点，就要走很多的弯路，了解结构特点，就要走很多的弯路，更谈不上分

7、子设计更谈不上分子设计4.高分子物理的发展简史高分子物理的发展简史高分子结构的发现高分子结构的发现 Staudinger 1920-19301.高分子物理的起点高分子物理的起点 橡胶弹性的分子理论橡胶弹性的分子理论 Kuhn,Mark 1930-1935 高分子链构象统计理论高分子链构象统计理论2.高分子的物化时代和高分子的物化时代和DNA的发现的发现 1935-1965 Flory 溶液理论，溶液理论，Rouse-Zimm链动力学理论链动力学理论 Watson-Crick的的d-Helix DNA,Natta聚烯烃聚烯烃聚集态结构表征方法聚集态结构表征方法4.高分子物理的发展简史高分子物理的

8、发展简史3.现代物理向高分子物理的渗透现代物理向高分子物理的渗透 1965-de Gennes 和和 Edwards的蛇行的蛇行(reptation)理论理论,标度概念标度概念(scaling concept)高分子物理已成为现代凝聚态物理的重要分支高分子物理已成为现代凝聚态物理的重要分支-软凝聚态物理软凝聚态物理(soft condensed matter)、软、软物质物质(soft matter)或复杂流体或复杂流体(complex fluids)5.本课程讲授的内容本课程讲授的内容(1)高分子的形状和大小高分子的形状和大小 构型和构造构型和构造 构象构象 分子量和分子量分布分子量和分子量

9、分布(2)高分子溶液高分子溶液,高分子共混物高分子共混物,嵌段共聚嵌段共聚物物 稀溶液稀溶液-亚浓溶液亚浓溶液-浓溶液的热力学浓溶液的热力学(3)高分子的聚集态结构高分子的聚集态结构 非晶态、结晶态和液晶态非晶态、结晶态和液晶态一级一级(近程近程)结构结构二级二级(远程远程)结构结构三级结构三级结构结结构构5.本课程讲授的内容本课程讲授的内容(4)高分子的分子运动学高分子的分子运动学 高分子的三态：玻璃态、高弹态、粘流态高分子的三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃化转变玻璃化转变(5)高分子的力学性能高分子的力学性能 小应变下的橡胶弹性理论、粘弹性小应变下的橡胶弹性理论、粘弹性 大应变下的强度与

10、破坏大应变下的强度与破坏(6)高分子的电学性质高分子的电学性质性性能能参考书参考书n高分子物理高分子物理(修订版，复旦大学出版社，修订版，复旦大学出版社，1990,何曼君何曼君 陈陈维孝维孝 董西霞编董西霞编)n高聚物的结构与性能高聚物的结构与性能(中科大，科学出版社中科大，科学出版社)n聚合物的结构和物理性质聚合物的结构和物理性质(李斌才李斌才,科学出版社科学出版社)n聚合物科学与材料聚合物科学与材料(科学出版社，科学出版社，Mark,Tobolsky et.al.)nThe Physics of Polymers(2nd Edition)(Springer,1997,G.R.Strobl)

11、nIntroduction to Polymer Physics(Oxford,1995,M.Doi)nPolymer Physics(Cambridge,2003,Rubinstein)nPrinciples of Polymer Chemistry(Flory)n第二章第二章 高分子的大小和形状高分子的大小和形状 Primary(一级一级):Secondary(二级二级):Tertiary(三级三级):Quaternary(四级四级):第二章第二章 高分子的大小和形状高分子的大小和形状 2.1 近程结构近程结构(local)2.1.1 构造构造(Constitutions or Archi

12、tectures)-CH2-CH2-2.1.1.1 结构单元的化学组成结构单元的化学组成2.1.1.2 键接结构键接结构2.1.1.3 支化与交联支化与交联局部的化局部的化学结构学结构2.1.1.4 均聚与共聚均聚与共聚 Homopolymers(均聚物均聚物):Linear polymerBranched polymerCross-linked polymer Copolymers(共聚物共聚物):Linear random copolymerLinear alternating copolymerLinear block copolymerGraft copolymer:two diffe

13、rent monomersand星形和超支化高分子星形和超支化高分子 Star(星状星状)polymershomo-armed(同臂同臂)hetro-armed(杂臂杂臂)Hyperbranched(超枝化超枝化)Polymers and Dendrimers(树枝链树枝链):The composition of dendrimers can be varied throughout the molecule in a systematic wayHow many different architectures of macromolecules can you imagine?AFM of

14、branched Polymers 2.1.2 构型构型(Configurations)Arrangements fixed by the chemical bonding in the molecule,such as cis(顺式顺式)and trans(反式反式),isotactic(等规等规)and syndiotactic(间规间规)isomers.The configuration of a polymer cannot be altered unless chemical bonds are broken and reformed.顺式顺式cis反式反式trans2.1.2.1几

15、何异构几何异构2.1.2.2 旋光异构旋光异构手性手性分子分子问题问题:一一根链中根链中同时出现不同的同时出现不同的C*?等规等规isotactic间规间规syndiotactic 无规无规atactic orblock2.1.2 构型构型(Configurations)化学键固定的原子在空间的几何排列化学键固定的原子在空间的几何排列改变构型改变构型(顺反和旋光顺反和旋光)必须打断化学必须打断化学键键!2.2 远程结构远程结构(glouble)一根链整体的形状和大小一根链整体的形状和大小2.2.1 高分子链的质量高分子链的质量长度平均长度平均-数均分子量数均分子量(number average

16、d)重量平均重量平均-重均分子量重均分子量(weight averaged)分子量分布分子量分布2.2.2 高分子的内旋转构象高分子的内旋转构象 trans(反反式式)and gauche(旁式旁式)conformations:Potential energies associated with the rotation of central C-C-bond for ethane(dashed line)and butane(solid line).The sketches show the two molecules in views along the C-C-bond.Rotational Isomeric States(旋转异构态旋转异构态RIS)假设每个单元有假设每个单元有2个旋转异构态个旋转异构态一根链的异构态数目将达一根链的异构态数目将达2N-3无需打断化学键无需打断化学键 Random coil(无规线团无规线团)of polymeri-1i+1iIn melt or solution 基本的链构象基本的链构象Zigzag conformation of PE(21