高分子物理教案

授课教案

2011年8月~12月

专业名称 高分子材料与工程 班级

课程名称 高分子物理

课程性质 专业基础课

使用教材 《高分子物理》 主编 金日光

开设学期 2011-2012（1） 周数 1-16

总学时数 64（实验学时10）

周学时数 4

授课教师 赵亚奇 职称 讲师

《高分子物理》课程详细信息

使用教材 教材名称 《高分子物理》第三版

主 编 金日光

出 版 社 化学工业出版社

出版日期 2006.11

教

学

参

考

书 1 何曼君：《高分子物理》（第三版），复旦大学出版社，2007.4

2 刘凤岐：《高分子物理》（第二版），高等教育出版社，2004.12

3 韩哲文：《高分子科学教程》（第二版），华东理工大学出版社，2011.2

教学手段 以课上多媒体教学为主、课下辅导教学为辅

考核方式 闭卷考试

成绩评定 平时成绩占30%，期末成绩占70%

备 注 上课时间以课表为准；平时成绩以作业、课堂回答表现、考勤情况为评判依据，综合考察。 本章授课标题 绪论+高分子链的结构

教学目的要求 通过本节课的学习，了解教学目的、教学要求以及高分子科学（尤其是高分子物理）的研究内容和发展历程；重点引入高分子链的结构层次：

△掌握高分子链结构的组成、构造及其与高聚物性能之间的关系。

△掌握和理解构型、构象、高分子链的内旋转、链柔性、均方末端距等基本概念。

△掌握高聚物链结构、温度、外力等因素对高聚物柔性的影响，以及完全伸直链、自由结合链、自由旋转链的均方末端距的计算。

重点内容 △重点要求掌握构型、构象、均方末端距等基本概念，高聚物链结构、温度、外力等因素对高聚物柔性的影响，以及完全伸直链、自由结合链、自由旋转链的均方末端距的计算。

难点内容 △正确理解构型、构象等基本概念，高分子链的结构、内旋转与链柔性之间的关系。区别单链连柔性与材料的链柔性的不同之处。

授课方法 启发式、讨论式

本章课小结 1. 高分子物理学简介

2. 高分子链的结构层次

作业及要求 P329：1,2,7

教学要点：

绪论

一、《高分子物理》教学大纲

英文名称：Polymer physics

学 分：4学分

学 时：64学时（实验10学时）

先修课程：有机化学、物理化学、高分子化学等

教学对象：高分子材料与工程专业的本科生

二、教学目的

本课程是高分子材料科学与工程系本科生的专业基础课，是学生学习专业课和从事本专业的科研、生产工作必备的理论基础。

通过本课程的学习，使学生掌握高分子物理的基本概念和基本规律，正确地理解和掌握高聚物结构和性能之间的关系，为分析和解决高分子材料的科研和生产中的问题提供坚实的理论基础。

三、教学要求

本课程的教学与学习要侧重于准确理解高分子物理的基本概念和基本规律；

掌握高聚物结构和性能之间的关系；

对重要的公式要会推导，明确这些公式的物理意义，结合课后的习题练习和专业实验加深对高分子物理的理解；

使学生能顺利学习后续的专业课，提高自学与更新本专业知识的能力。

主要内容 1. 高分子科学的三个主要分支

高分子科学是以高分子化合物为研究对象，在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。三个主要分支为：高分子物理、高分子化学和高分子加工。

2. 高分子科学的发展历程

（1）蒙昧期：19世纪中叶以前，无意识地使用高分子材料；

（2）萌芽期：20世纪初期，出现化学改性和人工合成的高分子；

（3）争鸣期：20世纪初期到30年代， 高分子（Macromolecule，Polymer）概念形成；

（4）发展期：20世纪30年代到50年代，随着大批新合成高分子的出现，对这些聚合物的性能表征，以及了解其结构对性能的影响等问题也随之变得必要了，从20世纪50年代，随着物理学家、化学家的投入，开始形成高分子物理研究领域。

至此，高分子物理学说基本形成。

一些重要的高分子诺贝尔获得者：

H. Staudinger（德国）；K.Ziegler（德国），G.Natta（意大利）；

P. J. Flory（美国）；de Gennes（法国）；H. Shirakawa白川英树（日本），Alan G.

MacDiarmid（美国），Alan J. Heeger（美国）

3. 中国高分子科学院士及发展领域

冯新德 北大 高分子化学

王佛松 长应化 顺丁橡胶国产化

沈芝荃 浙大 高分子合成

林尚安 中山大学 高分子化学

沈家骢 吉大 功能高分子及生物大分子合成

卓仁喜 湖北大学 生物高分子

周其凤 北京大学 高分子液晶

钱人元 中化所 高分子物理，凝聚态物理的研究

唐敖庆 吉大 量子物理与统计在高分子中应用

徐僖 四川大学 聚合物的加工成型理论

徐端夫 化学所 高分子物理及纤维材料

4. 高分子物理内容简介

揭示高分子材料结构与性能之间的内在联系及其基本规律的科学。

5. 成绩考核方法

成绩评定：平时成绩+期末成绩

平时成绩（20~30%作业+考勤）

期末成绩（80~70%卷面成绩） 高分子结构 高分子性能

高分子结构的反映 高分子的分子运动

高分子性能的基础 第一章 高分子链的结构

高分子结构的层次：

 物质的结构：指在平衡态分子中原子之间或平衡态分子间在空间的几何排列。

 高分子链的结构：高分子的链结构又称一级结构，指的是单个分子的结构和形态，它研究的是单个分子链中原子或基团的几何排列情况。包含一次结构和二次结构。

 高分子的一次结构：研究的范围为高分子的组成和构型，指的是单个高分子内一个或几个结构单元的化学结构和立体化学结构，故又称化学结构或近程结构。

 高分子的二次结构：研究的是整个分子的大小和在空间的形态(构象)。

例如：是伸直链、无规线团还是折叠链、螺旋链等。这些形态随着条件和环境的变化而变化，故又称远程结构。

 高分子的聚集态结构：高分子的聚集态结构又称二级结构，是指具有一定构象的高分子链通过范德华力或氢键的作用，聚集成一定规则排列的高分子聚集体结构。

§1.1组成和构造

高分子结构的层次：

表1-1 高分子的结构层次及其研究内容

1.1 组成和构造

1.1.1 结构单元的化学组成

按化学组成不同聚合物可分成下列几类：

1、碳链高分子(C)分子链全部由碳原子以共价键相连接而组成，多由加聚反应制得。

如：聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。

2、杂链高分子(C、O、N、S)分子主链上除碳原子以外，还含有氧、氮、硫等二种或二种以上的原子并以共价键相连接而成。由缩聚反应和开环聚合反应制得。

如：聚酯、聚醚、聚酰胺、聚砜。POM、PA66(工程塑料)PPS、PEEK。

3、 元素高分子(Si、P、Al等)主链不含碳原子，而由硅、磷、锗、铝、钛、砷、锑等元素以共价键结合而成的高分子。

侧基含有有机基团，称作有机元素高分子，如：有机硅橡胶。

侧基不含有机基团的则称作无机高分子。

梯形和双螺旋型高分子，分子的主链不是一条单链而是像“梯子”和“双股螺线”那样的高分子链。

1.1.2 高分子的构型

构型(configurafiom)：指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。

1、旋光异构(空间立构)

饱和碳氢化合物分子中的碳，以4个共价键与4个原子或基团相连，形成一个正四面体，当4个基团都不相同时，该碳原子称作不对称碳原子，以C*表示，这种有机物能构成互为镜影的两种异构体，d型、l型，表现出不同的旋光性，称为旋光异构体。

高分子链节都有两种旋光异构体。 高分子中不关心具体的构型，只关心构型的异同。 由于内、外消旋的作用，高分子无旋光性，但旋光异构带来结构的差别。共有三种键接方式：

全同立构(或等规立构)：当取代基全部处于主链平面的一侧或者说高分子全部由一种旋光异构单元键接而成。

间同立构(或间规立构)：取代基相间的分布于主链平面的二侧或者说两种旋光异构单元交替键接。

无规立构：当取代基在平面两侧作不规则分布或者说两种旋光异构体单元完全无规键接时。

构型的不同影响了高分子链的对称性与规整性，从而影响了性能。

例：（1）全同 PS，可结晶，熔点 240℃；

无规 PS，不能结晶，软化温度 80℃。

（2）全同 PP，易结晶，Tm＝176℃，可纺丝；

无规 PP，粘稠流体。

2、几何异构(顺反异构)

1,4加聚的双烯类聚合物中，由于主链双键的碳原子上的取代基不能绕双键旋转，当组成双键的两个碳原子同时被两个不同的原子或基团取代时，即可形成顺反两种构型，它们称作几何异构体。

例如：丁二烯用钴、镍和钛催化系统可制得顺式构型含量大于94%的聚丁二烯称作顺丁橡胶，其结构式如下：

顺式：分子链与分子链之间的距离较大，不易结晶，在室温下是一种弹性很好的橡胶；用钒或醇烯催化剂所制得的聚丁二烯橡胶，主要为反式构型，其结构式如下：

反式：分子链的结构比较规整，容易结晶，在室温下是弹性很差的塑料。

3、键接结构

对于不对称的单烯类单体，例如CH2=CHR，在聚合时就有可能有头-尾键接