高分子物理课程教学大纲

《高分子物理》课程教学大纲

（中文班）

一、课程基本信息

课程编号： 04100435 课程性质： 专业基础课

课程名称： 高分子物理 学时/学分： 56/3.5

英文名称： Polymer Physics 考核方式： 笔试闭卷

先修课程： 高等数学、有机化学、物理化学、高分子化学 大纲执笔人： 徐世爱

适用专业： 高分子材料与工程、复合材料、材料物理 大纲审核人： 徐世爱

选用教材： 《高分子科学教程》，上海市“九五”重点规划教材

韩哲文、张德震、杨全兴、王彬芳编，华东理工大学出版社

二、课堂教学大纲

第一章绪论

（一）教学内容

介绍高分子科学的发展简史，以及高分子物理是如何建立起来的。以早期获得过诺贝尔奖的三

位高分子科学家的研究经历和对高分子科学的重要贡献为线索，向学生说明高分子科学发展的艰难

历程；介绍教材的结构和特点；介绍高分子物理的研究内容；介绍本门课程的学习方法。

（二）教学内容的结构

1 .高分子科学的诞生与发展

2 .高分子与传统科学的碰撞

3 .高分子物理的研究内容

4 .高分子物理的特点 （三）教学目标

了解高分子科学诞生的过程，掌握高分子物理的研究内容，了解高分子科学领域获得诺贝尔奖的著名 科学家以及他们获奖的研究工作。

第二章聚合物的结构

（一）教学内容

介绍高分子的链结构，包括：近程结构（结构单元化学组成，键接结构，支化与交联，构型和 共聚物结构），远程结构（构象，均方末端距，均方旋转半径，链柔性及其结构的关系）。

介绍高分子的凝聚态结构，包括：高分子间的作用力，结晶形态和结构（单晶，球晶），晶态 结构模型和非晶态结构模型，结晶动力学及其影响因素，结晶能力与结构关系，结晶度，结晶热力 学，高分子的取向及其对聚合物性能的影响，液晶态结构和非均相多组分聚合物的织态结构及其对 聚合物性能的影响。

（二）教学内容的结构

1 .概论

1.1 高分子结构的特点

1.2 高分子结构的研究内容

2 .高分子链的近程结构

2.1 高分子的化学组成

2.2 结构单元的间接顺序

2.3 支化与交联

2.4 共聚物的结构

2.5 高分子链的构型

3 .高分子链的远程结构

3.1 聚合物的分子量

3.2 高分子的分子量分布 3.3 高分子链的构象

3.4 高分子链的柔顺性

3.5 高分子链的构象统计

3.6 高分子链柔顺性的表征

4 .聚合物分子间的相互作用

4.1 高分子间的相互作用

4.2 内聚能密度

5 .聚合物的晶态结构

5.1 聚合物的结晶形态

5.2 聚合物的晶胞

5.3 高分子在晶体中的构象

5.4 聚合物的晶态结构模型

5.5 高分子链结构对结晶能力的影响

5.6 聚合物的结晶速度

5.7 Avrami 方程

5.8 结晶速度的温度依赖性

5.9 影响结晶速度的其它因素

5.10 结晶度及其对聚合物性能的影响

5.11 聚合物的熔融及其影响熔点的因素

6 .聚合物的非晶态结构

6.1 无规线团模型

6.2 两相球粒模型

7 .聚合物的取向态结构

7.1 高聚物的取向现象

7.2 高聚物的取向机理

7.3 取向的应用

8 .聚合物的液晶态结构 8.1 基本概念

8.2 液晶形成的条件

8.3 液晶的分类

8.4 高分子液晶的分类

8.5 液晶聚合物溶液的流动特性

8.6 液晶高分子的应用

（三）教学目标

1 .高分子链的近程结构

（1）了解聚合物的结构层次。

（2）了解碳链高分子、杂链高分子、元素高分子和无机高分子的概念。

（3）了解高分子结构单元之间的键接方式和鉴别方法。

（4）掌握高分子链构型的概念，明确旋光异构体和几何异构体形成的原因和类型，掌握等规度的概念。

（5）掌握线形、支化和交联高分子的结构特点和性能上的不同。

2 .高分子链的远程结构

（1）掌握聚合物多分散性的概念及其表示方法。

（2）了解聚合物各种平均分子量的表示方法，重点掌握数均和重均分子量的物理意义和计算方法。

（3）掌握单键内旋转的概念，掌握高分子链的构象，掌握自由结合链、自由旋转链、等效自由结合链、

高斯链的基本概念，以及与实际高分子链之间的区别。

（4）掌握高分子柔顺性的概念及其影响因素，了解高分子柔顺性的表征参数。

（5）掌握均方末端距和均方旋转半径的概念，了解其平均值的统计含义。了解自由结合链和自由旋转 链均方末端距的计算。

3 .聚合物分子间的相互作用

（1）了解聚合物分子之间相互作用的类型和本质。

（2）掌握内聚能和内聚能密度的概念，了解内聚能密度大小与聚合物性能之间的关系。 4 .聚合物的晶态结构

（1）掌握单晶和球晶的结晶形态、形成条件和判别方法，了解球晶和单晶中高分子链的取向方向，了 解高分子链在晶体中的构象及其形成原因。

（2）了解描述聚合物晶态结构的几种模型，以及每个模型提出的实验依据，各自可以解释的实验现象 和不能解释的实验现象。

（3）掌握高分子链的结构对其结晶能力的影响。

（4）了解高聚物的结晶过程，掌握均相成核和异相成核的概念，了解聚合物成核速度和结晶生长速度 的测定方法，掌握膨胀计法、光学解偏振法和示差扫描量热法测定聚合物结晶速率的原理和方法，掌握半 结晶时间的概念。

（5）掌握Avrami方程及其应用范围，明确Avrami指数n的物理意义，及其与晶体生长方式和成核方 式之间的联系，了解半结晶时间与结晶速率常数之间的关系。

（6）了解聚合物的结晶温度范围，掌握温度对聚合物结晶速率的影响，并能解释结晶速率一温度关系 曲线。掌握聚合物的分子结构、分子量、杂质和外力等因素对聚合物的结晶速率的影响。

（7）掌握结晶度的概念和表示方法，弄清结晶度对聚合物各项物理性能的影响。

（8）了解聚合物的熔化过程和本质，掌握影响结晶聚合物熔点的因素。

5 .聚合物的非晶态结构

了解描述聚合物非晶态结构的主要模型，和各模型可以解释的实验事实。

6 .聚合物的取向态结构

（1）掌握取向的概念、机理及其对聚合物性能的影响。

（2）掌握解取向的概念。

（3）了解取向和解取向的原理在纤维生产过程中的应用。

7 .聚合物的液晶态结构

（1）掌握液晶聚合物的概念，了解液晶聚合物的结构特点和分类。

（2）了解液晶聚合物溶液的性质，掌握液晶聚合物的粘度与浓度和温度之间的关系。 第三章聚合物的分子运动

（一）教学内容

介绍分子热运动，包括高分子的运动单元，高分子热运动和温度与时间的关系和聚合物的力学

状态和转变过程。介绍玻璃化转变，包括：自由体积理论，影响Tg的各种因素。介绍粘性流动，

包括聚合物熔体流动特征，影响Tf的因素，影响聚合物剪切粘度的因素和聚合物流动过程中弹性

效应。

（二）教学内容的结构

1 .聚合物的力学状态和热转变

1.1 聚合物热运动的主要特点

1.2 力学状态和热转变

2 .聚合物的玻璃化转变

2.1 玻璃化转变现象和玻璃化转变温度

2.2 耐热性的表示方法

2.3 玻璃化转变的自由体积理论

2.4 WLF方程定义的自由体积

2.5 影响玻璃化温度的因素

2.6 高聚物的次级松弛

3 .聚合物熔体的流变性

3.1 基本概念

3.2 非牛顿流体的类型

3.3 高聚物粘性流动的特点

3.4 影响粘流温度的因素

3.5 聚合物流动性的表征

3.6 聚合物熔体的流动曲线

3.7 影响聚合物熔体粘度的因素 3.8 聚合物熔体粘度的测定

3.9 聚合物熔体的弹性现象

（三）教学目标

1 .聚合物的力学状态和热转变

（1）了解聚合物分子运动的特点，理解松弛现象和松弛过程的概念。

(2)掌握聚合物的三种力学状态和两个转变，并能用分子运动的观点解释聚合物的温度形变曲线。

2 .聚合物的玻璃化转变

(1)掌握玻璃化转变温度的概念，了解聚合物玻璃化温度的测定方法，重点掌握膨胀计法、DSC法和 DMA法测定玻璃化温度的原理和方法。

(2)掌握自由体积理论，并能用自由体积理论解释聚合物的玻璃化转变现象。

(3)能够推导WLF方程定义的自由体积分数为2.5%。

(4)掌握影响聚合物玻璃化温度的各种因素。

3 .聚合物熔体的流变性

(1)掌握高聚物熔体的流动机理，了解高聚物粘流活化能与分子量之间的关系。

(2)掌握高聚物熔体的流体性质和流动特点。

(3)掌握影响聚合物粘流温度的各种因素。

(4)掌握表观粘度、零切粘度和无穷剪切粘度的概念，了解聚合物熔体粘度的测定方法。

(5)掌握熔融指数的概念，明确熔融指数与熔体粘度间的区别。

(6)能够用链缠结的观点或物理交联点的形成来解释聚合物熔体的流动曲线。

(7)掌握聚合物熔体的粘度与剪切速率、温度之间的关系，并掌握柔性聚合物、刚性聚合物的粘度对 剪切速率和温度的不同依赖性。

(8)掌握Arrhenius公式和WLF方程的适用范围。

(9)掌握分子量与聚合物零切粘度之间的关系。

(10)了解韦森堡效应(爬杆现象)、巴拉斯效应(挤出物胀大)以及熔体的不稳定流动和熔体破裂现 象。 第四章高分子的溶液性质

(一)教学内容

介绍聚合物的溶解过程，包括溶解原理和浓度参数和溶剂选择原则。介绍高分子溶液热力学， 包括：Flory-Huggins溶液理论和Flory-Krigbum稀溶液理论。介绍聚合物分子量及分子量分布的测 定方法，包括：端基分析，气相渗透，膜渗透，光散射，粘度和凝胶色谱。高分子浓溶液的特征，

包括：聚合物增塑，凝胶和冻胶。

（二）教学内容的结构

1 .聚合物的溶解

1.1 聚合物溶解的特点

1.2 聚合物溶解过程的热力学

1.3 溶剂的选择

2 .高分子溶液的热力学性质

2.1 理想溶液

2.2 溶液的分类

2.3 Flory-Huggins高分子溶液理论（晶格模型理论）

2.4 过量化学位

2.5 Flory-Krigbaum 稀溶液理论

2.6 状态（无扰状态）

2.7 扩张因子（溶胀因子）

3 .聚合物分子量的测定

3.1 端基分析

3.2 沸点升高和冰点下降

3.3 膜渗透压法

3.4 蒸汽压渗透法（VPO）

3.5 粘度法