材料科學(xué)與工程導(dǎo)論：高分子材料科學(xué)

1、材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論高分子材料科學(xué)高分子材料科學(xué)n2000年，世界合成高分子材料的年總產(chǎn)年，世界合成高分子材料的年總產(chǎn)量已達(dá)到量已達(dá)到2億噸。其中塑料億噸。其中塑料1.63億噸，億噸，合成橡膠合成橡膠0.11億噸，合成纖維億噸，合成纖維0.28億噸。億噸。n高分子科學(xué)既是一門基礎(chǔ)學(xué)科，又是一高分子科學(xué)既是一門基礎(chǔ)學(xué)科，又是一門應(yīng)用科學(xué)，主要由高分子化學(xué)、高分門應(yīng)用科學(xué)，主要由高分子化學(xué)、高分子物理、高分子材料和高分子工藝四個(gè)子物理、高分子材料和高分子工藝四個(gè)學(xué)科分支組成。學(xué)科分支組成。多種多樣的高分子材料多種多樣的高分子材料防防 彈彈 衣衣高比強(qiáng)度的降落傘繩索高比強(qiáng)度的降落傘繩

2、索什么是高分子？n高分子的含義n分子量很大（104107，甚至更大）。n分子似“一條鏈”，由許多相同的結(jié)構(gòu)單元組成。n以共價(jià)鍵的形式重復(fù)連接而成。n與小分子比較與小分子比較n分子量不確定，只有一定的范圍，是分分子量不確定，只有一定的范圍，是分子量不等的同系物的混合物；子量不等的同系物的混合物；n沒有固定熔點(diǎn)，只有一段寬的溫度范圍；沒有固定熔點(diǎn)，只有一段寬的溫度范圍；n分子間力很大，沒有沸點(diǎn)，加熱到分子間力很大，沒有沸點(diǎn)，加熱到2000C3000C以上，材料破壞（降解或以上，材料破壞（降解或交聯(lián)）。交聯(lián)）。高分子材料分類n按材料來源分類n天然高分子n合成高分子n按材料性能和用途分類n塑料塑料n橡

3、膠橡膠 （稱為三大合成材料）n纖維纖維n涂料n粘合劑n功能高分子通用高分子材料通用高分子材料n塑料、橡膠、纖維，稱為三大合成材料塑料、橡膠、纖維，稱為三大合成材料n全世界產(chǎn)量全世界產(chǎn)量1億多噸億多噸n塑料主要品種有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙塑料主要品種有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等烯、聚苯乙烯等n合成橡膠主要用途為制造輪胎，約占合成橡膠主要用途為制造輪胎，約占60%n合成纖維主要品種有：滌綸（合成纖維主要品種有：滌綸（PET）、尼龍、）、尼龍、聚丙烯腈、聚丙烯等聚丙烯腈、聚丙烯等n合成纖維、天然纖維、人造纖維比例為合成纖維、天然纖維、人造纖維比例為2 ? 3 ? 1工程塑料工程塑料n性

4、能：堅(jiān)硬、良好的韌性、耐磨、耐熱性能：堅(jiān)硬、良好的韌性、耐磨、耐熱水及蒸氣，加工時(shí)尺寸穩(wěn)定性好、化學(xué)水及蒸氣，加工時(shí)尺寸穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好。穩(wěn)定性好。n主要有：尼龍（聚酰胺）、聚碳酸酯主要有：尼龍（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛）、聚甲醛（POM）、飽和聚酯（）、飽和聚酯（PET、PBT）等）等 纖維 塑料 橡膠 分子量 一般 1 7 萬 一般 6 30萬 一般15 30 萬 加工方法 熔融紡絲 擠出、注塑、吹塑成型等 硫化交聯(lián) 機(jī)械性能 高強(qiáng)度（35000N/cm2）高模量(35000N/cm2)低伸長(zhǎng)率 （5 50%） 介于兩者之間 初始模量很低， 高

5、彈性形變（500-1000%） 表表 三大高分子材料的比較三大高分子材料的比較硬塑料應(yīng)力纖維軟塑料應(yīng)變橡膠材料應(yīng)力材料應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線按結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成分類按結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成分類1. 碳鏈高分子碳鏈高分子n主鏈以主鏈以C C原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié) 加聚反應(yīng)制得加聚反應(yīng)制得n如如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯酯，聚丙烯聚乙烯聚乙烯HHCCHH2. 雜鏈高分子雜鏈高分子n主鏈除主鏈除C C原子外還有其它原子如原子外還有其它原子如O O、N N 、S S等，并以共價(jià)等，并以共價(jià)鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對(duì)苯二甲酸乙二

6、脂（滌鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對(duì)苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等OOHHCCOCCOHH 滌綸滌綸3. 元素有機(jī)高分子元素有機(jī)高分子n主鏈中不含主鏈中不含C C原子，而由原子，而由SiSi、 B B 、P P 、AlAl、 Ti Ti 、AsAs等元素與等元素與O O組成，其側(cè)鏈為有機(jī)基團(tuán)；組成，其側(cè)鏈為有機(jī)基團(tuán)；n兼有無機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱兼有無機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠。和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠。33CHSiOCH硅橡膠硅橡膠4. 無機(jī)高

7、分子無機(jī)高分子n主鏈既不含主鏈既不含C C原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解。量不高，并易水解。/i/SSSSSiSSSClClPNPNClCl二硫化硅二硫化硅聚二氯一氮化磷聚二氯一氮化磷高分子材料形成過程n簡(jiǎn)單流程如下：高分子聚合物石油、天然氣、煤炭等聚合高分子材料加工裂解單體 n熱塑性塑料：熱塑性塑料：受熱后軟化，冷卻后又變硬，可重復(fù)受熱后軟化，冷卻后又變硬，可重復(fù)循環(huán)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是分子鏈呈線形結(jié)構(gòu)。這種高分子材循環(huán)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是分子鏈呈線形結(jié)構(gòu)。這

8、種高分子材料的塑性以及加工性能好。料的塑性以及加工性能好。n熱固性塑料：熱固性塑料：由單體直接形成網(wǎng)狀聚合物或通過交由單體直接形成網(wǎng)狀聚合物或通過交聯(lián)線型預(yù)聚體而形成，一旦形成交聯(lián)聚合物，受熱后聯(lián)線型預(yù)聚體而形成，一旦形成交聯(lián)聚合物，受熱后不能再回到可塑狀態(tài)。制品不溶不熔。不能再回到可塑狀態(tài)。制品不溶不熔。n優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)輕、電絕緣、耐化學(xué)腐蝕、容易成形優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)輕、電絕緣、耐化學(xué)腐蝕、容易成形加工等；加工等；n缺點(diǎn)：力學(xué)性能比金屬材料差，表面硬度低，缺點(diǎn)：力學(xué)性能比金屬材料差，表面硬度低，大多數(shù)品種易燃，耐熱性差。大多數(shù)品種易燃，耐熱性差。熱塑性與熱固性熱塑性與熱固性圖圖 熱塑性熱塑性a a、b b

9、和熱固性和熱固性c c聚合物的形態(tài)特征聚合物的形態(tài)特征 在室溫下，為什么有些高分子材在室溫下，為什么有些高分子材料柔軟而另外一些剛硬？料柔軟而另外一些剛硬？聚合物分子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)聚合物分子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)n聚合物分子運(yùn)動(dòng)具有多重性。聚合物分子運(yùn)動(dòng)具有多重性。n運(yùn)動(dòng)單元：側(cè)基、支鏈、鏈節(jié)、鏈段及整個(gè)大分子運(yùn)動(dòng)單元：側(cè)基、支鏈、鏈節(jié)、鏈段及整個(gè)大分子等。等。n運(yùn)動(dòng)方式：鍵長(zhǎng)、鍵角的振動(dòng)或扭曲；側(cè)基、支鏈運(yùn)動(dòng)方式：鍵長(zhǎng)、鍵角的振動(dòng)或扭曲；側(cè)基、支鏈或鏈節(jié)的搖擺、旋轉(zhuǎn)；分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)及整個(gè)大分子的或鏈節(jié)的搖擺、旋轉(zhuǎn)；分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)及整個(gè)大分子的重心位移等。重心位移等。n聚合物分子運(yùn)動(dòng)具有明顯的松弛特性。聚合物分子運(yùn)動(dòng)具有

10、明顯的松弛特性。n具有時(shí)間依賴性的過程稱為松弛過程。具有時(shí)間依賴性的過程稱為松弛過程。n分子運(yùn)動(dòng)是一個(gè)速度過程，要達(dá)到一定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分子運(yùn)動(dòng)是一個(gè)速度過程，要達(dá)到一定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高溫度和延長(zhǎng)時(shí)間具有相同的效果，這稱為時(shí)提高溫度和延長(zhǎng)時(shí)間具有相同的效果，這稱為時(shí)-溫等效原理，或時(shí)溫等效原理，或時(shí)-溫轉(zhuǎn)化效應(yīng)溫轉(zhuǎn)化效應(yīng)。力學(xué)狀態(tài)力學(xué)狀態(tài)n玻璃態(tài)玻璃態(tài)（溫度低）（溫度低）n鏈段運(yùn)動(dòng)處于鏈段運(yùn)動(dòng)處于“凍結(jié)凍結(jié)”狀態(tài)，模量高形變小。具有狀態(tài)，模量高形變小。具有虎克彈性行為，質(zhì)硬而脆?；⒖藦椥孕袨椋|(zhì)硬而脆。n高彈態(tài)高彈態(tài)（溫度較高）（溫度較高）n鏈段運(yùn)動(dòng)已充分發(fā)展。在較小應(yīng)力下，即可迅速發(fā)鏈段運(yùn)動(dòng)已

11、充分發(fā)展。在較小應(yīng)力下，即可迅速發(fā)生很大的形變，除去外力后，形變可迅速恢復(fù)。生很大的形變，除去外力后，形變可迅速恢復(fù)。n粘流態(tài)粘流態(tài)（溫度高）（溫度高）n由于鏈段的劇烈運(yùn)動(dòng)，整個(gè)大分子鏈重心發(fā)生相對(duì)由于鏈段的劇烈運(yùn)動(dòng)，整個(gè)大分子鏈重心發(fā)生相對(duì)位移，產(chǎn)生不可逆位移即粘性流動(dòng)。位移，產(chǎn)生不可逆位移即粘性流動(dòng)。n交聯(lián)聚合物無粘流態(tài)存在交聯(lián)聚合物無粘流態(tài)存在玻璃化轉(zhuǎn)變玻璃化轉(zhuǎn)變n聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變是指從玻璃態(tài)到高彈態(tài)之聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變是指從玻璃態(tài)到高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。從分子運(yùn)動(dòng)的角度看，玻璃化溫度間的轉(zhuǎn)變。從分子運(yùn)動(dòng)的角度看，玻璃化溫度Tg是大分子鏈段開始運(yùn)動(dòng)的溫度。是大分子鏈段開始運(yùn)動(dòng)的溫度。n玻璃

12、化轉(zhuǎn)變是一個(gè)松弛過程。玻璃化轉(zhuǎn)變是一個(gè)松弛過程。n在時(shí)間尺度不變時(shí)，凡是加速鏈段運(yùn)動(dòng)速度的在時(shí)間尺度不變時(shí)，凡是加速鏈段運(yùn)動(dòng)速度的因素，如大分子鏈柔性的增大、分子間作用力因素，如大分子鏈柔性的增大、分子間作用力減小等結(jié)構(gòu)因素，都使減小等結(jié)構(gòu)因素，都使Tg下降。下降。高分子材料發(fā)展簡(jiǎn)史高分子材料發(fā)展簡(jiǎn)史n天然高分子的利用天然高分子的利用n天然高分子改性天然高分子改性n天然橡膠硫化（天然橡膠硫化（1839年）年）n硝化纖維賽璐珞（硝化纖維賽璐珞（1868年）年）n粘膠纖維（粘膠纖維（18931898年）年）n合成高分子合成高分子n20世紀(jì)初，出現(xiàn)了酚醛樹脂世紀(jì)初，出現(xiàn)了酚醛樹脂n1920年，年，S

13、taudinger提出高分子概念提出高分子概念n30年代、年代、40年代，飛速發(fā)展年代，飛速發(fā)展n70年代，特種性能的高分子年代，特種性能的高分子創(chuàng)立高分子化學(xué)的施陶丁格創(chuàng)立高分子化學(xué)的施陶丁格Hermann Staudinger 1881一一1965 The Nobel Prize in Chemistry 1953“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”2000年化學(xué)獎(jiǎng)授予了黑格年化學(xué)獎(jiǎng)授予了黑格(A. J. Heeger，美國(guó)，美國(guó))、馬克迪爾米德馬克迪爾米德(A. G. MacDiarmid，美國(guó)，美國(guó)

14、)和白和白川英樹川英樹(H. ShiraKawa，日本，日本) 三人，他們發(fā)現(xiàn)三人，他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物。了導(dǎo)電聚合物。 A.J.Heeger(美國(guó))A.G.Macdiarmid (美國(guó))H.ShiraKawa (日本)幾種典型的高分子材料幾種典型的高分子材料聚乙烯制品聚乙烯制品聚乙烯（PE）n聚乙烯從1939年開始工業(yè)化生產(chǎn)，是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的品種。n低密度聚乙烯（LDPE）n在各種聚乙烯中產(chǎn)量最大，主要用于生產(chǎn)薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大棚膜等）；約10%用于生產(chǎn)注塑用品。n線型低密度聚乙烯（LLDPE）n主要用于生產(chǎn)薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。還用于生產(chǎn)扁

15、絲，制造編織袋。n高密度聚乙烯（HDPE）n注塑制品：工業(yè)容器、家用器皿、玩具等。n中空吹塑制品：食品、藥品、化妝品的包裝瓶等。n薄膜制品（約占20%）：大量用于食品包裝。聚乙烯管材聚乙烯管材n應(yīng)用領(lǐng)域主要有：生活用水和煤氣管道、農(nóng)業(yè)排灌用管道以及圓珠筆內(nèi)的油墨管子等。n質(zhì)輕、堅(jiān)韌耐磨，力學(xué)性能良好，使用壽命長(zhǎng)，施工安裝簡(jiǎn)便，輸送阻力小、安全可靠，鋪設(shè)費(fèi)用低。給水用HDPE管n超高分子量聚乙烯（UHMWPE）可作為工程塑料n在汽車、機(jī)械、原子能以及宇宙飛行等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。n具有優(yōu)異的耐沖擊和自潤(rùn)滑性，耐腐蝕、抗磨損、不粘著等特性?？勺鼾X輪、軸套、滑板、儲(chǔ)罐襯里等。聚乙烯生產(chǎn)線聚乙烯生產(chǎn)線聚

16、氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）PS保溫板保溫板PS光纖光纖聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）氟塑料氟塑料n是各種含氟塑料的總稱。是各種含氟塑料的總稱。n聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）。）。1950年首先由杜邦公年首先由杜邦公司投產(chǎn)。有司投產(chǎn)。有“塑料王塑料王”之稱。之稱。n是高結(jié)晶度聚合物，無熔融態(tài)，分解溫度是高結(jié)晶度聚合物，無熔融態(tài)，分解溫度400 ，可，可在在260 以下長(zhǎng)期下使用，耐低溫達(dá)以下長(zhǎng)期下使用，耐低溫達(dá)-200 ，力學(xué)，力學(xué)性能優(yōu)異。光滑不粘，摩擦系數(shù)極小，具有自潤(rùn)滑性。性能優(yōu)異。光滑不粘，摩擦系數(shù)極小，具有自潤(rùn)滑性。耐化學(xué)腐蝕性極強(qiáng)，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑，能耐耐化學(xué)腐蝕性極強(qiáng)，耐強(qiáng)

17、酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑，能耐王水及沸騰的氫氟酸。具有塑料中最好的電絕緣性能。王水及沸騰的氫氟酸。具有塑料中最好的電絕緣性能。n廣泛用于化工機(jī)械和容器的防腐、耐磨密封、廣泛用于化工機(jī)械和容器的防腐、耐磨密封、電絕緣等。電絕緣等。纖維n滌綸n尼龍（錦綸）n聚丙烯腈（腈綸、人造羊毛）高分子材料應(yīng)用極為廣泛！討論： 也請(qǐng)同學(xué)們舉一些例子。 想象一下現(xiàn)代生活如果沒有高分子材料，如何？保鮮膜保鮮膜n性能要求性能要求n保鮮、保潔、自粘保鮮、保潔、自粘n安全、無毒安全、無毒n市場(chǎng)上的保鮮膜市場(chǎng)上的保鮮膜n聚乙烯（聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚）、偏聚氯乙烯及其他材質(zhì)氯乙烯及其他材質(zhì)n聚氯乙

18、烯（聚氯乙烯（PVC）保鮮膜存在的問題）保鮮膜存在的問題聚合物光盤基片聚合物光盤基片n性能要求性能要求n高的透光率、光學(xué)純度、尺寸穩(wěn)定性和熱變高的透光率、光學(xué)純度、尺寸穩(wěn)定性和熱變形溫度，較好的機(jī)械性能和加工性能、低的形溫度，較好的機(jī)械性能和加工性能、低的雙折射和成本等。雙折射和成本等。n主要材料：主要材料：n聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、）、改性雙酚改性雙酚A環(huán)氧樹脂、非晶態(tài)聚烯烴等環(huán)氧樹脂、非晶態(tài)聚烯烴等功能高分子材料n醫(yī)用高分子n導(dǎo)電高聚物n液晶高分子n智能聚合物n高吸水性樹脂等等生物（醫(yī)用）高分子生物（醫(yī)用）高分子n醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子n人工生體軟

19、組織人工生體軟組織n人工生體硬組織人工生體硬組織n藥用高分子藥用高分子n高分子藥物高分子藥物n高分子載藥體系高分子載藥體系n醫(yī)療器械與診斷材料醫(yī)療器械與診斷材料醫(yī)用高分子材料n醫(yī)用修復(fù)材料n齲齒密封材料、外科縫合線、高分子繃托n眼球人工玻璃體n隱形眼鏡n人工臟器n人造皮膚、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人工肺、腎、肝、心臟等等。在美國(guó)，每年有幾百萬件人工器件或修復(fù)材料植入病人體內(nèi)。導(dǎo)電高聚物n共軛結(jié)構(gòu)-CH=CH-CH=CH-CH=CH-導(dǎo)電高聚物應(yīng)用前景n二次電池、太陽能電池n傳感器n電磁屏蔽材料n隱身材料n金屬防腐B-2 Bomber (American) F-117A Fighter (A