高分子材料概論第一章

1、高分子材料概論 塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑按組成按組成金屬材料無機(jī)非金屬材料高分子材料按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)材料功能材料按使用按使用醫(yī)用材料、耐蝕材料電子材料、耐火材料建筑材料等按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)單晶材料多晶材料非晶材料復(fù)合材料材料材料課 程 簡 介J國內(nèi)外高分子科學(xué)的發(fā)展概況與趨勢J高分子基本知識J高分子化學(xué)（合成） J聚合物的結(jié)構(gòu)與性能 J聚合物成型原理及技術(shù)簡介 J功能高分子與新技術(shù) J聚合物基復(fù)合材料 主要參考書目張留成，瞿雄偉，丁會利，高分子材料基礎(chǔ)（高分子材料基礎(chǔ)（2 2），），化學(xué)工業(yè)出版社，2007高俊剛，高分子材料高分子材料，化學(xué)工業(yè)出版社，2002潘祖仁，高分子化學(xué)高分子化學(xué)，高等

2、教育出版社，2003焦劍，高聚物結(jié)構(gòu)、性能與測試高聚物結(jié)構(gòu)、性能與測試，化學(xué)工業(yè)出版社，2003何天白，功能高分子與新技術(shù)功能高分子與新技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，2000王汝敏，聚合物基復(fù)合材料及工藝聚合物基復(fù)合材料及工藝，科學(xué)出版社，2003柯?lián)P船，聚合物無機(jī)納米復(fù)合材料聚合物無機(jī)納米復(fù)合材料，化學(xué)工業(yè)出版社，2002董炎明，張海良，高分子科學(xué)教程（高分子科學(xué)教程（1 1），），科學(xué)出版社，2004 人類的文明史人類的文明史 = 材料的發(fā)展史材料的發(fā)展史 高分子（高分子（macromolecule、polymer）由許多結(jié)構(gòu)相同的單元通過共價鍵重復(fù)連接而由許多結(jié)構(gòu)相同的單元通過共價鍵重復(fù)連接而成

3、的相對分子量很大的化合物成的相對分子量很大的化合物天然高分子天然高分子 合成高分子：塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、合成高分子：塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、涂料、功能高分子等涂料、功能高分子等高分子材料具有基本性質(zhì)：高分子材料具有基本性質(zhì)： 比重小，比強(qiáng)度比重小，比強(qiáng)度高，韌性、可塑性，高彈性、耐磨性，絕緣高，韌性、可塑性，高彈性、耐磨性，絕緣性，耐腐蝕性，抗射線。性，耐腐蝕性，抗射線。高分子及其應(yīng)用高分子及其應(yīng)用 高分子材料的消耗率高分子材料的消耗率 第一章第一章 國內(nèi)外高分子科學(xué)的發(fā)展概況與趨勢15世紀(jì)世紀(jì) 美洲瑪美洲瑪雅人用天然橡膠做容器，雨具等生活用品雅人用天然橡膠做容器，雨具等生活用品183

4、9年年 美國人固特異美國人固特異(Charles Goodyear)發(fā)現(xiàn)天然橡膠與發(fā)現(xiàn)天然橡膠與硫磺共熱后明顯地改變了性能，使它從硬度較低、遇熱硫磺共熱后明顯地改變了性能，使它從硬度較低、遇熱發(fā)粘軟化、遇冷發(fā)脆斷裂的不實用的性質(zhì)，變?yōu)楦挥袕棸l(fā)粘軟化、遇冷發(fā)脆斷裂的不實用的性質(zhì)，變?yōu)楦挥袕椥浴⒖伤苄缘牟牧闲?、可塑性的材?1869年年 美國的海厄特美國的海厄特(John Wesley Hyatt,1837-1920)把硝把硝化纖維、樟腦和乙醇的混合物在高壓下共熱，制造出了第化纖維、樟腦和乙醇的混合物在高壓下共熱，制造出了第一種人工合成塑料一種人工合成塑料“賽璐珞賽璐珞”(cellulose) 緒

5、論緒論1. 高分子材料科學(xué)的歷史回顧高分子材料科學(xué)的歷史回顧History of Polymers1887年年 Count Hilaire de Chardonnet（夏爾多內(nèi)（夏爾多內(nèi) ）用硝化纖維素的溶液進(jìn)行紡絲，制得了第一種人造用硝化纖維素的溶液進(jìn)行紡絲，制得了第一種人造絲。絲。 1909年年 美國人貝克蘭德美國人貝克蘭德(Leo Baekeland)用苯酚與用苯酚與甲醛反應(yīng)制造出第一種完全人工合成的塑料甲醛反應(yīng)制造出第一種完全人工合成的塑料-酚醛酚醛樹酯。樹酯。 1920年年 史道丁格史道丁格(Hermann Staudinger)發(fā)表了發(fā)表了關(guān)關(guān)于聚合反應(yīng)于聚合反應(yīng)(Uber Pol

6、ymerization)的論文提出：高的論文提出：高分子物質(zhì)是由具有相同化學(xué)結(jié)構(gòu)的單體經(jīng)過化學(xué)反分子物質(zhì)是由具有相同化學(xué)結(jié)構(gòu)的單體經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)應(yīng)(聚合聚合)，通過化學(xué)鍵連接在一起的大分子化合物，通過化學(xué)鍵連接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一詞即源于此。高分子或聚合物一詞即源于此。 1926年年 瑞典化學(xué)家斯維德貝格等人設(shè)計出一種超離瑞典化學(xué)家斯維德貝格等人設(shè)計出一種超離心機(jī)，用它測量心機(jī)，用它測量出蛋白質(zhì)的分子量：證明高分子的出蛋白質(zhì)的分子量：證明高分子的分子量的確是從幾萬到幾百萬分子量的確是從幾萬到幾百萬。 1926年年 美國化學(xué)家美國化學(xué)家Waldo Semon（沃爾多（沃爾多 沙門

7、）合）合成了聚氯乙烯，并于成了聚氯乙烯，并于1927年實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)年實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn) 1930年年 聚苯乙烯聚苯乙烯(PS)發(fā)明發(fā)明 1932年年史道丁格史道丁格(Hermann Staudinger)(Hermann Staudinger)總結(jié)了自己的總結(jié)了自己的大分子理論，出版了劃時代的巨著大分子理論，出版了劃時代的巨著高分子有機(jī)化合高分子有機(jī)化合物物成為高分子化學(xué)作為一門新興學(xué)科建立的標(biāo)志成為高分子化學(xué)作為一門新興學(xué)科建立的標(biāo)志 1935年年杜邦公司基礎(chǔ)化學(xué)研究所有機(jī)化學(xué)部的卡羅瑟杜邦公司基礎(chǔ)化學(xué)研究所有機(jī)化學(xué)部的卡羅瑟斯斯(Wallace H. Carothers，1896-193

8、7)合成出聚酰胺合成出聚酰胺66，即尼龍。尼龍在即尼龍。尼龍在1938年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn) 1936年年 德國人用金屬鈉作為催化劑，用丁二烯合成出德國人用金屬鈉作為催化劑，用丁二烯合成出丁鈉橡膠和丁苯橡膠丁鈉橡膠和丁苯橡膠 1940年年 英國人溫費爾德英國人溫費爾德(T.R.Whinfield,1901-1966)合成合成出聚酯纖維出聚酯纖維(PET) 1940年年 Peter Debye 發(fā)明了通過光散射測定高分子物發(fā)明了通過光散射測定高分子物質(zhì)分子量的方法質(zhì)分子量的方法 1948年年 Paul Flory（弗洛里（弗洛里 ） 建立了高分子長鏈結(jié)構(gòu)的建立了高分子長鏈結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)理論

9、數(shù)學(xué)理論 1950年年 德國人齊格勒德國人齊格勒(Karl Ziegler)與意大利人納塔與意大利人納塔(Giulio Natta)分別用金屬絡(luò)合催化劑合成了聚乙烯與聚分別用金屬絡(luò)合催化劑合成了聚乙烯與聚丙烯。丙烯。 19711971年年 S.L WolekS.L Wolek（沃勒克沃勒克 ） 發(fā)明可耐發(fā)明可耐300300o oC C高溫的高溫的KevlarKevlar（凱芙拉凱芙拉 ）纖維。）纖維。 19551955年年 美國人利用齊格勒美國人利用齊格勒- -納塔催化劑聚合異戊二納塔催化劑聚合異戊二烯，首次用人工方法合成了結(jié)構(gòu)與天然橡膠基本一烯，首次用人工方法合成了結(jié)構(gòu)與天然橡膠基本一樣的合

10、成天然橡膠。樣的合成天然橡膠。 2020世紀(jì)世紀(jì)2020年代年代staudingerstaudinger首次提出高分子概首次提出高分子概念念 4040年代年代 形成高分子物理理論形成高分子物理理論 5050年代年代 出現(xiàn)高分子工程：聚合反應(yīng)出現(xiàn)高分子工程：聚合反應(yīng)工程、工程、 成型加工成型加工6060年代高分子工業(yè)大發(fā)展時期：年代高分子工業(yè)大發(fā)展時期：通用塑料：通用塑料：.PE、PP、PVC、PS (80%)PFUF、PU、UP工程塑料：工程塑料：ABS、PA、PC、PPO、POM、PBT合成纖維：合成纖維：PET、PAN、PP、PVA、nylon合成橡膠：合成橡膠：SBR、NR、順丁橡膠、丁

11、基橡膠、丁、順丁橡膠、丁基橡膠、丁腈橡膠腈橡膠 近十年高分子的發(fā)展方向近十年高分子的發(fā)展方向：高性能化高性能化 、高功能化、精細(xì)化、高功能化、精細(xì)化 、智能化、復(fù)合化、智能化、復(fù)合化在高分子科學(xué)的形成和發(fā)展的過在高分子科學(xué)的形成和發(fā)展的過程中，世界上許多科學(xué)家作出了程中，世界上許多科學(xué)家作出了巨大的貢獻(xiàn)，我們不應(yīng)忘記他們巨大的貢獻(xiàn)，我們不應(yīng)忘記他們The Nobel Prizes and polymer scientists1953 Hermann Staudinger (1881-1965) 施陶丁格施陶丁格(Hermann Staudinger)是德國著名的化學(xué)家，是德國著名的化學(xué)家，18

12、81年年3月月23日生于德國的沃爾姆斯日生于德國的沃爾姆斯(Worms)，1965年年8月月8日在弗賴堡日在弗賴堡(Freiburg)逝世，終年逝世，終年84歲。他是歲。他是1953年諾貝爾年諾貝爾化學(xué)獎的獲得者。化學(xué)獎的獲得者。1947年，他編輯出版了年，他編輯出版了高分子化學(xué)高分子化學(xué)(Die makromolekulare Chemie)雜志，形象地描繪了高分子雜志，形象地描繪了高分子(Macromolecules)存在的形式。從此，他把存在的形式。從此，他把“高分子高分子”這個這個概念引進(jìn)科學(xué)領(lǐng)域，并確立了高分子溶液的粘度與分子量概念引進(jìn)科學(xué)領(lǐng)域，并確立了高分子溶液的粘度與分子量之間的

13、關(guān)系，創(chuàng)立了確定分子量的粘度的理論之間的關(guān)系，創(chuàng)立了確定分子量的粘度的理論(后來被稱為后來被稱為施陶丁格爾定律施陶丁格爾定律)。他的科研成就對當(dāng)時的塑料、合成橡膠、。他的科研成就對當(dāng)時的塑料、合成橡膠、合成纖維等工業(yè)的蓬勃發(fā)展起了積極作用。由于他對高分合成纖維等工業(yè)的蓬勃發(fā)展起了積極作用。由于他對高分子科學(xué)的杰出貢獻(xiàn)，子科學(xué)的杰出貢獻(xiàn)，1953年年,他以他以72歲高齡，走上了諾貝爾歲高齡，走上了諾貝爾獎金的領(lǐng)獎臺獎金的領(lǐng)獎臺 For his discoveries in the field of macromolecular chemistry H. Staudinger (1881-1965

14、)1963 Karl Ziegler (1903-1979) Giulio Natta(1898-1973) 德國人齊格勒德國人齊格勒(Karl Ziegler)(Karl Ziegler)與意大利人納塔與意大利人納塔(Giulio Natta)(Giulio Natta)分別發(fā)分別發(fā)明用三乙基鋁和三氧化鈦組成的金屬絡(luò)合催化劑合成低壓聚乙烯與聚丙明用三乙基鋁和三氧化鈦組成的金屬絡(luò)合催化劑合成低壓聚乙烯與聚丙烯的方法。這種催化劑被統(tǒng)稱為齊格勒納塔型催化劑。烯的方法。這種催化劑被統(tǒng)稱為齊格勒納塔型催化劑。19631963年年1212月月1010日，他們共享諾貝爾化學(xué)獎的崇高榮譽。日，他們共享諾貝爾

15、化學(xué)獎的崇高榮譽。 Karl Ziegler (1903-1979)Giulio Natta (1898-1973)for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers 1974 Paul J. Flory (1910-1985) 美國高分子物理化學(xué)家弗洛里美國高分子物理化學(xué)家弗洛里(Paul J. Flory)(Paul J. Flory)由于在由于在高分子科學(xué)領(lǐng)域，尤其在高分子物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的研究高分子科學(xué)領(lǐng)域，尤其在高分子物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的研究方面取得巨大成就，方面取得巨大成就

16、，19741974年榮獲瑞典皇家科學(xué)院授予的年榮獲瑞典皇家科學(xué)院授予的諾貝爾化學(xué)獎。諾貝爾化學(xué)獎。 Polymer thermodynamics ,kenitics, molecular weight distribution, solution theoryPaul J. Flory(1910-1985)1991 Pierre-Gilles de Gennes 法國科學(xué)家吉尼法國科學(xué)家吉尼(Pierre-Gilles de Gennes) (Pierre-Gilles de Gennes) 提出高提出高分子鏈性質(zhì)的非平衡態(tài)統(tǒng)計理論和標(biāo)度理論。成功地將分子鏈性質(zhì)的非平衡態(tài)統(tǒng)計理論和標(biāo)度理論。成

17、功地將高分子物理理論引向新階段。高分子物理理論引向新階段。19911991年被授予諾貝爾物理年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。學(xué)獎。 Pierre-Gilles de Gennes(1932 )for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers 2000 Hideki Shirakawa Al

18、an J. Heeger Alan G. MacDiarmid 2000年年10月月10日，日本筑波大學(xué)白川英樹日，日本筑波大學(xué)白川英樹(Hideki Shirakawa)，美國加，美國加利福尼亞大學(xué)的黑格利福尼亞大學(xué)的黑格(Alan J. Hegger)和美國賓夕法尼亞大學(xué)的馬克迪爾米和美國賓夕法尼亞大學(xué)的馬克迪爾米德德(Alan G. MacDiarmid)因?qū)?dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展因?qū)?dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展(塑料電池聚乙炔塑料電池聚乙炔)而獲得而獲得2000年度諾貝爾化學(xué)獎。年度諾貝爾化學(xué)獎。 for the discovery and development of conductive

19、 polymers 2. 階段回顧階段回顧 3 .中國的高分子研究 唐敖慶先生于1951年再中國化學(xué)會上發(fā)表了我國首篇高分子科學(xué)論文（橡膠分子尺寸計算）;王保仁先生在我國高分子科學(xué)的形成和發(fā)展中進(jìn)行了重要的組織工作;馮新德先生再自由基聚合、氧化還原體系上開展了長期的基礎(chǔ)研究工作，錢人元先生高分子物理的研究；徐禧塑料成型加工；錢保功：橡膠研究。 高分子科學(xué)研究概況及特點高分子科學(xué)研究概況及特點 三個基礎(chǔ)分支學(xué)科G高分子化學(xué)G高分子物理G高分子工程兩個綜合性研究領(lǐng)域G功能高分子G高分子新材料 “高分子科學(xué)與工程”學(xué)科高分子化學(xué) 研究目標(biāo)及思路( 學(xué)科特點)： 創(chuàng)造新物質(zhì)及提高已有物質(zhì)的性能E研究新

20、高分子化合物的分子設(shè)計及合成；E研究高分子合成、改性的新聚合反應(yīng)、新的聚合方法；E研究高分子有序結(jié)構(gòu)及特定凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的控制合成或組裝方法。 高分子化學(xué)學(xué)科基本成熟，研究領(lǐng)域很寬，但大多數(shù)課題是從事功能高分子的合成及用作各種新材料聚合物的合成研究。在高分子化學(xué)領(lǐng)域我國在國際上有影響的工作是：F三元鎳系順丁橡膠合成和稀土催化合成順丁橡膠以及稀土催化劑的研究；F自由基聚合的氧化還原引發(fā)體系；F液晶高分子的設(shè)計和合成；F雜環(huán)高分子的研究；F全程自由基聚合反應(yīng)動力學(xué)研究；F配位聚合新催化劑研究等。 高分子物理 研究目標(biāo)及思路( 學(xué)科特點): 研究高分子的多層次的運動（鏈段運動、分子鏈運動）、多層次相互作

21、用、多層次結(jié)構(gòu)（高分子鏈節(jié)結(jié)構(gòu)、序列結(jié)構(gòu)、各種凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)），各種結(jié)構(gòu)因素對聚合物材料性能及功能的影響，以及進(jìn)行上述工作的手段（儀器）研究和新方法研究。 高分子物理學(xué)科也基本成熟，課題相對集中。在高分子物理領(lǐng)域我國在國際上有影響的工作是：C高分子聚合反應(yīng)統(tǒng)計理論；C順丁橡膠的結(jié)構(gòu)和性能研究；C單鏈高分子的研究；C高分子鏈結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的研究；C切變流動下高分子體系相分離的研究等。 高分子工程 高分子工程的研究包含兩個部分， (1)高分子成型加工; (2)聚合反應(yīng)工程。主要研究E在外場（剪切力、振動力、溫度、壓力）作用下，高分子的鏈運動、相態(tài)及結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律和控制條件，從而發(fā)展聚合物成型的新方法

22、和新技術(shù)；E以及研究高分子化合物工業(yè)規(guī)模合成中的尺度效應(yīng)及工藝特點，從而發(fā)展工業(yè)合成的新技術(shù)、新設(shè)備、新流程 我國高分子工程分支學(xué)科內(nèi)涵正在形成之中。 目前聚合物成型研究占了絕大部分，而在此研究中多數(shù)工作是聚合物新產(chǎn)品的制造和工藝條件的研究。 功能高分子和高分子新材料 功能高分子領(lǐng)域和高分子新材料領(lǐng)域都是高分子的三個分支學(xué)科面向社會對材料的需求而形成的研究領(lǐng)域 運用高分子的學(xué)科知識與其他學(xué)科及領(lǐng)域進(jìn)行學(xué)科交叉，研究和探索能滿足其他學(xué)科和領(lǐng)域所需的材料和新技術(shù)問題。 功能高分子領(lǐng)域研究用途特殊且用量不大的精細(xì)高分子材料 高分子新材料則是研究實用性廣的通用高分子材料。 功能高分子 醫(yī)用功能材料（醫(yī)療材料、藥物緩釋材料）研究；電子聚合物（導(dǎo)電、發(fā)光、非線性光學(xué)材料）研究；磁性高分子研究；高分子液晶研究；電磁流變液體研究；智能高分子凝膠研究；功能分離膜研究等。 高分子新材料 高性能工程塑料；復(fù)合材料；可環(huán)境降解材料；納米材料，有機(jī)無機(jī)雜化材料；天然高分子改性材料；農(nóng)用高分子材料；涂料；粘合劑；建筑用高分子材料 功能高分子領(lǐng)域和高分子新材料領(lǐng)域目前存在的問題 研究較多地注意了新化合物的合成及應(yīng)用，深入開展高分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究以及功能的原理研究不夠。學(xué)科交叉的特點，擴(kuò)充從事功能高分子和高分子材料研究的知識積累以及開拓研究新的領(lǐng)域的研究思路也