材料制備與加工原理：第1章 高分子科學(xué)的發(fā)展概況

1、材料制備與加工原理 材料科學(xué)與工程學(xué)院Polymer Materials高分子材料高分子基本概念（2學(xué)時）高分子材料的成型加工(重點)（10學(xué)時）纖維增強高分子復(fù)合材料和可降解高分子材料（2學(xué)時）本課程內(nèi)容 (18學(xué)時)聚合反應(yīng)和聚合方法（4學(xué)時）認識高分子與高分子材料高分子無處不在！現(xiàn)實生活中的高分子材料現(xiàn)實生活中的高分子材料現(xiàn)實生活中的高分子材料現(xiàn)實生活中的高分子材料現(xiàn)實生活中的高分子材料現(xiàn)實生活中的高分子材料現(xiàn)實生活中的高分子材料現(xiàn)實生活中的高分子材料現(xiàn)實生活中的高分子材料白色污染天 然 高 分 子的 直 接 利 用天 然 高 分 子的 化 學(xué) 改 性天然橡膠的硫化, 硝化纖維的合成等淀

2、粉、蛋白質(zhì)、棉麻絲、竹、木等聚酰胺、聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯高 分 子 合 成高 分 子 時 代高分子科學(xué)的發(fā)展概況發(fā)展歷史短（一個世紀） 20世紀30年代高分子才得到公認 50年代才蓬勃發(fā)展 80年代開始進入千家萬戶（1億噸/年）發(fā)展快，每年約12-15增長我國有：大慶、齊魯、楊子、燕山和金山等石化基地 高 分 子 科 學(xué)高 分 子 化 學(xué)研究聚合反應(yīng)和高分子化學(xué)反應(yīng)原理，選擇原料、確定路線、尋找催化劑、制訂合成工藝等。研究聚合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，為設(shè)計合成預(yù)定性能的聚合物提供理論指導(dǎo)，是溝通合成與應(yīng)用的橋梁。高 分 子 物 理高 分 子 加 工研究聚合物加工成型的原理與工藝。 高分子科學(xué)

3、既是一門應(yīng)用學(xué)科，也是一門基礎(chǔ)學(xué)科，它是建立在有機化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展而成的一門新興學(xué)科。高 分 子 科 學(xué) 至今高分子科學(xué)諾貝爾獎獲得者H. Staudinger （德國） : 把“高分子”這個概念引進科學(xué)領(lǐng)域，創(chuàng)立了高分子學(xué)說（1953年） K.Ziegler（德國）, G.Natta （意大利） : 乙烯、丙烯配位聚合（1963年）P. J. Flory (美國）: 聚合反應(yīng)原理、高分子物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系（1974年）。de Gennes(法國)：軟物質(zhì)、液晶（1991年）。 H. Shirakawa白川英樹(日本), Alan G. MacDi

4、armid (美國), Alan J. Heeger (美國) ：對導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展（2000年）。英國曼徹斯特大學(xué)安德烈蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov）：石墨烯（2010年）l我國高分子研究起步于50年代初，唐敖慶于1951年，發(fā)表了首篇高分子科學(xué)論文。 l長春應(yīng)化所1950年開始合成橡膠工作（王佛松，沈之荃）；l馮新德50年代在北京大學(xué)開設(shè)高分子化學(xué)專業(yè)。l何炳林50年代中期在南開大學(xué)開展了離子交換樹脂的研究。l錢人元于1952年在應(yīng)化所建立了高分子物理研究組，開展了高分子溶液性質(zhì)研究。l錢保功50年代初在應(yīng)化所開始了高聚物

5、粘彈性和輻射化學(xué)的研究。l徐僖先生50年初成都工學(xué)院（四川大學(xué)）開創(chuàng)了塑料工程專業(yè)。l王葆仁先生1952年上海有機所建立了PMMA、PA6研究組。 我國高分子領(lǐng)域的中科院院士：王葆仁 馮新德 何炳林 錢保功 錢人元 于同隱 徐僖 王佛松 程镕時 黃葆同 卓仁禧 沈家驄 林尚安 沈之荃 白春禮 周其鳳 曹 鏞 楊玉良等。我國高分子科學(xué)的發(fā)展1.1 高分子基本概念高 分 子也叫聚合物或大分子。主鏈由1共價鍵結(jié)合，具有2高的分子量，其結(jié)構(gòu)必須是由3多個重復(fù)單元所組成，并且這些重復(fù)單元實際上或概念上是由相應(yīng)的小分子（單體）衍生而來。概括的說，高分子是由許多相同的重復(fù)單元通過化學(xué)鍵連接而成的大分子。Po

6、lymer, Macromolecule 聚氯乙烯高 分 子小 分 子聚 合 反 應(yīng)Polymerization單 體單 體: 能夠進行聚合反應(yīng)，并轉(zhuǎn)化成高分子基本結(jié)構(gòu)組成單元的小分子。Monomer1.1 高分子基本概念聚合物中化學(xué)組成相同的最小單元，又稱為鏈節(jié)重 復(fù) 單 元如聚丙烯，單體是：CH2=CH-CH31.1 高分子基本概念每個聚合物分子所含結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目。聚 合 度Degree of Polymerization，DP在大分子鏈中出現(xiàn)的以單體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的原子團結(jié)構(gòu)單元 Structure Unit 2n聚對苯二甲酸乙二酯，滌綸，PETn1.1 高分子基本概念 聚合物 單 體 結(jié)構(gòu)

7、單元 聚合度 高分子鏈的末端結(jié)構(gòu)單元。末 端 基 團End Groups滌綸：1.1 高分子基本概念1.2 高分子材料的結(jié)構(gòu)特點由很多結(jié)構(gòu)單元組成，單元間以共價鍵連接主鏈有內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度單元間、鏈之間范德華力作用明顯可交聯(lián)，交聯(lián)對力學(xué)性能影響大聚集態(tài)分結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)，結(jié)晶不完整高分子材料常是多種填料、助劑和色料的混合物，織態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜I. 習慣命名法天然高分子一般有與其來源、化學(xué)性能與作用、主要用途相關(guān)的專用名稱。如纖維素（來源）、核酸（來源與化學(xué)性能）、酶（化學(xué)作用）。合成高分子（1）由一種單體合成的高分子：“聚”+ 單體名稱 如聚氯乙烯、聚乙烯等（2）假想單體名稱前加 “聚” 如聚乙烯醇1.3

8、 高分子的命名（3）由兩種單體通過鏈式聚合反應(yīng)合成的共聚物： 兩單體名稱或簡稱之間 +“-”+“共聚物”：如乙烯和乙酸乙烯酯的共聚產(chǎn)物叫“乙烯-乙酸乙烯酯共聚物”（4）“聚”+高分子主鏈結(jié)構(gòu)中的特征功能團： 指的是一類的高分子，而非單種高分子，如： 聚酯： 聚酰胺：1.3 高分子的命名1.3 高分子的命名這種命名法在熱固性樹脂和橡膠中常用，取單體名或簡稱，后綴為“樹脂”二字或“橡膠”二字。如：酚醛樹脂是有苯酚和甲醛聚合而成環(huán)氧樹脂是由環(huán)氧化合物為原料聚合而成丁苯橡膠是由丁二烯和苯乙烯共聚而成（5）根據(jù)聚合物的組成來命名II. 根據(jù)商品名或俗稱來命名尼龍聚酰胺特氟隆聚四氟乙烯滌綸聚對苯二甲酸乙二

9、醇酯腈綸聚丙烯腈有機玻璃聚甲基丙烯酸甲酯電木酚醛樹脂電玉脲醛樹脂1.3 高分子的命名來 源天然高分子：自然界天然存在的高分子。半天然高分子：經(jīng)化學(xué)改性后的天然高分子。主鏈元素組成碳鏈高分子：主鏈（鏈原子）完全由C原子組成。雜鏈高分子：主鏈原子除C外，還含S,O,N等雜原子。元素有機高分子：主鏈由Si,B,Al,O,N,S,P雜原子組成。合成高分子：由單體聚合人工合成的高分子。1.4 高分子的分類碳鏈高分子雜鏈高分子元素有機高分子聚乙烯聚丙烯聚乙二醇尼龍-6聚二甲基硅氧烷1.4 高分子的分類按性能和用途分類塑料、橡膠、纖維、粘合劑、涂料、功能高分子高分子分類橡膠是有機高分子彈性化合物。在很寬的溫

10、度（50150）范圍內(nèi)具有優(yōu)異的彈性，所以又稱為高彈體。能把各種材料緊密地結(jié)合在一起的物質(zhì)。涂布在物體表面而形成具有保護和裝飾作用膜層的材料。具有特定的功能作用，可作功能材料使用的高分子化合物。在常溫下具有固定的形狀和強度，在高溫下具有可塑性的高分子化合物。在外力的作用下，可以產(chǎn)生形變，加工成任何所需的形狀。纖維是指長度比其直徑大很多倍(大于1000/1)，并具有一定柔韌性的纖細物質(zhì)。塑 料明德至誠 博學(xué)遠志按加工熱塑性塑料和熱固性塑料項目熱塑性塑料熱固性塑料加工特性受熱軟化、熔融、塑制成一定形狀，冷卻后固化定型未成型前受熱軟化，熔融可塑制成一定形狀，在熱和固化劑作用下，一次硬化定型重復(fù)加工性

11、再次受熱，仍可軟化、熔融，反復(fù)多次加工受熱不熔融，達到一定溫度分解破壞，不能反復(fù)加工溶劑中情況可溶不溶化學(xué)結(jié)構(gòu)線性高分子由線性分子變?yōu)轶w形分子舉例PE、PP、PVC、ABSPF、UF、MF、EP塑料的分類通用塑料產(chǎn)量大、價格較低、力學(xué)性能一般，主要作非結(jié)構(gòu)材料使用的塑料。如PVC、PE、PP、PS等工程塑料一般指可作為結(jié)構(gòu)材料使用，能經(jīng)受較寬的溫度變化范圍和較苛刻的環(huán)境條件，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱、耐磨性能和良好的尺寸穩(wěn)定性的塑料。主要品種有PA、POM、PC、ABS、PTFE等用途結(jié)構(gòu)式:性能：化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，耐酸、堿，耐溶劑性能好，吸水性低，無毒，受熱易老化 用途：制造食品包裝袋、各種

12、飲水瓶、容器、玩具等；還可制各種管材、電線絕緣層等 第四代聚乙烯（超高分子量聚乙烯）高韌性、高耐磨。（1）聚乙烯 (PE)結(jié)構(gòu)式:性能：強極性，絕緣性好，耐酸堿，難燃，具有自熄性。缺點是介電性能差，在100 120即可分解出氯化氫，熱穩(wěn)定性差 用途：制造水槽，下水管；制造箱、包、沙發(fā)、桌布、窗簾、雨傘、包裝袋；還可做涼鞋、拖鞋及布鞋的塑料底等（2）聚氯乙烯（PVC)(3) ABS 塑料化學(xué)名稱：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 性能：無毒、無味，易溶于酮、醛、酯等有機溶劑。耐磨性、抗沖擊性能好 用途：用于家用電器、箱包、裝飾板材、汽車、收音機等零部件丁二烯：提供韌性和耐寒性、抗沖性；苯乙烯： 賦予

13、剛性、光澤性、電性能和易加工性；丙烯腈： 提供耐熱性、化學(xué)性、 耐候性（4）聚碳酸酯(PC)用作工程塑料的只有雙酚A型的芳香族聚碳酸酯。性能：堅硬、耐高溫、良好的機械性能、電絕緣性好、韌性好、抗沖擊性好、透明度高 用途：制造繼電器盒蓋，計算機和磁盤的殼體、熒光燈罩、汽車及透明窗的玻璃等結(jié)構(gòu)式:改良的聚碳酸酯材料 透明塑料制成的新款eXasis概念汽車 2007.3日內(nèi)瓦性能：耐酸堿，耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐寒，絕緣性好，耐磨。缺點是剛性差、加工性能差結(jié)構(gòu)式:用途：可用作高溫環(huán)境中化工設(shè)備的密封零件，無油潤滑條件下作軸承、活塞等，還可做電容器、電纜絕緣材料 （5）聚四氟乙烯（PTFE，塑料王）橡

14、 膠來源天然橡膠合成橡膠從自然界含膠植物中制取的一種高彈性物質(zhì)用人工合成的方法制得的高分子彈性材料分類合成橡膠通用合成橡膠特種合成橡膠性能與天然橡膠相同或相近、廣泛用于制造輪胎及其他大量橡膠制品的橡膠品種。如丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠具有耐寒、耐熱、耐油、耐臭氧等特殊性能，用于制造特定條件下使用的橡膠制品。如丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、聚氨酯橡膠按其性能和用途（1) 天然橡膠 天然橡膠的分子鏈由異戊二烯鏈節(jié)組成。 此外，還含有一定量的水分、蛋白質(zhì)、灰分等。 具有一系列優(yōu)良的物理機械性能和加工性能，是綜合性能最好的橡膠。橡膠工人從橡膠樹上提取橡膠橡樹之淚 優(yōu)點：彈性高，是當前橡膠中彈性

15、最高的一種； 耐低溫性能好，玻璃化溫度為-105；耐磨性能優(yōu)異，滯后損失低，生熱性低，耐屈撓性好；與其它橡膠相容性好。 主要用于制造輪胎，也用于制造膠鞋、膠輥等耐磨性制品(BR)(2) 聚丁二烯(順丁橡膠)以丁二烯為單體聚合而得的一種通用合成橡膠。丁苯橡膠：是以丁二烯和苯乙烯為單體共聚而得的高分子彈性體。結(jié)構(gòu)式：最早工業(yè)化的合成橡膠，1937年德國首先實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。其產(chǎn)量和消耗量在合成橡膠中占第一位，占50%以上。特點：耐磨性和氣密性好，抗撕裂性和耐老化性較佳，但強度和彈性差(3) 丁苯橡膠 (SBR)用途：廣泛用于制造汽車輪胎，皮帶等；與天然橡膠共混可作密封材料和電絕緣材料丁基橡膠是異丁烯

16、和少量異戊二烯的共聚物，為白色或暗灰色透明彈性體。結(jié)構(gòu)式丁基橡膠于1943年美國開始工業(yè)生產(chǎn)。發(fā)展較快，已成為通用橡膠之一。 (4)丁基橡膠 (IIR)特點：氣密性最好的橡膠，氣透率約為天然橡膠的1/20，順丁橡膠的1/30用途：主要用于制作內(nèi)胎，也可用于制作無內(nèi)膽輪胎的密封層。熱塑性彈性體常溫下能顯示橡膠彈性在高溫下又能塑化成型的高分子材料。如SBS熱塑性彈性體熱塑性彈性體（Thermoplastic Elastomer，TPE）自1958年問世以來，引起極大重視，被稱為“橡膠的第三代”，得到迅速的發(fā)展。目前已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)的有聚烯烴類如熱塑性三元乙丙橡膠TPV（PP/EPDM動態(tài)硫化）、丁基

17、橡膠接枝改性聚乙烯，苯乙烯嵌段共聚類如SBS、SIS、SEBS等，聚氨酯TPU和聚酯類TPEE。動態(tài)硫化：是指將橡膠與不能硫化的熱塑性聚合物在高溫、高剪切的混合器中熔融共混，在交聯(lián)劑的作用下將橡膠硫化，得到粒狀的硫化橡膠相，并細微的分散于樹脂中。明德至誠 博學(xué)遠志纖 維合成纖維天然纖維羊毛棉聚酰胺纖維（錦綸）聚酯纖維(滌綸）聚丙烯腈纖維（腈綸）分類性能：強韌耐磨、彈性高、質(zhì)量輕，染色性好，較不易起皺，抗疲勞性好。吸濕率為3.5%5.0%，在合成纖維中是較大的，吸汗性適當，但容易走樣 用途：約一半作衣料用，一半用于工業(yè)生產(chǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，約1/3是做輪胎簾子線。結(jié)構(gòu)式:(1) 聚己二酰己二胺

18、纖維（錦綸-66，尼龍-66）性能：顯著優(yōu)點是：抗皺、保型、挺括、美觀。對熱、光穩(wěn)定性好。潤濕時強度不降低，經(jīng)洗耐穿，可與其他纖維混紡。年久不會變黃。缺點是不吸汗，而且需要高溫染色 結(jié)構(gòu)式:用途：是產(chǎn)量最大的合成纖維，大約90%作為衣料用（紡織品為75%，紡織物為15%）。用于工業(yè)生產(chǎn)的只占總量的6%左右 (2) 聚對苯二甲酸乙二醇酯(滌綸、的確良)性能：具有與羊毛相似的特性，質(zhì)輕，保溫性和體積膨大性優(yōu)良。強韌（與棉花相同）而富有彈性，軟化溫度高。吸水率低，不適宜作貼身內(nèi)衣。缺點是強度不如尼龍和滌綸 結(jié)構(gòu)式:用途：大約70%作衣料用（紡織物占60%左右），用于工業(yè)生產(chǎn)的只占5%左右 (3) 聚

19、丙烯腈纖維(腈綸、人造羊毛)性能：親水性好，吸濕率可達5%，和尼龍相當，與棉花（7%）相近。強度與聚酯或尼龍相近，拉伸彈性比羊毛差，比棉花好 結(jié)構(gòu)式:用途：70%用于工業(yè)生產(chǎn)，其中以布和繩索居多?？纱婷藁ㄗ饕铝嫌?(4) 聚乙烯醇纖維（維綸、維尼綸）功能高分子功能高分子材料的發(fā)展功能高分子材料于20世紀60年代末開始得到發(fā)展。 功能高分子是指具有化學(xué)反應(yīng)活性、催化性、光敏性、導(dǎo)電性、磁性、生物相容性、藥理性、選擇分離性，或具有轉(zhuǎn)換或貯存物質(zhì)、能量和信息作用等功能的高分子及其復(fù)合材料。目前已達到或即將實用化的功能高分子有：離子交換樹脂、分離功能膜、光刻膠、感光樹脂、高分子緩釋藥物、人工臟器、高

20、分子敏感元件、高導(dǎo)電高分子、高分辨能力分離膜、高感光性高分子、高分子太陽能電池等等。高吸水性樹脂高吸水性樹脂具有優(yōu)異的吸水、保水功能，可吸收自身重量幾百倍、上千倍，被冠予“超級吸附劑”的桂冠。主要類型有聚丙烯酸酯類、聚乙烯醇類、醋酸乙烯共聚物類、聚氨酯類、淀粉接校共聚物類等。高分子膜是指那些由具有特殊分離功能的高分子材料制成的薄膜（如醋酸纖維素分離膜），能有選擇地分離物質(zhì)。目前應(yīng)用于海水淡化、反滲透、膜萃取、膜蒸餾等技術(shù)領(lǐng)域。高分子分離膜光敏高分子材料以光敏樹脂為代表，主要用于照相、印刷制版、印刷集成電路等。光敏高分子材料 1950年人們逐漸開始配戴材質(zhì)是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的隱形眼鏡

21、，具有優(yōu)越的光學(xué)特性，又能矯正角膜性散光。1960年捷克學(xué)者利用十年的時間發(fā)明了軟性隱形眼鏡的材料，就是一直延用至今的聚甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）。功能高分子材料隱形眼鏡 在塑料中加入蓄光型發(fā)光材料經(jīng)加工就可制成發(fā)光塑料。發(fā)光塑料是近年來興起的一種高附加值新型功能材料。其產(chǎn)品如：交通領(lǐng)域通道標識、樓梯標識、標志線；發(fā)光涂料、發(fā)光開光、發(fā)光壁紙、工藝品、玩具、體育休閑用品。功能高分子材料發(fā)光塑料導(dǎo)電高分子自發(fā)現(xiàn)之日起就成為材料科學(xué)的研究熱點。目前，它已成為一門新型的多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，并在世界范圍內(nèi)吸引了一大批材料設(shè)計專家。功能高分子材料導(dǎo)電高分子材料液晶高分子作為一類新型的高性能材料，極大地引起了科學(xué)界和工業(yè)界的關(guān)注，得到了廣泛的應(yīng)用，并發(fā)展為高分子科學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一。液晶高分子竹子地板地毯則可以選擇耐久的羊毛制品或者PET地毯主要采用水性涂料、粉末涂料和輻射固化涂料等用于戶外美化環(huán)境的產(chǎn)品：可以回收的塑料做成長椅、桌子和交通標志牌。綠色建材 生物降