材料科學(xué) 5課件

1、材料科學(xué)與工程導(dǎo)論高分子材料科學(xué)2000年，世界合成高分子材料的年總產(chǎn)量已達(dá)到2億噸。其中塑料1.63億噸，合成橡膠0.11億噸，合成纖維0.28億噸。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)、高分子物理、高分子材料和高分子工藝四個學(xué)科分支組成。多種多樣的高分子材料什么是高分子？高分子的含義分子量很大（104107，甚至更大）。分子似“一條鏈”，由許多相同的結(jié)構(gòu)單元組成。以共價鍵的形式重復(fù)連接而成。與小分子比較分子量不確定，只有一定的范圍，是分子量不等的同系物的混合物；沒有固定熔點，只有一段寬的溫度范圍；分子間力很大，沒有沸點，加熱到2000C3000C以上，材料破壞（降

2、解或交聯(lián)）。高分子材料分類按材料來源分類天然高分子合成高分子按材料性能和用途分類塑料橡膠 （稱為三大合成材料）纖維涂料粘合劑功能高分子工程塑料性能：堅硬、韌性、耐磨、耐熱水及蒸氣，加工時尺寸穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好。主要有：尼龍（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、飽和聚酯（PET、PBT）等表 三大高分子材料的比較按結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成分類1. 碳鏈高分子主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結(jié) 加聚反應(yīng)制得如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯聚乙烯2. 雜鏈高分子主鏈除C原子外還有其它原子如O、N 、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸

3、）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等滌綸3. 元素有機(jī)高分子主鏈中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素與O組成，其側(cè)鏈為有機(jī)基團(tuán)；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。硅橡膠4. 無機(jī)高分子主鏈既不含C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，故聚合物分子量不高，并易水解。二硫化硅聚二氯一氮化磷高分子材料形成過程簡單流程如下： 熱塑性塑料：受熱后軟化，冷卻后又變硬，可重復(fù)循環(huán)。熱固性塑料：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，受熱后不能再回到可塑狀態(tài)。制品不

4、溶不熔。優(yōu)點：質(zhì)輕、電絕緣、耐化學(xué)腐蝕、容易成形加工等；缺點：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。熱塑性與熱固性 在室溫下，為什么有些高分子材料柔軟而另外一些剛硬？聚合物分子運(yùn)動特點聚合物分子運(yùn)動具有多重性。運(yùn)動單元：側(cè)基、支鏈、鏈節(jié)、鏈段及整個大分子等。運(yùn)動方式：鍵長、鍵角的振動或扭曲；側(cè)基、支鏈或鏈節(jié)的搖擺、旋轉(zhuǎn)；分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)及整個大分子的重心位移等。聚合物分子運(yùn)動具有明顯的松弛特性。具有時間依賴性的過程稱為松弛過程。分子運(yùn)動是一個速度過程，要達(dá)到一定的運(yùn)動狀態(tài)，提高溫度和延長時間具有相同的效果，這稱為時-溫等效原理，或時-溫轉(zhuǎn)化效應(yīng)。玻璃化轉(zhuǎn)變聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變是指

5、從玻璃態(tài)到高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。從分子運(yùn)動的角度看，玻璃化溫度Tg是大分子鏈段開始運(yùn)動的溫度。玻璃化轉(zhuǎn)變是一個松弛過程。在時間尺度不變時，凡是加速鏈段運(yùn)動速度的因素，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Tg下降。高分子材料發(fā)展簡史天然高分子的利用天然高分子改性天然橡膠硫化（1839年）硝化纖維賽璐珞（1868年）粘膠纖維（18931898年）合成高分子20世紀(jì)初，出現(xiàn)了酚醛樹脂1920年，Staudinger提出高分子概念30年代、40年代，飛速發(fā)展70年代，特種性能的高分子創(chuàng)立高分子化學(xué)的施陶丁格Hermann Staudinger 1881一1965 The Nobel Pr

6、ize in Chemistry 1953“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”2000年化學(xué)獎授予了黑格(A. J. Heeger，美國)、馬克迪爾米德(A. G. MacDiarmid，美國)和白川英樹(H. ShiraKawa，日本) 三人，他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物。 A.J.Heeger(美國)A.G.Macdiarmid (美國)H.ShiraKawa (日本)幾種典型的高分子材料聚乙烯制品聚乙烯（PE）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。低密度聚乙烯（LDPE）在各種聚

7、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。線型低密度聚乙烯（LLDPE）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)扁絲，制造編織袋。高密度聚乙烯注塑制品：工業(yè)容器、家用器皿、玩具等。中空吹塑制品：食品、藥品、化妝品的包裝瓶等。薄膜制品（約占20%）：大量用于食品包裝。聚乙烯管材應(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。質(zhì)輕、堅韌耐磨，力學(xué)性能良好，使用壽命長，施工安裝簡便，輸送阻力小、安全可靠，鋪設(shè)費(fèi)用低。給水用HDPE管超高分子量聚乙烯（UHMWPE）可作為工程塑料在汽車、機(jī)械、

8、原子能以及宇宙飛行等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。具有優(yōu)異的耐沖擊和自潤滑性，耐腐蝕、抗磨損、不粘著等特性?？勺鼾X輪、軸套、滑板、儲罐襯里等。聚乙烯生產(chǎn)線聚氯乙烯（PVC）PS保溫板PS光纖聚苯乙烯（PS）氟塑料是各種含氟塑料的總稱。聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦公司投產(chǎn)。有“塑料王”之稱。是高結(jié)晶度聚合物，無熔融態(tài)，分解溫度400 ，可在260 以下長期下使用，耐低溫達(dá)-200 ，力學(xué)性能優(yōu)異。光滑不粘，摩擦系數(shù)極小，具有自潤滑性。耐化學(xué)腐蝕性極強(qiáng)，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑，能耐王水及沸騰的氫氟酸。具有塑料中最好的電絕緣性能。廣泛用于化工機(jī)械和容器的防腐、耐磨密封、電絕緣等。纖維滌綸尼龍（錦

9、綸）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？保鮮膜性能要求保鮮、保潔、自粘安全、無毒市場上的保鮮膜聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯乙烯及其他材質(zhì)聚氯乙烯（PVC）保鮮膜存在的問題聚合物光盤基片性能要求高的透光率、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、低的雙折射和成本等。主要材料：聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、改性雙酚A環(huán)氧樹脂、非晶態(tài)聚烯烴等功能高分子材料醫(yī)用高分子導(dǎo)電高聚物液晶高分子智能聚合物高吸水性樹脂等等生物（醫(yī)用）高分子醫(yī)用高分子人工生體軟組織人工生體硬組織藥用

10、高分子高分子藥物高分子載藥體系醫(yī)療器械與診斷材料醫(yī)用高分子材料醫(yī)用修復(fù)材料齲齒密封材料、外科縫合線、高分子繃托眼球人工玻璃體隱形眼鏡人工臟器人造皮膚、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人工肺、腎、肝、心臟等等。在美國，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)電高聚物共軛結(jié)構(gòu)-CH=CH-CH=CH-CH=CH-導(dǎo)電高聚物應(yīng)用前景二次電池、太陽能電池傳感器電磁屏蔽材料隱身材料金屬防腐B-2 Bomber (American) F-117A Fighter (American) A stealth ship A stealth ship 液晶高分子材料強(qiáng)度和模量極高液晶概念既具有液體的流動性，又有晶體的各向異性。應(yīng)用防彈背心火箭發(fā)動機(jī)外殼、導(dǎo)彈殼體阿波羅登月飛船軟著陸降落傘繩、直升飛機(jī)吊繩、人造衛(wèi)星電子部件等等。 為什么液晶高分子的強(qiáng)度極高？ 為什么尼龍的強(qiáng)度高于普通的高分子材料？高聚物的分子間作用力范德華力氫鍵用內(nèi)聚能或內(nèi)聚能密度來表征分子間作用力的大小橡膠內(nèi)聚能密度小于334.94J/cm3纖維內(nèi)聚能密度大于418