高分子材料的歷史和今天省公開課金獎(jiǎng)全國賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

高分子材料

歷史和今天1/37高分子材料重大意義材料是人類賴以生存和發(fā)展物質(zhì)基礎(chǔ)，是工業(yè)革命先導(dǎo)，關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國家安全，是國家綜合實(shí)力主要標(biāo)志。高分子材料是當(dāng)代工業(yè)和高新技術(shù)主要基石，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)以及國家安全不可或缺主要確保。因?yàn)楦叻肿硬牧虾性S多優(yōu)良性能，適合當(dāng)代化生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，且不受地域、氣候限制，因而高分子材料工業(yè)取得了突飛猛進(jìn)發(fā)展，如今高分子材料已經(jīng)不再是傳統(tǒng)材料代用具，而是與金屬、水泥、木材并列，在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中飾演著主要作用四大材料。與此同時(shí)，高分子科學(xué)三大組成部分――高分子化學(xué)、高分子物理和高分子工程也已經(jīng)日趨成熟。所以，量大面廣通用高分子材料經(jīng)過不停地升級改造，成本大幅度降低、使用性能顯著提升；各類新型、適應(yīng)當(dāng)代技術(shù)發(fā)展高分子材料不停涌現(xiàn)。2/37高分子材料歷史3/371838年，A.Parker制備出了第一個(gè)稱為硝酸纖維素人造塑料，并在1862年倫敦國際展覽會(huì)上展出。1840年，Goodyear和Hancock開發(fā)天然橡膠硫化技術(shù)，到達(dá)了消除橡膠粘性增加彈性目標(biāo)，從而使得天然橡膠性能發(fā)生改變并得到了廣泛應(yīng)用。1851年，硬質(zhì)橡膠實(shí)現(xiàn)商品化。

1870年，美國J.Hyatt在高溫高壓下制備了低硝酸含量俗稱為賽璐珞硝酸纖維素。這是第一個(gè)含有商業(yè)價(jià)值塑料，也是在1907年Bakeland開發(fā)出酚醛塑料前唯一商品塑料。而由苯酚和甲醛反應(yīng)制得酚醛塑料則是最古老真正意義上合成塑料

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1922年，H.Staudinger提出：全部塑料、橡膠和纖維素一類材料都是聚合物或稱大分子，從而動(dòng)搖了傳統(tǒng)膠體理論基礎(chǔ)。對19世紀(jì)大多數(shù)研究者而言，分子量超出10,000g/mol物質(zhì)似乎是難以想象，他們把這類物質(zhì)同由小分子穩(wěn)定懸浮液組成膠體系統(tǒng)視為同一物質(zhì)。Staudinger否定了這些物質(zhì)是有機(jī)膠體觀點(diǎn)，并假設(shè)那些稱為聚合物高分子量物質(zhì)是由共價(jià)鍵形成真實(shí)大分子，同時(shí)在其大分子理論中說明聚合物由長鏈組成，鏈中單體（或結(jié)構(gòu)單元）經(jīng)過共價(jià)鍵彼此連接。較高分子量和大分子長鏈特征決定了聚合物獨(dú)特性能。盡管一開始他假設(shè)并不為大多數(shù)科學(xué)家所認(rèn)可，但最終這種解釋得到了合理試驗(yàn)證實(shí)，為工業(yè)化學(xué)家們工作提供了有力指導(dǎo)，從而使得聚合物種類迅猛地增加。直到這時(shí)，塑料、橡膠和相同天然材料本質(zhì)才被人們所認(rèn)識。為此，1953年，Staudinger取得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在人們都已非常清楚：塑料以及橡膠、纖維素、DNA等很多物質(zhì)都是大分子。

5/37H.Staudinger6/37從1930年開始，聚合物數(shù)量和應(yīng)用都出現(xiàn)了很大增加。在二十世紀(jì)30年代，化工企業(yè)開啟了一系列對我們社會(huì)產(chǎn)生了巨大影響基礎(chǔ)研究計(jì)劃。比如，杜邦企業(yè)WallaceCarothers開發(fā)了各種結(jié)構(gòu)確定聚合物材料，并研究了這些材料結(jié)構(gòu)對其性能影響。這一研究結(jié)果在1939年促成了尼龍商品化。20世紀(jì)30年代，英國ICI企業(yè)成功完成了合成聚乙烯商業(yè)化過程。

7/371955年，德國K.Ziegler和意大利J.Natta使用特殊催化劑在低溫低壓下制得了聚乙烯。他們因在開發(fā)含有獨(dú)特立構(gòu)規(guī)整功效新型聚合反應(yīng)催化劑方面做出貢獻(xiàn)，分別于1964年和1965年取得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。20世紀(jì)70年代發(fā)展了用溶液和氣體合成線形聚乙烯技術(shù)。20世紀(jì)80年代中期和90年代早期，新型聚合物開發(fā)實(shí)現(xiàn)了更多突破。由Natta在20世紀(jì)50年代中期發(fā)覺單點(diǎn)催化劑，1954年實(shí)現(xiàn)了間規(guī)立構(gòu)聚苯乙烯商業(yè)化，1984年實(shí)現(xiàn)了聚丙烯商業(yè)化，90年代早期實(shí)現(xiàn)了聚乙烯商業(yè)化。8/37德國K.Ziegler和意大利J.Natta

9/3720世紀(jì)40年代以后相繼工業(yè)化樹脂品種有：聚丙烯、不飽和聚酯、氟塑料、環(huán)氧樹脂、聚甲醛、聚碳酸酯和聚酰亞胺等通用塑料和工程塑料。20世紀(jì)60年代初，伴隨航空宇航、電子信息、核能、石油化工、汽車、機(jī)械制造等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研發(fā)成功了特種工程塑料。至20世紀(jì)80年代末，商品化產(chǎn)品有：聚酰亞胺、聚酰胺酰亞胺、聚芳酯、聚砜、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮等。自20世紀(jì)60年代起，人們開始重視研究塑料改性方法，用塑料合金、復(fù)合材料技術(shù)、納米技術(shù)、功效化技術(shù)生產(chǎn)改性塑料品種，開發(fā)應(yīng)用于各種塑料制品成型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前樹脂品種有400多個(gè)，其中慣用樹脂品種有六十多個(gè)，各類樹脂及其改性樹脂牌號有1萬多個(gè)。10/3720世紀(jì)70年代中期，美國科學(xué)家Heeger,MacDiarmid和日本白川英樹相關(guān)導(dǎo)電高分子材料研究結(jié)果，改變了高分子只能是絕緣體觀念，在塑料導(dǎo)電研究領(lǐng)域取得突破性發(fā)覺，這一領(lǐng)域開創(chuàng)性研究“導(dǎo)電聚合物”取得年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

11/37我國高分子材料研究起步于20世紀(jì)50年代初，經(jīng)過高分子化學(xué)、高分子物理、高分子成型加工和高分子反應(yīng)工程等學(xué)科和產(chǎn)業(yè)部門合作，已經(jīng)開發(fā)出了一批高分子材料及生產(chǎn)技術(shù)。當(dāng)前，我國塑料合成樹脂產(chǎn)量居世界第四位，塑料機(jī)械是最大生產(chǎn)國，塑料制品總產(chǎn)量突破萬噸居世界第二位，我國已步入世界塑料大國行列。我國塑料制品業(yè)是近幾年發(fā)展速度較快行業(yè)之一，增加速度一直保持在10％以上，塑料合成樹脂與添加劑、塑料加工機(jī)械與模具、塑料加工與應(yīng)用等三大支柱行業(yè)都展現(xiàn)大幅度增加。

12/37如今生活中高分子13/37一．高分子材料與衣

說到衣著，不論從城市到農(nóng)村，人們對漂亮實(shí)用合成纖維制品都不陌生了。盡人皆知，“確實(shí)良”織物制成服裝挺括美觀、易洗免燙；尼龍襪堅(jiān)固耐磨；睛綸棉質(zhì)輕保暖，不蛀不霉，便于洗滌；維尼綸織物透氣干爽，穿著舒適。這里所列舉就是當(dāng)前合成纖維中大量生產(chǎn)“四綸”，即由聚對苯二甲酸乙二醇酯紡制滌綸；由聚酰胺制成尼龍；由聚丙烯腈紡成腈綸和由聚乙烯醇縮甲醛制得維尼綸。14/37自1935年人們研究成功尼龍纖維，1947年制成滌綸纖維，1950年和1953年先后制成腈綸纖維和維尼綸纖維以來，合成纖維品種不下30～40種。人類告別了單純依靠大自然賦予棉、麻、毛、蠶絲編織衣著時(shí)代，開創(chuàng)了纖維史上第三次革命。到1990年世界合成纖維產(chǎn)量已達(dá)1770萬噸，占全部纖維45%，年合成纖維產(chǎn)量已達(dá)3500萬噸。一座年產(chǎn)1萬噸合成纖維工廠產(chǎn)量相當(dāng)于30萬畝棉田年產(chǎn)量。由此可見，合成纖維對人類當(dāng)代生活貢獻(xiàn)是不言而喻。

15/37四綸尼龍纖維

滌綸纖維

腈綸纖維

維尼綸纖維16/37要成為符合穿著纖維還有許多問題需要處理。首先要求相對分子質(zhì)量足夠高，在紡制成纖維后要經(jīng)過深入拉伸和熱定型處理，使高分子鏈沿軸向排列，這么才能取得足夠高強(qiáng)度，使制成衣料耐穿耐用。其次是纖維應(yīng)該含有很好染色性，能夠用不一樣染料染色，而且色澤鮮艷，色調(diào)均勻，著色牢靠，色譜齊全，可為人們提供豐富多彩花色品種。作為服用纖維另一主要要求是希望它們有很好親水性，即能夠吸收水分并能將其向鄰近纖維輸送，這也就是我們常說吸汗和透氣，從而到達(dá)調(diào)整體溫和保護(hù)機(jī)體目標(biāo)。除了上述幾個(gè)要求以外，作為服用纖維還希望它們不起靜電(導(dǎo)電)、阻燃、織物手感好等等。17/37

上面提到合成纖維在美化人們衣著中所發(fā)揮重大作用，已使其工業(yè)化產(chǎn)量多年來大幅度地增加，顯著降低了人們對棉、麻等天然纖維依賴。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1萬噸合成纖維相當(dāng)于30萬畝棉田棉花產(chǎn)量，節(jié)約土地所帶來效益是不言而喻。除了合成纖維大規(guī)模走進(jìn)人們服裝行列之外，高分子材料在衣著中其它方面應(yīng)用也毫不遜色。單舉衣服中光彩奪目標(biāo)仿珍珠紐扣來說吧，它們就是利用不飽和聚酯，并加入人造或天然珍珠顏料，然后精巧地將它們排列成所需要色彩圖案，經(jīng)過澆注或離心法得到棒料或薄片，切割或沖壓成所需形狀，最終經(jīng)拋光得到。18/37二．高分子材料與食

人類生活中一個(gè)主要步驟“食”，與高分子材料關(guān)系也十分親密。高分子材料應(yīng)用不但給人類帶來更多更豐富食品，也極大地豐富了我們生活。我國北方乃至西藏等高寒地域常年能吃到豐富蔬菜品種，寒冬過后提前品嘗到鮮甜瓜果，首先得益于塑料大棚功勞。塑料地膜覆蓋既保溫又保濕，能帶來糧食、蔬菜及棉花等作物增產(chǎn)效果，已成為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)增產(chǎn)主要技術(shù)方法，是許多嚴(yán)寒和干旱地域農(nóng)民脫貧致富主要伎倆。塑料地膜與化肥、農(nóng)藥一起已成為現(xiàn)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中三大化工材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國用于農(nóng)膜生產(chǎn)聚乙烯(PE)約占全部PE產(chǎn)量1/4。即使因?yàn)镻E在自然條件下不易降解，長久使用會(huì)給土壤帶來污染，但高分子材料科學(xué)工作者已想出不少方法來處理這個(gè)問題。在很快未來，生物降解型地膜將會(huì)問世，農(nóng)用塑料膜將繼續(xù)為農(nóng)業(yè)作物連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)做出主要貢獻(xiàn)。19/37農(nóng)業(yè)地膜20/37在“食”問題上高分子材料另一主要作用是處理海水淡化問題，芳香聚酰胺或醋酸纖維素制成反滲透中空纖維膜，能夠使海水和苦咸水淡化。利用這種中空纖維膜淡化海水是處理沿海地域及島嶼農(nóng)田澆灌和生活用水有效路徑，對中東波斯灣一帶缺淡水國家含有尤其主要意義。近年來，我國利用吸水性高分子進(jìn)行農(nóng)田保濕大規(guī)模試驗(yàn)已取得成功。21/37高分子材料用于日常食品包裝、儲存、運(yùn)輸、保鮮等方面已為人們所熟知。超級市場琳瑯滿目標(biāo)各類食品，除了少數(shù)罐裝食品仍用金屬、玻璃包裝外，隨手就可取到高分子材料包裝食品。它們大多數(shù)是聚乙烯、聚丙烯、聚酯等高分子制品，這些包裝材料以其重量輕、不易碎、免回收、免洗滌、裝飾性強(qiáng)、美觀大方而大量取代過去玻璃包裝。其中聚乙烯薄膜以其水氣透過率小、無毒而大量應(yīng)用于干燥食物。對于一些吸入氧氣后易于變質(zhì)厭氧食品，則采取層壓方法將聚乙烯與干燥狀態(tài)下透氧率極低玻璃紙壓成復(fù)合膜，然后再在其上涂一層聚丙烯而成為極端厭氧食品包裝材料，使食品保鮮期大大延長。高分子材料在食品包裝中應(yīng)用，便利了食品儲備和運(yùn)輸，使人們不出家門就能夠品嘗到天南海北各個(gè)地方鮮美食品，給旅行和居家生活帶來了很大方便。至于由高分子材料制成餐飲用具，更比比皆是。在市場上看到“不粘鍋”，不用放油就能夠煎雞蛋和攤煎餅，它是20世紀(jì)70年代未美國杜邦企業(yè)推出產(chǎn)品，是在煎鍋表面鍍上一層光滑耐溫聚四氟乙烯膜制成。

22/37三．高分子材料與住

高分子材料與“住”關(guān)系倍加親密。我們祖先早就知道用木料、竹子、草來蓋房子和制造家俱，知道用天然漆裝飾和保護(hù)家俱、房屋，并將豬血-老粉膩?zhàn)?即血朊膠粘劑)和桐油-石粉-竹纖維用到建筑和家俱制造中。近幾十年來，伴隨高分子材料工業(yè)快速興起，高分子材料以其漂亮美觀，經(jīng)濟(jì)實(shí)用而在建筑業(yè)中又開辟了遼闊應(yīng)用領(lǐng)域。用于建筑中高分子材料既包含取代金屬、木材、水泥等框架結(jié)構(gòu)材料(如在本章開頭提到日本在東京灣建造超高層建筑中使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)，也包含墻壁、地面、窗戶等裝飾材料以及衛(wèi)生潔具、上下水管道等配套材料和消聲、隔熱保溫、防水等各種材料23/37舉頭能夠看見塑料壓制美觀大方吊燈和鍍塑燈具；俯首是色彩鮮艷，不怕蟲蛀丙綸地毯或人造大理石；墻外、室內(nèi)大量使用水溶性涂料或花色豐富壁紙；坐下來是美觀人造革內(nèi)包彈性良好聚氨酯泡沫塑料；隨手觸摸到是塑料壓制家俱；抬眼看到是合成纖維編織金絲絨垂地窗簾；在衛(wèi)生間看到是美觀人造大理石梳妝臺(由不飽和聚酯加石灰石和顏料制成)和玻璃鋼浴缸，墻內(nèi)還有看不到保溫隔熱泡沫塑料；房頂有質(zhì)輕防雨波形瓦。24/37在建筑中，除了這些大量使用不一樣檔次高分子材料之外，還有由酚醛或脲醛樹脂壓制成板材而便于拆裝運(yùn)輸活動(dòng)房、以充氣頂棚組成整體式展覽館、由玻璃增強(qiáng)纖維與樹脂制成整體模塑住房等。這些輕巧實(shí)用，便于快速拆裝房屋，為搭制暫時(shí)展覽場館、施工現(xiàn)場用房、救災(zāi)及野外考查用房等提供了極大方便。25/37活動(dòng)房屋26/37四．高分子材料與行

至于高分子材料與“行”關(guān)系就愈加主要了。高分子復(fù)合增強(qiáng)材料自重小，比強(qiáng)度、比模量高，而且可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，首先成為飛機(jī)中許多部件首選材料，比如，碳纖維復(fù)合材料以其比強(qiáng)度、比模量高，質(zhì)輕，且在高溫(℃以上)情況下強(qiáng)度不降優(yōu)異特征而被選作宇宙飛船結(jié)構(gòu)材料和戰(zhàn)略導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部穩(wěn)定裙。在飛機(jī)中，1kg碳纖維復(fù)合材料能夠代替3kg傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)材料，因而當(dāng)前由碳纖維復(fù)合材料制造飛機(jī)零部件已經(jīng)有上千種。20世紀(jì)90年代民航機(jī)中金屬結(jié)構(gòu)材料65%已被碳纖維及芳綸纖維復(fù)合材料所代替，對要求自重更輕戰(zhàn)斗機(jī)，金屬材料取代率則將高達(dá)90%，到時(shí)，飛機(jī)航程和航速將得到顯著增加。27/37碳纖維復(fù)合材料28/37在造船工業(yè)中，玻璃纖維復(fù)合材料以其質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗微生物附著、非磁性、可吸收撞擊能、設(shè)計(jì)成形自由度大等一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于制造汽艇、游艇、救生艇、漁船、氣墊船以及各種軍用艦艇。美國Derektor造船廠大量使用碳纖維復(fù)合材料建造長達(dá)22.5m飛艇，其質(zhì)量比鋁合金艦艇輕3t，時(shí)速達(dá)120km/h。OakRidge國家試驗(yàn)室用纖維纏繞成型工藝制造深海潛水器可承受70MPa外壓力，質(zhì)量只有鈦合金殼體2/5。29/37玻璃纖維復(fù)合材料30/37在汽車制造業(yè)中，各種高分子材料也大顯神通，其作用首先是減輕車輛自重，改進(jìn)運(yùn)行性能，提升燃油效率?，F(xiàn)在一部分高級轎車所用高分子材料部件多達(dá)數(shù)百件，包含保險(xiǎn)杠、防沖撞護(hù)條板、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇、通風(fēng)空調(diào)、音響、電器及儀表盤、方向盤、座椅、車內(nèi)裝飾等。這些高分子材料部件應(yīng)用，不但顯著減輕了轎車自重，降低每公里耗油量，而且使轎車變得更舒適美觀，比如1990年美國高級轎車卡迪拉克內(nèi)使用塑料制品就達(dá)136kg，而且這些汽車零部件加工大量采取了當(dāng)前塑料加工中先進(jìn)技術(shù)，如片狀模塑、增強(qiáng)反應(yīng)注射模塑、反射注塑模塑等。汽車工業(yè)快速發(fā)展還得益于制作輪胎合成橡膠和作為輪胎簾子合成纖維發(fā)展。因?yàn)樽鳛槟茉词腿遮叾倘?，各個(gè)國家都致力于降低汽車百公里耗油量。而高分子材料在汽車中應(yīng)用，除了能夠減輕車身自重外，還能降低輪胎對地面滾動(dòng)阻力以及提升輪胎抗?jié)窕允節(jié)L動(dòng)阻力降低5%~7%，節(jié)油1%。31/37五.高分子材料在其它方面應(yīng)用

上面所敘述只是我們當(dāng)代生活中衣食住行四個(gè)主要步驟與高分子材料關(guān)系，除了這幾個(gè)步驟以外，在能源、通訊甚至日常生活文娛、體育等各個(gè)方面都與高分子材料息息相關(guān)。燃料、水力和核能是當(dāng)前廣泛利用能源，高分子材料良好絕緣性能是電力工業(yè)、電子和微電子工業(yè)必不可少絕緣材料，廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電纜、導(dǎo)線和各種儀器儀表中。各種塑料、橡膠、纖維、薄膜和膠粘劑為能源工業(yè)做出了主要貢獻(xiàn)。含有記憶功效塑料導(dǎo)線使儀器儀表和車輛中布線大大簡化。32/37絕緣高分子材料33/37高分子材料對通訊設(shè)備貢獻(xiàn)也功不可沒，包含電話機(jī)、BP機(jī)、手持電話機(jī)以及通訊衛(wèi)星和中繼站各種通訊設(shè)備中使用線路板，都是纖維復(fù)合材料制成，同時(shí)，制作精密線路時(shí)，也將應(yīng)用到感光樹脂，更不用說這些通訊設(shè)備外殼所使用各種塑料了。體育器材中使用高分子材料例子也不勝枚舉。沒有彈性不一樣正反膠球拍，我國乒乓球運(yùn)動(dòng)員也不一定會(huì)取得今日輝煌成績；沒有高強(qiáng)度、高彈性而質(zhì)輕纖維復(fù)合材料，撐桿跳高運(yùn)動(dòng)員也不可能創(chuàng)造今天