高分子材料第一章

1、高高分分子子材材料料 材料是人类生活和生产必需的基础，材料是人类生活和生产必需的基础，也 是 人 类 文 明 的 物 质 基 础 ， 而 材也 是 人 类 文 明 的 物 质 基 础 ， 而 材料的使用与一个历史时期内生产力和料的使用与一个历史时期内生产力和科学技术水平密切相关。一个国家使用材科学技术水平密切相关。一个国家使用材料的品种和产量是直接衡量一个国家料的品种和产量是直接衡量一个国家的科学技术、经济发展水平的重要标的科学技术、经济发展水平的重要标志之一。志之一。例例CPU制作材料制作材料 目前的目前的CPU材料主要以半导体和超半导体技术为主。现材料主要以半导体和超半导体技术为主。现有三

2、种材料有可能改变这种情况：有三种材料有可能改变这种情况：（1）原子水平的材料技术）原子水平的材料技术（2）生物学）生物学DNA技术技术（3）巴基球技术）巴基球技术 用原子做基本材料（载体材料可多样），通过原子组合排列实现二用原子做基本材料（载体材料可多样），通过原子组合排列实现二进制逻辑计算，可使计算机超小型化。目前问题：组合排列的稳定性。进制逻辑计算，可使计算机超小型化。目前问题：组合排列的稳定性。 用生物基因做基本材料，用基因密码组合实现二进制逻辑计算，可用生物基因做基本材料，用基因密码组合实现二进制逻辑计算，可使计算机智能化。目前问题：提高速度。使计算机智能化。目前问题：提高速度。 在巴

3、基球条件下，碳分子成为导体，性能比现有任何计算机材料好，在巴基球条件下，碳分子成为导体，性能比现有任何计算机材料好，且三维方向可控，一方面材料俯拾即是，另一方面三维可控将提供更新的且三维方向可控，一方面材料俯拾即是，另一方面三维可控将提供更新的逻辑数学方式，对软件制作模式有重大影响。目前问题：载体稳定性。逻辑数学方式，对软件制作模式有重大影响。目前问题：载体稳定性。分类分类具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。 材料材料按化学组成分类按化学组成分类按作用分类按作用分类按状态分类按状态分类按使用领域分类按使用领域分类金属材料金

4、属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料结构材料结构材料功能材料功能材料气态气态液态液态固态（单晶、多晶、非晶、复合）固态（单晶、多晶、非晶、复合）建筑材料建筑材料医用材料医用材料电子材料电子材料耐火材料耐火材料定义定义无机非金属材料无机非金属材料复合材料复合材料高分子材料高分子材料金属材料金属材料木材木材皮革皮革纤维纤维纸纸青铜青铜铁铁钢钢金金皮胶皮胶橡胶橡胶赛璐珞赛璐珞陶陶玻璃玻璃水泥水泥火石火石合金钢合金钢耐热合金耐热合金先进功能陶瓷先进功能陶瓷各种基体复合材料各种基体复合材料功能高分子功能高分子高温高分子高温高分子高强高模高分子高强高模高分子通用高

5、分子通用高分子韧性工程陶瓷韧性工程陶瓷金属陶瓷金属陶瓷耐火材料耐火材料时间时间 / 年年相对占有量相对占有量玻璃态金属玻璃态金属5000公元前公元前0公元公元1000 150018001900194019601980199020002010纤维增强塑料纤维增强塑料稻草杆砖稻草杆砖微合金钢微合金钢骨骨瓷瓷表表1、 材材 料料 的的 发发 展展 历历 史史 二十世纪六十年代，随着人们对各种材料认识的不断二十世纪六十年代，随着人们对各种材料认识的不断深化，并积极吸取了近代物理、化学，特别是固体物理、深化，并积极吸取了近代物理、化学，特别是固体物理、量子化学等基础理论及各种先进分析仪器和尖端技术研究量

6、子化学等基础理论及各种先进分析仪器和尖端技术研究的结果，逐步形成了一门新的综合性学科的结果，逐步形成了一门新的综合性学科 材料科学。材料科学。 材料科学与工程的主要任务是以现代物理学、化学等材料科学与工程的主要任务是以现代物理学、化学等基础学科理论为基础，从电子、原子、分子间结合力，晶基础学科理论为基础，从电子、原子、分子间结合力，晶体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构 性能性能 应用之间的规律关系，提高材料的性能、发挥应用之间的规

7、律关系，提高材料的性能、发挥材料的潜力，以满足人们对材料日益增长的要求。材料的潜力，以满足人们对材料日益增长的要求。2. 材料科学与工程材料科学与工程 “ 性质、结构与成分、合成与加工、使用性能，以及它们性质、结构与成分、合成与加工、使用性能，以及它们之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域。之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域。” 美国国家研究委员会：美国国家研究委员会：90年代的材料科学与材料工程年代的材料科学与材料工程 建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺寸上（从原子寸上（从原子 尺寸尺寸 到宏观尺寸）对结构的控制，到宏观尺寸）对结构的

8、控制，以及高效而有竞争力地制以及高效而有竞争力地制 造材料和零件的演变造材料和零件的演变过程。过程。 合成合成/加工加工制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果。制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果。 结构结构/成分成分确定材料功能特性和效用的描述。确定材料功能特性和效用的描述。性性 质质材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需求相融合到一起的一个要素。求相融合到一起的一个要素。 使用性能使用性能3、材料研究的四要素、材料研究的四要素合成合成加工加工性质性质结构结构成分成分使用使用性能性能（1）从发展看，到二十一世纪，金属材料、）从发展看，到二十一世

9、纪，金属材料、高分子材料、高分子材料、 无机非金属材无机非金属材 料、复合材料将出现四大类工程材料平料、复合材料将出现四大类工程材料平 分秋色的局面。分秋色的局面。（2）美国认为，在先进材料、电子信息技术、生物技术三）美国认为，在先进材料、电子信息技术、生物技术三 大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和高分高分 子基质材料子基质材料将于今后将于今后25年内在世界上发挥重大作用，年内在世界上发挥重大作用， 并可能是美国在国际生产和技术竞争中保持强力地位并可能是美国在国际生产和技术竞争中保持强力地位 的关键技术领域。的关键技术领域。4、材料今后的发展方

10、向、材料今后的发展方向（3）对新一代材料的主要要求：）对新一代材料的主要要求： a. 既是结构材料又具有既是结构材料又具有多种功能的材料多种功能的材料； b. 具有感知、自我调节和反馈等能力的具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料智能型材料； c. 制作和废弃过程中尽可能减少污染的制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料绿色材料； d. 充分利用自然资源，能循环作用的充分利用自然资源，能循环作用的可再生性材料可再生性材料； e. 少维修或不维修的少维修或不维修的长寿命材料长寿命材料。1. 高分子高分子（macromolecule、polymer） 由许多结构相同的、简单的单元通过共价由许多

11、结构相同的、简单的单元通过共价键重复连接而成的相对分子质量很大的化合物键重复连接而成的相对分子质量很大的化合物A、相对分子质量很大：一般在、相对分子质量很大：一般在104106相对分子质量相对分子质量 1.21.8104尼尼 龙龙相对分子质量相对分子质量 515104聚氯乙烯聚氯乙烯相对分子质量相对分子质量 2530104顺丁橡胶顺丁橡胶C、由相同的化学结构重复多次而成、由相同的化学结构重复多次而成 CH2 CH CH2 CH CH2 CH Cl Cl ClB、共价键连接、共价键连接聚氯乙烯聚氯乙烯例例合成合成加工加工性质性质结构结构成分成分使用使用性能性能 高分子工业：高分子工业：-公元前，

12、蛋白质、淀粉、棉、毛、丝、麻、造纸、公元前，蛋白质、淀粉、棉、毛、丝、麻、造纸、 油漆、虫胶等油漆、虫胶等高分子科学：高分子科学：- 1833年，年，Berzelius 提出提出 “Polymer”一词，指以共价键、一词，指以共价键、 非共价键联结的聚集体非共价键联结的聚集体1、十九世纪之前：天然高分子的加工利用、十九世纪之前：天然高分子的加工利用2、十九世纪中叶：天然高分子的化学改性、十九世纪中叶：天然高分子的化学改性高分子工业：高分子工业：- 1838 C.N.Goodyear 天然橡胶硫化天然橡胶硫化- 1845 C.F.Schobein 硝化纤维硝化纤维- 1868 J.W.Hyatt

13、 硝化纤维塑料硝化纤维塑料- 1889 建成最早的人造丝工厂建成最早的人造丝工厂- 1900 英国建成年产英国建成年产1000t粘胶纤维工厂粘胶纤维工厂高分子科学：高分子科学：- 1870 提出纤维素、淀粉、蛋白质是大的分子提出纤维素、淀粉、蛋白质是大的分子-1892 W.A.Tilden 确定天然橡胶干馏产物异戊二烯确定天然橡胶干馏产物异戊二烯 结构式结构式高分子工业：高分子工业：- 1907 L.Backeland 酚醛树脂酚醛树脂- 1911 丁钠橡胶丁钠橡胶- 1914 醋酸纤维和塑料醋酸纤维和塑料- 1925 醋酸乙烯工业化醋酸乙烯工业化- 1928 聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯聚乙烯

14、醇、聚甲基丙烯酸甲酯高分子科学：高分子科学：- 1902 提出蛋白质是由氨基酸残基组成的多肽结构提出蛋白质是由氨基酸残基组成的多肽结构- 1907 W.Ostwold 提出分子胶体概念提出分子胶体概念- 1920 H.Staudinger 提出提出“共价键联结的大分子共价键联结的大分子” 之现代高分子概念之现代高分子概念3、二十世纪初叶：高分子工业和科学的创立的准备时期、二十世纪初叶：高分子工业和科学的创立的准备时期* 1833年，年，Berzlius在对鲸油的热馏油的分镏产物时，首次提出在对鲸油的热馏油的分镏产物时，首次提出“要描述这种组成要描述这种组成 相同但性质相异的物质，我建议称为相同

15、但性质相异的物质，我建议称为Polymer（聚合的）物质（聚合的）物质”* 1892年，年，Tilden对天然橡胶裂解成分进行分离、分析，确定了异戊二烯结构式对天然橡胶裂解成分进行分离、分析，确定了异戊二烯结构式* 1907年，年，Ostwold提出分子胶体概念，并于提出分子胶体概念，并于1920年出版年出版胶体化学胶体化学* 1920年，年，Staudinger发表发表论聚合论聚合，提出无论天然或合成高分子，其形态和，提出无论天然或合成高分子，其形态和 特性都可以由具有共价键连接的链式高分子结构来解释特性都可以由具有共价键连接的链式高分子结构来解释* 1924年，年，Svedberg发明出超

16、速离心机，用于血红蛋白分子量的测定发明出超速离心机，用于血红蛋白分子量的测定* 1932年，年， Staudinger发表发表高分子有机化合物高分子有机化合物，现代高分子概念获得公认，现代高分子概念获得公认高分子概念的确立高分子概念的确立高分子工业：高分子工业：-塑料：塑料：PVC(1931)、PS(1934)、LDPE(1939)、ABS (1948) -橡胶：氯丁胶橡胶：氯丁胶(1931)、丁基胶、丁基胶(1940)、丁苯胶、丁苯胶(1940)-纤维：纤维：PVC(1931)、尼龙、尼龙-66(1938)、PET(1941)、维纶（、维纶（1948）高分子科学：高分子科学：- 1932 H

17、.Staudinger 高分子有机化合物高分子有机化合物出版出版 - 192940 W.H.Carthorse, P.J.Flory 缩聚反应理论缩聚反应理论- 193238 W.Kuhn, K.H.Mayer 橡胶弹性理论橡胶弹性理论- 193548 H.Mark, F.R.Mayo, et al 链式聚合反应和链式聚合反应和 共聚合理论共聚合理论- 194249 P.J.Flory, M.L.Huggins, et al 高分子溶液理论高分子溶液理论- 40年代年代 Harkin-Smith-Ewart 乳液聚合理论乳液聚合理论4、二十世纪、二十世纪3040年代：高分子工业和科学的创立时期

18、年代：高分子工业和科学的创立时期高分子工业：高分子工业：- HDPE （195355）、）、PP（195557）、）、BR（1959）、）、 PC（1957）- 石油化工产品的石油化工产品的80%用于高分子工业用于高分子工业- 塑料以两倍于钢铁的速率增长（塑料以两倍于钢铁的速率增长（1215% / 年）年）高分子科学：高分子科学：- 195356 Ziegler-Natta 催化剂和配位阴离子聚合催化剂和配位阴离子聚合- 50年代年代 Szwarc 阴离子活性聚合阴离子活性聚合 Kennedy 阳离子聚合阳离子聚合- 1957 A.Keller 获得聚乙烯单晶获得聚乙烯单晶5、二十世纪、二十世

19、纪50年代：现代高分子工业确立、高分子合成化学大发展时期年代：现代高分子工业确立、高分子合成化学大发展时期高分子工业：高分子工业：-通用塑料：通用塑料：PE、PP、PVC、PS (80%)、PF、UF、PU、 PU（20%）- 工程塑料：工程塑料：ABS、PA、PC、PPO、POM、PBT、-合成橡胶：丁苯胶、顺丁胶、乙丙胶、异戊胶、丁基胶、合成橡胶：丁苯胶、顺丁胶、乙丙胶、异戊胶、丁基胶、 丁腈胶丁腈胶- 合成纤维：合成纤维：PET、PAN、PP、PVA、Nylon高分子科学：高分子科学：- 各种热谱、力谱、电镜、各种热谱、力谱、电镜、IR手段的应用：手段的应用： 1960 高分辨率高分辨率

20、NMR、 1964 GPC的使用的使用 - 结晶高分子、高分子粘弹性、流变学理论研究的深入结晶高分子、高分子粘弹性、流变学理论研究的深入6、二十世纪、二十世纪60年代：高分子物理大发展时期年代：高分子物理大发展时期高分子工业：高分子工业：- 生产的高效化、自动化、大型化：生产的高效化、自动化、大型化： 塑料塑料6000万万t、橡胶、橡胶700万万t、化纤、化纤6000万万t、- 高分子合金，如高分子合金，如HIPS- 高分子复合材料，如碳纤维增强复合材料高分子复合材料，如碳纤维增强复合材料高分子科学：高分子科学：- 197178 白川英树等白川英树等 导电高分子导电高分子- 1973 Kevl

21、ar 纤维纤维7、二十世纪、二十世纪70年代：高分子工程科学大发展时期年代：高分子工程科学大发展时期高分子工业：高分子工业：- 80年代初，三大合成材料产量超过年代初，三大合成材料产量超过10亿亿t，其中塑料，其中塑料 8500万万t，以体积计超过钢铁的产量，以体积计超过钢铁的产量- 精细高分子、功能高分子、生物医学高分子精细高分子、功能高分子、生物医学高分子高分子科学：高分子科学：- 提出分子设计概念提出分子设计概念- 1983 O.W.Webster 基团转移聚合基团转移聚合- 1994 王锦山王锦山 原子（基团）转移自由基聚合原子（基团）转移自由基聚合8、二十世纪末期：高分子科学的扩展与

22、深化、二十世纪末期：高分子科学的扩展与深化1、原料资源丰富、原料资源丰富(1) 石石 油油 化化 工工 原原 料料 路路 线线（2）煤）煤 炭炭 原原 料料 路路 线线（3）天）天 然然 材材 料料世界石油储量世界石油储量 总储量约总储量约 78109 t（1 t = 7.3桶）桶）54%54%5%5%2%2%3%3%10%10%13%13%13%13%OPEC，中东OPEC，中东OPEC，其它OPEC，其它前苏联前苏联美国美国英国英国中国中国其它其它(1) 石石 油油 化化 工工 原原 料料 路路 线线石油分镏石油分镏常压及减压分镏常压及减压分镏石油石油常压分镏常压分镏加热加热汽提汽提减压分

23、镏减压分镏石油气石油气柴油柴油油品油品沸点范围沸点范围 0C碳原子数碳原子数用途用途石油气石油气40 以下以下C1C4燃料、化工原料燃料、化工原料汽油汽油50180C4C11溶剂、内燃机燃料、化工原料溶剂、内燃机燃料、化工原料煤油煤油140300C10C18航空燃料、航空燃料、柴油柴油200350C11C20柴油机燃料柴油机燃料渣油渣油350 以上以上汽油汽油煤油煤油柴油柴油重煤油重煤油粗柴油粗柴油渣油渣油石油裂解石油裂解生产烯烃生产烯烃液态烃液态烃（100%）裂解炉裂解炉水蒸气水蒸气急冷急冷脱脱H2、CH4、C2H6脱脱C3H8乙烯乙烯（25%）丙烯丙烯（17%）C4混合物混合物（12%）裂

24、解汽油、塔底油裂解汽油、塔底油生产芳烃生产芳烃萃取塔萃取塔分镏塔分镏塔分镏塔分镏塔分镏塔分镏塔分镏塔分镏塔石脑油石脑油溶剂溶剂汽油汽油芳烃、溶剂芳烃、溶剂苯苯甲苯甲苯C8 混合物混合物芳烃芳烃溶剂溶剂以石油化工路线为基础合成的主要单体及聚合物以石油化工路线为基础合成的主要单体及聚合物CH2 =CH2聚乙烯聚乙烯LDDE、HDPE、LLDPE乙丙橡胶乙丙橡胶EPR、EPT聚氯乙烯聚氯乙烯聚乙酸乙烯酯聚乙酸乙烯酯维纶维纶聚乙烯醇聚乙烯醇聚苯乙烯聚苯乙烯HIPS、SBR、ABS、SBS聚氧化乙烯聚氧化乙烯聚合聚合丙烯丙烯氯化氯化乙酸乙酸苯烃化苯烃化氯乙烯氯乙烯乙酸乙烯酯乙酸乙烯酯苯乙烯苯乙烯氧化氧化

25、环氧乙烷环氧乙烷乙二醇乙二醇涤纶涤纶CH2 = CHCH3聚丙烯聚丙烯乙丙橡胶乙丙橡胶EPR、EPT聚丙烯酸聚丙烯酸氯醇橡胶氯醇橡胶环氧树脂环氧树脂聚碳酸酯聚碳酸酯聚丙烯腈聚丙烯腈聚合聚合乙烯乙烯氧化氧化氯化氯化苯烃化苯烃化丙烯酸丙烯酸环氧氯丙烷环氧氯丙烷双酚双酚A氨氧化氨氧化丙烯腈丙烯腈甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯ABS、NBR、碳纤维、碳纤维聚丙烯酸酯聚丙烯酸酯氧化氧化丙酮丙酮CH2 = CHCH= CH2聚丁二烯聚丁二烯BR、LCBR、HVBR丁苯橡胶丁苯橡胶E-SBR、S-SBR、SBSABS氯丁橡胶氯丁橡胶丁腈橡胶丁腈橡胶聚合聚合苯乙烯苯乙烯丙烯腈、苯

26、乙烯丙烯腈、苯乙烯氯化氯化丙烯腈丙烯腈氯丁二烯氯丁二烯丁羟胶、丁羧胶丁羟胶、丁羧胶C6H6交联聚苯乙烯交联聚苯乙烯离子交换树脂离子交换树脂酚醛树脂酚醛树脂已内酰胺已内酰胺尼龙尼龙-6已二酸已二酸二乙烯基苯二乙烯基苯苯酚苯酚环已酮环已酮双酚双酚A环氧树脂环氧树脂聚苯乙烯聚苯乙烯苯乙烯苯乙烯SBR、ABS、SBS甲醛甲醛环氧氯丙烷环氧氯丙烷聚碳酸脂聚碳酸脂COCl2尼龙尼龙-66二甲苯二甲苯邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐不饱和聚酯不饱和聚酯聚芳酰胺聚芳酰胺氧化氧化间二甲苯间二甲苯对二甲苯对二甲苯邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐邻二甲苯邻二甲苯醇酸树脂醇酸树脂间苯二甲酸间苯二甲酸氧化氧化涤纶树脂涤纶树脂对苯二甲酸

27、酯对苯二甲酸酯氧化氧化氧化氧化干干 镏镏煤气煤气煤炭煤炭苯、甲苯、二甲苯苯、甲苯、二甲苯萘、蒽萘、蒽苯酚、甲苯酚苯酚、甲苯酚乙炔乙炔3C + CaO25003000 0CCaC2 + COCaC2 + 2H2OCa(OH)2 + CHCH分离分离氨氨煤焦油煤焦油焦炭焦炭(2) 煤炭煤炭 原原 料料 路路 线线以煤炭原料路线为基础合成的主要单体及聚合物以煤炭原料路线为基础合成的主要单体及聚合物CH CH聚氯乙烯聚氯乙烯聚乙酸乙烯酯聚乙酸乙烯酯维纶维纶聚乙烯醇聚乙烯醇氯化氢氯化氢乙酸乙酸氯乙烯氯乙烯乙酸乙烯酯乙酸乙烯酯氯丁橡胶氯丁橡胶氯丁二烯氯丁二烯聚丙烯腈聚丙烯腈HCN丙烯腈丙烯腈糠醛：糠醛：

28、可由稻草、米糠、棉籽壳等制得可由稻草、米糠、棉籽壳等制得纤维素：纤维素： 可由天然植物中制得可由天然植物中制得CH - CHCH C - CHOOHOHOOHHHOHO CH2OHCH2OH（3）天然材料）天然材料3、生产能耗低、投资少、周期短、利润高、生产能耗低、投资少、周期短、利润高是指在高分子是指在高分子主链和侧枝上带有反应性主链和侧枝上带有反应性功能基团，并具有可逆或功能基团，并具有可逆或不可逆的物理功能或化学不可逆的物理功能或化学活性的一类高分子活性的一类高分子1.4 1.4 高分子材料的分类高分子材料的分类来来 源源天然高分子材料天然高分子材料：自然界天然存在的高分子。：自然界天然

29、存在的高分子。半天然高分子材料半天然高分子材料：经化学改性后的天然高分子。经化学改性后的天然高分子。主链元素主链元素（链原子）（链原子）组成组成碳链高分子碳链高分子：主链（链原子）完全由主链（链原子）完全由C C原子组成。原子组成。杂链高分子杂链高分子：链原子除链原子除C外，还含外，还含O,N,S等杂原子。等杂原子。元素有机高分子元素有机高分子：链原子由链原子由Si,B,Al,O,N,S,P等杂原子组等杂原子组成。成。合成高分子材料合成高分子材料：由单体聚合人工合成的高分子。由单体聚合人工合成的高分子。抗高温高压的塑料抗高温高压的塑料航空、航天航空、航天机械、电机械、电工工先进复合材料先进复合材料 -反应型高分子：高分子试剂、高分子催化剂等反应型高分子：高分子试剂、高分子催化剂等-光敏型高分子：感光材料、光刻胶、光致变色材料等光敏型高分子：感光材料、光刻胶、光致变色材料等-电活性高分子：导电高分子、能量转换材料等电活性高分子：导电高分子、能量转换材料等-吸附型高分子：离子交换树脂、絮凝剂、吸水树脂等吸附型高分子：离子交换树脂、絮凝剂、吸水树脂等-膜型高分子：膜型高分子： 分离膜、缓释膜等分离膜、缓