南京工业大学 材料概论 -第四章 高分子材料

1、 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章 高分子材料李延报办公室:东南楼205房间Email:电话材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料主要内容主要内容n 高分子的基本概念高分子的基本概念n 高分子的合成与制备高分子的合成与制备n 高分子的结构与性能高分子的结构与性能n 几种常见高分子材料几种常见高分子材料n 高分子材料的应用及发展趋势高分子材料的应用及发展趋势多种多样的高分子材料多种多样的高分子材料 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料高分子材料 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料防防 弹弹 衣衣高比强度的降落伞

2、绳索高比强度的降落伞绳索高分子材料高分子材料 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料高分子材料 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料2006年，世界合成高分子材料的年总产量已达到年，世界合成高分子材料的年总产量已达到2.4亿吨。亿吨。其中其中n 塑塑 料料 1.8亿吨，亿吨，n 合成橡胶合成橡胶 0.12亿吨，亿吨，n 合成纤维合成纤维 0.3亿吨。亿吨。高分子材料的现状高分子材料的现状世界产量世界产量(亿吨亿吨)我国产量我国产量(亿吨亿吨)钢钢124.19水泥水泥2512.5树脂树脂2.40.25石油石油36.21.84单位单位:亿吨亿吨 材料概论材料概论

3、 第四章高分子材料第四章高分子材料天然高分子的利用天然高分子的利用-天然高分子改性天然高分子改性q天然橡胶硫化（天然橡胶硫化（1839年）年） Goodyear 美国美国 q硝化纤维赛璐珞（硝化纤维赛璐珞（1868年）年） Hyatt 美国硝化纤维、美国硝化纤维、樟脑、乙醇合成塑料樟脑、乙醇合成塑料q粘胶纤维（粘胶纤维（1893-1898年）年）高分子材料发展简史高分子材料发展简史(1) 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料发展简史高分子材料发展简史(2)合成高分子合成高分子20世纪初世纪初酚醛树酯美国人贝克兰酚醛树酯美国人贝克兰 用苯酚与甲醛反应用苯酚与甲醛反应 19

4、20年年施陶丁格施陶丁格( Staudinger)提出高分子概念，提出高分子概念，32年出版年出版了划时代的巨著了划时代的巨著论聚合论聚合，30年代、年代、40年代年代飞速发展飞速发展,美国杜邦公司合成出尼龙美国杜邦公司合成出尼龙,德国德国 合成出橡胶、聚乙烯、聚丙烯、英国合成出聚酯合成出橡胶、聚乙烯、聚丙烯、英国合成出聚酯纤维。纤维。 70年代年代特种性能的高分子特种性能的高分子 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料创立高分子化学的施陶丁格创立高分子化学的施陶丁格Hermann Staudinger 1881-1965 The Nobel Prize in Chemistry

5、1953“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”高分子材料发展简史高分子材料发展简史(3)/chem421/famous.htmK. ZieglarG. Natta高分子溶液理论的创立者高分子溶液理论的创立者P. Flory 1910-1985 The NP in Chemistry 1974 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料2000年化学奖授予了黑格年化学奖授予了黑格(A.J.Heeger，美国，美国)、马、马克迪尔米德克迪尔米德(A

6、.G.MacDiarmid，美国，美国)和白川英树和白川英树(H. ShiraKawa，日本，日本) 三人，他们发现了导电聚合物。三人，他们发现了导电聚合物。 高分子材料发展简史高分子材料发展简史(4) A.J.Heeger(美国)A.G.Macdiarmid (美国)H.ShiraKawa (日本) 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料什么是高分子？什么是高分子？高分子的的定义：高分子的的定义： 有结构单元通过共价键的形式通过聚合反应重复连接而成的链状有结构单元通过共价键的形式通过聚合反应重复连接而成的链状化合物。化合物。大分子的定义：大分子的定义：(macromolecule

7、) 分子量很大的化合物。分子量很大的化合物。(注意两者的区别注意两者的区别)高分子也称聚合物或是高聚物，英文都是高分子也称聚合物或是高聚物，英文都是polymer。 高分子大分子有机物 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子的特点高分子的特点 组成：主要由组成：主要由C、H、O组成组成 (无机高分子，如玻璃无机高分子，如玻璃) 分子量多分散性分子量多分散性，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物；，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物；分子分子量很大量很大（104-107，甚至更大），甚至更大） 没有没有固定熔点固定熔点，只有一段宽的温度范围；，只有一段宽的温度

8、范围； 没有沸点和固定的熔点，没有沸点和固定的熔点，分子间力很大，加热到分子间力很大，加热到200oC-300oC以上，材料破坏以上，材料破坏（降解或交联）。（降解或交联）。 链式结构链式结构 柔性分子链柔性分子链 大部分高分子的主链具有一定的内旋转自由度。大部分高分子的主链具有一定的内旋转自由度。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子的单体高分子的单体通过聚合反应能制备高分通过聚合反应能制备高分子化合物的物质称做单体。子化合物的物质称做单体。例如乙烯是单体，能聚合例如乙烯是单体，能聚合生成聚乙烯：生成聚乙烯： 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料分

9、类高分子材料分类 按材料来源分类按材料来源分类 天然高分子天然高分子 合成高分子合成高分子 塑料塑料 橡胶橡胶按材料性能和用途分类按材料性能和用途分类 纤维纤维 涂料涂料 粘合剂粘合剂 功能高分子功能高分子 碳链高分子碳链高分子 杂链高分子杂链高分子按化学组成分类按化学组成分类 元素有机高分子元素有机高分子 无机高分子无机高分子 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料高分子材料 塑料、橡胶、纤维塑料、橡胶、纤维，称为，称为三大合成三大合成材料材料 塑料塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯烯(四大通用塑料四大通用塑料

10、)等等 合成橡胶合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占主要用途为制造轮胎，约占60% 合成纤维合成纤维主要品种有：涤纶（主要品种有：涤纶（PET）、尼龙、聚丙烯腈、）、尼龙、聚丙烯腈、聚丙烯等聚丙烯等; 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料高分子材料 性能性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好定性好、化学稳定性好 塑塑 料料聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等(四四大通用树脂大通用树脂) 通用工程塑料通用工程塑料聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酯、改聚酰胺、聚甲醛、聚

11、碳酸酯、聚酯、改性聚苯醚等。性聚苯醚等。 高性能工程塑料高性能工程塑料聚芳醚、聚芳砜、聚芳酯、聚芳杂环聚芳醚、聚芳砜、聚芳酯、聚芳杂环类、聚芳酰胺、聚对二甲苯、含氟材料等。类、聚芳酰胺、聚对二甲苯、含氟材料等。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料通用合成橡胶通用合成橡胶丁苯、丁基、氯丁、丁腈橡胶等丁苯、丁基、氯丁、丁腈橡胶等特种合成橡胶特种合成橡胶丁丙橡胶、异戊橡胶、聚硫橡胶、丁丙橡胶、异戊橡胶、聚硫橡胶、硅橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、 丙丙烯酸橡胶、氯醇橡胶等。烯酸橡胶、氯醇橡胶等。主要用途主要用途制造轮胎（约占制

12、造轮胎（约占60%），密封件、减震零件、），密封件、减震零件、耐油胶管、油箱。耐油胶管、油箱。人造血管、人造瓣膜和人造人造血管、人造瓣膜和人造心脏心脏 人工心肺机、人造肾脏、输血导管等。人工心肺机、人造肾脏、输血导管等。合成橡胶合成橡胶 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料合成纤维合成纤维合成纤维合成纤维以煤、石油、天然气、水、空气、食盐、石灰以煤、石油、天然气、水、空气、食盐、石灰石等为原料，经化学处理制成的人工纤维。石等为原料，经化学处理制成的人工纤维。 主要品种主要品种涤纶涤纶（PET）、）、绵纶绵纶（聚酰胺）、（聚酰胺）、腈纶腈纶（聚丙（聚丙烯腈）、丙纶（聚丙烯）烯腈）、

13、丙纶（聚丙烯） 维纶（聚乙烯醇）和氯纶（聚维纶（聚乙烯醇）和氯纶（聚氯乙烯）等六种，其中前三种产量最大，占整个合成纤氯乙烯）等六种，其中前三种产量最大，占整个合成纤维产量的维产量的90。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料三大合成高分子材料的比较三大合成高分子材料的比较 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料按结构单元的化学组成分类按结构单元的化学组成分类n 碳链高分子碳链高分子主链以主链以C C原子间共价键原子间共价键相联接加聚反应制得相联接加聚反应制得如如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯甲酯，聚丙烯聚乙烯

14、聚乙烯HHCCHH 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料n 杂链高分子杂链高分子 主链除主链除C C原子外还有其它原子如原子外还有其它原子如O O、N N 、S S等，并以共价键联接、缩等，并以共价键联接、缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等聚苯醚、聚酚等OOHHCCOCCOHH 涤纶涤纶按结构单元的化学组成分类按结构单元的化学组成分类 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料n元素有机高分子元素有机高分子n 主链中不含主链中不含C原子，而由原子，而由Si、B、P、Al、Ti

15、、As等元素与等元素与O组成，组成，其侧链为有机基团；其侧链为有机基团；n 兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。33CHSiOCH硅橡胶硅橡胶按结构单元的化学组成分类按结构单元的化学组成分类 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料n无机高分子无机高分子n 主链既不含主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子

16、量不高，并易水解不高，并易水解。/i/SSSSSiSSSClClPNPNClCl二硫化硅二硫化硅聚二氯一氮化磷聚二氯一氮化磷按结构单元的化学组成分类按结构单元的化学组成分类 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料根据单体来源或制法命名根据单体来源或制法命名根据聚合物的结构特征命名根据聚合物的结构特征命名根据商品命名根据商品命名IUPAC的系统命名法的系统命名法高分子的命名高分子的命名 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料根据单体来源或制法命名根据单体来源或制法命名很多聚合物的名称是由单体或假想单体名称前加一个很多聚合物的名称是由单体或假想单体名称前加一个“聚聚”字而来

17、，例如字而来，例如聚丙烯聚丙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯CH2CH2CHCH2CH3CH3nnCH2CHClCHCH2ClnnCHCH2CHCH2nn 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料根据聚合物的结构特征命名根据聚合物的结构特征命名很多缩聚物是两种单体通过官能团间缩合反应制备的。很多缩聚物是两种单体通过官能团间缩合反应制备的。 在结构上与单体有差别。可根据结构单元的结构来命名，前面冠在结构上与单体有差别。可根据结构单元的结构来命名，前面冠以以“聚聚”字。字。 对苯二甲酸和乙二醇对苯二甲酸和乙二醇 聚（对苯二甲酸乙二酯）聚（对苯二甲酸乙二酯） 己二胺和己二酸己二胺和己二酸

18、 聚己二酰已二胺聚己二酰已二胺有一些聚合物结构中已看不出单体来源了。更需要由聚有一些聚合物结构中已看不出单体来源了。更需要由聚合物的结构特征命名。合物的结构特征命名。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料根据商品命名根据商品命名 有机化合物的命名很复杂，聚合物就更复杂了。有机化合物的命名很复杂，聚合物就更复杂了。在商业生产和流通中，人们仍习惯用简单明了的称呼，并在商业生产和流通中，人们仍习惯用简单明了的称呼，并能与应用联系在一起。能与应用联系在一起。例如例如: : 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯-有机玻璃，有机玻璃， 塑料类聚合物塑料类聚合物-酚醛树脂，脲醛树脂，醇酸树脂酚醛树

19、脂，脲醛树脂，醇酸树脂有时也将聚氯乙烯有时也将聚氯乙烯-俗称氯乙烯树脂。俗称氯乙烯树脂。将橡胶类聚合物将橡胶类聚合物-加上后缀加上后缀“橡胶橡胶”，例如例如: : 丁二烯和苯乙烯共聚物丁二烯和苯乙烯共聚物-丁苯橡胶，丁苯橡胶，丁二烯和丙烯腈共聚物丁二烯和丙烯腈共聚物-丁腈橡胶，丁腈橡胶，乙烯和丙烯共聚物乙烯和丙烯共聚物-乙丙橡胶等等。乙丙橡胶等等。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料根据商品命名根据商品命名 将纤维类的，在我国是用将纤维类的，在我国是用“纶纶”作后缀作后缀例如例如: 聚对苯二甲酸乙二酯聚对苯二甲酸乙二酯涤纶涤纶 聚聚-己内酰胺己内酰胺锦纶锦纶 聚乙烯醇缩醛聚乙烯

20、醇缩醛维尼纶维尼纶 聚氯乙烯聚氯乙烯氯纶氯纶 聚丙烯腈聚丙烯腈腈纶腈纶 聚丙烯聚丙烯丙纶丙纶 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料根据商品命名根据商品命名 还有直接引用的国外商品名称音译，还有直接引用的国外商品名称音译，例如例如: 聚酰胺又称尼龙聚酰胺又称尼龙 (Nylon)， 聚己二酰己二胺聚己二酰己二胺-尼龙尼龙-66 (nylon-66)， 聚癸二酰癸二胺聚癸二酰癸二胺-尼龙尼龙-1010，第一个数表示二元胺的碳原子数目，第二个数为二元第一个数表示二元胺的碳原子数目，第二个数为二元酸的，因此尼龙酸的，因此尼龙-610则是己二胺和癸二酸的缩聚产物。则是己二胺和癸二酸的缩聚产物

21、。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料IUPAC的系统命名法的系统命名法为为避免避免聚合物命名中的多名或不确切，国际纯化学和聚合物命名中的多名或不确切，国际纯化学和应用化学联合会（应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry）提出了以结构为基础的系统）提出了以结构为基础的系统命名法，命名法， 确定聚合物的最小重复单元。确定聚合物的最小重复单元。 排好重复单元中次级单元的次序。排好重复单元中次级单元的次序。 按小分子有机化合物的按小分子有机化合物的IUPAC命名法则来命名这命名法则来命名这个重复单元。个重复单元

22、。 在此重复单元命名前加一个在此重复单元命名前加一个“聚聚”字。字。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料IUPAC系统命名法的实例系统命名法的实例 (1) 聚环氧乙烷、聚环氧乙烷、 -CH2-CH2-On- 。 聚乙二醇、聚乙二醇、 -CH2-O-CH2n -。 聚氧乙醇，聚氧乙醇， -O-CH2-CH2n- 。 按原则按原则 2 所排的次级单元为所排的次级单元为-O-CH2-CH2n-， 按原则按原则 3 命名为氧化乙烯，命名为氧化乙烯，IUPAC命名，应叫聚氧化乙烯命名，应叫聚氧化乙烯 （Polyoxyethylene）。）。聚丁二烯聚丁二烯, -CH=CH-CH2-CH2

23、n-, 聚聚(1-次丁烯基）。次丁烯基）。聚氯乙烯聚氯乙烯, -CHCl-CH2-, 聚（聚（1-氯代乙烯）。氯代乙烯）。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料IUPAC系统命名法的实例系统命名法的实例 (2)聚对苯二甲酸乙二酯聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的重复单元应为的重复单元应为: 称聚（氧化乙烯氧化对苯二甲酰）。称聚（氧化乙烯氧化对苯二甲酰）。 聚亚苯基苯并二噻唑的聚亚苯基苯并二噻唑的IUPAC命名命名: Poly(benzo1,2-d;4,5-d bisthiazole-2,6-diyl)-1,4-Phenylene，聚，聚(苯并苯并1,2-并并;4,5-并并二噻唑二噻唑

24、-2,6-二基二基)-1,4-亚苯基亚苯基。 按按IUPAC命名比较严谨，但太繁琐。命名比较严谨，但太繁琐。IUPAC不反对继续不反对继续使用习惯命名。使用习惯命名。 O CH2 CH2O C C OOn 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料合成高分子的制备方法合成高分子的制备方法n 由小分子化合物单体制备聚合物的反应主要分为三类，它们由小分子化合物单体制备聚合物的反应主要分为三类，它们是缩合反应、加成反应和开环聚合。另一类是由一种聚合物是缩合反应、加成反应和开环聚合。另一类是由一种聚合物经过适当的高分子反应也可转化为另一种高分子化合物。经过适当的高分子反应也可转化为另一种高分子

25、化合物。n 加聚反应加聚反应 烯类单体通过加成而聚合起来的反应烯类单体通过加成而聚合起来的反应n 缩聚反应缩聚反应 单体通过官能团间的反应而形成高分子和排出小分子物质。单体通过官能团间的反应而形成高分子和排出小分子物质。n 开环聚合反应开环聚合反应n 高分子转化反应高分子转化反应聚合反应需要经历三个链引发、链增长和链终止三个聚合反应需要经历三个链引发、链增长和链终止三个过程。过程。CH2CH2CH2CH2nn 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料合成高分子的合成工艺合成高分子的合成工艺工艺流程如下：工艺流程如下：高 分 子 聚 合 物石 油 、 天 然 气 、 煤 炭 等聚 合高

26、 分 子 材 料加 工裂 解单 体 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料的合成反应高分子材料的合成反应n加聚反应：加聚反应：由不饱和低分子化合物相互加成或由环状化合物开环连由不饱和低分子化合物相互加成或由环状化合物开环连接成大分子的反应。接成大分子的反应。一种单体均聚物多种单体共聚物 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料的合成反应高分子材料的合成反应加聚反应：加聚反应： 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料的合成反应高分子材料的合成反应n缩聚反应：缩聚反应： 由具有两个以上官能团的低分子化合物聚合成高由具有两个以上官能团的

27、低分子化合物聚合成高分子化合物，同时析出某些小分子物质分子化合物，同时析出某些小分子物质(如水、氨、醇、如水、氨、醇、氯化氢等氯化氢等)的反应。的反应。一种单体一种单体均缩聚均缩聚多种单体多种单体混缩聚、共缩聚混缩聚、共缩聚 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料的合成反应高分子材料的合成反应缩聚反应：缩聚反应： 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料合成高分子的合成反应合成高分子的合成反应高分子是有不同分子量的高分子是有不同分子量的同系物所组成的同系物所组成的“混合混合物物”。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料聚乙烯的生产现场图聚乙烯的生产

28、现场图 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料的加工工艺高分子材料的加工工艺n 塑塑 料料注射成型（注射成型（注塑注塑） 浇铸成型（浇铸成型（铸塑铸塑）吹制成型（吹制成型（吹塑吹塑）模压成型（模压成型（压塑压塑）挤出成型（挤出成型（挤塑挤塑）定型的塑料制品定型的塑料制品热塑性的塑料板材、棒材、管材、热塑性的塑料板材、棒材、管材、异型材、薄膜、电缆护层等异型材、薄膜、电缆护层等大型热固性工程塑料制品大型热固性工程塑料制品塑料中空制品或薄膜塑料中空制品或薄膜热固性工程塑料热固性工程塑料成成 型型 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料的加工工艺高分子材料

29、的加工工艺注塑成型示意图注塑成型示意图 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料的加工工艺高分子材料的加工工艺螺杆挤出机结构示意图螺杆挤出机结构示意图 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料的加工工艺高分子材料的加工工艺n 橡 胶压延成型压延成型压出成型压出成型片材（胶片）片材（胶片）轮胎的胎面、内胎、电线和电缆的外轮胎的胎面、内胎、电线和电缆的外套以及各种异形断面的制品等套以及各种异形断面的制品等成成 型型混混 炼炼硫硫 化化配合剂配合剂+ +生胶生胶( (塑炼胶塑炼胶)混炼胶混炼胶线形链状结构线形链状结构少量交联的网状结构少量交联的网状结构塑塑 炼

30、炼生胶塑炼后分子量降低、可塑性增加生胶塑炼后分子量降低、可塑性增加 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子材料的加工工艺高分子材料的加工工艺n 纤维纤维熔体纺丝熔体纺丝湿法纺丝湿法纺丝干法纺丝干法纺丝熔体，空气中冷却熔体，空气中冷却成纤聚合物溶解成纺丝原液，在凝固浴中冷凝成纤聚合物溶解成纺丝原液，在凝固浴中冷凝在热空气套筒中使溶剂挥发在热空气套筒中使溶剂挥发纺丝纺丝纺丝原液制备纺丝原液制备初生纤维的后加工初生纤维的后加工纺丝纺丝 拉伸拉伸 热定型热定型 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料 在室温下，为什么有些高分子材料柔软而在室温下，为什么有些高分子材料柔软而

31、另外一些刚硬？另外一些刚硬？高分子的物理性能高分子的物理性能 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子的物理性能高分子的物理性能n 微观结构微观结构 链段的构象链段的构象( (高分子的分子量及其分布空间排列方式高分子的分子量及其分布空间排列方式) ) 链段的运动链段的运动 链段的相互作用链段的相互作用n 宏观性能宏观性能 力学性能力学性能 结晶性能结晶性能 热稳定性热稳定性 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子链分子运动特点高分子链分子运动特点1 1、多重性。多重性。运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子等。分子

32、等。 运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链或链运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链或链节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的重心位移节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的重心位移等。等。2 2、松弛性。、松弛性。具有时间依赖性的过程称为松弛过程。具有时间依赖性的过程称为松弛过程。 分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，提分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，提高温度和延长时间具有相同的效果，这称为时高温度和延长时间具有相同的效果，这称为时- -温等效温等效原理，或时原理，或时- -温转化效应。温转化效应。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料热

33、行为热行为热塑性与热固性热塑性与热固性n 热塑性塑料热塑性塑料：塑料加工固化冷却以后，再次加热仍然能够达到流动性，并可以塑料加工固化冷却以后，再次加热仍然能够达到流动性，并可以再次对其进行加工成型，也就是说具有良好的再加工性和再回收利用性，可重再次对其进行加工成型，也就是说具有良好的再加工性和再回收利用性，可重复循环。复循环。n 热固性塑料：热固性塑料：塑料经过一次加热成型固化以后，其形状就因为分子链内部进行塑料经过一次加热成型固化以后，其形状就因为分子链内部进行铰链而使形状达到稳定，再次对其加热也不能让其再次达到粘流态，而对其进铰链而使形状达到稳定，再次对其加热也不能让其再次达到粘流态，而对

34、其进行再次加工成型，也就是说热固性塑料不具有再次加工性和再回收利用性。行再次加工成型，也就是说热固性塑料不具有再次加工性和再回收利用性。(由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回到可塑状态。制品不溶不融。合物，受热后不能再回到可塑状态。制品不溶不融。)n 优点优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、易成形加工等；质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、易成形加工等；n 缺点缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，大多数品种易燃，耐热性差力学性能比金属材料差，表面硬度低，大多数品种易燃，耐热性差。 材料概论

35、材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料Tg：玻璃化转变温度玻璃化转变温度或或玻璃化温度玻璃化温度 Tf：高弹态与粘流态间的转变温度粘流粘流温度或软化温度温度或软化温度 Td：主链发生断裂的化学分解温度分解温度。玻璃态、高弹态和粘流态玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态称为聚合物的力学三态。力学状态力学状态 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料力学状态力学状态n 玻璃态（玻璃态（TTg）q模量高、形变小。具有虎克弹性行为，质硬而脆模量高、形变小。具有虎克弹性行为，质硬而脆q链段运动处于链段运动处于“冻结冻结”状态，链节、侧基、原子等在状态，链节、侧基、原子等在其平衡位置附

36、近做小范围振动其平衡位置附近做小范围振动 。n 高弹态（橡胶态高弹态（橡胶态TgTTf）q粘性流动，不可逆变形粘性流动，不可逆变形q整个分子链的移动整个分子链的移动 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料n 玻璃化转变：从玻璃态到高弹态之间的转变。玻璃化转变：从玻璃态到高弹态之间的转变。n 高聚物玻璃化转变不象低分子的晶体向液体的转变，它不是热力高聚物玻璃化转变不象低分子的晶体向液体的转变，它不是热力学上的相变，它处于非平衡状态。学上的相变，它处于非平衡状态。n 玻璃化转变温度玻璃化转变温度Tg：从分子运动的角度看，玻璃化转变温度：从分子运动的角度看，玻璃化转变温度Tg是是大分子链

37、段开始运动的温度。大分子链段开始运动的温度。n 玻璃化转变温度不象低分子玻璃化转变温度不象低分子的熔点是一个固定值，由于高聚物分的熔点是一个固定值，由于高聚物分子子的多分散性，它是一个温度范围，且随外力作用的大小，加热的多分散性，它是一个温度范围，且随外力作用的大小，加热的速度和测量的方法而改变。的速度和测量的方法而改变。n 玻璃化转变是一个松弛过程。在时间尺度不变时，凡是加速链段玻璃化转变是一个松弛过程。在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力减小等运动速度的因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力减小等结构因素，都使结构因素，都使Tg下降。下降。高分

38、子的玻璃化转变高分子的玻璃化转变 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料n 的实用意义：高聚物特征温度之一，表征高聚物的的实用意义：高聚物特征温度之一，表征高聚物的指标，可用来确定热塑性塑料的最高使用温度和橡胶指标，可用来确定热塑性塑料的最高使用温度和橡胶的最低使用温度。的最低使用温度。 高于高于 不能作塑料用；不能作塑料用； 低于低于 不能当橡胶用。不能当橡胶用。Tgn常温下处于玻璃态的高聚物通常用作塑料常温下处于玻璃态的高聚物通常用作塑料n常温下处于高弹态的高聚物通常用作橡胶常温下处于高弹态的高聚物通常用作橡胶n粘流态是高聚物成型的最重要的状态粘流态是高聚物成型的最重要的状态高

39、分子的玻璃化转变高分子的玻璃化转变TgTg 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料聚合物的典型应力聚合物的典型应力-应变曲线应变曲线弹性形变弹性形变(开始开始A点点)服从虎克定律，具有普弹性能；服从虎克定律，具有普弹性能； 运动单元：键长、键角；运动单元：键长、键角； eA为弹性伸长极限。为弹性伸长极限。强迫高弹形变强迫高弹形变(A点点E点点)大形变，加热可使形变恢复；大形变，加热可使形变恢复； eY ：高聚物对抗永久形变的：高聚物对抗永久形变的能力；能力； 运动单元：链段。运动单元：链段。应变硬化应变硬化 分子链取向排列，强度提高分子链取向排列，强度提高 运动单元：链段、大分子链

40、。运动单元：链段、大分子链。应变应力YABAYBAYBA-弹性极限；Y-屈服点；E-断裂点硬塑料应力纤维软塑料应变橡胶E 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料l分子量较大的晶态高聚物分子量较大的晶态高聚物Tm：分子无规排列，高弹态； Tf时：粘流态。 l一般分子量的晶态高聚物一般分子量的晶态高聚物 熔点Tm ：液体，粘流态 Tm粘流温度。l非完全晶态的高聚物非完全晶态的高聚物总的力学状态将随分子量的不同而变化。 力学状态力学状态晶态高聚物晶态高聚物 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料高分子的结晶高分子结晶有别于小分子无机物高分子结晶有别于小分子无机物的结晶。高分子

41、结晶是高分子链的结晶。高分子结晶是高分子链段折叠有序化的一个过程。通常段折叠有序化的一个过程。通常无法获得无法获得100%100%完美结晶高分子。完美结晶高分子。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料目前最小的聚合物晶体目前最小的聚合物晶体 1 Stephen Z. D. Cheng, Nature 448, 1006-1007(30 August 2007) 2 C. H. M. Weber et al, Nano Lett., 7 (7), 2024 -2029, 2007.Polyethylene (PE) nanoparticles with a hexagonal sh

42、ape (lateral size 25 nm, thickness 9 nm) were synthesized and stabilized in water under very mild conditions (15 oC, 40 atm) by a nickel-catalyzed polymerization in aqueous solution. 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料几种典型的高分子材料几种典型的高分子材料n聚乙烯n聚氯乙稀n聚苯乙烯n氟塑料n合成纤维 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料聚乙烯制品聚乙烯制品 材料概论材料概论 第四章

43、高分子材料第四章高分子材料聚乙烯聚乙烯(PE-Polyethylene)聚乙烯聚乙烯1939年开始工业化生产，目前产量最大，应用年开始工业化生产，目前产量最大，应用 最广泛。最广泛。低密度聚乙烯（低密度聚乙烯（LDPE）在各种聚乙烯中产量最大，主要在各种聚乙烯中产量最大，主要 生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、大棚膜等）；生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、大棚膜等）； 约约10%用于生产注塑用品。用于生产注塑用品。线型低密度聚乙烯（线型低密度聚乙烯（LLDPE）主要用于生产薄膜，厚度比主要用于生产薄膜，厚度比 低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。 用于生产扁丝，制造编织袋。

44、用于生产扁丝，制造编织袋。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料n 高密度聚乙烯高密度聚乙烯q注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。q中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装瓶等。中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装瓶等。q薄膜制品（约占薄膜制品（约占20%）：大量用于食品包装。）：大量用于食品包装。聚乙烯管材聚乙烯管材应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农业排灌应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。特点特点 质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命质轻、坚韧耐磨，力学性能良

45、好，使用寿命 长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠， 铺设费用低。铺设费用低。聚乙烯聚乙烯给水用HDPE管聚乙烯聚乙烯 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料n 超高分子量聚乙烯（超高分子量聚乙烯（UHMWPE）可作为工程塑料可作为工程塑料q在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域得到在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域得到重要应用。重要应用。q具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗磨损、具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗磨损、不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑板、储罐衬不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑板、储罐衬里等。里等。聚乙烯聚乙烯

46、材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC- polyvinyl chloride) 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料PSPS保温板保温板PSPS光纤光纤聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS-polystyrene） 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料氟塑料氟塑料聚四氟乙烯聚四氟乙烯（PTFE- Polytetraflouroethylene）。）。1950年首先由杜年首先由杜邦公司投产。有邦公司投产。有“塑料王塑料王”之称。是高结晶度聚合物。之称。是高结晶度聚合物。无熔融态无熔融态，分解温度，分解温度400 ，可在，可在260以下长期使用

47、，耐低温以下长期使用，耐低温达达-200 。力学性能优异，力学性能优异，光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。耐化学腐蚀性极强耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐王水，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐王水及沸腾的氢氟酸。具有塑料中及沸腾的氢氟酸。具有塑料中最好的电绝缘性能最好的电绝缘性能。用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、电绝缘等。用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、电绝缘等。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料合成纤维合成纤维n 涤纶涤纶n 尼龙（锦纶）尼龙（锦纶）n 聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛）聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛） 材料概论

48、材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料讨论：讨论： 也请同学们举一些例子。也请同学们举一些例子。 想象一下现代生活如果没有高分子材料，如何？想象一下现代生活如果没有高分子材料，如何？高分子材料应用极为广泛高分子材料应用极为广泛应用应用 防弹背心、火箭发动机外壳、导弹壳体防弹背心、火箭发动机外壳、导弹壳体阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳、直升飞机吊阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳、直升飞机吊绳、人造卫星电子部件等等。绳、人造卫星电子部件等等。高分子的应用高分子的应用 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料保鲜膜保鲜膜n 性能要求性能要求q保鲜、保洁、自粘保鲜、保洁、自粘q安全、无毒安全、

49、无毒n 市场上的保鲜膜市场上的保鲜膜q聚乙烯（聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯乙烯及其）、偏聚氯乙烯及其他材质他材质 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料聚合物光盘基片聚合物光盘基片n 性能要求性能要求q高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变形温度，高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变形温度，较好的机械性能和加工性能、低的双折射和成本等。较好的机械性能和加工性能、低的双折射和成本等。n 主要材料主要材料：q聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、改性双）、改性双酚酚A环氧树脂、非晶态聚烯烃等环氧树脂、非晶态聚烯烃等 材料概论材

50、料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料功能高分子材料功能高分子材料医用高分子医用高分子 导电高聚物导电高聚物 液晶高分子液晶高分子 智能聚合物智能聚合物 高吸水性树脂等高吸水性树脂等 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料生物医用高分子生物医用高分子n 医用高分子医用高分子q人工生物体软组织人工生物体软组织q人工生物体硬组织人工生物体硬组织n 药用高分子药用高分子q高分子药物高分子药物q高分子载药体系高分子载药体系n 医疗器械与诊断材料医疗器械与诊断材料 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料生物医用高分子生物医用高分子医用修复材料医用修复材料 龋齿密封材料、外科缝合

51、线、龋齿密封材料、外科缝合线、 高分子绷托、高分子绷托、 眼球人工玻璃体、眼球人工玻璃体、 隐形眼镜隐形眼镜人工脏器人工脏器 人造皮肤、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人人造皮肤、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人工肺、肾、肝、心脏等。工肺、肾、肝、心脏等。在美国，每年有在美国，每年有几百万件几百万件人工器件或修复材料人工器件或修复材料植入病人体内。植入病人体内。 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料导电高聚物导电高聚物n 共轭结构共轭结构-CH=CH-CH=CH-CH=CH- 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料

52、导电高聚物应用前景导电高聚物应用前景n 二次电池、太阳能电池二次电池、太阳能电池n 传感器传感器n 电磁屏蔽材料电磁屏蔽材料n 隐身材料隐身材料n 金属防腐金属防腐 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料B-2 Bomber (American) 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料F-117A Fighter (American) 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料A stealth ship 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料A stealth ship 材料概论材料概论 第四章高分子材料第四章高分子材料液晶高分子材料液晶高分子材料强度