高分子材料基础理论Chapter1

1、授课教师：信春玲Tel: 64452920 ,-mail: 办公室办公室:东区机械楼东区机械楼306 什么是高分子材料？什么是高分子材料？ 为什么学习？为什么学习？ 学什么？学什么？材料材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料什么是高分子材料？什么是高分子材料？广泛应用的四大材料之一广泛应用的四大材料之一塑料是高分子材料塑料是高分子材料橡胶是高分子材料橡胶是高分子材料合成纤维是高分子材料合成纤维是高分子材料涂料、粘合剂是高分子材料涂料、粘合剂是高分子材料天然高分子材料天然高分子材料高高分分子子材材料料家家族族塑塑 料料橡胶橡

2、胶合成纤维合成纤维涂料、粘合剂涂料、粘合剂天然高分子材料天然高分子材料高分子材料有哪些一般性质？ 重量轻（重量轻（light weight) 绝缘性（绝缘性（insulation） 耐腐蚀耐腐蚀 (corrosion resistance) 易加工成型（易加工成型（easy molding) 高弹性（高弹性（high elasticity) 具有一定的力学性能（具有一定的力学性能（mechanical property)高分子材料是由高分子化合物与少量添加剂组成的，具有一定使用性能的一类物质。高分子化合物，是指分子量很高并由高分子化合物，是指分子量很高并由共价键连接的一类化合物共价键连接的一类

3、化合物Macromolecules高分子化合物怎么得来的高分子化合物怎么得来的？是由小分子单体连接而成，通过聚合反应得来的是由小分子单体连接而成，通过聚合反应得来的C CHHCH3HCHHCCH3HCHHCCH3H聚丙烯聚丙烯聚合反应赋予高分子化合物的结构特点聚合反应赋予高分子化合物的结构特点：分子链由许多重复单元相互连接而成；分子链由许多重复单元相互连接而成；链状结构的基本形式；链状结构的基本形式；分子链足够长。分子链足够长。：为什么学习高分子材料为什么学习高分子材料？有用？有趣？薄膜吹塑过程注塑成型过程中空容器成型高分子材料高分子材料应用在国民经济和人应用在国民经济和人们生活的方方面面们生

4、活的方方面面l 交通（飞机、汽车、轨道交通）交通（飞机、汽车、轨道交通） 电子电器电子电器 建筑建筑 农业农业 包装包装 航空航天航空航天 医疗用品医疗用品轻量化、降低能耗轻量化、降低能耗电子电器产品电子电器产品轻质，绝缘，易成型，低成本建筑材料耐候性，耐腐蚀，隔热，低成本包装材料阻隔性，易成型，耐腐蚀，低成本航空航天航空航天生物医用材料各种功能材料高分子分离膜：高分子分离膜：海水淡化、反渗透、膜萃取、膜蒸馏海水淡化、反渗透、膜萃取、膜蒸馏等技术领域。等技术领域。各种功能材料发光材料：发光材料：交通领域通道标识、楼梯标识、标志线；交通领域通道标识、楼梯标识、标志线；发光涂料、发光壁纸、工艺品、

5、玩具、体育休闲用品发光涂料、发光壁纸、工艺品、玩具、体育休闲用品各种功能材料导电高分子材料：导电塑料，导电橡胶，导电纤导电高分子材料：导电塑料，导电橡胶，导电纤维维高分子材料发展迅速，总体积超过另外两高分子材料发展迅速，总体积超过另外两大类材料之和大类材料之和高分子材料由于来源丰富、制造方便，品种繁多，用途广泛，因此在材料领域的地位越来越突出，增长最快，如今，产量相当于金属、木材和水泥的总和。世界塑料工业世界塑料工业其中塑料是消费量最大的高其中塑料是消费量最大的高分子材料，分子材料，20072007年全世界共年全世界共消费消费2.62.6亿吨塑料亿吨塑料, ,约是钢材约是钢材体积消费量的体积消

6、费量的1.51.5倍倍高分子材料科学是个年轻的学科高分子材料科学是个年轻的学科19世纪，天然高分子材料的应用和改性世纪，天然高分子材料的应用和改性19世纪前期，木材、棉、麻、丝、毛、漆、橡世纪前期，木材、棉、麻、丝、毛、漆、橡胶、皮革等天然高分子材料在人们的生活和生胶、皮革等天然高分子材料在人们的生活和生产中得到广泛的应用。产中得到广泛的应用。19世纪后期，已经对一些天然高分子材料进行世纪后期，已经对一些天然高分子材料进行改性，如橡胶的硫化、皮革的鞣制、棉麻的处改性，如橡胶的硫化、皮革的鞣制、棉麻的处理等等理等等20世纪初，高分子材料科学创立准备期世纪初，高分子材料科学创立准备期Staudin

7、ger德国化学家 1920年，发表年，发表“论聚合论聚合”，首次提出链结构的模型，指首次提出链结构的模型，指出存在一类分子量很大的聚出存在一类分子量很大的聚合物，它们是由共价键连接合物，它们是由共价键连接起来的大分子。起来的大分子。1932年，年，Staudinger提出了提出了溶液粘度与分子量的关系式。溶液粘度与分子量的关系式。确立了大分子的存在。确立了大分子的存在。1953年，因此获得诺贝尔化年，因此获得诺贝尔化学奖学奖20世纪世纪30、40年代，高分子材料科学创立期年代，高分子材料科学创立期 “高分子有机化合物高分子有机化合物”出版，现在高分子概出版，现在高分子概念获得公认；念获得公认；

8、 随后，缩聚反应理论、橡胶弹性理论、链随后，缩聚反应理论、橡胶弹性理论、链式聚合反应和共聚理论等相继得到研究；式聚合反应和共聚理论等相继得到研究； 1935年，第一个工业化的高分子材料，尼年，第一个工业化的高分子材料，尼龙问世（龙问世（dupont公司）；并且一系列高分子公司）；并且一系列高分子材料被合成出来，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、材料被合成出来，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、高压聚乙烯、氯丁橡胶、丁基橡胶等。高压聚乙烯、氯丁橡胶、丁基橡胶等。20世纪世纪50年代，高分子工业确立，高分子合成大发展年代，高分子工业确立，高分子合成大发展Ziegler（德） Natta（意大利） 1953年，Ziegle

9、r（德）实现了乙烯的低压聚合（高密度聚乙烯），1955年Natta（意大利）实现了丙烯的定向聚合（全同聚丙烯），使高分子工业开始蓬勃发展。配位聚合催化剂统称为“Ziegler-Natta”催化剂，二人于1963年共同获得诺贝尔化学奖。 20世纪世纪60年代，高分子物理大发展年代，高分子物理大发展随着科技进步，测试仪器在高分子结构研究中的应用随着科技进步，测试仪器在高分子结构研究中的应用开发，人们对高分子的结构进行了较深入的研究和理开发，人们对高分子的结构进行了较深入的研究和理解，如进一步研究了高分子的结晶结构、高分子的粘解，如进一步研究了高分子的结晶结构、高分子的粘弹性、流变学等。弹性、流变学

10、等。美国科学家Flory ，高分子溶液，高分子溶液理论，分子量分布研究方面取得理论，分子量分布研究方面取得重大成就重大成就20世纪世纪70年代，高分子工程科学大发展年代，高分子工程科学大发展20世纪世纪80年代，高性能、功能材料、生物材料发展年代，高性能、功能材料、生物材料发展PE、PP高效催化剂研制成功，大大提高生产效率，且生产自动化、大型化程度大幅度提高。与此同时，为了满足材料多方面性能要求，聚合与此同时，为了满足材料多方面性能要求，聚合物共混理论得到发展。物共混理论得到发展。分子设计概念提出、复合材料深入研究，以及多种合成技分子设计概念提出、复合材料深入研究，以及多种合成技术发展，使得高

11、分子材料领域向高性能、多功能方面发展。术发展，使得高分子材料领域向高性能、多功能方面发展。 法国科学家吉尼法国科学家吉尼(Pierre-Gilles de Gennes)成功成功地将研究简单体系中有序现象的方法推广到高分子、地将研究简单体系中有序现象的方法推广到高分子、液晶等复杂体系。液晶等复杂体系。1991年被授予诺贝尔物理学奖。年被授予诺贝尔物理学奖。Alan J, HeegerAlan G. MacDiarmid白川英树白川英树导电聚合物导电聚合物抗静电材料、电磁屏蔽材料。太阳能电池等方面2000年三位科学家获得诺贝尔化学奖年三位科学家获得诺贝尔化学奖主要内容主要内容第一部分：高分子材料

12、的结构与性能第一部分：高分子材料的结构与性能l 绪论（绪论（3课时）课时）l 高分子化学基础（高分子化学基础（3课时）课时）l 高分子物理基础（高分子物理基础（18课时）课时）第二部分：高分子材料成型工艺第二部分：高分子材料成型工艺l 高分子材料配方设计（高分子材料配方设计（2课时）课时） l 高分子材料成型工艺（高分子材料成型工艺（12课时）课时）l 总复习（总复习（2课时）课时）学什么？学什么？1 1高分子概论高分子概论. . 代丽君，张玉军，姜华珺代丽君，张玉军，姜华珺主编，化学工业出版社（主编，化学工业出版社（20072007）2 2高分子物理高分子物理（第二版）金日光，华幼卿，（第二

13、版）金日光，华幼卿，化学工业出版社化学工业出版社3 3 塑料成型工艺学塑料成型工艺学（第二版）（第二版）. . 黄锐黄锐 主主编，中国轻工业出版社编，中国轻工业出版社4 4高分子材料成型加工高分子材料成型加工( (第二版）第二版）. . 周达飞周达飞 唐颂超唐颂超, ,轻工出版社轻工出版社(2000)(2000)5 5 其它有关高分子物理、高分子材料加工、塑其它有关高分子物理、高分子材料加工、塑料或橡胶加工的书籍。料或橡胶加工的书籍。参考书目：参考书目：课程要求课程要求u 掌握高分子材料的基本特性，特掌握高分子材料的基本特性，特别是材料的结构性能成型工艺别是材料的结构性能成型工艺设备之间的关系

14、设备之间的关系u 课程考核方式：课程考核方式： 平时成绩（考勤和作业）平时成绩（考勤和作业）3030 期末考试期末考试7070高分子材料中常用的基本概念高分子材料中常用的基本概念高分子高分子也叫也叫高分子化合物高分子化合物，是指分子量很高，是指分子量很高并由并由共价键共价键连接的一类化合物连接的一类化合物 Macromolecules, High Polymer, Polymer单体单体CH2 CHCH2-CH-CH2-CH-CH2-CHn低聚物低聚物分子量介于高分子量（分子量介于高分子量（10104 4以上）和低分以上）和低分子量之间的化合物。如异氰酸酯（子量之间的化合物。如异氰酸酯（502

15、502胶）、环氧树脂等的预聚体。胶）、环氧树脂等的预聚体。2) 2) 主链、侧基、支链主链、侧基、支链 高分子可看作由许多重复单元组成的一条长链高分子可看作由许多重复单元组成的一条长链（高分子链高分子链），长链的主干部分称为高分子的），长链的主干部分称为高分子的主链主链，与主链原子连接的原子或基团为与主链原子连接的原子或基团为侧基（取代基）侧基（取代基），由，由重复单元组成的分支部分称为高分子的重复单元组成的分支部分称为高分子的支链支链。C CHHCH3HCHHCCH3HCHHCCH3H聚丙烯聚丙烯主链支链侧基支支 链链3 3） 聚合度、分子量聚合度、分子量聚合度聚合度 ：一条高分子链：一条高

16、分子链所含有的重复单元的数目称为聚合度（所含有的重复单元的数目称为聚合度（DP）CH2CHCln00MDPMnM注意：绝大多数聚合物都是由不同链长的大分子链注意：绝大多数聚合物都是由不同链长的大分子链组成的，聚合度和分子量是大小不均一的大分子的组成的，聚合度和分子量是大小不均一的大分子的统计平均值统计平均值。1）根据性能和用途分类）根据性能和用途分类高分子材料的分类高分子材料的分类塑塑 料料橡橡 胶胶纤纤 维维涂料、黏合剂涂料、黏合剂 具有塑性行为的高分子材料，受力时能发生一定具有塑性行为的高分子材料，受力时能发生一定形变形变 （包括可逆和永久形变）。（包括可逆和永久形变）。塑塑 料料根据使用

17、特性根据使用特性塑料塑料通用塑料通用塑料工程塑料工程塑料特种工程塑料特种工程塑料产量大、用途广、成型性能好、价格便宜，产量大、用途广、成型性能好、价格便宜，如如PE、PP、PS、PVC等等具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构材料，如定性较好，可以用作工程结构材料，如PA、PC、PET、POM、PPO等等具有突出的特种性能的塑料，用于具有突出的特种性能的塑料，用于航空航天特殊应用领域，如航空航天特殊应用领域，如PEI、聚砜、聚砜、PEEK等有特殊耐热性等有特殊耐热性橡橡 胶胶 具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在很小具有可逆

18、形变的高弹性聚合物材料。在很小外力作用下，能产生较大形变，除去外力后能外力作用下，能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。恢复原状。按原料来源按原料来源橡胶橡胶天然橡胶天然橡胶合成橡胶合成橡胶由三叶橡胶树乳胶中提取而来，主要由三叶橡胶树乳胶中提取而来，主要成分为顺式聚异戊二烯，弹性好，强成分为顺式聚异戊二烯，弹性好，强度高，综合性能好度高，综合性能好人工合成的橡胶，如异戊胶、顺丁人工合成的橡胶，如异戊胶、顺丁胶、丁苯胶等胶、丁苯胶等纤纤 维维 聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成细而柔软的细丝，形成纤维。纤维具有弹性后形成细而柔软的细丝，

19、形成纤维。纤维具有弹性模量大，受力时形变小，强度高等特点。模量大，受力时形变小，强度高等特点。品种：聚酰胺（尼龙），聚酯（涤纶），聚丙烯腈（腈品种：聚酰胺（尼龙），聚酯（涤纶），聚丙烯腈（腈纶）、聚丙烯（丙纶），聚氯乙烯（氯纶）、芳纶等。纶）、聚丙烯（丙纶），聚氯乙烯（氯纶）、芳纶等。涂料、黏合剂涂料、黏合剂 具有一定的成膜性能附着在基体上，对基体起具有一定的成膜性能附着在基体上，对基体起保护或粘结作用。如丙烯酸酯类、异氰酸酯类等保护或粘结作用。如丙烯酸酯类、异氰酸酯类等2） 按主链结构分类按主链结构分类1.4 高分子材料的分类高分子材料的分类CHHCHHCHHCHHCHHCHHC CHHCH

20、3HCHHCCH3HCHHCCH3H特点特点：具有可塑性好，容易加工成型等优点，具有可塑性好，容易加工成型等优点，但耐热性差，易燃烧，耐老化性差等不足。但耐热性差，易燃烧，耐老化性差等不足。分子主链上除具有分子主链上除具有C C原子外，还含有原子外，还含有O O、S S、N N等杂原子。如尼龙、聚酯、聚砜等杂原子。如尼龙、聚酯、聚砜特点：主链具有极性，容易吸水，加工特点：主链具有极性，容易吸水，加工前需干燥处理，耐热性好，强度高，做前需干燥处理，耐热性好，强度高，做工程塑料用。工程塑料用。分子主链不含碳原子，由硅、氧、氮、硼等分子主链不含碳原子，由硅、氧、氮、硼等组成，但侧基是有机基团。如硅橡

21、胶组成，但侧基是有机基团。如硅橡胶特点：既具有无机物的热稳定性，又有有机特点：既具有无机物的热稳定性，又有有机物的弹塑性；缺点是强度较低。物的弹塑性；缺点是强度较低。分子主链不含碳原子，侧基也不含碳原子，分子主链不含碳原子，侧基也不含碳原子，完全由其它原子组成。完全由其它原子组成。特点：这些元素的成键能力较弱，所以该类特点：这些元素的成键能力较弱，所以该类高分子的分子量较低，且易水解；但具有优高分子的分子量较低，且易水解；但具有优异的耐高温性能。异的耐高温性能。 聚二硫化硅聚二硫化硅聚偏磷酸及其盐类聚偏磷酸及其盐类 重要的碳链聚合物：重要的碳链聚合物：重要的杂链聚合物：重要的杂链聚合物：3）根

22、据高分子受热后的形态变化：分）根据高分子受热后的形态变化：分为为热塑性高分子热塑性高分子和和热固性高分子热固性高分子热塑性高分子热塑性高分子受热后会从固体状受热后会从固体状态逐步转变为流动状态。这种转态逐步转变为流动状态。这种转变理论上可重复无穷多次。热塑变理论上可重复无穷多次。热塑性高分子是可以再生的。性高分子是可以再生的。如：如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和涤纶树脂和涤纶树脂等。绝大多数高分子化合物为热等。绝大多数高分子化合物为热塑性高分子。塑性高分子。 热固性高分子热固性高分子受热后先转变为流动受热后先转变为流动状态，进一步加热则转变为固体状态。状态，进一步加热则转变为固体状态。这种转变是不可逆的。即热固性高分这种转变是不可逆的。即热固性高分子是不可再生的。子是不可再生的。如：如：酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、硫化橡胶饱和聚酯、聚氨酯、硫化橡胶等。等。高分子材料的命名高分子材料的命名 习惯命名法习惯命名法 商品命名法商品命名法 IUPAC命名法命名法乙烯乙烯聚乙烯聚乙烯氯乙烯氯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯苯乙烯苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯甲基丙烯酸甲酯甲基