材料制备与加工原理：第1章 高分子科学的发展概况

1、材料制备与加工原理 材料科学与工程学院Polymer Materials高分子材料高分子基本概念（2学时）高分子材料的成型加工(重点)（10学时）纤维增强高分子复合材料和可降解高分子材料（2学时）本课程内容 (18学时)聚合反应和聚合方法（4学时）认识高分子与高分子材料高分子无处不在！现实生活中的高分子材料现实生活中的高分子材料现实生活中的高分子材料现实生活中的高分子材料现实生活中的高分子材料现实生活中的高分子材料现实生活中的高分子材料现实生活中的高分子材料现实生活中的高分子材料白色污染天 然 高 分 子的 直 接 利 用天 然 高 分 子的 化 学 改 性天然橡胶的硫化, 硝化纤维的合成等淀

2、粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等聚酰胺、聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯高 分 子 合 成高 分 子 时 代高分子科学的发展概况发展历史短（一个世纪） 20世纪30年代高分子才得到公认 50年代才蓬勃发展 80年代开始进入千家万户（1亿吨/年）发展快，每年约12-15增长我国有：大庆、齐鲁、杨子、燕山和金山等石化基地 高 分 子 科 学高 分 子 化 学研究聚合反应和高分子化学反应原理，选择原料、确定路线、寻找催化剂、制订合成工艺等。研究聚合物的结构与性能的关系，为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。高 分 子 物 理高 分 子 加 工研究聚合物加工成型的原理与工艺。 高分子科学

3、既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。高 分 子 科 学 至今高分子科学诺贝尔奖获得者H. Staudinger （德国） : 把“高分子”这个概念引进科学领域，创立了高分子学说（1953年） K.Ziegler（德国）, G.Natta （意大利） : 乙烯、丙烯配位聚合（1963年）P. J. Flory (美国）: 聚合反应原理、高分子物理性质与结构的关系（1974年）。de Gennes(法国)：软物质、液晶（1991年）。 H. Shirakawa白川英树(日本), Alan G. MacDi

4、armid (美国), Alan J. Heeger (美国) ：对导电聚合物的发现和发展（2000年）。英国曼彻斯特大学安德烈盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）：石墨烯（2010年）l我国高分子研究起步于50年代初，唐敖庆于1951年，发表了首篇高分子科学论文。 l长春应化所1950年开始合成橡胶工作（王佛松，沈之荃）；l冯新德50年代在北京大学开设高分子化学专业。l何炳林50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。l钱人元于1952年在应化所建立了高分子物理研究组，开展了高分子溶液性质研究。l钱保功50年代初在应化所开始了高聚物

5、粘弹性和辐射化学的研究。l徐僖先生50年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。l王葆仁先生1952年上海有机所建立了PMMA、PA6研究组。 我国高分子领域的中科院院士：王葆仁 冯新德 何炳林 钱保功 钱人元 于同隐 徐僖 王佛松 程镕时 黄葆同 卓仁禧 沈家骢 林尚安 沈之荃 白春礼 周其凤 曹 镛 杨玉良等。我国高分子科学的发展1.1 高分子基本概念高 分 子也叫聚合物或大分子。主链由1共价键结合，具有2高的分子量，其结构必须是由3多个重复单元所组成，并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子（单体）衍生而来。概括的说，高分子是由许多相同的重复单元通过化学键连接而成的大分子。Po

6、lymer, Macromolecule 聚氯乙烯高 分 子小 分 子聚 合 反 应Polymerization单 体单 体: 能够进行聚合反应，并转化成高分子基本结构组成单元的小分子。Monomer1.1 高分子基本概念聚合物中化学组成相同的最小单元，又称为链节重 复 单 元如聚丙烯，单体是：CH2=CH-CH31.1 高分子基本概念每个聚合物分子所含结构单元的数目。聚 合 度Degree of Polymerization，DP在大分子链中出现的以单体结构为基础的原子团结构单元 Structure Unit 2n聚对苯二甲酸乙二酯，涤纶，PETn1.1 高分子基本概念 聚合物 单 体 结构

7、单元 聚合度 高分子链的末端结构单元。末 端 基 团End Groups涤纶：1.1 高分子基本概念1.2 高分子材料的结构特点由很多结构单元组成，单元间以共价键连接主链有内旋转自由度单元间、链之间范德华力作用明显可交联，交联对力学性能影响大聚集态分结晶态和非晶态，结晶不完整高分子材料常是多种填料、助剂和色料的混合物，织态结构复杂I. 习惯命名法天然高分子一般有与其来源、化学性能与作用、主要用途相关的专用名称。如纤维素（来源）、核酸（来源与化学性能）、酶（化学作用）。合成高分子（1）由一种单体合成的高分子：“聚”+ 单体名称 如聚氯乙烯、聚乙烯等（2）假想单体名称前加 “聚” 如聚乙烯醇1.3

8、 高分子的命名（3）由两种单体通过链式聚合反应合成的共聚物： 两单体名称或简称之间 +“-”+“共聚物”：如乙烯和乙酸乙烯酯的共聚产物叫“乙烯-乙酸乙烯酯共聚物”（4）“聚”+高分子主链结构中的特征功能团： 指的是一类的高分子，而非单种高分子，如： 聚酯： 聚酰胺：1.3 高分子的命名1.3 高分子的命名这种命名法在热固性树脂和橡胶中常用，取单体名或简称，后缀为“树脂”二字或“橡胶”二字。如：酚醛树脂是有苯酚和甲醛聚合而成环氧树脂是由环氧化合物为原料聚合而成丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯共聚而成（5）根据聚合物的组成来命名II. 根据商品名或俗称来命名尼龙聚酰胺特氟隆聚四氟乙烯涤纶聚对苯二甲酸乙二

9、醇酯腈纶聚丙烯腈有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯电木酚醛树脂电玉脲醛树脂1.3 高分子的命名来 源天然高分子：自然界天然存在的高分子。半天然高分子：经化学改性后的天然高分子。主链元素组成碳链高分子：主链（链原子）完全由C原子组成。杂链高分子：主链原子除C外，还含S,O,N等杂原子。元素有机高分子：主链由Si,B,Al,O,N,S,P杂原子组成。合成高分子：由单体聚合人工合成的高分子。1.4 高分子的分类碳链高分子杂链高分子元素有机高分子聚乙烯聚丙烯聚乙二醇尼龙-6聚二甲基硅氧烷1.4 高分子的分类按性能和用途分类塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料、功能高分子高分子分类橡胶是有机高分子弹性化合物。在很宽的温

10、度（50150）范围内具有优异的弹性，所以又称为高弹体。能把各种材料紧密地结合在一起的物质。涂布在物体表面而形成具有保护和装饰作用膜层的材料。具有特定的功能作用，可作功能材料使用的高分子化合物。在常温下具有固定的形状和强度，在高温下具有可塑性的高分子化合物。在外力的作用下，可以产生形变，加工成任何所需的形状。纤维是指长度比其直径大很多倍(大于1000/1)，并具有一定柔韧性的纤细物质。塑 料明德至诚 博学远志按加工热塑性塑料和热固性塑料项目热塑性塑料热固性塑料加工特性受热软化、熔融、塑制成一定形状，冷却后固化定型未成型前受热软化，熔融可塑制成一定形状，在热和固化剂作用下，一次硬化定型重复加工性

11、再次受热，仍可软化、熔融，反复多次加工受热不熔融，达到一定温度分解破坏，不能反复加工溶剂中情况可溶不溶化学结构线性高分子由线性分子变为体形分子举例PE、PP、PVC、ABSPF、UF、MF、EP塑料的分类通用塑料产量大、价格较低、力学性能一般，主要作非结构材料使用的塑料。如PVC、PE、PP、PS等工程塑料一般指可作为结构材料使用，能经受较宽的温度变化范围和较苛刻的环境条件，具有优异的力学性能、耐热、耐磨性能和良好的尺寸稳定性的塑料。主要品种有PA、POM、PC、ABS、PTFE等用途结构式:性能：化学性质非常稳定，耐酸、碱，耐溶剂性能好，吸水性低，无毒，受热易老化 用途：制造食品包装袋、各种

12、饮水瓶、容器、玩具等；还可制各种管材、电线绝缘层等 第四代聚乙烯（超高分子量聚乙烯）高韧性、高耐磨。（1）聚乙烯 (PE)结构式:性能：强极性，绝缘性好，耐酸碱，难燃，具有自熄性。缺点是介电性能差，在100 120即可分解出氯化氢，热稳定性差 用途：制造水槽，下水管；制造箱、包、沙发、桌布、窗帘、雨伞、包装袋；还可做凉鞋、拖鞋及布鞋的塑料底等（2）聚氯乙烯（PVC)(3) ABS 塑料化学名称：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 性能：无毒、无味，易溶于酮、醛、酯等有机溶剂。耐磨性、抗冲击性能好 用途：用于家用电器、箱包、装饰板材、汽车、收音机等零部件丁二烯：提供韧性和耐寒性、抗冲性；苯乙烯： 赋予

13、刚性、光泽性、电性能和易加工性；丙烯腈： 提供耐热性、化学性、 耐候性（4）聚碳酸酯(PC)用作工程塑料的只有双酚A型的芳香族聚碳酸酯。性能：坚硬、耐高温、良好的机械性能、电绝缘性好、韧性好、抗冲击性好、透明度高 用途：制造继电器盒盖，计算机和磁盘的壳体、荧光灯罩、汽车及透明窗的玻璃等结构式:改良的聚碳酸酯材料 透明塑料制成的新款eXasis概念汽车 2007.3日内瓦性能：耐酸碱，耐腐蚀，化学稳定性好，耐寒，绝缘性好，耐磨。缺点是刚性差、加工性能差结构式:用途：可用作高温环境中化工设备的密封零件，无油润滑条件下作轴承、活塞等，还可做电容器、电缆绝缘材料 （5）聚四氟乙烯（PTFE，塑料王）橡

14、 胶来源天然橡胶合成橡胶从自然界含胶植物中制取的一种高弹性物质用人工合成的方法制得的高分子弹性材料分类合成橡胶通用合成橡胶特种合成橡胶性能与天然橡胶相同或相近、广泛用于制造轮胎及其他大量橡胶制品的橡胶品种。如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶具有耐寒、耐热、耐油、耐臭氧等特殊性能，用于制造特定条件下使用的橡胶制品。如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶按其性能和用途（1) 天然橡胶 天然橡胶的分子链由异戊二烯链节组成。 此外，还含有一定量的水分、蛋白质、灰分等。 具有一系列优良的物理机械性能和加工性能，是综合性能最好的橡胶。橡胶工人从橡胶树上提取橡胶橡树之泪 优点：弹性高，是当前橡胶中弹性

15、最高的一种； 耐低温性能好，玻璃化温度为-105；耐磨性能优异，滞后损失低，生热性低，耐屈挠性好；与其它橡胶相容性好。 主要用于制造轮胎，也用于制造胶鞋、胶辊等耐磨性制品(BR)(2) 聚丁二烯(顺丁橡胶)以丁二烯为单体聚合而得的一种通用合成橡胶。丁苯橡胶：是以丁二烯和苯乙烯为单体共聚而得的高分子弹性体。结构式：最早工业化的合成橡胶，1937年德国首先实现工业化生产。其产量和消耗量在合成橡胶中占第一位，占50%以上。特点：耐磨性和气密性好，抗撕裂性和耐老化性较佳，但强度和弹性差(3) 丁苯橡胶 (SBR)用途：广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料丁基橡胶是异丁烯

16、和少量异戊二烯的共聚物，为白色或暗灰色透明弹性体。结构式丁基橡胶于1943年美国开始工业生产。发展较快，已成为通用橡胶之一。 (4)丁基橡胶 (IIR)特点：气密性最好的橡胶，气透率约为天然橡胶的1/20，顺丁橡胶的1/30用途：主要用于制作内胎，也可用于制作无内胆轮胎的密封层。热塑性弹性体常温下能显示橡胶弹性在高温下又能塑化成型的高分子材料。如SBS热塑性弹性体热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomer，TPE）自1958年问世以来，引起极大重视，被称为“橡胶的第三代”，得到迅速的发展。目前已经工业化生产的有聚烯烃类如热塑性三元乙丙橡胶TPV（PP/EPDM动态硫化）、丁基

17、橡胶接枝改性聚乙烯，苯乙烯嵌段共聚类如SBS、SIS、SEBS等，聚氨酯TPU和聚酯类TPEE。动态硫化：是指将橡胶与不能硫化的热塑性聚合物在高温、高剪切的混合器中熔融共混，在交联剂的作用下将橡胶硫化，得到粒状的硫化橡胶相，并细微的分散于树脂中。明德至诚 博学远志纤 维合成纤维天然纤维羊毛棉聚酰胺纤维（锦纶）聚酯纤维(涤纶）聚丙烯腈纤维（腈纶）分类性能：强韧耐磨、弹性高、质量轻，染色性好，较不易起皱，抗疲劳性好。吸湿率为3.5%5.0%，在合成纤维中是较大的，吸汗性适当，但容易走样 用途：约一半作衣料用，一半用于工业生产。在工业生产应用中，约1/3是做轮胎帘子线。结构式:(1) 聚己二酰己二胺

18、纤维（锦纶-66，尼龙-66）性能：显著优点是：抗皱、保型、挺括、美观。对热、光稳定性好。润湿时强度不降低，经洗耐穿，可与其他纤维混纺。年久不会变黄。缺点是不吸汗，而且需要高温染色 结构式:用途：是产量最大的合成纤维，大约90%作为衣料用（纺织品为75%，纺织物为15%）。用于工业生产的只占总量的6%左右 (2) 聚对苯二甲酸乙二醇酯(涤纶、的确良)性能：具有与羊毛相似的特性，质轻，保温性和体积膨大性优良。强韧（与棉花相同）而富有弹性，软化温度高。吸水率低，不适宜作贴身内衣。缺点是强度不如尼龙和涤纶 结构式:用途：大约70%作衣料用（纺织物占60%左右），用于工业生产的只占5%左右 (3) 聚

19、丙烯腈纤维(腈纶、人造羊毛)性能：亲水性好，吸湿率可达5%，和尼龙相当，与棉花（7%）相近。强度与聚酯或尼龙相近，拉伸弹性比羊毛差，比棉花好 结构式:用途：70%用于工业生产，其中以布和绳索居多。可代替棉花作衣料用 (4) 聚乙烯醇纤维（维纶、维尼纶）功能高分子功能高分子材料的发展功能高分子材料于20世纪60年代末开始得到发展。 功能高分子是指具有化学反应活性、催化性、光敏性、导电性、磁性、生物相容性、药理性、选择分离性，或具有转换或贮存物质、能量和信息作用等功能的高分子及其复合材料。目前已达到或即将实用化的功能高分子有：离子交换树脂、分离功能膜、光刻胶、感光树脂、高分子缓释药物、人工脏器、高

20、分子敏感元件、高导电高分子、高分辨能力分离膜、高感光性高分子、高分子太阳能电池等等。高吸水性树脂高吸水性树脂具有优异的吸水、保水功能，可吸收自身重量几百倍、上千倍，被冠予“超级吸附剂”的桂冠。主要类型有聚丙烯酸酯类、聚乙烯醇类、醋酸乙烯共聚物类、聚氨酯类、淀粉接校共聚物类等。高分子膜是指那些由具有特殊分离功能的高分子材料制成的薄膜（如醋酸纤维素分离膜），能有选择地分离物质。目前应用于海水淡化、反渗透、膜萃取、膜蒸馏等技术领域。高分子分离膜光敏高分子材料以光敏树脂为代表，主要用于照相、印刷制版、印刷集成电路等。光敏高分子材料 1950年人们逐渐开始配戴材质是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的隐形眼镜

21、，具有优越的光学特性，又能矫正角膜性散光。1960年捷克学者利用十年的时间发明了软性隐形眼镜的材料，就是一直延用至今的聚甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）。功能高分子材料隐形眼镜 在塑料中加入蓄光型发光材料经加工就可制成发光塑料。发光塑料是近年来兴起的一种高附加值新型功能材料。其产品如：交通领域通道标识、楼梯标识、标志线；发光涂料、发光开光、发光壁纸、工艺品、玩具、体育休闲用品。功能高分子材料发光塑料导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。目前，它已成为一门新型的多学科交叉的研究领域，并在世界范围内吸引了一大批材料设计专家。功能高分子材料导电高分子材料液晶高分子作为一类新型的高性能材料，极大地引起了科学界和工业界的关注，得到了广泛的应用，并发展为高分子科学中最活跃的领域之一。液晶高分子竹子地板地毯则可以选择耐久的羊毛制品或者PET地毯主要采用水性涂料、粉末涂料和辐射固化涂料等用于户外美化环境的产品：可以回收的塑料做成长椅、桌子和交通标志牌。绿色建材 生物降