千变万化的高分子材料LivingbetterbyChemistry课件

1、生活化學第七章千變萬化的高分子材料Living better by Chemistry1高分子材料的貢獻 (1)在人類歷史上，幾乎沒有什麼科學技術像高分子科學這樣對人類社會做出如此巨大的貢獻。在二十世紀初，可靠的聚合方法的發現，加上有關高分子理論，物理和工程的巨大進展，導致並推動了一場材料革命，這場材料革命至今仍在繼續地進行著。在二十一世紀，高分子科學及其相關技術面臨著新的機遇和挑戰。2高分子材料的貢獻 (2)每年全球生產約2億噸聚合物材料以滿足全世界60億人的使用需要。在此生產過程中，只消耗了全球原油年產量的4%。相對而言，全球每年採伐的木材料所等效的石油消耗卻要比聚合物大一個數量級。與全球

2、每年產生約500億噸生物物質相比，聚合物的產量是如此微不足道。聚合物材料的使用卻對全球經濟產生了巨大的影響，它對美國GDP的貢獻達到4%。在未來的世紀中，當全世界人口比現在多一倍時，聚合物的生產規模則可能是現在的三倍甚至四倍。3高分子材料的貢獻 (3)我們經常聽到高分子、大分子、聚合物、高聚合物這樣的稱謂，覺得神秘得不得了。其實，只要你有了一些基本的化學知識，就可增加很多的認識。首先，它們這幾個名詞是可以互相通用的，我們一概稱之“高分子”就可以了。高分子是有機化合物。有機化合物的特點是含有碳原子。碳原子與碳原子之間，碳原子與氫、氧、氮之間能形成穩定的共價鍵。由於碳原子是4價，所以可以形成為數眾

3、多、結構不同的有機化合物，已知的有機化合物的總數已接近千萬。在這龐大的有機化合物隊伍中，不乏具有各種特殊結構因而具有特殊功能的化合物。高分子新材料就是在這個基礎上發展起來的。4圖片說明：上圖：堆積如山的廢棄輪胎，可能成為蚊蟲孳長的溫床，目前仍然沒有合適有效率且低污染的處理方法。下圖：熱可塑性之高分子材料，經過分類、清潔程序，可以循環再製使用。資料來源：Chemistry for Changing Times，p.286。5高分子材料的貢獻 (4)高分子之所以稱為高分子，就是因為其分子量高，至少在1萬以上，高的可達幾百萬以上至上千萬。分子量高所帶來的性質上的變化，主要是使高分子化合物具有一定的機

4、械強度。高分子化合物不同於一般有機化合物，可以作為材料使用。還可以根據高分子的結構特徴，利用各種手段，改變這些結構，以製造出所需性能的產品；還可以引入具有功能性的基團，製出有功能的材料。6高分子材料的貢獻 (5)高分子材料有三大家族，塑膠、合成纖維和合成橡膠（它們在未加工前也稱為樹脂）。在全世界塑膠的通用品種中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品種的總產量在億噸左右。人工合成高分子的種類繁多，主要包括合成塑膠、合成橡膠、合成纖維和合成樹脂，而這4種也被稱作四大人工合成高分子材料。在合成纖維中滌淪（酸酯纖維）、腈綸（聚丙烯 纖維）、尼龍（聚腈胺纖維）早已進入千家萬戶。在合成橡膠中，丁苯橡膠

5、和順丁烯橡膠已經部分代替天然橡膠。7高分子材料的發展方向 (1)隨著生產和科學技術的發展，不斷對材料提出各種各樣的新要求。高性能化為滿足航太航空、電子資訊、汽車工業、家用電器等多方面技術領域的需要、要求材料的機械性能、耐熱性、耐久性、耐腐蝕性等性能進一步提高。8圖片說明：立即型的補胎劑，亦是一種高分子材料。資料來源：Chemistry_7e_ Raymond Ch-ang，p.2439高分子材料的發展方向 (2)高功能化主要包括電磁功能高分子材料、光學功能高分子材料、物質傳輸、分離功能高分子材料、生物功能高分子材料等。複合化以玻璃纖維增強材料為主的複合材料不僅在當前已進入大規模生產和應用階段，

6、而且在將來仍會有所發展。高性能的結構複合材料是新材料革命的一個重要方向。10高分子材料的發展方向 (3)精細化電子技術變化日新月異，要求原材料向高純化、超淨化、精細化、功能化方向發展。智慧化“材料的智慧化”是一項帶有挑戰性的未來的重大課題。智慧材料是使材料本身帶有生物所具有的高級功能，如預知預告性、自我診斷、自我修復、自我增殖、認識識別能力、刺激反應性、環境應答性等。111213化學纖維 (1)一般地說，人們把細而長的東西稱為纖維。如棉花、羊毛、麻之類的天然纖維的長度約為其直徑的一千倍三千倍。人員利用天然纖維的歷史非常悠久，有資料證明五千年前中國人就開始養蠶取絲。蠶絲織成的布雖然華麗，但價格昂

7、貴，所以人們一直試圖尋找合適的替代品。1887年Chardonnet用硝化纖維素製得了第一種人造絲。這種絲同蠶絲相比，雖然光澤相似，但卻不如蠶絲纖細、柔韌。14化學纖維 (2)1938年2月28日杜邦公司基礎化學研究所有機化學部的科學家卡羅瑟斯(Wallace H. Carothers, 18961937)合成了聚醯胺6,6。這種聚合物不溶於普通溶劑，具有263的高熔點，由於在結構和性質上接近天然絲，拉製的纖維具有絲的外觀和光澤，其耐磨性和強度超過當時任何一種纖維，而且原料價格也比較便宜。15合成橡膠 (1)在過去的幾千年間，人間所坐的車使用的一直是木製輪子，或者在輪子周圍加上金屬輪輞。在古德

8、伊爾發明了實用的硫化橡膠之後的1845年，英國工程師R. W.湯姆森在車輪周圍套上一個合適的充氣橡膠管，並獲得了這項設備的專利，到了1890年，輪胎被正式用在自行車上，到了1895年，被用在各種老式汽車上。16合成橡膠 (2)美國在戰後大力研究合成橡膠。氯丁橡膠，氯原子使氯丁橡膠具有天然橡膠不具備的一些抗腐蝕性能。它對於汽油之類的有機溶劑具有較高抗腐蝕性能，遠不像天然橡膠那樣容易軟化和膨脹。因此，像導油軟管這樣的用途，氯丁橡膠實際比天然橡膠更為適宜。氯丁橡膠首次清楚地表明，正如在許多其他領域一樣，在合在橡膠領域，試管中的產物並不一定只能充當天然物質的代用品，它的性能能夠比天然物質更好。17圖片

9、說明：許多球類產品都是利用高級的人工橡膠合成皮 ( 如：PU ) 製成。資料來源：Chemistry for Changing Times，p.162。18合成橡膠 (3)1955年美國人利用齊格勒在聚合乙烯時使用的催化劑（也稱齊格勒-納塔催化劑）聚合異戊二烯，首次用人工方法合成了結構與天然橡膠基本一樣的合成天然橡膠。不久用乙烯、丙烯這兩種最簡單的單體製造的乙丙橡膠也獲成功。此外還出現了各種具有特殊性能的橡膠。現在合成橡膠的總產量已經大大超過了天然橡膠。19高分子在醫學上的應用 (1) 高分子在醫學上的應用有兩種情況，一種是要求化學穩定性，無毒、無副作用、抗老化、耐疲勞，如所有的人工器官都要求

10、如此。另一則要求具有特殊功能，即在發揮了效用以後，還能被組織分解、吸收或迅速排出體外、如醫用縫線、高分子藥物、組織黏合劑等。20高分子在醫學上的應用 (2)人工心臟瓣膜、人工肺、人工腎、人工血管、人造血液、人工皮膚、人工骨骼、人工關節等人工器官，大都是用高分子材料製成，再加上藥用高分子以及用高分子材料製作的手術器械、醫護用品，使醫學領域發生了一場悄悄的變革。21生物高分子材料的進展 在自然界，通過二氧化碳、水和陽光周而復始地合成天然材料，這些天然材料具有優良的性能，廢棄物可以靠微生物降解，參加自然界生態大循環；同時生物界奇妙的遺傳技術將材料的特性一代一代地傳遞下去。如何運用生物技術來合成高分子

11、材料得到廣大科學工作者的關注，他們不斷致力於該領域的研究，並且取得了重大的進展。發現採用生物科技合成高分子材料比傳統方法更安全、更環保，成本也更低廉。22圖片說明：舊石器時代的尼安德塔爾人，使用獸皮製作衣服遮身保暖，而動物的毛皮，乃是具有胺基酸結構的天然高分子材料。資料來源：LIFE ON EARTH，p.286。23蜘蛛絲的研究 蜘蛛絲的特殊品質引起了科學工作者的興趣。蜘蛛絲研究所展的新一代材料的潛力以一種難以想像的方式來改變人們的生活，大自然生物合成的力量將在新的材料革命中起著十分主要的作用。24聚乳酸纖維 以聚乳酸為原料得到的製品，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及很好的生物降解性

12、，並且在可降解熱塑性高分子材料中PLA具有最好的抗熱性。25生物醫用材料 (1)生物醫用紡織品既屬於產業用紡織品領域，又屬於醫療器材範疇，它是生命科學和材料科學交叉的產物，目前已經成為各國研究的熱點。26生物醫用材料 (2)甲殼質纖維由於甲殼質或甲殼胺具有良好的生物相容性和適應性，並具有消炎、止血、鎮痛和促進肌體組織生長等功能，可促進傷口癒合，因此公認為保護傷口的理想材料。甲殼質及其衍生物的醫療保健功能有：免疫調節、降低膽固醇、抗菌、降血壓、脂質排泄、促進乳酸菌生長、促進傷口癒合以及細胞活性化等作用。27生物醫用材料 (3)骨膠原纖維骨膠是一種蛋白質，它在皮膚、骨骼、腱、血管、腸、眼角膜和牙齒

13、中擔負著個體保護以及保持形態的作用。28生物醫用材料 (4)海藻酸纖維海藻酸纖維可由濕法澤絲製備，當海藻酸鈣纖維用於傷口接觸層時，它與傷口之間相互作用，會產生海藻酸鈉、海藻酸鈣凝膠。這種凝膠是新水性的，可使氧氣通過而細菌不能通過，並促進新組織的生長。29航空航太特種高分子 (1) 航空航太特種高分子航空航太特種高分子是指用於航空航太用途的特殊高分子材料。包括：高比強、高比結構用高分子材料；超低溫、超高溫防護用高分子材料；吸收電磁波、江外線、聲波的隱身用高分子材料；減震、降噪的阻尼高分子材料等。30航空航太特種高分子 (2)防熱材料彈道式再入飛器和載人航天器放熱系統設計與材料問題一直是航太高技術

14、的關鍵問題。美國第一代載人太空船放熱材料是高密度酚醛/玻璃增強塑膠，返回地球時總加熱量92,000千焦每平方米，僅僅消耗了2.7公斤放熱材料。31航空航太特種高分子 (3)隱身材料隱身技術是當代先進科學技術最新成就之一，隱身材料是隱身技術最重要組成部分。美國50年代開始研究隱身技術，U-2和P-2V偵察機上採用寄生型吸波塗層，以降低雷達波向後反射。80年代以來，隱身技術有了重大突破，先後製造了F-18、F-19、B1B、B-2、F-117A、ATF、ATB等採用隱身材料的飛機。1988年11月22日，美國首次公開展示了B-2隱形轟炸機，能突破雷達防禦，並裝有隱小巡航導彈。32航空航太特種高分子

15、 (4)阻尼材料導彈火箭和空間飛行器的發動機在點帶工作和跨音速段的附面層干擾造成嚴重的振動和噪音環境，直接影響儀器儀錶的正常工作。阻尼材料可以達到減震降噪的目的。F-111戰鬥機的發動機進氣導向葉輪由於振動產生裂紋，每飛行60小時就要大修更換，在葉輪上採用約束阻尼層後，可飛行650小時，提高使用壽命10倍。用於阻尼材料的壓敏型膠和熱塑性塑膠主要有聚氨酯、聚氯乙烯、環氧類膠、氯丁橡膠和有機矽等。33高分子聚合物的應用 (1)高分子聚合物的應用上可分五大類：(1)塑膠； (2)橡膠；(3)纖維；(4) 表面處理及保護塗料；(5) 黏著劑。在許多情況下。同一種高分子聚合物兼具2種以上的用途。但其工業發展卻是相當獨立的。34高分子聚合物的應用 (2)在特殊應用的領域例如：軟性隱形眼鏡、人工血管、人造皮膚、電子材料製作的光阻劑、印刷電路板的基板、