材料科学与工程专业 《高分子材料学》绪论

高分子材料学PolymersScience

材料科学与工程专业简练而不失深度全面又不失重点朱熹训学斋规《读书》

……余尝谓，读书有三到，谓心到，眼到，口到。心不在此，则眼不看仔细，心眼既不专一，却只漫浪诵读，决不能记，记亦不能久也。三到之中，心到最急。心既到矣，眼口岂不到乎？听课三到：心到、眼到、手到。《高分子材料学》第一章绪论第二章高分子材料性能特点第三章塑料材料第四章弹性体材料第五章聚合物基复合材料第六章功能高分子材料概论第七章高分子材料的可持续性发展张留成、瞿雄伟、丁会利,《高分子材料基础》,北京：化学工业出版社，2007.徐坚、瞿金平、薛忠民、姜振华，《高分子材料与工程》，北京：科学出版社，2008.国家自然科学基金委员会工程与材料科学部，《有机高分子材料科学》，北京：科学出版社，2006.马建标，《功能高分子材料》（第二版），北京：化学工业出版社，2010.何曼君等，《高分子物理》（第三版），上海：复旦大学出版社，2007.Adisa

Azapagic等，《高分子材料-环境与可持续发展》，北京：化学工业出版社，2006.WilliamD.Callister,Jr.,“FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering”，北京：化学工业出版社，2009（影印版）丁会利等，《高分子材料及应用》，北京：化学工业出版社，2012.主要参考书目：①《高分子学报》②《高分子材料科学与工程》③《合成纤维》④《塑料工业》⑤《中国塑料》⑥《合成橡胶工业》⑦《JournalofAppliedPolymerScience》⑧《Polymer》⑨《PolymerEngineeringandScience》⑩《Macromolecules》相关杂志：材料发展的历程示意图

什么是高分子材料？

区分：

高分子、聚合物、高分子材料定义：以聚合物或以聚合物为主，辅以各种添加剂等物质经加工而成的材料。

1、绪论

高分子定义：高分子量的化合物

(>10000)。

别称：聚合物－Polymer

大分子－Macromolecule由许多相同的、简单的重复单元通过共价键重复连接而成。不一定有规律，并非由简单的重复单元连接而成，仅是分子量大。1、绪论

IPUAC:UnionPureandAppliedChemistry聚合物：由许多相同的、简单的重复单元通过共价键重复连接而成。

1、绪论

单体：通过反应能制备聚合物分子的物质。

聚合物按重复单元数划分：

低聚物Oligomer高聚物Highpolymer

摩尔平均质量<10000

高分子材料用基本成分。

1、绪论

聚合物按聚合单体种类数划分：

均聚物homopolymer共聚物copolymer

一种单体聚合而成。

二种或二种以上单体聚合而成。

1、绪论

聚乙烯聚氯乙烯聚丙烯

例：几个常用的聚合物的分子结构式：1、绪论

Figure1.1Classificationschemeofthemethodsofpreparationofpolymers聚合反应高分子反应连锁聚合逐步聚合形成高分子的方法复合材料缩聚反应

加聚反应

1、绪论

缩聚反应

单体官能团之间的反应；

有低分子副产物生成;1、绪论

Hexamethylene

diamine+AdipicacidWater+H2O6,6-NylonFigure1.2Thecondensationreactionfor6,6-Nylon1、绪论

尼龙（Nylon）卡罗瑟斯（1896-1937）美国有机化学家

1、绪论

单体具有不饱和键（双键或三键）；加聚反应

反应分三步构成：链引发、链增长、链终止；反应没有副产物生成。引发剂1、绪论

2.1.4聚合反应简介

链引发：

引发剂分解产生初级自由基初级自由基激活单体，产生单体自由基2.1.4聚合反应简介

链增长（速度极快）：

单体不断加成到自由基上，形成一条增长着的链自由基2.1.4聚合反应简介

链终止：链自由基稳定化。Youmightsaythatanadditionpolymerislikeagoodfriendwhoacceptseverythingaboutyou,thepleasantandtheunpleasantalike.

Butacondensationpolymerismorelikeasnottysocialclubthatsays,"Sureyoucanjoin,butonlyifyouditchthosefriendsofyours".

基本特点：大

多分散性

只具有统计意义数均摩尔质量(按分子数统计平均)

—

Mn质均摩尔质量(按质量统计平均)

—Mw

聚合物摩尔平均质量（简称分子量）

1、绪论

分布的宽窄

—

———

Q＝Mw/Mn

Xw/Xn

多分散性指数质均聚合度数均聚合度

*

聚合度：高分子链中所含重复单元

的平均数目。1、绪论

摩尔平均质量的多分散性1、绪论

聚合物摩尔平均质量与其物理状态有关

聚合物摩尔平均质量与其力学性能、加工性能有关1、绪论

利用天然高分子合成高分子问世奠定高分子化学学科理论基础高分子材料大发展功能材料、复合材料快速发展1、绪论–

高分子材料发展历程

天然高分子利用

7000多年前，天然油漆

我国已使用天然油漆涂饰船只。中国漆(大漆)1839年，天然橡胶硫化美国人古德伊尔（CharlersGoodyear）。

1869年，第一种人造塑料-赛璐珞（Celluloid，硝化纤维素）美国人海厄特（JhonWesleyHyatt）。

1887年，第一种人造丝

硝化纤维素，CountHilairedeChardonnet.1、绪论–

高分子材料发展历程

合成高分子问世

1909年，第一种合成塑料-酚醛塑料（电木）（LeoHendrik

Baekeland）

1935年，第一个合成纤维-尼龙-6,6

（WallaceH.Carothers)

奠定高分子化学学科基础

（德国精英科学家HermannStaudinger）

20世纪20年代，提出：高分子物质是由具有相同化学结构的单体，经聚合反应通过共价键连接在一起的长链分子。

1930－40年代，聚合方法及理论发展。

1、绪论–

高分子材料发展历程

高分子材料大发展

1950年代，配位聚合（CoordinationPolymerization)

齐格勒（KarlZiegler），德国人。纳塔（GiulioNatta），意大利人。

1960－70年代，高性能化，特种高分子合成

高强度、高模量、耐高温等。功能、复合高分子材料快速发展

1980－

功能高分子：导体和半导体高分子、磁性高分子、光敏高分子、生物医用高分子、液晶高分子、高分子催化剂……

高分子合金：不同的高分子混合。

复合高分子材料：与玻璃纤维、碳纤维等复合，如玻璃钢等。1、绪论–

高分子材料发展历程

高分子科学领域Nobel奖获得者：

H.Staudinger

"forhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry"

突破有机化学的传统观念，首先提出了高分子的概念，以大量先驱性工作为高分子化学奠基开创了高分子学科。1953年，化学奖

KarlZiegler

GiulioNatta(德国)(意大利)"fortheirdiscoveriesinthefieldofthe

chemistry

andtechnologyofhighpolymers"

1953年，

Ziegler：

Ziegler催化剂，低压聚乙烯合成方法；1954年，Natta：改进Ziegler催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。1963年，化学奖1974年，化学奖"forhisfundamentalachievements,boththeoreticalandexperimental,inthephysicalchemistryofthemacromolecules"利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高分子分子量分布，即最可几分布，并利用动力学实验证实了等活性假设；引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性分子，产生了凝胶理论；Flory-Huggins格子理论；1948年作出了最重要的贡献，即提出“排除体积”理论和θ温度概念；著作“Principlesofpolymerchemistry”

（1953）是高分子学科中的Bible。1991物理奖

对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论从临界现象认识分子，在物理-化学之间架设了桥梁提出“软物质”概念“fordiscoveringthatmethodsdevelopedforstudyingorderphenomenainsimplesystemscanbegeneralizedtomorecomplexformsofmatter,inparticulartoliquidcrystalsandpolymers”Pierre-GillesdeGennes2000年

化学奖HidekiShirakawa

,AlanJ.HeegerAlan

G.MacDiarmid

"forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers"l 唐敖庆于1951年，发表了首篇高分子科学论文。

l 王佛松，沈之荃于长春应化所1950年开始合成橡胶工作。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粘弹性和辐射化学的研究。l

徐僖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1952年上海有机所建立了PMMA、PA6研究组……我国高分子科学与工程的发展-起步于1950’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周其凤曹镛杨玉良阎德岳吴奇江明张希唐本忠张俐娜……(一)按照聚合物的来源分类

天然高分子材料改性的天然高分子材料合成高分子材料改性合成高分子材料

如：纤维素硝基纤维素

棉、毛织物；木材、麻纸

小分子原料经化学反应和聚合方法合成。如：PE、PVC、PP……

聚合物经化学、物理方法改性。1、绪论-高分子材料分类

(二)按照聚合物的主链结构分类

碳链聚合物材料杂链聚合物材料元素有机聚合物材料

聚合物主链完全由碳原子组成。如：PVC、PS、PE、……

聚合物主链中除碳外，还有氧、氮、硫等杂原子。如：PA……

聚合物主链中没有碳原子，主要由硅、硼等原子组成，侧链为有机基团。如：有机硅、……1、绪论-高分子材料分类

塑料

(Plastics)

弹性体

(Elastomer)

纤维

(Fiber)

涂料

(Coating)

胶粘剂

(Adhesive)复合材料(Composite)

三大合成材料(三)按照高分子材料用途分类

1、绪论–

高分子材料分类

◆

原料丰富;1、绪论–

高分子材料优势

用于淀粉基树脂制备的直链淀粉分子

聚乳酸弹性包装

◆

原料丰富;

◆

具有各种优异性能；

密度小，比强度高，易加工成型，耐腐蚀、电绝缘性高、具有渗透性、……

◆

生产能耗低，投资少，周期短，利润高……

PS﹕钢﹕铝

=1﹕10﹕20（单位体积）1、绪论–

高分子材料优势

高分子材料无处不在以塑代木、以塑代金属，且不仅“代”

尖端技术:

航天飞行器，卫星、火箭等用材。工业：电子元器件、电缆、信息记录储存传输等。农业：地膜、大棚、滴灌设备、高吸水树脂（1000倍）等。

衣：服装、防弹衣、消防服等。

食：包装、不粘锅等。住：装饰、门窗、家电、家具等。