石油大学聚合物加工第一章

聚合物加工工艺学

(PrinciplesofPolymerMaterialsProcessing)

1本课程的任务和教学目标：1、高分子材料的根本概念及其成型和后加工的根本原理；

2、熟悉工艺条件与高分子材料结构与性能之间的关系；3、为今后在高分子材料领域的研究和开发打下良好的理论根底。2与本课程密切相关的先修课程及预备知识先修课程：物理化学高分子化学高分子物理高等数学等预备知识：高分子结构高分子溶液热力学高聚物分子运动的特点高聚物的粘弹性与应力松弛微积分3课程内容与考试相关本课程40学时，其中实验6学时，上课34学时闭卷考试工，考试总成绩=期末成绩(70%)+平时(10%)+作业(10%)+实验成绩(10%)点名五次，一次2分，共10分作业五次，一次2分，共10分规定：三次点名不到或三次作业不交，不准参加考试4

本课程的主要内容绪论聚合物流体的制备聚合物的共混聚合物流体的流变性塑料成型加工原理橡胶成型加工原理化学纤维成型加工原理5教材《高分子材料加工原理〔第二版〕》

沈新元主编中国纺织出版社

2023年高等教育精品教材6主要参考书

①《高分子材料成型加工原理》

王贵恒主编，化学工业出版社②《高分子材料成型加工》

周达飞编，中国轻工业出版社③《聚合物加工原理》

Z.塔德莫尔编，化学工业出版社④《PolymerProcessingFundamentals》

EditbyTimA.Osswald,HanserPublishers

7①《高分子学报》②《高分子材料科学与工程》③《合成纤维》④《橡胶工业》⑤《中国塑料》⑥《合成橡胶工业》⑦JournalofAppliedPolymerScience⑧Polymer相关杂志8中国聚合物网小木虫高分子学科版:///bbs/forumdisplay.php?fid=236例子—新进展荷兰科学家用高分子材料仿制世界首个真核细胞〔〕真核细胞指的是具有完整细胞核的细胞，这意味着所有的复杂生命形式都建立在真核细胞的根底上。细胞核内进行着很多小规模的高效化学反响，这些反响是人工实验难以模拟的。该研究小组用一滴水作为根底结构，往里面参加装有酶的聚苯乙烯球，模仿关键成分，然后用聚丁二烯高分子聚合物模拟细胞壁，构建出一个整体结构。这个人造细胞就像真的一样，可以分步进行化学反响。他们成功使它在黑暗中发光，证实了这个模拟概念。这个成果将对生物化学领域产生重大的影响，可能引发人造光合作用和生物燃料生产的一场技术革命。第一章绪论第一节

高分子材料的根本概念和主要品种

10高分子材料111.1.概述问题1.什么是高分子？(复习)2.什么是高分子材料？3.什么是高分子材料加工？121.高分子(高分子化合物、大分子、聚合物)

(macromoleculecompound,macromolecule,polymer)由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的分子量在一万以上的化合物。

高分子(大分子)与聚合物的区别?1.2.根本概念132.高分子材料(PolymerMaterials〕“高分子材料〞和“高分子〞的区别。高分子材料是以高分子为基体组分的材料。高分子材料是组成相当复杂的一种体系。从应用的角度高分子材料分为为塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、聚合物基复合材料等。不同类型的高分子材料可能需要不同的添加成分。1.2.根本概念143.高分子材料加工

(PolymerMaterialprocessing,Polymerprocessing)

高分子原材料经过通过一定的工艺手段转变成某种高分子材料制品的过程。1.2.根本概念转变15“高分子材料加工〞和“高分子合成〞是有区别的。高分子合成经过一定的途径，从气态、液态、固态的各种原料中得到化学上不同于原料的高分子材料。

高分子材料加工经过加工，使高分子材料在物理上处于和原材料不同的状态(化学上相同)。161.3.高分子材料的主要种类和概念按高分子的来源分类天然高分子材料〔naturalpolymermaterials〕合成高分子材料〔syntheticpolymermaterials〕按照材料的性能分类通用高分子材料〔generalpurposepolymermaterials〕量大、产值高、涉及面广泛、性能一般。属于传统材料、根底材料。新型高分子材料〔advancedpolymermaterials〕正在开展，且具有通用高分子材料所不具备的优异性能和应用前景。用量少、专一性、附加价值高。高新技术开展与进步不可或缺的基石。17纤维：一种细长形状〔长径比>10〕、截面积较小(<0.05mm2)

的物体。塑料：以合成〔或天然〕的高分子化合物为根本成份、在加

工中通过塑化流动或原位聚合而成型的柔韧性或刚性

固体高分子材料。橡胶：以合成〔或天然〕的高分子化合物为根本成份的高弹

性的高分子材料。涂料：应用于物体外表并能结成坚韧保护膜的物质的总称。胶粘剂：能把各种材料粘合在一起的物质。1.3.1.通用高分子材料18(1)高性能高分子材料指材料的机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀等性能有较大提高。主要的高性能高分子材料特种工程塑料〔高性能塑料〕特种合成橡胶高强高模合成纤维和其它的特种合成纤维1.3.2.新型高分子材料主要种类和概念1920Kevlar21球身外层的材料是什么？22(2)功能高分子材料

指与常规高分子材料相比具有明显不同的物理化学性质，并具有某些特殊功的高分子材料。

主要的功能高分子材料物理功能材料化学功能材料物理化学功能材料生物功能材料其它特殊功能材料1.3.2.新型高分子材料主要种类和概念23绝缘高分子材料导电高分子材料高分子光学材料液晶高分子材料相变储能材料磁性高分子材料……物理功能高分子材料一般具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合物。24具有特殊旋光性质25化学功能高分子材料化学功能高分子链为骨架并连接具有化学活性大基团构成。离子交换树脂高分子催化剂高分子载体高吸水树脂……2627ACSMacroLett2023,2,1095−109928形象地说，膜就是一道具有选择性渗透功能的壁障，将混合液体或者气体分隔为两相，以此到达特定成分别离的效果。物理化学功能高分子材料渗透压！29海水淡化图渗透、渗透平衡和反渗透

例：地中海中部的马耳他建有世界上最大的反渗透海水淡化厂。德国、英国用膜技术治理了莱茵河和泰晤士河。我国厦门市也有一批应用膜技术的环保示范工程。30几种常见的制备聚合物微孔膜的方法？31美国加州大学洛杉矶分校OmarM.Yaghi开发出一种能隔离并捕获二氧化碳分子材料。Science，Vol.319.no.5865,pp.939-943，RahulBanerjee,AnhPhan,OmarM.Yagh

吸附功能材料高吸水、吸油、选择吸附等32人工肾透析器人工器官用生物医学高分子材料人工器官主要指人工内脏器官，如包括人工肾、人工关节、人工血管、心脏、起搏器等。

生物功能材料33人工肾透析原理将人体血液引出体外，利用透析膜两侧溶质浓度的差异，排出体内过剩的含氮化合物等溶质，然后将净化的血液引回体内。全世界人工肾透析器年产量超过7500万个，产值近22.5亿美元。我国我国肾衰竭患者约有130万人，每年需1360万只人工肾透析器.肾小管上皮细胞34

外科手术缝线PLA及其共聚物可吸收手术缝线

生物医用高分子材料35周围神经再生导管36

是一种无细胞真皮替代物。外层(表皮)成分是聚硅氧烷。内层材料胶原纤维及软骨素6-硫酸〕。人造皮肤37医用纳米纤维38

组织工程材料面临重大突破关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体。PGA-PLA支架具有一定强力和弹性的软骨耳廓3D打印技术393D打印技术材料是根底！！！40《The

Big

Bang

Theory》第六季第14集41高分子/金属、高分子/无机非金属、高分子/高分子材料复合成一体，而制得的综合性能更显优异的新型材料。

例：Seung-MoLee对柔软蜘蛛丝进行金属涂层，使蜘蛛丝的抗断裂或变形能力变得更强。能制造超级坚韧织物、外科缝线或诸如骨头、韧带及动脉壁等人工组织。——Science,April24,2023(3)复合高分子材料1.3.2.新型高分子材料主要种类和概念42TsuyoshiSekitani开发出了一种碳纳米管-弹性体复合材料，具有极佳的导电和超级伸展性，可用来制造可安装在任何地方的电子装置，包括在弯曲的外表或是可移动的部位，如机器人手臂的关节处。——science.August7,2023

可伸展的由弹性导体连接起来的晶体管矩阵

43通常习惯的材料，是在空间x、y和z3个方向均延展到一定宏观尺度的三维固体:三维材料。低维材料——维数低于三维的材料，包括二维、一维和零维材料等。假设使材料在任一维度(z)的尺寸缩小到纳米量级，那么此材料成为在x、y方向延展的二维材料。使材料除在z方向缩小之外，还同时在y方向也缩到纳米量级的尺度，便成了一维材料零维材料假设使材料从x、y、z3个方向都缩小到纳米量级，便成了零维材料。以原子、分子为起始物，用各种方法制成的原子团簇是典型的零维材料。比原子团簇稍大的纳米微粒，可视为准零维材料。(4)低维高分子材料1.3.2.新型高分子材料主要种类和概念44例：美国佐治亚理工〔GeorgiaInstituteofTechnology〕王中林小组发现了一种制造高分子纳米线的方法，能控制高分子纳米线的密度和长度。生长出导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸〔PEDOT-PSS)等近十种不同的高分子纳米线/纳米管。

更进一步利用PEDOT-PSS制备出有机发光二极管，最大承载电流密度是相应有机薄膜发光二极管的40倍.J.Phys.Chem.C,2023,113(38):571–16574

45例：中科院上海硅酸盐研究所常江课题组在电纺丝制备纳米纤维材料方面取得新进展，成功制备出具有可控宏观结构和微观形貌的三维管状纤维材料，研究工作发表在国际著名杂志NanoLetters，该文还被NatureChina选为最新研究亮点。通过改变三维模板的宏观结构，对管状材料的三维结构〔长度、直径、管端封闭性、连通交叉结构等〕实现了可控。NanoLetters，8(10),3283–3287，DamingZhang，JiangChang464748富勒烯C60，FullereneC60碳纳米管，Carbon

Nanotube石墨烯，Graphene石墨块，Graphite

Block49生物体皆具备的对外界刺激的反响能力:蜥蜴皮肤的颜色随其所处周围环境不同而改变，从而到达隐身的目的。乌贼遇敌时释放墨汁乘机逃脱。猫眼的瞳孔随光线的强弱而放大或缩小，以保持不同光线时的视力含羞草以叶子受到触碰时会产生闭合。(5)智能高分子材料/仿生高分子材料1.3.2.新型高分子材料主要种类和概念50智能高分子材料：“能随着外部条件的变化，而进行相应动作的高分子〞“必须具备能感应外部刺激的感应器功能、能进行实际操作的动作器功能以及得到感应器的信号后而使动作器动作的过程器功能。〞智能材料结构51自愈壳聚糖水凝胶，清华大学化学系危岩研究团队52智能高分子材料能够感知机械、热、光、化学、湿度、电和磁等环境的变化或刺激并做出反响，具有传感、执行和调节适应能力。仿制仙人掌结构，实现沙漠蓄水江雷院士研究团队5354高分子材料的绿色化(1)高分子材料的循环利用

(2)生态高分子材料的研究和开发生态高分子材料与其他新型高分子材料的区分不是性能，而是其与环境的关系。生态高分子材料资源可再生、生产过程清洁、废弃物可降解。

(5)生态高分子材料1.3.2.新型高分子材料主要种类和概念55传统塑料应用非常广泛给生活带来极大便利不能生物降解环境污染填埋回收利用燃烧污染土壤有害气体本钱高,难度大开发可生物降解聚合物56循环过程57资源可再生高分子材料分类天然高分子生物合成高分子化学合成高分子纤维素蛋白质淀粉木质素聚氨基酸细菌甲壳素细菌纤维素聚

-羟基丁酸酯

聚乙交酯丙交酯聚乳酸聚乙交酯

甲壳素海藻58天然高分子型：淀粉、纤维素等加工困难，机械性能不行化学合成型：脂肪族聚酯降解性能优良，目前最重要脂肪族/芳香族共聚聚碳酸酯聚酰胺降解速率慢局部降解5960甲壳素纤维纺丝生产线聚丁二酸丁二醇酯〔PBS〕优点1.相对较高的熔点2.优异的力学性能3.加工性能4.本钱较低5.用途广泛最具有产业化前景的生物降解塑料之一61PBSA-20，降解2周PBSM-20，降解2周PBS2M-20，降解2周PBSBS-20，降解2周621.3.3.高分子材料开展的特点〔1〕材质由均质向复合方向开展。〔2〕性能由高性能、功能化向多功能和结构功

能化方向开展。〔3〕尺寸向越来越小方向开展。〔4〕层次由被动向主动方向开展。〔5〕合成和加工技术向仿生化方向开展。〔6〕原料和生产向绿色化方向开展。631.4.高分子材料加工的学科分类高分子材料加工：对高分子材料或体系进行操作以扩大其用途的工程，是把聚合物原材料经过多道工序转变成某种制品的过程。聚合物的可挤压性聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力。聚合物的可模塑性聚合物在一定温度和外力作用下形变并在模具中模制成型的能力。聚合物的可纺性聚合物流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力。聚合物的可延展性定形或局部结晶固体聚合物在一个或两个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。641.4.1.各种高分子材料的加工方法各种高分子材料均有独特的成型方法：塑料：注塑、挤塑、吹塑、压延等橡胶：塑炼、混炼、挤出、压延、硫化等化学纤维：熔体纺丝、干法纺丝、湿法纺丝等

而且每