第五章+高分子材料.ppt

1、材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,第五章 高分子材料,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,主要内容 高分子的基本概念 高分子的合成与制备 高分子的结构与性能 几种常见高分子材料 高分子材料的应用及发展趋势,第五章 高分子材料,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,多种多样的高分子材料,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子材料,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高比强度的降落伞绳索,防弹衣,材料与化学化工学院,

2、材料概论 Materials Conspectus,高分子材料的现状 2006年，世界合成高分子材料的年总产量已达到2.4亿吨。 其中： 塑料：1.8亿吨， 合成橡胶：0.12亿吨， 合成纤维：0.3亿吨。 世界产量(亿吨) 我国产量(亿吨) 钢 12 4.19 水泥 25 12.5 石油 36.2 1.84 树脂 2.4 0.25,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子材料发展简史(1) 天然高分子的利用-天然高分子改性 天然橡胶硫化（1839年） Goodyear 美国 硝化纤维赛璐珞（1868年） Hyatt 美国硝化纤维、 樟脑、乙醇合成塑料 粘

3、胶纤维（1893-1898年）,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子材料发展简史(2) 合成高分子 20世纪初酚醛树酯美国人贝克兰用苯酚与甲醛反应 1920年德国人施陶丁格( Staudinger)提出高分子概念，32年出版了划时代的巨著论聚合， 30年代、40年代飞速发展,美国杜邦公司合成出尼龙,德国合成出橡胶、聚乙烯、聚丙烯、英国合成出聚酯纤维。 70年代特种性能的高分子,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子材料发展简史(3) 创立高分子化学的施陶丁格 Hermann Staudinger 1881-196

4、5 The Nobel Prize in Chemistry 1953 “for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”,Hermann Staudinger,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子溶液理论的创立者 P. Flory 1910-1985 The NP in Chemistry 1974 美国高分子物理化学家弗洛里(Paul J. Flory)由于在高分子科学领域，尤其在高分子物理性质与结构的研究方面取得巨大成就，1974年荣获瑞典皇家科学院授予的nobel化学奖。

5、,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子材料发展简史(4) 2000年化学奖授予了黑格(A.J.Heeger，美国)、马克迪尔米 德(A.G.MacDiarmid，美国)和白川英树(H. ShiraKawa，日 本) 三人，他们发现了导电聚合物。 A.J.Heeger(美国) A.G.Macdiarmid(美国) H.ShiraKawa(日本),材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,什么是高分子？ 高分子的的定义：有结构单元通过共价键的形式通过聚合反应重复连接而成的链状化合物，高分子也称聚合物或是高聚物，英文都是poly

6、mer。 大分子的定义：(macromolecule)分子量很大的化合物。(注意两者的区别),高分子,大分子,有机物,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子的特点 组成：主要由C、H、O组成(无机高分子，如玻璃) 分子量多分散性，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物；分子量很大（104-107，甚至更大） 没有固定熔点，只有一段宽的温度范围； 没有沸点和固定的熔点，分子间力很大，加热到200oC-300oC以上，材料破坏（降解或交联）。 链式结构 柔性分子链大部分高分子的主链具有一定的内旋转自由度。,材料与化学化工学院,材料概论 Material

7、s Conspectus,由于这一突出特点，聚合物显示出了特有的性能，表现为“三高一低一消失”。既是： 高分子量 高弹性 高黏度、 结晶度低、 无气态。 因此这些特点也赋予了高分子材料（如复合材料、橡胶等）高强度、高韧性、高弹性等特点。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子的单体： 通过聚合反应能制备高分子化合物的物质称做单体。 例如：乙烯是单体，能聚合生成聚乙烯。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子材料分类 按材料来源分类 天然高分子 合成高分子 按化学组成分类 元素有机高分子 碳链高分子 杂链高分子 无机

8、高分子,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,按材料性能和用途分类 塑料 橡胶 纤维 涂料 粘合剂 功能高分子,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子材料 塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料 塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯(四大通用塑料)等 合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占60% 合成纤维主要品种有：涤纶（PET）、尼龙、聚丙烯腈、聚丙烯等;,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,合成橡胶 通用合成橡胶丁苯、丁基、氯丁、丁腈橡胶等 特种合成橡胶丁丙橡胶、异戊橡胶、聚硫

9、橡胶、硅橡胶、 氟橡胶、聚氨酯橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、丙烯酸橡胶、氯醇橡胶等。 主要用途制造轮胎（约占60%），密封件、减震零件、 耐油胶管、油箱。人造血管、人造瓣膜和人造心脏人工心肺机、人造肾脏、输血导管等。,第一节 概 述,合成橡胶,材料与化学化工学院,一、橡胶的类型,材料与化学化工学院,一、橡胶的类型,是从天然植物中采集出来的一种高弹性材料， 经采集、凝聚、洗涤、干燥等过程即得。,制造各种轮胎以及工业橡胶制品，如胶管、胶带和工 业用橡胶杂品；日常生活用品如胶鞋、雨衣以及医疗卫生 用品等。,天然橡胶,一、橡胶的类型,天然橡胶牛筋底，网状填充给鞋帮提供最大限度的透气性,一、橡胶的类型,一、橡

10、胶的类型,一、橡胶的类型,一、橡胶的类型,轮胎制品,一、橡胶的类型,工业制品,二、橡胶的特性,玻璃化温度低,具有高弹性,几种主要橡胶的玻璃化温度及使用温度范围,三、橡胶的硫化与增强,四、合成橡胶的生产过程,第二节丁苯橡胶,概 述,第二节 丁苯橡胶,广泛应用,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,一、主要原料,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,二、生产原理与工艺,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,二、生产原理与工艺,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,二、生产原理与工艺,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,二、生产原理与工艺

11、,传热：在聚合釜内安装垂直管式氨蒸发器,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,二、生产原理与工艺,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,三、丁苯橡胶的结构、性能及用途,典型丁苯橡胶的结构特征,是一种不饱和烯烃高聚物，其玻璃化温度取决于苯乙烯均聚物的含量。,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,三、丁苯橡胶的结构、性能及用途,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,三、丁苯橡胶的结构、性能及用途,低温丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺,第二节 丁苯橡胶,三、丁苯橡胶的结构、性能及用途,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,塑

12、料 性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好 塑料聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等(四大通用树脂) 通用工程塑料聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酯、改性聚苯醚等。 高性能工程塑料聚芳醚、聚芳砜、聚芳酯、聚芳杂环类、聚芳酰胺、聚对二甲苯、含氟材料等。,建筑塑料,塑料的组成 塑料的主要特点 常用建筑塑料 常用建筑塑料制品,塑料的基本组成,塑料的主要特点,优点 轻质高强 加工性能好 导热系数小，绝热性好 装饰性优异 多功能 经济,缺点 耐热性差、易燃 易老化 热膨胀性大 刚度小,常用建筑塑料,常用建筑塑料制品,玻璃钢（GRP）：以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体，经

13、成型、固化而成的固体材料。 玻璃钢制品具有良好透光性和装饰性，且强度高，重量轻，具有良好耐化学腐蚀性能和电绝缘性能，加之成型工艺简单灵活，在建筑卫生洁具上被广泛使用。,玻璃钢,玻璃钢： FRP(Fiber Reinforced Plastics)纤维强化塑料 以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或称谓玻璃钢。 一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。 由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。,玻璃钢板优点,(1)轻质高强 相对密度在1.52.0之间，只有碳钢的1/41/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可

14、以与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。部分材料的密度、强度和比强度见表1-1。 (2)耐腐蚀性能好 FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。,玻璃钢板优点,(3)电性能好 是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。 (4)热性能良好 FRP热导率低，室温下为1.251.67kJ/（mh

15、K），只有金属的1/1001/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000以上承受高速气流的冲刷。,玻璃钢板优点,(5)可设计性好 可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。 可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。 (6)工艺性优良 可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。 工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。,玻璃钢板缺点,(1) 弹

16、性模量低 FRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1106）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。 (2) 长期耐温性差 一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50以上强度就明显下降，一般只在100以下使用；通用型环氧FRP在60以上，强度有明显下降。但可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200300是可能的。 (3) 老化现象 老化现象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。,玻璃钢板缺点,（4) 层间剪切强度低 层间剪切强度是靠树脂

17、来承担的，所以很低。可以通过选择工艺、使用偶联剂等方法来提高层间粘结力，最主要的是在产品设计时，尽量避免使层间受剪。,建筑塑料制品实例,聚乙烯（PE）,（1）基本特性：产量最大；无毒、无味，呈白色或乳白色；结晶型塑料；吸水性极小，介电性能好。因此，聚乙烯是最理想的高频电绝缘材料 。,（2）主要用途：塑料管、塑料板、塑料绳、齿轮、轴承等；包装用的塑料薄膜、软管、塑料瓶以及电气工业的绝缘零件和电线电缆外皮等 。,（3）成型特点：成形收缩率范围及收缩值大，方向性明显，容易变形、翘曲。流动性好且对压力变化敏感，宜用高压注射；模具应设有冷却系统；质软易脱模，塑件有浅的侧向凸凹时可强行脱模。,聚乙烯的种类

18、,（1）LDPE：低密度聚乙烯、高压聚乙烯 （2）LLDPE：线形低密度聚乙烯 （3）MDPE：中密度聚乙烯、双峰树脂 （4）HDPE：高密度聚乙烯、低压聚乙烯 （5）UHMWPE：超高分子量聚乙烯。分子量达到3，000，000-6，000，000的线性聚乙烯称为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。超高分子量聚乙烯的强度非常高，可以用来做防弹衣。 （6）改性聚乙烯：CPE、交联聚乙烯（PEX） （7）乙烯共聚物：乙烯-丙烯共聚物（塑料）、EVA、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-其它烯烃（如辛烯POE、环烯烃）的共聚物、乙烯-不饱和酯共聚物（EAA、EMAA、EEA、EMA、EMMA、EMAH）,聚乙烯（

19、PE） 主要制备方法,（1）液相法： 1）溶液法 2）淤浆法 （2）气相法：物料在反应器中的相态类型。 我国主要采用齐格勒催化剂的淤浆法。 条件与过程描述：纯度99%以上的乙烯在催化剂四氯化钛和一氯二乙基铝存在下，在压力0.1-0.5MPa和温度65-75的汽油中聚合得到HDPE的淤浆。经醇解破坏残余的催化剂、中和、水洗，并回收汽油和未聚合的乙烯，经干燥、造粒得到产品。,聚乙烯（PE）的成型特性,1.结晶料,吸湿小,不须充分干燥,流动性极好流动性对压力敏感,成型时宜用高压注射,料温均匀,填充速度快,保压充分.不宜用直接浇口,以防收缩不均,内应力增大.注意选择浇口位置,防止产生缩孔和变形. 2.

20、收缩范围和收缩值大,方向性明显,易变形翘曲.冷却速度宜慢,模具设冷料穴,并有冷却系统. 3.加热时间不宜过长,否则会发生分解. 4.软质塑件有较浅的侧凹槽时,可强行脱模. 5.可能发生融体破裂,不宜与有机溶剂接触,以防开裂。,各类聚乙烯产品用途,1. 高压聚乙烯： 一半以上用于薄膜制品，其次是管材、注射成型制品、电线包裹层等。低密度聚乙烯总产量的一半以上经吹塑制成薄膜,这种薄膜有良好的透明性和一定的抗拉强度,广泛用作各种食品、衣物、医药、化肥、工业品的包装材料以及农用薄膜。也可用挤出法加工成复合薄膜用于包装重物。 2. 中低、压聚乙烯： 以注射成型制品及中空制品为主。高密度聚乙烯强度较高，适宜

21、作中空制品。可用吹塑法制成瓶、桶、罐、槽等容器，或用浇铸法制成槽车罐和贮罐等大型容器。,各类聚乙烯产品用途,3. 超高压聚乙烯： 由于超高分子聚乙烯优异的综合性能，可作为工程塑料使用。挤出法可生产聚乙烯管材，高密度聚乙烯管强度较高，适于地下铺设。挤出的板材可进行二次加工。也可用发泡挤出和发泡注射法将高密度聚乙烯制成低泡沫塑料，作台板和建筑材料。,低密度聚乙烯薄膜（LDPE）,低密度聚乙烯薄膜一般采用吹塑和流延两种工艺制成。流延聚乙烯薄膜的厚度均匀，但由于价格较高，目前很少使用。吹塑聚乙烯薄膜是由吹塑级PE颗粒经吹塑机吹制而成的，成本较低，所以应用最为广泛。低密度聚乙烯薄膜是一种半透明、有光泽、

22、质地较柔软的薄膜，具有优良的化学稳定性、热封性、耐水性和防潮性，耐冷冻，可水煮。其主要缺点是对氧气的阻隔性较差，常用于复合软包装材料的内层薄膜，而且也是目前应用最广泛、用量最大的一种塑料包装薄膜，约占塑料包装薄膜耗用量的40%以上。 由于聚乙烯分子中不含极性基团，且结晶度高，表面自由能低，因此，该薄膜的印刷性能较差，对油墨和胶黏剂的附着力差，所以在印刷和复合前需要进行表面处理。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,合成纤维 合成纤维以煤、石油、天然气、水、空气、食盐、石灰石等为原料，经化学处理制成的人工纤维。 主要品种涤纶（PET）、绵纶（聚酰胺）、腈纶（聚

23、丙烯腈）、丙纶（聚丙烯） 维纶（聚乙烯醇）和氯纶（聚氯乙烯）等六种，其中前三种产量最大，占整个合成纤维产量的90。,合成纤维,一、 成纤高分子物条件 二、 纺丝方法 三、常用合成纤维 四、特种纤维,合成纤维,合成纤维是指以简单化合物为原料,通过聚合或缩聚反应制成成纤高分子物，再通过纺丝和后处理加工制成纤维。 一、 成纤高分子物条件 具备一定的分子量 具备一定的分子结构(线形或支化度很低) 超分子结构具有取向并部分结晶 具有一定的耐热性 具有一定的机械物理性能 具有一定的化学稳定性 具有一定的染色性,合成纤维的优缺点,第七章,优点：强度高、弹性好、耐穿耐用、光泽好、化学稳定性强、耐霉腐、耐虫蛀

24、缺点：吸湿性差、耐热性差、导电性差、防污性差、易起毛起球、不易染色、腊状手感,二、 纺丝方法,第七章,合成纤维的纺丝方法，目前大致可分为以下三种：,新方法：复合纺丝法、拉裂法、切割法等。,1熔融纺丝法,纺丝液是熔体，纺出的丝在空气中固化。 熔融纺丝的纺丝速度高，目前一般的纺丝速度为10002000m/min，采用高速纺丝时，可达3000 6000m/min 或更高。 熔融纺丝加工成本低，但喷丝板孔数少，丝的截面多为圆形。 涤纶、锦纶、丙纶等均采用此法,熔融纺丝工艺流程,纺丝,溶液纺丝法的纺丝液是溶解的高聚物溶液，纺出的丝的固化方式分为湿法与干法两种。,2湿法纺丝 湿法纺丝纺出的丝在溶液中固化

25、这种方法纺丝速度低，一般速度为18380m/min。 湿法纺丝加工成本高且对环境污染较严重，纺出丝的截面多为非圆形，有皮芯结构。 腈纶、维纶、氯纶、粘胶纤维多采用此法。,湿法纺丝工艺流程,3干法纺丝,干法纺丝纺出的丝在空气中固化 这种方法目前一般的纺丝速度为200500m/min，高者可达10001500m/min。 干法纺丝溶剂挥发易污染环境，成本高，但丝的质量好， 此法多用于制作长丝。,干法纺丝工艺流程,干法纺丝,三、常用合成纤维,按纤维结构分为： 涤纶、腈纶、锦纶、芳纶、维纶、氨纶、丙纶 按纤维长短分为： a.棉型 短纤维：b.毛型 c.中长纤维（仿毛、仿麻） 长丝：a.单丝 加工弹力丝

26、：高弹丝 b.复丝 低弹丝,四、特种纤维,1、复合纤维 两种或两种以上成纤高分子物的熔体分别输入同一喷丝头，在喷丝头的适当部位相遇后，从同一喷丝孔中喷出，成为两组份或多组份粘并的一根纤维。,并列型 皮芯型 海岛型 桔瓣型 复合纤维的特点： 具有三维空间的立体卷曲，高膨松性、延伸性和覆盖能力。,四、特种纤维,2、异形纤维： 在合成纤维成形过程中采用非圆形孔眼的喷丝板，制成的非圆形截面或中空的纤维。可改善手感、回弹性、抗起球性及光泽等。主要有三角形、四角形、五角形、扁平形、中空形等。,四、特种纤维,4、改性纤维： 近来，为了改善化学纤维容易起静电、起毛起球等缺点，为了改进染色性能和提高熔点等，已出

27、现了抗静电纤维、低温可染涤纶、阳离子可染涤纶、变性涤纶等改性纤维。,3、超细纤维： 单丝纤度 0.1旦 特点：手感柔软、细腻，柔韧性好，光泽柔和，高清洁能力，高吸水和吸油性，,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,三大合成高分子材料的比较 纤维 塑料 橡胶 分子量 一般 1-7 万 一般 6-30 万 一般 15-30 万 加工方法 熔融纺丝、溶液纺丝 挤出、注塑、吹塑成型等 硫化交联 机械性能 高强度（35000N/cm2）介于两者之间 初始模量很低， 高模量(35000N/cm2) 高弹形变（500-1000%） 低伸长率（5-50%）,材料与化学化工学院

28、,材料概论 Materials Conspectus,按结构单元的化学组成分类 碳链高分子 主链以C原子间共价键相联接加聚反应制得。 如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯 聚乙烯,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,杂链高分子 主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价键联接、缩聚反应而得， 如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,元素有机高分子 主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链为有机基团； 兼有

29、无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,无机高分子 主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子的命名 根据单体来源或制法命名 根据聚合物的结构特征命名 根据商品命名 IUPAC的系统命名法,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,根据单体来源或制法命名 很多聚合物的名称是由单体或假想单体名称前加一

30、个“聚”字而来，例如： 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,根据聚合物的结构特征命名 很多缩聚物是两种单体通过官能团间缩合反应制备的。 在结构上与单体有差别。可根据结构单元的结构来命名，前面冠以“聚”字。例如：对苯二甲酸和乙二醇制备的聚合物叫聚（对苯二甲酸乙二酯），由己二胺和己二酸反应制备的叫聚己二酰已二胺等等。 有一些聚合物结构中已看不出单体来源了。 更需要由聚合物的结构特征命名。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,根据商品命名 有机化合物的命名很复杂，聚合物就更复杂了。 在商业生产和流通中

31、，人们仍习惯用简单明了的称呼，并能与应用联系在一起。 例如: 聚甲基丙烯酸甲酯-有机玻璃， 塑料类聚合物-酚醛树脂，脲醛树脂，醇酸树脂 有时也将聚氯乙烯-俗称氯乙烯树脂。 将橡胶类聚合物-加上后缀“橡胶” 例如: 丁二烯和苯乙烯共聚物-丁苯橡胶， 丁二烯和丙烯腈共聚物-丁腈橡胶， 乙烯和丙烯共聚物-乙丙橡胶等等。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,将纤维类的，在我国是用“纶”作后缀的 例如: 聚对苯二甲酸乙二酯-涤纶， 聚-己内酰胺-锦纶， 聚乙烯醇缩醛-维尼纶， 聚氯乙烯-氯纶， 聚丙烯腈-腈纶， 聚丙烯-丙纶。,材料与化学化工学院,材料概论 Mater

32、ials Conspectus,还有直接引用的国外商品名称音译， 例如: 聚酰胺又称尼龙(Nylon)， 聚己二酰己二胺-尼龙-66(nylon-66)， 聚癸二酰癸二胺-尼龙-1010， 第一个数表示二元胺的碳原子数目，第二个数为二元酸的，因此尼龙-610则是己二胺和癸二酸的缩聚产物。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,IUPAC的系统命名法 为避免聚合物命名中的多名或不确切，国际纯化学和应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry）提出了以结构为基础的系统命名法， （1）确定聚合物的

33、最小重复单元。 （2）排好重复单元中次级单元的次序。 （3）按小分子有机化合物的IUPAC命名法则来命名这个重复单元。 （4）在此重复单元命名前加一个“聚”字。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,IUPAC系统命名法的实例(1) 聚环氧乙烷、-CH2-CH2-On- 。 聚乙二醇、-CH2-O-CH2n -。 聚氧乙醇， -O-CH2-CH2n- 。 按原则2 所排的次级单元为-O-CH2-CH2n-， 按原则3 命名为氧化乙烯， IUPAC命名，应叫聚氧化乙烯（Polyoxyethylene）。 聚丁二烯, -CH=CH-CH2-CH2n-, 聚(1-次

34、丁烯基）。 聚氯乙烯, -CHCl-CH2-, 聚（1-氯代乙烯）。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,IUPAC系统命名法的实例(2) 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的重复单元应为: 称聚（氧化乙烯氧化对苯二甲酰）。 聚亚苯基苯并二噻唑的IUPAC命名: Poly(benzo1,2- d;4,5-d bisthiazole-2,6-diyl)-1,4-Phenylene，聚(苯并 1,2-并;4,5-并二噻唑-2,6-二基)-1,4-亚苯基。 按IUPAC命名比较严谨，但太繁琐。IUPAC不反对继续 使用习惯命名。,材料与化学化工学院,材料概论 Mater

35、ials Conspectus,合成高分子的制备方法 由小分子化合物单体制备聚合物的反应主要分为三类，它们 是缩合反应、加成反应和开环聚合。另一类是由一种聚合物经过适当的高分子反应也可转化为另一种高分子化合物。 加聚反应烯类单体通过加成而聚合起来的反应 缩聚反应单体通过官能团间的反应而形成高分子和排出小分子物质。 开环聚合反应 高分子转化反应,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,合成高分子的合成工艺 工艺流程如下： 石油、天然气、煤炭等 裂解 单体 聚合 高分子聚合物 加工 高分子材料,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,

36、高分子材料的合成反应 加聚反应：由不饱和低分子化合物相互加成或由环状化合物开环连接成大分子的反应。 一种单体 均聚物 多种单体 共聚物,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,加聚反应：,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,缩聚反应： 由具有两个以上官能团的低分子化合物聚合成高分子化合物，同时析出某些小分子物质(如水、氨、醇、氯化氢等)的反应。 一种单体 均缩聚 多种单体 混缩聚、共缩聚,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,缩聚反应：,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Con

37、spectus,高分子是有不同分子量的 同系物所组成的“混合物”。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,聚乙烯的生产现场图,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子材料的加工工艺 塑料(成型) 注射成型（注塑）:定型的塑料制品 浇铸成型（铸塑）:热塑性的塑料板材、棒材、管材、异型材、薄膜、电缆护层等 吹制成型（吹塑）:大型热固性工程塑料制品 模压成型（压塑）:塑料中空制品或薄膜 挤出成型（挤塑）:热固性工程塑料,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,注塑成型示意图,材料与化学化工学院,材

38、料概论 Materials Conspectus,螺杆挤出机结构示意图,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,橡胶 塑炼:生胶塑炼后分子量降低、可塑性增加 成型 压出成型:片材（胶片） 压出成型:轮胎的胎面、内胎、电线和电缆的外套以及各种异形断面的制品等 混炼:配合剂+生胶(塑炼胶)混炼胶 硫化:线形链状结构少量交联的网状结构,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,纤维 纺丝 拉伸 热定型 纺丝原液制备 纺丝 初生纤维的后加工 熔体纺丝:熔体，空气中冷却 湿法纺丝:成纤聚合物溶解成纺丝原液，在凝固浴中冷凝 干法纺丝:在热空气套

39、筒中使溶剂挥发,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,在室温下，为什么有些高分子材料柔软而另外一些刚硬？,高分子的物理性能,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,微观结构 链段的构象(高分子的分子量及其分布空间排列方式) 链段的运动 链段的相互作用 宏观性能 力学性能 结晶性能 热稳定性,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,热行为热塑性与热固性 热塑性塑料：塑料加工固化冷却以后，再次加热仍然能够达到流动性，并可以再次对其进行加工成型，也就是说具有良好的再加工性和再回收利用性，可重复循环。 热

40、固性塑料：塑料经过一次加热成型固化以后，其形状就因为分子链内部进行铰链而使形状达到稳定，再次对其加热也不能让其再次达到粘流态，而对其进行再次加工成型，也就是说热固性塑料不具有再次加工性和再回收利用性。(由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回到可塑状态。制品不溶不融。) 优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、易成形加工等； 缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，大多数品种易燃，耐热性差。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,力学状态 玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。 Tg：玻璃化转变温度或玻璃化温度 Tf

41、：高弹态与粘流态间的转变温度粘流温度或软化温度 Td：主链发生断裂的化学分解温度。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,玻璃态（TTf） 粘性流动，不可逆变形 整个分子链的移动,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,聚合物的典型应力-应变曲线 弹性形变(开始A点)服从虎克定律，具有普弹性能； 运动单元：键长、键角； A为弹性伸长极限。 强迫高弹形变(A点E点) 大形变，加热可使形变恢复； Y ：高聚物对抗永久形变的能力； 运动单元：链段。 应变硬化 分子链取向排列，强度提高运动单元：链段、大分子链。,材料与化学化工学院,材料

42、概论 Materials Conspectus,高分子的结晶 高分子结晶有别于小分子无机物的结晶。高分子结晶是高分子链段折叠有序化的一个过程。通常无法获得100%完美结晶高分子。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高分子的结晶,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,目前最小的聚合物晶体 Polyethylene (PE) nanoparticles with a hexagonal shape (lateral size 25 nm, thickness 9 nm) were synthesized and stabili

43、zed in water under very mild conditions (15 oC, 40 atm) by a nickel-catalyzed polymerization in aqueous solution. 1 Stephen Z. D. Cheng, Nature 448, 1006-1007(30 August 2007) 2 C. H. M. Weber et al, Nano Lett., 7 (7), 2024 -2029, 2007.,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,目前最小的聚合物晶体,材料与化学化工学院,材料概论 Ma

44、terials Conspectus,几种典型的高分子材料 聚乙烯 聚氯乙稀 聚苯乙烯 氟塑料 合成纤维,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,聚乙烯制品,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,聚乙烯(PE-Polyethylene) 聚乙烯1939年开始工业化生产，目前产量最大，应用最广泛。 低密度聚乙烯（LDPE）在各种聚乙烯中产量最大，主要生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、大棚膜等）；约10%用于生产注塑用品。 线型低密度聚乙烯（LLDPE）主要用于 生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制 品性能更好。用于生产扁丝，制造编织袋

45、。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,高密度聚乙烯 注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。 中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装瓶等。 薄膜制品（约占20%）：大量用于食品包装。 聚乙烯管材 应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。 特点质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，铺设费用低。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,聚乙烯,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,超高分子量聚乙烯（UHMWPE） 可作为工

46、程塑料 具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗磨损、不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑板、储罐衬里等。 在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域得到重要应用。 ,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,聚氯乙烯(PVC- polyvinyl chloride),材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,PS保温板,聚苯乙烯（PS-polystyrene）,PS光纤,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,氟塑料 聚四氟乙烯（PTFE- Polytetraflouroethylene）。1950年首先由杜

47、邦公司投产。有“塑料王”之称。是高结晶度聚合物。 无熔融态，分解温度400 ，可在260以下长期使用，耐低温 达-200 。 力学性能优异，光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。 耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐王水及沸腾的氢氟酸。具有塑料中最好的电绝缘性能。 用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、电绝缘等。,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,氟塑料制品,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,涤纶 尼龙（锦纶） 聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛）,合成纤维,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspe

48、ctus,高分子的应用 高分子材料应用极为广泛 应用：防弹背心、火箭发动机外壳、导弹壳体、阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳、直升飞机吊绳、人造卫星电子部件等等。 讨论： 也请同学们举一些例子。 想象一下现代生活如果没有高分子材料，如何？,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,保鲜膜 性能要求 保鲜、保洁、自粘 安全、无毒 市场上的保鲜膜 聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯乙烯及其他材质,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,聚合物光盘基片 性能要求 高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变形温度，较好的机械性能和加工性能、低的双折射和成本等。 主要材料： 聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、改性双酚A环氧树脂、非晶态聚烯烃等,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Conspectus,功能高分子材料 医用高分子 导电高聚物 液晶高分子 智能聚合物 高吸水性树脂等,材料与化学化工学院,材料概论 Materials Con