高分子材料概论第一章

1、高分子材料概论 塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂按组成按组成金属材料无机非金属材料高分子材料按结构按结构结构材料功能材料按使用按使用医用材料、耐蚀材料电子材料、耐火材料建筑材料等按结构按结构单晶材料多晶材料非晶材料复合材料材料材料课 程 简 介J国内外高分子科学的发展概况与趋势J高分子基本知识J高分子化学（合成） J聚合物的结构与性能 J聚合物成型原理及技术简介 J功能高分子与新技术 J聚合物基复合材料 主要参考书目张留成，瞿雄伟，丁会利，高分子材料基础（高分子材料基础（2 2），），化学工业出版社，2007高俊刚，高分子材料高分子材料，化学工业出版社，2002潘祖仁，高分子化学高分子化学，高等

2、教育出版社，2003焦剑，高聚物结构、性能与测试高聚物结构、性能与测试，化学工业出版社，2003何天白，功能高分子与新技术功能高分子与新技术，化学工业出版社，2000王汝敏，聚合物基复合材料及工艺聚合物基复合材料及工艺，科学出版社，2003柯扬船，聚合物无机纳米复合材料聚合物无机纳米复合材料，化学工业出版社，2002董炎明，张海良，高分子科学教程（高分子科学教程（1 1），），科学出版社，2004 人类的文明史人类的文明史 = 材料的发展史材料的发展史 高分子（高分子（macromolecule、polymer）由许多结构相同的单元通过共价键重复连接而由许多结构相同的单元通过共价键重复连接而成

3、的相对分子量很大的化合物成的相对分子量很大的化合物天然高分子天然高分子 合成高分子：塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、合成高分子：塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料、功能高分子等涂料、功能高分子等高分子材料具有基本性质：高分子材料具有基本性质： 比重小，比强度比重小，比强度高，韧性、可塑性，高弹性、耐磨性，绝缘高，韧性、可塑性，高弹性、耐磨性，绝缘性，耐腐蚀性，抗射线。性，耐腐蚀性，抗射线。高分子及其应用高分子及其应用 高分子材料的消耗率高分子材料的消耗率 第一章第一章 国内外高分子科学的发展概况与趋势15世纪世纪 美洲玛美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品183

4、9年年 美国人固特异美国人固特异(Charles Goodyear)发现天然橡胶与发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热硫磺共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹性、可塑性的材料性、可塑性的材料 1869年年 美国的海厄特美国的海厄特(John Wesley Hyatt,1837-1920)把硝把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料一种人工合成塑料“赛璐珞赛璐珞”(cellulose) 绪

5、论绪论1. 高分子材料科学的历史回顾高分子材料科学的历史回顾History of Polymers1887年年 Count Hilaire de Chardonnet（夏尔多内（夏尔多内 ）用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。丝。 1909年年 美国人贝克兰德美国人贝克兰德(Leo Baekeland)用苯酚与用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料-酚醛酚醛树酯。树酯。 1920年年 史道丁格史道丁格(Hermann Staudinger)发表了发表了关关于聚合反应于聚合反应(Uber Pol

6、ymerization)的论文提出：高的论文提出：高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应应(聚合聚合)，通过化学键连接在一起的大分子化合物，通过化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一词即源于此。高分子或聚合物一词即源于此。 1926年年 瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机，用它测量心机，用它测量出蛋白质的分子量：证明高分子的出蛋白质的分子量：证明高分子的分子量的确是从几万到几百万分子量的确是从几万到几百万。 1926年年 美国化学家美国化学家Waldo Semon（沃尔多（沃尔多 沙门

7、）合）合成了聚氯乙烯，并于成了聚氯乙烯，并于1927年实现了工业化生产年实现了工业化生产 1930年年 聚苯乙烯聚苯乙烯(PS)发明发明 1932年年史道丁格史道丁格(Hermann Staudinger)(Hermann Staudinger)总结了自己的总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著大分子理论，出版了划时代的巨著高分子有机化合高分子有机化合物物成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志 1935年年杜邦公司基础化学研究所有机化学部的卡罗瑟杜邦公司基础化学研究所有机化学部的卡罗瑟斯斯(Wallace H. Carothers，1896-193

8、7)合成出聚酰胺合成出聚酰胺66，即尼龙。尼龙在即尼龙。尼龙在1938年实现工业化生产年实现工业化生产 1936年年 德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶丁钠橡胶和丁苯橡胶 1940年年 英国人温费尔德英国人温费尔德(T.R.Whinfield,1901-1966)合成合成出聚酯纤维出聚酯纤维(PET) 1940年年 Peter Debye 发明了通过光散射测定高分子物发明了通过光散射测定高分子物质分子量的方法质分子量的方法 1948年年 Paul Flory（弗洛里（弗洛里 ） 建立了高分子长链结构的建立了高分子长链结构的数学理论

9、数学理论 1950年年 德国人齐格勒德国人齐格勒(Karl Ziegler)与意大利人纳塔与意大利人纳塔(Giulio Natta)分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。丙烯。 19711971年年 S.L WolekS.L Wolek（沃勒克沃勒克 ） 发明可耐发明可耐300300o oC C高温的高温的KevlarKevlar（凯芙拉凯芙拉 ）纤维。）纤维。 19551955年年 美国人利用齐格勒美国人利用齐格勒- -纳塔催化剂聚合异戊二纳塔催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一烯，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合

10、成天然橡胶。样的合成天然橡胶。 2020世纪世纪2020年代年代staudingerstaudinger首次提出高分子概首次提出高分子概念念 4040年代年代 形成高分子物理理论形成高分子物理理论 5050年代年代 出现高分子工程：聚合反应出现高分子工程：聚合反应工程、工程、 成型加工成型加工6060年代高分子工业大发展时期：年代高分子工业大发展时期：通用塑料：通用塑料：.PE、PP、PVC、PS (80%)PFUF、PU、UP工程塑料：工程塑料：ABS、PA、PC、PPO、POM、PBT合成纤维：合成纤维：PET、PAN、PP、PVA、nylon合成橡胶：合成橡胶：SBR、NR、顺丁橡胶、丁

11、基橡胶、丁、顺丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶腈橡胶 近十年高分子的发展方向近十年高分子的发展方向：高性能化高性能化 、高功能化、精细化、高功能化、精细化 、智能化、复合化、智能化、复合化在高分子科学的形成和发展的过在高分子科学的形成和发展的过程中，世界上许多科学家作出了程中，世界上许多科学家作出了巨大的贡献，我们不应忘记他们巨大的贡献，我们不应忘记他们The Nobel Prizes and polymer scientists1953 Hermann Staudinger (1881-1965) 施陶丁格施陶丁格(Hermann Staudinger)是德国著名的化学家，是德国著名的化学家，18

12、81年年3月月23日生于德国的沃尔姆斯日生于德国的沃尔姆斯(Worms)，1965年年8月月8日在弗赖堡日在弗赖堡(Freiburg)逝世，终年逝世，终年84岁。他是岁。他是1953年诺贝尔年诺贝尔化学奖的获得者。化学奖的获得者。1947年，他编辑出版了年，他编辑出版了高分子化学高分子化学(Die makromolekulare Chemie)杂志，形象地描绘了高分子杂志，形象地描绘了高分子(Macromolecules)存在的形式。从此，他把存在的形式。从此，他把“高分子高分子”这个这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的

13、关系，创立了确定分子量的粘度的理论之间的关系，创立了确定分子量的粘度的理论(后来被称为后来被称为施陶丁格尔定律施陶丁格尔定律)。他的科研成就对当时的塑料、合成橡胶、。他的科研成就对当时的塑料、合成橡胶、合成纤维等工业的蓬勃发展起了积极作用。由于他对高分合成纤维等工业的蓬勃发展起了积极作用。由于他对高分子科学的杰出贡献，子科学的杰出贡献，1953年年,他以他以72岁高龄，走上了诺贝尔岁高龄，走上了诺贝尔奖金的领奖台奖金的领奖台 For his discoveries in the field of macromolecular chemistry H. Staudinger (1881-1965

14、)1963 Karl Ziegler (1903-1979) Giulio Natta(1898-1973) 德国人齐格勒德国人齐格勒(Karl Ziegler)(Karl Ziegler)与意大利人纳塔与意大利人纳塔(Giulio Natta)(Giulio Natta)分别发分别发明用三乙基铝和三氧化钛组成的金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙明用三乙基铝和三氧化钛组成的金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法。这种催化剂被统称为齐格勒纳塔型催化剂。烯的方法。这种催化剂被统称为齐格勒纳塔型催化剂。19631963年年1212月月1010日，他们共享诺贝尔化学奖的崇高荣誉。日，他们共享诺贝尔

15、化学奖的崇高荣誉。 Karl Ziegler (1903-1979)Giulio Natta (1898-1973)for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers 1974 Paul J. Flory (1910-1985) 美国高分子物理化学家弗洛里美国高分子物理化学家弗洛里(Paul J. Flory)(Paul J. Flory)由于在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，方面取得巨大成就

16、，19741974年荣获瑞典皇家科学院授予的年荣获瑞典皇家科学院授予的诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。 Polymer thermodynamics ,kenitics, molecular weight distribution, solution theoryPaul J. Flory(1910-1985)1991 Pierre-Gilles de Gennes 法国科学家吉尼法国科学家吉尼(Pierre-Gilles de Gennes) (Pierre-Gilles de Gennes) 提出高提出高分子链性质的非平衡态统计理论和标度理论。成功地将分子链性质的非平衡态统计理论和标度理论。成

17、功地将高分子物理理论引向新阶段。高分子物理理论引向新阶段。19911991年被授予诺贝尔物理年被授予诺贝尔物理学奖。学奖。 Pierre-Gilles de Gennes(1932 )for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers 2000 Hideki Shirakawa Al

18、an J. Heeger Alan G. MacDiarmid 2000年年10月月10日，日本筑波大学白川英树日，日本筑波大学白川英树(Hideki Shirakawa)，美国加，美国加利福尼亚大学的黑格利福尼亚大学的黑格(Alan J. Hegger)和美国宾夕法尼亚大学的马克迪尔米和美国宾夕法尼亚大学的马克迪尔米德德(Alan G. MacDiarmid)因对导电聚合物的发现和发展因对导电聚合物的发现和发展(塑料电池聚乙炔塑料电池聚乙炔)而获得而获得2000年度诺贝尔化学奖。年度诺贝尔化学奖。 for the discovery and development of conductive

19、 polymers 2. 阶段回顾阶段回顾 3 .中国的高分子研究 唐敖庆先生于1951年再中国化学会上发表了我国首篇高分子科学论文（橡胶分子尺寸计算）;王保仁先生在我国高分子科学的形成和发展中进行了重要的组织工作;冯新德先生再自由基聚合、氧化还原体系上开展了长期的基础研究工作，钱人元先生高分子物理的研究；徐禧塑料成型加工；钱保功：橡胶研究。 高分子科学研究概况及特点高分子科学研究概况及特点 三个基础分支学科G高分子化学G高分子物理G高分子工程两个综合性研究领域G功能高分子G高分子新材料 “高分子科学与工程”学科高分子化学 研究目标及思路( 学科特点)： 创造新物质及提高已有物质的性能E研究新

20、高分子化合物的分子设计及合成；E研究高分子合成、改性的新聚合反应、新的聚合方法；E研究高分子有序结构及特定凝聚态结构的控制合成或组装方法。 高分子化学学科基本成熟，研究领域很宽，但大多数课题是从事功能高分子的合成及用作各种新材料聚合物的合成研究。在高分子化学领域我国在国际上有影响的工作是：F三元镍系顺丁橡胶合成和稀土催化合成顺丁橡胶以及稀土催化剂的研究；F自由基聚合的氧化还原引发体系；F液晶高分子的设计和合成；F杂环高分子的研究；F全程自由基聚合反应动力学研究；F配位聚合新催化剂研究等。 高分子物理 研究目标及思路( 学科特点): 研究高分子的多层次的运动（链段运动、分子链运动）、多层次相互作

21、用、多层次结构（高分子链节结构、序列结构、各种凝聚态结构），各种结构因素对聚合物材料性能及功能的影响，以及进行上述工作的手段（仪器）研究和新方法研究。 高分子物理学科也基本成熟，课题相对集中。在高分子物理领域我国在国际上有影响的工作是：C高分子聚合反应统计理论；C顺丁橡胶的结构和性能研究；C单链高分子的研究；C高分子链结构和凝聚态结构的研究；C切变流动下高分子体系相分离的研究等。 高分子工程 高分子工程的研究包含两个部分， (1)高分子成型加工; (2)聚合反应工程。主要研究E在外场（剪切力、振动力、温度、压力）作用下，高分子的链运动、相态及结构的变化规律和控制条件，从而发展聚合物成型的新方法

22、和新技术；E以及研究高分子化合物工业规模合成中的尺度效应及工艺特点，从而发展工业合成的新技术、新设备、新流程 我国高分子工程分支学科内涵正在形成之中。 目前聚合物成型研究占了绝大部分，而在此研究中多数工作是聚合物新产品的制造和工艺条件的研究。 功能高分子和高分子新材料 功能高分子领域和高分子新材料领域都是高分子的三个分支学科面向社会对材料的需求而形成的研究领域 运用高分子的学科知识与其他学科及领域进行学科交叉，研究和探索能满足其他学科和领域所需的材料和新技术问题。 功能高分子领域研究用途特殊且用量不大的精细高分子材料 高分子新材料则是研究实用性广的通用高分子材料。 功能高分子 医用功能材料（医疗材料、药物缓释材料）研究；电子聚合物（导电、发光、非线性光学材料）研究；磁性高分子研究；高分子液晶研究；电磁流变液体研究；智能高分子凝胶研究；功能分离膜研究等。 高分子新材料 高性能工程塑料；复合材料；可环境降解材料；纳米材料，有机无机杂化材料；天然高分子改性材料；农用高分子材料；涂料；粘合剂；建筑用高分子材料 功能高分子领域和高分子新材料领域目前存在的问题 研究较多地注意了新化合物的合成及应用，深入开展高分子结构与功能关系研究以及功能的原理研究不够。学科交叉的特点，扩充从事功能高分子和高分子材料研究的知识积累以及开拓研究新的领域的研究思路也