高分子物理言.ppt

1,高 分 子 物 理,材料工程系,张 英强 (Sh_yqzhangsina),2,材料一般是指人类用以制造生活和生产所需的物品、器件、构件、机器和其它产品的物质。 材料不仅是人类进化的标志，也是社会现代化的物质基础与先导。材料、能源与信息被称为现代文明的标志。80年代人们又把新型材料、生物工程和信息工程作为产业革命的重要标志。材料，尤其是新型材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平，它关系着国家的综合国力与安全保障。因此各发达国家无不把材料放在重要地位。,材料是宇宙间可用于制造有用物品的物质。,3,Metals 金属材料 Ceramics 陶瓷材料 Composites 复合材料,材料的分类：,Polymers 高分子材料,4,高分子科学的发展史,天然高分子化合物：棉、麻、丝、毛、皮革、天然橡胶、生漆 天然高分子的化学改性: 天然橡胶的硫化 硝化纤维素（赛璐珞） 皮革鞣制,二十世纪初期 酚醛树脂（）、 聚丁二烯（）、 醇酸树脂、醋酸纤维、脲醛树脂,5,二十世纪三十年代 大分子概念的确立（ Staudinger) Kuhn等把统计力学用于高分子链的构象统计、Svedberg用超离心技术测定高分子的分子量及其分布。 二十世纪四十年代 高分子化学与工业蓬勃发展的十年,相继开发了丁苯橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、氟树脂、树脂等。Flory等利用晶格模型推导出高分子溶液的热力学性质。 二十世纪五十年代 高分子合成工业的现代化、规模化 原料来自于石油，原料丰富 高分子物理基本成形 成型加工发展 二十世纪六十年代 合成高分子材料全面繁荣局面的形成 二十世纪七十年代 功能高分子迅猛发展 离子交换树脂、水溶性高分子、光敏树脂、医用高分子进一步向大型工业化发展，人造纤维和合成纤维产量等于天然纤维，合成橡胶为天然橡胶的二倍，塑料年产量达万吨，接近木材、水泥产量。,6,二十世纪八十年代 共聚共混改性，扩大用途 节约能耗，消除污染，规模生产,降低价格 二十世纪九十年代 中国的发展现状:2019年中国合成树脂产量达4953 kt,已跻身于世界第六位,占总产量的3.79%;制品产量达15742,已位居世界第二位。树脂排名：美国38600kt，日本14660kt，德国10870 kt，韩国7741 kt，法国5200 kt，中国，比利时，台湾。我国目前人均消费塑料约5kg，远低于世界人均（21kg）和亚洲人均（17kg）的消费水平。 2019年中国合成橡胶总产量为554 kt，消耗量为137万吨，仅次于美国、日本，居世界第三位。,7,高分子科学的发展方向,多用途 新技术 功能化 环保化 节能 低成本,8,聚合新技术 1.模板聚合 2.等离子聚合 3.基团转移聚合反应(GTP) 4.大分子单体的合成和聚合 功能高分子 医用高分子、感光高分子、导电高分子、高分子药物、高分子试剂、高吸水性树脂、离子交换树脂、高分子催化剂、阻燃聚合物材料等等。,9,1.医用高分子 生物医用高分子材料 高分子生物材料 人工器官的研究 整容材料 聚氨酯 硅橡胶 血液相容性,生物相容性,生物降解吸收,药物控制释放 2.感光高分子 光固化功能 光降解功能 光成像功能 光致变色和光致发光性 光催化 光导性 3.分离膜,10,合成聚合物膜的主要作用是选择障碍物,允许某一组分通过而截留混合物中的其它组分。 4.导电高分子材料 共轭高分子,电荷转移复合体,聚合阳离子-自由基盐,含金属聚合物 制作途径: (1)合成导电结构聚合物 (2)掺杂 5.高吸水性树脂 6.阻燃聚合物材料 阻燃新技术: (1)无卤低烟阻燃剂体系 (2)膨胀型阻燃剂体系 (3)微胶囊技术,11,一、高分子物理的研究对象,高分子材料 Polymer Materials,12,Polymers are substances containing a large number of structural units joined by the same type of linkage.,高分子：由多个单元体通过化学键连接而成的长链分子,13,Cotton 棉,14,Polyester 聚酯(涤纶),Wool 羊毛 Polyacrylonitrile(PAN) 聚丙烯腈,15,Cotton 棉 Nylon 尼龙(锦纶) Polyurethane 聚氨酯(氨纶),16,Nature Rubber 天然橡胶 Polyisoprene(PIP) 聚异戊二烯,17,鞋面: leather, or nylon 鞋底: SBS 内垫: Polyurethane foam,18,Polystyrene(PS) 聚苯乙烯,Polypropylene(PP) 聚丙烯 Poly(ether sulfone) 聚砜,19,Nylon 尼龙 Poly(vinyl chloride) (PVC) 聚氯乙烯,20,Poly(vinyl chloride) PVC 聚氯乙烯,21,Silicone 硅胶,Wood 木材 Poly(vinyl pyrrolidone) PVP 聚乙烯吡咯烷酮,22,23,24,Polycarbonate (PC) 聚碳酸酯 Poly(methyl methacrylate) PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯 Polyacrylamide 聚丙烯酰胺,25,柄: Polyethylene PE 聚乙烯 刷毛: Nylon 尼龙,26,Epoxy resin 环氧树脂,27,Polypropylene PP 聚丙烯,Polystyrene PS 聚苯乙烯,Polycarbonate PC 聚碳酸酯,28,Poly(ester terephthalate) PET 聚对苯二甲酸乙二醇酯 Polystyrene PS 聚苯乙烯,29,Leather 皮革 Polyisobutylene PIB 聚异丁烯,Carbon fiber 碳纤维,30,天然高分子,合成高分子,塑料,橡胶,纤维,粘合剂,涂料,Cotton 棉 Wool 羊毛 Silk 丝绸 Starch 淀粉 Protein 蛋白质 Wood 木材 Nature Rubber 天然橡胶,PE 聚乙烯 PP 聚丙烯 PVC 聚氯乙烯 PS 聚苯乙烯 PC 聚碳酸酯 PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯,PB 聚丁二烯 PIP 聚异戊二烯 PIB 聚异丁烯 PU 聚氨酯,PAN 腈纶 Nylon 尼龙 PET 涤纶 PU 氨纶,PVAc 聚醋酸乙烯酯 PAM 聚丙烯酸酯,31,航空,航海,航天,汽车,医疗,电子,电器,环境,能源,道路,纺织,建筑,制药,涂料,粘合剂,水利,高分子材料,32,二、研究内容：,Materials science and engineering (MSE) ：involves the generation and application of knowledge relating the composition, structures, and processing of materials to their properties and uses.,材料科学与工程：材料的组成、 结构、加工与材料的性能、使用之间 关系的发现与应用。,33,三、研究意义,高分子材料的优点： 低密度、易染色、易加工、抗腐蚀、韧性好、减震,生物兼容性 易于设计（tailor),34,聚乙烯，聚丙烯 1.0,低密度,35,聚丙烯短纤维,易染色，色泽鲜艳,36,一些典型的挤出物截面,易加工,37,耐腐蚀,38,韧性好,39,吸波材料,减震,40,高分子材料的缺点,Low mech properties,Difficult recycling,Static accumulation,Low service T,Aging,Flammable,静电,易燃,易老化,使用温度低,力学性能低,难回收,41,设计的途径：,1、组成性能,例：,ABS,例： 炭黑补强橡胶,强度,加工性,韧性,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,42,2、加工性能：,例： 聚对苯二甲酸乙二酯（PET） 加工过程中：,缓慢冷却 迅速冷却,可以结晶 来不及结晶,强度好（涤纶） 透明（饮料瓶）,设计的途径：,43,三、分子量性能,例：,n=14 天然气,n=58 汽油,n=912 煤油,n=50 石蜡,n10000 Polyethylene(PE),n=100000 UltraHigh Molecular weight Polyethylene (UHMWPE),设计的途径：,44,高分子物理： 高分子材料的 结构性能 间的关系,45,高分子物理的核心内容,高分子材料的结构 高分子材料的性能 高分子材料结构与性能的关系 高分子的分子运动,46,高分子材料的结构由微观向亚微观的层次递进：高分子链的近程结构 高分子链的远程结构 高分子的聚集态结构 织态结构。 高分子材料的性能基本物理性能、流变（动）性能、溶液性能、结晶性能、力学性能、热性能、光性能、电性能、渗透性能、粘结性能、燃烧性能、老化性能等等 高分子材料的应用 五大合成材料 功能高分子材料,47,能对已知结构的高分子物质（材料）作出其性能的推测和合理解释（根据结构预测性能） 能对新开发产品所要求的加工性能和使用性能进行基本的分子设计（依据性能设计结构）,学习目的及目标,48,课程的学习方法：,以课堂讲授为主:,理解+记忆,掌握思路,49,教材：,高分子物理 何曼君，陈维孝，董西侠编 复旦大学出版社