1 高分子材料基础ppt课件.ppt

高分子材料基础,FoundationsofPolymerMaterials,1,主讲教材,2,教学参考书-1,顾宜主编面向21世纪课程教材，2002年由化学工业出版社出版特点：从材料科学与工程的基本理论出发，较全面地介绍了各种材料的共性规律及金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料的个性特点和多种组分复合体系的基本特征。,3,教学参考书-2,何天白、胡汉杰编1997年，由中国国家自然科学基金委员会资助、化学工业出版社出版,2001年再版。特点：该书由20多位在国际高分子学术界崭露头角的留学海外的中国学者领衔撰写，介绍了各人所从事研究领域的最新成果。内容既包括高分子合成、高分子物理和高分子成型，又有研究方法和新材料，在某种程度上反映了高分子科学的发展新趋势。,4,参考教材-1,YourSubtopicsGoHere,凌绳、王秀芬、吴友平编著2000年由北京化工大学组织编写，中国轻工业出版社出版特点：本书根据高分子材料的性能和用途分类编写，同时将天然和生物高分子材料单独设章，全面系统地介绍了各种高分子材料。,5,参考教材-2,张德庆、张东兴、刘立柱主编1999年哈尔滨工业大学出版社出版特点：以满足读者在短时间内了解和掌握高分子材料科学基本知识的需要为宗旨，论述深入浅出，取材新颖，理论联系实际，注重实用。,6,参考教材-3,王国全、王秀芬编著2000年由北京化工大学组织编写，中国轻工业出版社出版特点：本书以聚合物的共混改性为主，兼及其他改性方法的介绍，并在注重介绍聚合物改性的基本概念、基本规律及主要应用体系的基础上，适当介绍了一些这一领域的新进展，如非弹性体增韧理论。,7,课外补充阅读,由国家自然科学基金委员会化学科学部组织活跃在高分子科学相关研究领域的几十位学者共同撰写而成。,8,1材料科学概述,Chapter1IntroductionofMaterialscience,9,Content,1.1材料与材料科学1.2高分子材料概述,10,1.1材料与材料科学,MaterialandMaterialscience,11,1.1.1材料与材料化过程定义Definition,12,材料(Materials)具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质称为材料。材料化过程(MaterialProcess)由化学物质或原料转变成适于一定用场的材料，这一转变过程称为材料化过程（材料工艺过程）。,13,14,材料发展历程HistoryofMaterials,15,1.1.2材料的分类MaterialClassification,16,17,为了便于阐述材料结构性能用途之间的关系，材料分类通常按组成分为,18,按原材料对复合材料进行分类,19,1.1材料与材料科学,MaterialandMaterialscience,20,1.1.3材料科学的范畴与任务TheContentsandTasksofMaterialsScience,21,材料科学与工程MaterialsScienceandEngineering,22,材料科学的范畴TheContentsofMaterialsScience,材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学。材料科学的内容：一是从化学的角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系规律；二是从物理学角度出发，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系。在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学依据。,因此材料科学是一门多学科的综合性应用科学。作为材料还必须经过一系列材料化过程（即材料加工工艺过程），才能使之满足一定条件下的使用要求。所以材料科学的内容不仅包含化学及物理学的科学问题，还包括材料制备工艺、材料性能表征及材料应用等技术性问题。,23,材料科学的任务TheTasksofMaterialsScience,材料科学的主要任务就是以现代物理学、化学等基础学科理论为基础，从电子、原子、分子间结合力，晶体及非晶体结构，显微组织，结构缺陷等观点研究材料的各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构性能应用之间的规律关系，提高现有材料的性能、发挥材料的潜力并能动地探索和发展新型材料以满足工农业生产、国防建设和现代技术发展对材料日益增长的需求。,24,材料研究的四要素TheFourElementsofMaterialsResearch,25,材料发展趋势DevelopmentTrendofMaterials,从发展看，到二十一世纪，金属材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料将出现四大类工程材料平分秋色的局面。,在先进材料、电子信息技术、生物技术三大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和高分子基质材料将于今后25年内在世界上发挥重大作用。,未来新一代材料主要表现在：a.既是结构材料又具有多种功能的材料；b.具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料；c.制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料；d.充分利用自然资源，能循环作用的可再生材料；e.少维修或不维修的长寿命材料。,26,1.2高分子材料概论,IntroductiontoPolymericMaterials,27,1.2.1高分子的历史HistoryofPolymers,28,1、十九世纪之前：天然高分子的加工利用高分子工业：-公元前，蛋白质、淀粉、棉、毛、丝、麻、造纸、油漆、虫胶等高分子科学：-1833年，Berzelius提出“Polymer”一词，指以共价键、非共价键联结的聚集体。,2、十九世纪中叶：天然高分子的化学改性高分子工业：-1838C.N.Goodyear天然橡胶硫化-1845C.F.Schobein硝化纤维-1868J.W.Hyatt硝化纤维塑料-1889建成最早的人造丝工厂-1900英国建成年产1000t粘胶纤维工厂高分子科学：-1870提出纤维素、淀粉、蛋白质是大的分子-1892W.A.Tilden确定天然橡胶干馏产物异戊二烯结构式,29,3、二十世纪初叶：高分子工业和科学的创立的准备时期高分子工业：-1907L.Backeland酚醛树脂-1911丁钠橡胶-1914醋酸纤维和塑料-1925醋酸乙烯工业化-1928聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯高分子科学：-1902提出蛋白质是由氨基酸残基组成的多肽结构-1907W.Ostwold提出分子胶体概念-1920H.Staudinger提出“共价键联结的大分子”之现代高分子概念,30,4、二十世纪3040年代：高分子工业和科学的创立时期高分子工业：-塑料：PVC(1931)、PS(1934)、LDPE(1939)、ABS(1948)-橡胶：氯丁胶(1931)、丁基胶(1940)、丁苯胶(1940)-纤维：PVC(1931)、尼龙-66(1938)、PET(1941)、维纶（1948）高分子科学：-1932H.Staudinger高分子有机化合物出版-192940W.H.Carthorse,P.J.Flory缩聚反应理论-193238W.Kuhn,K.H.Mayer橡胶弹性理论-193548H.Mark,F.R.Mayo,etal链式聚合反应和共聚合理论-194249P.J.Flory,M.L.Huggins,etal高分子溶液理论-40年代Harkin-Smith-Ewart乳液聚合理论,31,5、二十世纪50年代：现代高分子工业确立、高分子合成化学大发展时期高分子工业：-HDPE（195355）、PP（195557）、BR（1959）、PC（1957）-石油化工产品的80%用于高分子工业-塑料以两倍于钢铁的速率增长（1215%/年）高分子科学：-195356Ziegler-Natta催化剂和配位阴离子聚合-50年代Szwarc阴离子活性聚合Kennedy阳离子聚合-1957A.Keller获得聚乙烯单晶,32,6、二十世纪60年代：高分子物理大发展时期高分子工业：-通用塑料：PE、PP、PVC、PS、PF、UF、PU-工程塑料：ABS、PA、PC、PPO、POM、PBT-合成橡胶：丁苯胶、顺丁胶、乙丙胶、异戊胶、丁基胶、-合成纤维：PET、PAN、PP、PVA、nylon高分子科学：-各种热谱、力谱、电镜、IR手段的应用：-1960高分辨率NMR、-1964GPC的使用-结晶高分子、高分子粘弹性、流变学理论研究的深入,33,7、二十世纪70年代：高分子工程科学大发展时期高分子工业：-生产的高效化、自动化、大型化：塑料6000万t、橡胶700万t、化纤6000万t、-高分子合金，如HIPS-高分子复合材料，如碳纤维增强复合材料高分子科学：-197178白川英树等导电高分子-1973Kevlar纤维,34,8、二十世纪末期：高分子科学的扩展与深化高分子工业：-80年代初，三大合成材料产量超过10亿t，其中塑料8500万t，以体积计超过钢铁的产量-精细高分子、功能高分子、生物医学高分子高分子科学：-提出分子设计概念-1983O.W.Webster基团转移聚合-1994王锦山原子（基团）转移自由基聚合,35,1.2.2高分子前辈高人FamousPolymerScientist,36,T.Svedberg（1884-1971）,瑞典人，物理化学家。研究胶体分子的提纯和分离技术，特别是对蛋白质的研究。1924年发明了超速离心机，用于蛋白质分子测定，并从沉降常数和扩散系数获得血红蛋白的分子量。Svedberg的工作为高分子化学的建立创造了实验条件。,1926年因发明高速离心机并用于高分散胶体化学研究获奖,37,H.Staudinger（18811965）,德国人，1903年在Halla大学完成博士论文。毕业后在多所大学任教。早期研究有机化学，后转向对天然有机物的结构研究。1920年，在德国化学会志上发表划时代的文章论聚合,首次提出高分子的概念。1932年，发表专著高分子有机化合物，标志着高分子化学的诞生。,1953年因“链状大分子物质的发现”获诺贝尔化学奖,38,WallaceH.Carothers18961937）,尼龙的发明人上世纪30年代缩聚反应的系统研究二元醇与二元羧酸的反应二元胺与二元羧酸的缩聚反应1935年合成出聚酰胺66（尼龙66）1938年世界上第一种合成纤维正式诞生,39,K.Ziegler（18981973）,德国人，22岁获博士学位。毕业后在多所大学任教，1946年起任前联邦德国化学会会长。主要从事有机金属化合物合成研究，1953年发现了可使乙烯在室温低压下迅速聚合成为高分子量聚乙烯的Ziegler催化剂。,G.Natta（19031979）,意大利人，21岁获博士学位。毕业后在多所大学任教，同时兼任Montecatini公司顾问。主要从事有机合成和高分子结构研究。1954年，在用改进的Ziegler催化剂进行聚丙烯合成时发现对聚合物立体结构有重大影响。,1963年因“在高分子合成和工艺领域中的重大发现”共同获奖,40,PaulJ.Flory（1910-1985）,美国人，1934年获博士学位后，作为物理化学家进入杜邦公司，在Carothers手下工作。Carothers鼓励他从事将数学方法用于高分子领域的研究。按照这一思路，Flory的研究在许多重要的理论方面多有建树：高分子分子量分布、等活性反应原理、高分子溶液的热力学研究等。,1974年因在长链分子物理化学性质方面的研究获奖,41,P.G.deGeenes（1932）,法国人，理论物理学家6070年代，把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中，为物理学研究开拓了新的领域。,1991年因把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中获奖,42,HidekiShirakawa(1936),AlanG.MacDiarmid(1927),AlanJ.Heeger(1936),日本人，现任筑波大学材料科学研究所化学教授,美国人，现任宾夕法尼亚大学化学教授,美国人，现任加利福尼亚大学巴巴拉分校聚合物和有机固体研究所所长,2000年因在导电聚合物领域的开创性工作共同获奖,43,库尔特.维特里希(1938),约翰.芬恩(1917),田中耕一（1959）,瑞士人，现任瑞士苏黎世联邦高等理工学校的分子生物物理学教授,美国人，现任弗吉尼亚联邦大学教授,日本人，现任岛津制作所分析测量事业部生命科学商务中心、生命科学研究所主任,2002年因在生物大分子研究领域的贡献而获奖,44,冯新德（19152005）,1915年10月12日生于江苏省吴江县。1937年毕业于清华大学化学系。1945年考取公费留美，入圣母大学研究院，1948年获该校博士学位后回国。19481952年，任清华大学化学系教授。后任北京大学化学系教授兼高分子教研室主任，并先后兼任中国科学院化学研究所和感光化学研究所研究员、中国化学会理事和高分子专业委员会副主任、中国生物医学工程学会理事和高分子通讯副主编。1981年当选为中国科学院化学部学部委员。1984年受日本京都大学邀请为医用高分子与生物材料研究中心客座教授。,在自由基聚合、氧化还原引发体系等领域开展了系统的基础研究，并开创了国内医用高分子研究领域。,45,王葆仁（19071986）,江苏扬州人。1927年毕业于东南大学化学系。1935年获英国伦敦大学帝国学院博士学位。中国科学院化学研究所研究员、副所长。19401951年曾任浙江大学化学系教授、系主任。1959年在中国科技大学创建高分子化学与物理系。中国最早从事高分子科学研究的化学家之一。50年代开始研究聚甲基丙烯酸甲酯、聚已内酰胺。对有机硅高分子、特别是硅碳硅氧链高分子的合成做了深入研究。对耐高温杂环高分子的合成及性能进行了较广泛研究，并在应用方面作了许多开拓工作。70年代提出加强高分子大品种如聚丙烯等的研究。在烃类化学方面也做过许多,46,钱人元（19172003）,江苏省常熟县人，1939年毕业于浙江大学化学系。194043年，在西南联合大学任教。1944年赴美留学，在威斯康星大学从事喇曼光谱和电偶矩测定方面的研究。1948年回国，曾经担任厦门大学和浙江大学化学系副教授，并先后在中科院物理化学研究所、长春应用化学研究所和上海有机化学研究所任研究员。1981年当选为中国科学院化学部学部委员。,主要研究领域有：高分子结构与性能、高分子溶液性质、高聚物分子间激基缔合物荧光、有机光导体和有机导体的探索等。,47,何炳林（19182007）,广东省番禺县人。1942年毕业于西南联合大学化学系。1947年赴美留学，52年获印第安纳大学化学系博士学位，后到芝加哥纳尔科化学公司任有机化学高级研究员。1956年回国，历任南开大学化学系教授、系主任、分子生物研究所副所长、高分子研究所所长,中国化学会理事,中国生物材料与人工器官学会副理事长，中国生物医学工程学会理事，中国科学、科学通报、高等学校化学学报、高分子通讯等刊编委。1981年当选为中国科学院化学部学部委员。,开拓了我国离子交换与吸附树脂的研究领域，并在将基础研究和应用研究相结合推动产业发展方面做出富有成果的尝试。,48,钱保功（19161992）,江苏省江阴县人。1940年在武汉大学化学系毕业。1947年赴美留学，在纽约布鲁克林工学院高分子研究院学习和工作，1949年获化学硕士学位。同年回国，先后在上海化工厂、沈阳化工局任工程师。1951年后历任中国科学院长春应用化学研究所研究员、室主任、副所长。1981年起，任中国科学院武汉分院副院长、院长，湖北化学研究所所长，武汉大学教授。历任中国科学、高分子通讯和美国高分子应用科学等杂志编委。1981年当选为中国科学院化学部学部委员。,其长期从事高分子科学研究工作，在国内开创合成橡胶、高分子辐射化学、高分子固态反应和高聚物流变学等方面的研究。,49,唐敖庆（19152008）,江苏省宜兴县人。1940年毕业于西南联合大学。1946年赴美留学，1949年获哥伦比亚大学博士学位。1950年回国后任北京大学化学系教授。1952年后，先后任吉林大学教授、校长、名誉校长兼理论化学研究所所长、名誉所长，原国家自然科学基金委员会主任、中国化学会理事长、中国高教学会副会长、高等学校化学学报主编、中国科学和科学通报编委、化学学报常务编委和国际量子化学顾问编委。,专长于物理化学和高分子物理化学，特别是量子化学。开展了高分子统计理论研究，在高分子化学、高分子物理理论研究方面开创了一个重要领域。,50,徐僖（1921）,江苏省南京市人。1944年在浙江大学化工系毕业，1948年获美国里海大学科学硕士学位。1949年，徐僖回国，受聘于重庆大学化学系，任副教授。1951年，他受命在重庆大学任教的同时筹建重庆塑料厂，任副厂长兼总工程师。后历任成都科技大学副校长、高分子材料系主任、高分子研究所所长以及中国化学会理事、中国石油化工学会副理事长、高分子材料科学与工程和油田化学期刊主编,长期从事高分子化学、高分子材料成型基础理论、高分子力化学、辐射化学等领域的研究。,51,1.2.3高分子的现状PolymerPresent,52,一、总体状况,MacromolecularScientistsandEngineersdevelopthenewestpolymericmaterials,whicharechangingthefaceofoursociety.Polymersarethekeycomponentsofplasticsandfibers,packagingmaterials,coatings,adhesives,andsealants.Newgenerationsoffunctionalpolymersareenablingrevolutionaryadvancesinelectronicandphotonicsensorsanddevices,fuelcellsandbatteries,andbioprostheticanddrugdeliverydevices.,高分子科学的发展极大地改变了我们的生活，在我们的生活中高分子几乎无处不在。那些我们现在看来司空见惯的材料仅仅是60年前还根本不存在。随着人们对高分子研究的不断深入，高分子将在未来发挥更大的作用。,53,54,二、跨学科的高分子科学与工程,各学科间的大分子科学与工程（MMSE）中的一些令人振奋的新的领域不断的出现。这些新的领域处于材料学、工程学、化学、物理学和生物学的交叉部分。它们的健康发展对世界经济和人民生活都有很大的促进作用。,55,例1：生物材料和高分子生物学,生物材料学、高分子科学和生物学之间有着紧密的联系。一些非常高级精密的高分子物质，可以植入人体并和人体组织和谐共存。利用这个技术来修补人类的一些生理缺陷是近期的一个重要目标。通过一些合成高分子和生物体建立特殊联系，使计算机等硬件和细胞之间能更融洽的联系，从而使一些医学上的新的诊断和治疗技术得到应用。这方面的发现主要依靠仿生材料合成和高分子物质的仿生化。,56,例2：新型高分子结构,在新型催化剂的促进下，一些新型的聚合物合成出来，它们具有特殊的结构和性质。例如，一种催化剂可以将普通的聚乙烯的衣服变为防弹衣。显然，在这个转化过程中聚合物的结构发生了变化。新型高分子结构方面的研究主要是基于有机化学的研究，但除了有机合成外，建立模型和理论，用仪器检测结构特征也是必不可少的。,57,例3：发光高分子,10年前,没有人相信聚合物可以用作发光二级管（LED）的发光涂层。1990年，剑桥研究小组在一个由聚合物poly（1，4