高分子材料概论.ppt

高分子概论 课程介绍 目的及要求 介绍高分子学科的概貌 希望对高分子学科有初步的了解 学时 学分 40学时 2学分 学时分配 上课28学时 作业8学时 考核成绩 写一篇论文 字数不少于4000 6月28日前交 第一章绪论白如科第二章高分子的设计与合成潘才元第三章光与高分子材料施文芳第四章光子学聚合物张其锦第五章高分子导体与半导体张兴元第六章生物医用高分子王均第七章聚合物在生物高分子中的分离作用王延梅 内容安排 第八章凝聚与溶解朱平平第九章高分子粘合剂刘世勇第十章高分子复合材料刘和文第十一章高分子科学中的计算机模拟梁好均第十二章电离辐射与高分子材料张志成第十三章环境与高分子材料吴承佩第十四章超分子化学与纳米高分子材料何卫东 高分子科学与材料概论第一章绪论高分子世界PolymerWorld 人类从起源以来就同高分子结下不解之缘 生命体系其根本都是由高分子组成衣食住行离不开高分子材料 一 高分子基本概念 什么是高分子 定义 高分子量的化合物 10000 别称 聚合物 Polymer高聚物 Highpolymer大分子 Macromolecule比较 低聚物 10000 Oligomer或齐聚物 寡聚物 什么是聚合反应 聚合反应 Polymerization小分子化合物聚合物 聚合物 Polymer 聚乙烯 Polyethylene PE 单体 Monomer 乙烯 Ethylene 聚合物聚合度与分子量 结构式 聚合度 大分子中的重复单元数或结构单元数 n 分子量 数均分子量 重均分子量 数均聚合度 重均聚合度 聚合物结构类型 线型LinearPolymer支化型BranchedPolymer交联型CrosslinkedPolymer星型及树状StarPolymerDendrimer 二 高分子科学与材料 高分子学科高分子化学 Polymerchemistry 合成机理 结构设计 控制方法 高分子物理 Polymerphysics 物理性质 结构与性能的关系 高分子工艺学 Polymertechnology 合成工艺 加工工艺 后起之秀 生气勃勃 石器时代 Stoneage 新石器时代 Neolithicage 青铜时代 Bronzeage 铁器时代 Ironage 高分子时代 Polymerage 材料与时代 高分子材料 高分子材料60 陶瓷10 金属30 三分天下有其一 地位与关联 高分子材料PolymerMaterials 信息Information 生物Biology 能源Energy 环境Environment 左右逢源 化学 高分子材料分类 天然高分子材料 Naturalpolymer 纤维素 Cellulose 淀粉 Starch 天然橡胶 Naturalrubber 等 人造高分子材料 Artificialpolymer 硝化纤维素 塑料 电影胶片 炸药 粘胶纤维等 合成高分子材料 Syntheticpolymer 有机玻璃 涤纶 尼龙等 从来源 高分子材料分类 塑料 Plastics 橡胶 Rubber 纤维 Fiber 涂料 Coating 粘合剂 Adhesive 从用途 高分子材料分类 有机高分子 OrganicPolymer 主链以碳氢为主 如聚乙烯 聚丙烯等 无机高分子 InorganicPolymer 主链由杂原子构成 如SiO2等 复合高分子材料 PolymerComposite 聚合物与无机材料复合 如玻璃钢 轮胎 生物高分子 Biopolymer 具有生物功能 如蛋白质 Protein 核酸 Nucleicacid 等 从组成及功能 高分子材料的特点 质轻 常用塑料的密度为1g cm3 是钢铁的1 10 耐温范围宽 硅橡胶 80 聚苯并咪唑 600 碳纤维 4000 性能优异 高强度 Kevlar 比强度为钢的8倍 高模量高弹性 伸长率1000 透明性好抗腐蚀好光 电 磁等功能种类多 满足不同的需求 易加工 节能 低成本 三 发展历程 天然高分子利用7000多年前 天然油漆我国已使用天然油漆涂饰船只 中国漆 大漆 1839年 天然橡胶硫化美国人古德伊尔 CharlersGoodyear 1869年 第一种人工塑料赛璐珞 Celluloid 硝化纤维素 美国人海厄特 JhonWesleyHyatt 1887年 第一种人造丝硝化纤维素 CountHilairedeChardonnet 合成高分子问世1909年 第一种合成塑料酚醛树脂 美国人贝克兰德 LeoBaekeland 大分子概念提出1920年 提出聚合反应生成高分子量化合物 施陶丁格 HermannStaudinger 奠定基础1930 40年代 聚合方法及理论发展 卡罗瑟斯 Carothers 美国人 弗洛里 PaulFlory 美国人 大发展1950年代 配位聚合 CoordinationPolymerization 齐格勒 KarlZiegler 德国人 纳塔 GiulioNatta 意大利人 1960 70年代 高性能化 特种高分子合成高强度 高模量 耐高温等 功能 复合高分子材料1980 90年代 功能高分子 导体和半导体高分子 磁性高分子 光敏高分子 光导高分子 生物医用高分子 液晶高分子 高分子催化剂等等 高分子合金 不同的高分子混合 复合高分子材料 与玻璃纤维 碳纤维等复合 如玻璃钢等 四 辉煌的成就 起步晚 20世纪初发展迅猛成就卓著举世瞩目 高分子材料的工业生产 塑料2亿吨 2003年 纤维3790万吨 天然2410万吨 橡胶1136万吨 天然775万吨 塑料增产迅猛 过去40年 美国增长100倍 全世界塑料产量上世纪90年代初超过钢铁 主要国家生产及消费量 国家产量 千万吨 消量 千万吨 美国4 85 1中国1 84 0德国1 61 2日本1 41 0韩国1 00 5 高分子材料的应用 高分子材料无处不在 以塑代木 以塑代金属 尖端技术 航天飞行器 卫星 火箭等用材 工业 电子元器件 电缆 信息记录储存传输等 农业 地膜 大棚 滴灌设备 高吸水树脂 1000倍 等 衣 服装 防弹衣 消防服等 食 包装 不粘锅等 住 装饰 门窗 家电 家具等 行 飞机 汽车 自行车等交通工具用材 医 接触眼镜 一次性医疗用具 人工脏器等 塑料Plastics 通用塑料 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯等 工程塑料 尼龙 聚甲醛 聚酯 聚碳酸酯等 特种塑料 聚四氟乙烯 Kevlar等 家庭中的聚乙烯制品 身边的高分子材料 聚丙烯制品 碳纤维复合材料 由碳纤维和铝合金制成的赛车底盘 法拉利F1车队 塑料Plastics 热塑性塑料 Thermoplastics 聚乙烯 Polyethylene 产量最大 结构最简单 聚丙烯 Polypropylene 最轻的塑料 聚氯乙烯 Polyvinylchloride 全能的塑料 价格低廉 聚甲基丙烯酸甲酯 Poly methylmethacylate 最透明的塑料 不会碎的玻璃 塑料Plastics 热固性塑料 Thermosetts 环氧树脂 Epoxyresins 用作复合材料 粘合剂等 酚醛树脂 Phenolicresins 电器绝缘材料等 聚酯树脂 Polyesterresins 玻璃钢等 纤维Fibers 天然纤维 棉 麻 丝人造纤维 粘胶纤维 Viscosefiber 醋酸纤维 Acetatefiber 硝酸纤维合成纤维 尼龙 Nylon 结实耐磨涤纶 Polyesterfiber 最挺括纤维腈纶 最耐晒的纤维氯纶 保暖性最好的纤维丙纶 最轻的纤维特种纤维 碳纤维 天然橡胶 Naturalrubber 综合性能最好 生产受地域限制 合成橡胶 Syntheticrubber 丁苯橡胶 产量最大 占80 氯丁橡胶 用途广泛 价廉物美 丁腈橡胶 耐油性好 乙丙橡胶 比重最轻 顺丁橡胶 弹性最好 丁基橡胶 气密性最好 硅橡胶 低温性能最好 氟橡胶 全能橡胶 在最恶劣条件下使用 橡胶Rubber 橡胶园 轮胎 高弹性 熵弹性 建立了理论体系和实验方法高分子化学 高分子物理和高分子工艺学构成了了一个完整的体系 基本理论已经形成 研究方法已经建立 成为高分子材料的开发 生产和应用的基石 涉及多个领域生物 材料 信息 医学 能源等 诺贝尔奖高分子领域有数位科学家获奖 高分子科学研究 高分子科学与诺贝尔奖 1953施陶丁格 HermannStaudinger 1963齐格勒 KarlZiegler 和纳塔 GiulioNatta 1974弗洛里 PaulJ Flory 1991 德让纳 Pierre GillesdeGennes 2000 黑格 AlanJ Hegger 马克迪尔米德 AlanG MacDiarmid 和白川英树 HidekiShirakawa 高分子科学Nobel奖获得者 突破有机化学的传统观念 首先提出了高分子的概念 以大量先驱性工作为高分子化学奠基开创了高分子学科 forhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry H Staudinger 德 1953年化学奖 高分子科学Nobel奖获得者 K Ziegler 德 G Natta 意 1963化学奖1953年 Ziegler Ziegler催化剂 低压聚乙烯合成方法 1954年 Natta 改进Ziegler催化剂 提出有规立构聚丙烯的概念 KarlZiegler GiulioNatta fortheirdiscoveriesinthefieldofthechemistryandtechnologyofhighpolymers Isotacticpolymer 全同立构聚合物 Syndiotacticpolymer 间同立构聚合物 StereoregularPolymers 高分子科学Nobel奖获得者 P J Flory 美 1974化学奖利用等活性假设及直接的统计方法 他计算了高分子分子量分布 即最可几分布 并利用动力学实验证实了等活性假设 引入链转移概念 将聚合物统计理论用于非线性分子 产生了凝胶理论 Flory Huggins格子理论 1948年作出了最重要的贡献 即提出 排除体积 理论和 温度概念 他的著作 Principlesofpolymerchemistry 1953 是高分子学科中的Bible Forhisfundamentalachievements boththeoreticalandexperimental inthephysicalchemistryofthemacromolecules PaulJ Flory 高分子科学Nobel奖获得者 DeGennes 法 1991物理奖对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论从临界现象认识分子 在物理 化学之间架设了桥梁提出 软物质 概念 fordiscoveringthatmethodsdevelopedforstudyingorderphenomenainsimplesystemscanbegeneralizedtomorecomplexformsofmatter inparticulartoliquidcrystalsandpolymers DeGennes 高分子科学Nobel奖获得者 Heeger MacDiarmid 美 白川英树 日 2000化学奖导电高分子研究 聚乙炔掺杂后 电导率从3 2x10 6 1cm 1增加到38 1cm 1 提高了1000万倍 接近铝 铜 提出孤子概念 AlanJ Heeger 1936 AlanG MacDiarmid b 1936 b 1927 HidekiShirakawa 白川英树 Shirakawa 从事聚乙炔聚合机理研究韩国研修生出现幸运的失误 使白川得到膜状聚乙炔偶然的机遇 麦克迪尔米德 MacDiarmid 首先注意到白川的聚乙炔膜 三人在美国合作研究 黑格 Heeger 为了说明聚乙炔的导电性 提出孤子的概念 才有了薄膜显示材料的诞生 高分子科学Nobel奖获得者 Forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers 五 发展前景 可持续发展高分子材料再利用天然高分子的利用发展新的高分子合成方法功能 智能高分子超分子高分子及纳米结构软物质与软物理 可持续发展 高分子材料再利用 聚合物的再利用例如 聚烯烃 柴油轮胎 沥青可降解聚合物的循环利用例如 涤纶 有机玻璃降解为单体 天然高分子的利用 利用天然高分子生产塑料淀粉生成塑料 乳酸生产聚乳酸 纤维素 甲壳素的利用功能化 可加工化 天然高分子 生物质能源气化 液化作为生物质油 利用玉米生成乙醇汽油燃料等 聚乳酸 发展新的高分子合成方法 利用生物方法如 通过微生物或酶催化合成聚合物 合成具有生物功能的高分子如多糖 蛋白质 核糖核酸等 人工仿生方法在环境友好条件下生成聚合物 精确控制组成与结构 如多肽等 功能 智能高分子 电致发光高分子聚合物发光二极管 Polymerlightemittingdiodes PLED 可折叠彩色显示屏 40inchfullcolourdisplayprototype PLEDscanbeusedtoprovidelightofalmostanyvisiblehueandbeyond 功能 智能高