高分子材料概述.ppt

高分子材料概述 主要内容 第一节材料和高分子材料 1 第二节高分子材料分类 2 第三节高分子材料的相关概念 术语 3 第四节高分子材料的性能 4 2 第五节高分子材料的研究方法 第一节材料和高分子材料 材料 能源和信息作为科学技术的三大支柱促进了社会的发展 材料是工业发展的基础 是一个国家科学技术水平 经济发展水平和人民生活水平的重要标志 也是一个时代的重要标志 人类社会发展史回顾 人类社会的发展史就是一部材料的发展史 第一节材料和高分子材料 金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 材料分为三大类 第一节材料和高分子材料 金属材料 长盛不衰从神秘的形状记忆合金到未来能源材料之星 储氢合金古老的陶瓷 旧貌换新颜从一个古老的材料王国到现代无机材料的再度辉煌 威力无比的先进结构陶瓷到奇妙无穷的功能陶瓷 年轻的高分子材料 千姿百态20世纪新兴的材料王国 现代生活的高分子材料功能高分子各显神通先进的复合材料 巧夺天工新型功能材料 人类文明进步的阶梯生物材料 信息材料 环境材料 纳米材料 能源和智能材料 第一节材料和高分子材料 现代生活中的高分子材料 普通塑料 第一节材料和高分子材料 现代生活中的高分子材料 工程塑料 第一节材料和高分子材料 现代生活中的高分子材料 橡胶 第一节材料和高分子材料 现代生活中的高分子材料 纤维 第一节材料和高分子材料 高分子材料在高科技领域应用广泛 第一节材料和高分子材料 高分子的概念始于20世纪20年代 但应用更早 1839年 美国人Goodyear发明硫化橡胶 1868年 英国科学家Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞 1893年 法国人DeChardonnet发明粘胶纤维 1907年 第一个合成高分子 酚醛树脂诞生 1920年 德国人Staudinger发表了 论聚合 的论文 提出了高分子的概念 并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构 1953年获诺贝尔化学奖 高分子材料发展简史 橡树之泪 第一节材料和高分子材料 1935年 Carothers发明尼龙66 1938年工业化 30年代 许多烯烃类加聚物被开发出来 PVC PMMA PS PVAc LDPE 40年代 二次大战促进了高分子材料的发展 一大批重要的橡胶和塑料被合成出来 丁苯橡胶 丁腈橡胶 丁基橡胶 有机氟材料 涤纶树脂 ABS ABS树脂 丙烯腈 苯乙烯 丁二烯共聚物 ABS是AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母缩写 是一种强度高 韧性好 易于加工成型的热塑型高分子材料 高分子材料发展简史 第一节材料和高分子材料 50年代 Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂 制得高密度PE和有规PP 低级烯烃得到利用 1963年 Ziegler和Natta分享诺贝尔化学奖 1956年 美国人Szwarc发明活性阴离子聚合 开创了高分子结构设计的先河 50年后期至60年代 大量高分子工程材料问世 聚甲醛 1956 聚碳酸酯 1957 聚砜 1965 聚苯醚 1964 聚酰亚胺 1962 高分子材料发展简史 第一节材料和高分子材料 60年代以后 特种高分子和功能高分子得到发展 特种高分子 高模量高强度 耐高低温 耐辐射 高频绝缘 半导体等 功能高分子 分离材料 离子交换树脂 分离膜等 导电高分子 感光高分子 高分子催化剂 高吸水性树脂 医用高分子 药用高分子 高分子液晶等 80年代后 新结构的聚合物有 新型嵌段共聚物 新型接枝共聚物 星状聚合物 树枝状聚合物 超支化聚合物 含富勒烯 C60 聚合物等等 高分子材料发展简史 为表彰在导电高分子的发展方面所作的贡献 2000年 日本科学家白川英树 H Shirakawa 美国科学家黑格 A J Heeger 和麦克迪尔米德 A G MacDiarmid 分享诺贝尔化学奖 Fromfossilfuelbasedpolymerintroductions Slidebasedon 1881年3月23日生于德国莱因兰 法耳次州的沃尔姆斯 1907年毕业于施特拉斯堡大学 获博士学位 同年聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授 1912年于苏黎世工业大学任为化学教授 1920年 发表 论聚合反应 的论文 提出高分子的概念 1932年 出版划时代的巨著 高分子有机化合物 1953年获诺贝尔化学奖 1965年9月8日在弗赖堡逝世 终年84岁 第一节材料和高分子材料 施陶丁格尔小传 HermannStaudinger 1881 1965 KarlZiegler 1903 1979 GiulioNatta 1898 1973 K Ziegler 德国 G Natta 意大利 1963年诺贝尔奖得主 第一节材料和高分子材料 50年代 Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂 制得高密度PE和有规PP 低级烯烃得到利用 Ziegler和Natta创造了聚烯烃塑料的新纪元 第一节材料和高分子材料 P J PaulJohnFlory 1910 1985 美国高分子科学家 1934年在俄亥俄州州立大学获物理化学博士学位 后任职于杜邦公司 进行高分子基础理论研究 1948年在康奈尔大学任教授 1957年任梅隆科学研究所执行所长 1961年任斯坦福大学化学系教授 1975年退休 1953年当选为美国科学院院士 弗洛里在高分子物理化学方面的贡献 几乎遍及各个领域 他是实验家又是理论家 是高分子科学理论的主要开拓者和奠基人之一 1974年诺贝尔奖 forhisfundamentalachievements boththeoreticalandexperimental inthephysicalchemistryofthemacromolecules 第一节材料和高分子材料 2000年诺贝尔奖得主 H Shirakawa白川英树 日本 AlanG MacDiarmid 美国 AlanJ Heeger 美国 对导电聚合物的发现和发展 2005NobelChemistryPrize Grubbs Schrock AFranceScientistinIndustryContribution MAOcatalysts 第一节材料和高分子材料 我国近代高分子科学的发展 我国高分子研究起步于50年代初 唐敖庆于1951年 发表了首篇高分子科学论文 长春应化所1950年开始合成橡胶工作 王佛松 沈之荃 冯新德50年代在北京大学开设高分子化学专业 何炳林50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究 钱人元于1952年在应化所建立了高分子物理研究组 开展了高分子溶液性质研究 钱保功50年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射化学的研究 徐僖先生50年初成都工学院 四川大学 开创了塑料工程专业 王葆仁先生1952年上海有机所建立了PMMA PA6研究组 高分子科学 高分子科学 研究高分子化合物合成 改性 高分子及其聚集态的结构 性能 聚合物的成型加工等内容的一门综合性学科 包括高分子化学 高分子物理 高分子工程几个领域 高分子化学 有机化学 物理化学 聚合反应工程 聚合物成型加工 材料力学流体力学 无机化学 分析化学 物理 高分子科学 高分子工程 高分子科学及相关学科 高分子物理 高分子化学 高分子物理和高分子工艺学构成了一个完整的体系 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 第一节材料和高分子材料 高分子材料的应用 高分子材料遍及各行各业 各个领域 包装 农林牧渔 建筑 电子电气 交通运输 家庭日用 机械 化工 纺织 医疗卫生 玩具 文教办公 家具等等 农用塑料 薄膜 灌溉用管 建筑工业 给排水管PVC HDPE 塑料门窗 涂料油漆 复合地板 家具人造木材 地板 PVC天花板 包装工业 塑料薄膜 PE PP PS PET PA等 中空容器 PET PE PP等 泡沫塑料 PE PU等 汽车工业 塑料件 仪表盘 保险机 油箱内饰件 坐垫等 军工工业 飞机和火箭固体燃料 低聚物 复合纤维等 高分子材料的应用 第一节材料和高分子材料 电气工业 绝缘材料 导热性 电阻率 等 导电高分子 电子 通讯光纤 电缆 电线 光盘 手机 电话 家用电器 外壳 内胆 电视 电脑 空调 等 医疗卫生中的应用 人工心脏 人工脏器 人工肾 PU 人工肌肉 输液管 人工肌肉 输液管 血袋 注射器 可溶缝合线等 防腐工程 耐腐蚀性 防腐结构材料 如水管阀门 PTFE 230 260 长期工作 适合温度高腐蚀严重的产品 功能高分子 离子交换树脂 高分子分离膜 高吸水性树脂 光刻胶 感光树脂 医用高分子 液晶高分子 高导电高分子 电致发光高分子等 高分子材料的应用 第二节高分子材料的分类 天然高分子材料 改性的天然高分子材料 合成高分子材料 一按来源分 改性合成高分子材料 为了获得具有各种实用性能或改善其成型加工性能 除基本组分聚合物之外 还要添加各种添加剂 因此严格地说 高分子化合物与高分子材料的涵义是不同的 第二节高分子材料的分类 碳链聚合物 指高分子化合物的的主链完全由碳原子组成 绝大部分聚烯烃及其衍生物都属于此类 杂链聚合物 杂链聚合物是指大分子主链中除了碳原子外 还有氧 氮 硫等杂原子 常见的杂环聚合物有聚醚 聚酯 聚酰胺 聚脲 聚硫橡胶 聚砜等 元素有机聚合物 指大分子主链中没有碳原子 主要由硅 硼 铝 氧 硫 磷等原子组成 典型的例子是有机硅橡胶 二按主链结构分 材料的组成及各成分之间的配比从根本上保证了制品的性能 作为主要成分的高分子化合物对制品的性能起主宰作用 第二节高分子材料的分类 重要的碳链化合物 第二节高分子材料的分类 重要的杂链化合物 第二节高分子材料的分类 典型的元素有机聚合物 有机硅 聚甲基硅氧烷 第二节高分子材料的分类 三按用途分 涂料 粘合剂 复合材料 纤维 塑料 橡胶 实际上 按用途分才是真正把高分子材料从材料的角度进行分类的一种方法 第二节高分子材料的分类 功能高分子材料 高分子信息转换材料 高分子透明材料 高分子模拟酶 医用 药用高分子材料 高分子记忆材料 生物降解高分子材料 功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能 绝缘性能和热性能外 还具有物质 能量和信息的转换 传递和储存 生物性能等等特殊功能 已实用的有高分子信息转换材料 高分子透明材料 高分子模拟酶 生物降解高分子材料 高分子形状记忆材料和医用 药用高分子材料 按用途分又分为 功能高分子材料 普通高分子材料 第二节高分子材料的分类 四按受热后形态变化分类 热塑性高分子在受热后会从固体状态逐步转变为流动状态 这种转变理论上可重复无穷多次 或者说 热塑性高分子是可以再生的 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯和涤纶树脂等均为热塑性高分子 热塑性高分子 热固性高分子在受热后先转变为流动状态 进一步加热则转变为固体状态 这种转变是不可逆的 换言之 热固性高分子是不可再生的 能通过加入固化剂使流体状转变为固体状的高分子 也称为热固性高分子 典型的热固性高分子如 酚醛树脂 环氧树脂 氨基树脂 不饱和聚酯 聚氨酯 硫化橡胶等 热固性高分子 第三节高分子材料的相关概念 术语 1 2 3 4 通用塑料 工程塑料 热塑性塑料 指产量大 价格便宜 力学性能一般 主要作为非结构材料使用的一类塑料 指可以作为结构材料使用 具有优异的力学性能 耐热性能 耐磨性能和良好的尺寸稳定性的一类塑料 指在特定的温度范围内 具有可反复加热软化 冷却硬化特性的塑料品种 热固性塑料 指在特定的温度下加热或通过固化剂可发生交联反应 变成既不熔融 也不溶解的塑料制品的塑料品种 第三节高分子材料的相关概念 术语 5 用化学合成方法生产出的一种与天然树脂类似的高分子化合物 是一种新型的合成材料 如果一合成树脂为基料 加上各种助剂 记过加工 即可制成具有一定特性的可塑材料 通常称为 塑料 6 有合成的高分子化合物制成的纤维 如聚酯纤维 涤纶 聚酰胺纤维 棉纶 聚丙烯晴纤维 晴纶 7 以天然高聚物为原料 经过化学处理与机械加工制成的纤维 其中以含有纤维素的物质如棉短绒 木材为原料的 称为纤维素纤维 以蛋白质为预料的 称为蛋白质纤维 8 在一定温度下 熔融状态的高聚物在一定负荷下 10min内从规定直径和长度的标准毛细管中流出的质量 也称熔体指数 合成树脂 合成纤维 人造纤维 熔体流动速率 第三节高分子材料的相关概念 术语 生胶 再生胶 硫化 塑化 9 10 11 12 天然的或合成的高分子化合物经过化学处理或加工制成浓缩胶乳或干胶 前者直接用于乳胶制品 后者即为橡胶制品中的生胶 用过的硫化橡胶经过化学 热 机械加工处理后所制得的 具有一定的可塑性 可重新硫化的橡胶材料 再生胶可部分代替生胶使用 胶料在一定条件下 橡胶大分子由线型机构转变成网状结构的交联过程 指塑料在加工设备内经过加热达到流动状态经具有良好的可塑性 第三节高分子材料的相关概念 术语 13 14 15 16 微孔高分子材料 复合材料 门尼粘度 指内部具有大量微小气孔的一类高分子材料 以树脂为基体的称为泡沫塑料 以生胶或胶乳为基体的称为泡沫橡胶 俗称为海绵橡胶 由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质 用适当的工艺方法组合起来 得到的具有复合效应的多相固态材料 指胶料在模腔内对粘度计转子转动所产生的剪切阻力 捻度 指将拉细的纤维或几根纤维相互抱合在一起 在特定的加捻机上进行 这种工艺过程叫加捻 加捻的程度叫捻度 即纤维每米长度上的捻回数 捻形的方向有你S形和Z形之分 第三节高分子材料的相关概念 术语 熔融纺丝 溶液纺丝 湿法纺丝 干法纺丝 第三节高分子材料的相关概念 术语 21 22 23 24 聚合物共混 界面 疲劳破坏 指两种或两种以上聚合物经混合制成宏观均匀的材料过程 是聚合物改姓最为简便而且有效的方法 指基体与增强剂或填料之间化学成分有显著的变化 构成彼此结合的 能其负载传递作用的微小区域 指材料在交变负载的作用下 独渐形成裂缝 并不断扩大引起的低应力破坏 线密度 表示纤维粗细的程度 1000m长纤维质量的克数作为线密度的单位 名称 特克丝 单位符号为tex 第四节高分子材料的性能 高分子材料的力学性能 一 高分子材料的物理性能 2 高分子材料的化学性能 三 4 二 高分子溶液 主要内容 高分子材料应用如此广泛的一个很重要的原因 是高分子材料具有其它材料所不可比拟的性能 第四节高分子材料的性能 一高分子材料的力学性能 1基本指标 2高弹性能 3粘弹性 5力学强度 4力学屈服 6摩擦与磨损 7疲劳强度 8蠕变 9应力驰豫 应力与应变 弹性模量 硬度 强度 拉伸强度 弯曲强度 冲击强度 动态粘弹性 静态粘弹性 对大多数高分材料来说 力学性能是最总有的性能指标 聚合物的力学性能是有结构特性所决定的 第五节高分子材料的研究方法 高分子材料结构的测定方法 高分子材料的结构是材料物理性能和力学性能的基础 所以人们了解高分子材料的微观结构 亚微观结构 宏观结构等不同层次的形态和聚集态是必不可少的 高分子链结构的测定 高分子链的结构测定包括分析鉴别聚合物 定量测定和定性分析聚合物的链结构 研究高聚物的反应 高聚物的支化结构和取向结构等 常用的研究仪器有 大角X射线衍射法 电子衍射法 中心散射法 裂解色谱 质谱法 紫外吸收光谱 红外吸收光谱 拉曼光谱 微波分光法 荧光光谱 电子能谱法等 高分子聚集态结构的测定 高分子聚集态结构的测定主要包括高分子结晶状态 溶液中聚合物的状态 共混物和共混物的片层结构等 常用仪器有 小角X射线散射法 电子衍射法 核磁共振吸收 红外吸收光谱 示差扫描量热仪 电子显微镜 光学显微镜 原子力显微镜等 高分子链的整体结构测定 高分子链整体结构测定包括四部分 分子量的测定 分子量分布的测定 支化度的测定 交联度的测定 分子量的测定可采用溶液光散射