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高分子物理 沈阳化工学院材料学院 一 高分子科学的发展1 高分子科学发展历史2 我国高分子的科学发展二 高分子物理的教学内容1 高聚物结构的特点2 高分子材料的性能特点3 高分子材料的应用4 高分子物理知识解决实际生产问题5 高分子物理的学习方法 绪言 金属材料 长盛不衰金属材料与人类文明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 能源材料和智能材料 材料 人类社会文明大厦的基石 材料科学技术几个活跃领域 1 生物材料 包括生物医用材料和仿生材料 2 智能材料 如压电陶瓷和形状记忆合金 3 环境材料 4 纳米材料5 功能高分子材料 吸水性高分子 导电高分子 发光有机高分子 高分子形状记忆 高分子电解质 高分子压电 有机非线性光学材料 可降解高分子及高分子液晶等 6 计算机模拟与材料设计 通过计算机模拟来预测材料的结构 性能及其间的关系 从而达到材料设计 形成了一门 计算材料科学 高分子科学既是一门应用学科 也是一门基础学科 它是建立在有机化学 物理化学 生物化学 物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科 高分子科学 高分子化学 研究聚合反应和高分子化学反应原理 选择原料 确定路线 寻找催化剂 制订合成工艺等 研究聚合物的结构与性能的关系 为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导 是沟通合成与应用的桥梁 高分子物理 高分子加工 研究聚合物加工成型的原理与工艺 高分子科学 l1839年美国人Goodyear发明了天然橡胶的硫化 l1855年英国人Parks制得赛璐璐塑料 硝化纤维 樟脑 l1883年法国人deChardonnet发明了人造丝 l高分子 Macromolecular Polymer 概念的形成和高分子科学的出现始于20世纪20年代 l1920年德国Staudinger发表了他的划时代的文献 论聚合 提出高分子长链结构的概念 一 高分子科学的发展 1909年贝克兰合成酚醛树脂1911年英国马修斯合成聚苯乙烯1912年聚氯乙烯被合成1927年合成出聚甲基丙烯酸甲酯1933年高压聚乙烯问世1938年四氟乙烯被聚合 1953年齐格勒在低压条件下合成聚乙烯 随后纳塔合成出聚丙烯 1963齐格勒 纳塔获得诺贝尔化学奖 聚合产生的奇迹 塑料的发现 1869年31岁的印刷工人约翰 海阿特发明赛璐珞 1909年贝克兰发明酚醛树脂 现代生活中的高分子材料 塑料 现代生活中的高分子材料 工程塑料 橡胶的发展 橡树之泪 丑却受宠的合成橡胶 现代生活中的高分子材料 橡胶 1855年瑞士人奥蒂玛斯把纤维素放在硝酸中得到硝化纤维素溶液 制得第一根人造纤维 1884年查唐纳脱把硝化纤维素放在酒精和乙醚中得到溶液 得到人造丝 纤维的发展 功能高分子材料的发展 功能高分子材料于20世纪60年代末开始得到发展 功能高分子是指具有化学反应活性 催化性 光敏性 导电性 磁性 生物相容性 药理性 选择分离性 或具有转换或贮存物质 能量和信息作用等功能的高分子及其复合材料 目前已达到实用化的功能高分子有 离子交换树脂 分离功能膜 光刻胶 感光树脂 高分子缓释药物 人工脏器等等 高分子敏感元件 高导电高分子 高分辨能力分离膜 高感光性高分子 高分子太阳能电池等功能高分子材料 即将达到实用化阶段 功能高分子材料 高吸水性树脂 高吸水性树脂就是一种功能高分子材料 它具有优异的吸水 保水功能 可吸收自身重量几百倍 上千倍 被冠予 超级吸附剂 的桂冠 主要类型有聚丙烯酸酯类 聚乙烯醇类 醋酸乙烯共聚物类 聚氨酯类 淀粉接校共聚物类等 聚丙烯酸酯类以丙烯酸和烧碱为主要原料 采用逆向聚合法而制得 可以做成妇女卫生巾 婴幼儿纸尿布以及纸餐巾等 此外还可用作室内空气芳香剂 蔬菜 水果的保鲜剂 防霉剂 阻燃剂 防潮剂以及吸水后体积膨胀的儿童玩具等 目前 全世界总生产能力已经超过130万吨 年 其中日本触媒化学公司是目前世界上最大的生产公司 生产能力达到25万吨 年 高分子膜是指那些由具有特殊分离功能的高分子材料制成的薄膜 能有选择地分离物质 目前应用于海水淡化 反渗透 膜萃取 膜蒸馏等技术领域 高分子分离膜 建于沙特阿拉伯的基塔自来水厂 是世界上最大的海水淡化厂 日供应淡水12000吨 主要使用醋酸纤维素分离膜装置 光敏高分子材料以光敏树脂为代表 主要用于照相 印刷制版 印刷集成电路等 印刷工业应用聚乙烯醇酸酯 光照时交联而不溶而保留下来 得到凸版 光解性的光刻胶 重氮醌接到酚醛树脂上 光作用下重氮醌分解 图像被保留 分辨率达10纳米 光敏高分子材料 1950年人们逐渐开始配戴材质是聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 的隐形眼镜 具有优越的光学特性 又能矫正角膜性散光 1960年捷克学者利用十年的时间发明了软性隐形眼镜的材料 就是一直延用至今的聚甲基丙烯酸羟乙酯 HEMA 功能高分子材料 隐形眼镜 在塑料中加入蓄光型发光材料经加工就可制成发光塑料 发光塑料是近年来兴起的一种高附加值新型功能材料 其产品如 交通领域通道标识 楼梯标识 标志线 发光涂料 发光开光 发光壁纸 工艺品 玩具 体育休闲用品 功能高分子材料 发光材料 导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点 目前 它已成为一门新型的多学科交叉的研究领域 并在世界范围内吸引了一大批材料设计专家 功能高分子材料 导电高分子材料 液晶高分子作为一类新型的高性能材料 极大地引起了科学界和工业界的关注 得到了广泛的应用 并发展为高分子科学中最活跃的领域之一 液晶高分子 竹子地板地毯则可以选择耐久的羊毛制品或者PET地毯主要采用水性涂料 粉末涂料和辐射固化涂料等用于户外美化环境的产品 可以回收的塑料做成长椅 桌子和交通标志牌 绿色建材 生物降解高分子材料 目前自然界的污染存在 白色 塑料 和 黑色 橡胶 垃圾 发展可生物降解的产品是必要而且急需的 但许多具体问题不能解决 1 可降解塑料袋承重能力低 2 可降解塑料袋色泽暗淡发黄 透明度低 3 是价格偏高 成本难以接受 一次性医疗用品如输液管 药品瓶 医用胶粘剂等 诊断仪器如听疹器 内窥镜及各种其他诊断仪器 体外装置如人工假肢 血液透析或灌注装置等 人体器官如心脏导管 心脏补片 人工心脏泵材料 气管导管 人工膀胱 人工脑膜 动脉补片 人工血管及人工关节等 整形外科手术材料如面部整形植入物等 生物降解材料是指那些可由体液 酶或微生物的作用而引起分解的材料 用于缝线 人体植入 控释药物等 医用高分子材料的种类 人造心脏 生物材料 人造关节 人工肾 别具特色的复合材料 碳纤维复合材料玻璃钢复合材料 至今高分子科学诺贝尔奖获得者 H Staudinger 德国 把 高分子 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之间的关系 1953年诺贝尔奖 K Ziegler 德国 G Natta 意大利 乙烯 丙烯配位聚合 1963年诺贝尔奖 P J Flory 美国 聚合反应原理 高分子物理性质与结构的关系 1974年诺贝尔奖 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 2000年诺贝尔奖 deGennes 法国 软物质 普适性 标度 魔梯 l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 l长春应化所1950年开始合成橡胶工作 王佛松 沈之荃 l冯新德50年代在北京大学开设高分子化学专业 l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 l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 l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 l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 l王葆仁先生1952年上海有机所建立了PMMA PA6研究组 我国与高分子领域的中科院院士 王葆仁冯新德何炳林钱保功钱人元于同隐徐僖王佛松程镕时黄葆同卓仁禧沈家骢林尚安沈之荃白春礼周其凤曹镛杨玉良等 2 我国高分子的科学发展 二十一世纪的高分子科学 在人类历史上 几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献 在二十一世纪来临之际 高分子科学及其相关技术面临着新的机遇和挑战 面临机遇和挑战的一些领域 1 催化过程和新的聚合方法2 非线性结构聚合物3 超分子组装和高度自组织的大分子4 聚合物结晶和形态工程5 刺激 响应聚合物6 聚合物的循环利用和处理 高分子材料的发展方向1 高性能化2 高功能化3 复合化4 精细化5 智能化 我们应注重学习 学科交叉 独立思考 独立创新 为国民经济发展 解决生产实践中存在的学术问题 提高高分子科学的学术水平 从上面所叙述材料的发展可以看到 科学发展是无止境的 一时的满足和安于现状就会导致落后 不断进取 不断创新才更有所作为 人类需求是推动科学发展的动力 高分子物理教学内容为揭示高分子材料结构与性能之间的内在联系及其基本规律 高分子结构是高分子性能的基础 性能是高分子结构的反映 高分子的分子运动是联系结构与性能的桥梁 即通过分子运动的理解建立结构与性能的内在联系 掌握结构与性能的关系 通过合成 改性 加工改善聚合物的性能 满足需要 为聚合物的分子设计和材料设计打下科学基础 为高分子材料的合成 加工 成型 检测及应用等提供理论依据 二 高分子物理的教学内容 高分子的链结构 高分子的凝聚态结构 高分子溶液 分子量及分子量分布 聚合物的转变与松弛 橡胶弹性 聚合物的粘弹性 聚合物的屈服与断裂 聚合物的流变性能 聚合物的其它性能 二 高分子物理的教学内容 高分子的结构 包括高分子链的结构和凝聚态结构 链段 柔顺性 球晶 片晶 分子量和分子量分布 溶液概念 高分子材料的性能 力学性能 热 电 光 磁等性能 力学性能包括拉伸性能 冲击性能等 银纹 剪切带 强度 模量 高分子的分子运动 玻璃化转变 粘弹性 熵弹性 结晶动力学 结晶热力学 熔点 流变性能 粘度 非牛顿流体 WLF方程 Avrami方程 橡胶状态方程 Boltzmann叠加原理 高分子物理的重点内容 聚合物结构与性能的关系 HOW 研究方法 结构 长链 柔性 缠结 链段运动 性能 质轻 易着色 韧性 耐腐蚀 易加工 减震 生物兼容 易剪裁 WHY 研究的目的 指导大分子设计 指导加工 发展高分子材料 1 高聚物结构的特点 与小分子相比 高分子的链式结构 高分子是由很大数目 103 105数量级 的结构单元组成的 高分子链的柔顺性 高分子链的内旋转 产生非常多的构象 如 DP 100的PE 构象数1094 可以使主链弯曲而具有柔性 高分子结构具有多分散性 不均一性 高分子凝聚态结构的复杂性 晶态 非晶态 球晶 串晶 单晶 伸直链晶等 其聚集态结构对高分子材料的物理性能有很重要的影响 聚合物材料 塑料 橡胶 纤维 具有以下优点 质量轻 相对密度小 LDPE 0 91 PTFE 2 2 良好的电性能和绝缘性能 优良的隔热保温性能 绝热材料 良好的化学稳定性 耐化学溶剂 良好的耐磨 耐疲劳性质 橡胶是轮胎不可替代的材料 良好的自润滑性 用于轴承 齿轮 良好的透光率 树脂基光盘 树脂镜片 宽范围内的力学可选择性 原料来源广泛 加工成型方便 适宜大批量生产 成本低 漂亮美观的装饰性 可任意着色 表面修饰 2 高分子材料的性能特点 性质和用途 塑料 纤维 橡胶 涂料 胶粘剂 功能高分子 以聚合物为基础 加入 或不加 各种助剂和填料 经加工形成的塑性材料或刚性材料 具有可逆形变的高弹性材料 纤细而柔软的丝状物 长度至少为直径的100倍 涂布于物体表面能成坚韧的薄膜 起装饰和保护作用的聚合物材料 能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料 具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料 3 高分子材料的应用 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 3 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 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 血袋 注射器 可溶缝合线 药物释放等 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 3 高分子材料的应用 4 高分子物理知识解决实际生产问题 分子量 分子量分布影响高分子材料性能 分子量大 材料强度大 但加工流动性变差 分子量要适中 分子量分布 a纤维 分布窄些 高分子量组分对强度性能不利 b橡胶 平均分子量大 加工困难 所以经过塑炼 降低分子量 使分布变宽起增塑作用 凝聚态结构影响高分子材料性能 结晶使材料强度 脆 韧性 另外球