人类的文明史=材料的发展史.ppt

人类的文明史=材料的发展史,材料包括：无机非金属材料有机高分子材料复合材料,高分子材料学简介,第一章：绪论,INTRODUCTION,AdvancementintechnologyisdirectlyassociatedwiththedevelopmentofnewmaterialsHistoryisoftendatedbythematerialsofmostimportancetothesociety,i.e.,theStone,Bronze,andIronAgesThemostimportantmaterialsinthemodernsocietyareplastics,ceramics,andsteel,HISTORY,NaturalMacromoleculesAlivingorganismisacomplexmachine,mostfunctionsofwhichareperformedbymacromolecules.DNA,RNA,ribosomers,proteins,cellulose,starches,andahostofotherbiologicallyimportantsubstancesareallmacromolecules.Fromtheverybeginningofcivilization,humansmadetechnologicaluseofnaturalmacromolecules:leather,fur,wool,wood,cotton,flax,paper,naturalrubber,etc.,Man-made(Synthetic)Macromolecules,1839Elasticpropertyimprovementofnaturalrubberbyvulcanization1870Commercializationofcelluloid(75%cellulosenitrate+25%camphor)1892Preparationofrayontextilefibbers1910Phenol-formaldehyderesins-firstfully-syntheticpolymers1920StaudingershypothesisofmacromoleculesFirmestablishmentoftheconceptofpolymers,NobelPrizesforPolymerScience,1953H.StaudingerIntroductionoftheconceptofpolymers(butnotcolloids)1963K.ZieglerandG.NattaDiscoveryofcoordinationpolymerizationcatalystsandpreparationofstereoregularpolymers1974P.J.FloryTheoreticalandexperimentalcontributionstofundamentalprinciplesofpolymerscience1991G.deGennesSuccessfulmathematicaltreatmentofphasetransitionphenomenaofpolymers,liquidcrystals,andsuper-conductingmaterials2000A.J.Heeger,A.G.MacDiarmid,andH.ShirakawaDiscoveryanddevelopmentofconductivepolymers,PolymersAreEverywhere,高分子材料的应用,衣,食,行,住,用,科技,PolymersAreEverywhere,NationalMissileDefense,我们骄傲：高分子概念的形成和高分子科学的出现始于20世纪20年代，但高分子材料是近50年发展最快的材料1996年塑料与金属材料的体积比达到130%,我们责任重大：*我国高分子研究起步于20世纪50年代初*1995年，我国高分子材料进口总量：*塑料：370万吨*合成纤维：207万吨*橡胶：31万吨*占国内消耗量的50%，投资100亿美元*1998年，国内高分子材料的总消耗量为1446万吨，占世界总消耗量的1/10，其中803万吨为进口，人均消耗量仅为发达国家的1/7,现代高分子材料学的三个基础性分支学科,高分子化学高分子物理（结构与性能关系研究）高分子工程（聚合反应工程和高分子成型）,高分子聚合物,塑料,橡胶,纤维,涂料粘合剂,热固性塑料(酚醛、脲醛),热塑性塑料(PE,PP,PVC,PS,PMMA,尼龙),天然橡胶(聚异戊二烯),合成橡胶(顺丁,丁苯,丁腈,丁基橡胶),腈纶(PAN),丙纶(PP),聚酯纤维(PET),尼龙,研究对象,研究对象之一塑料的发展,1869年31岁的印刷工人约翰海阿特发明赛璐珞,取代象牙的塑料,1909年贝克兰发明酚醛树脂,酚醛塑料制作的门把手,1909年贝克兰合成酚醛树脂，1911年英国的马修斯合成出聚苯乙烯，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,聚合产生的奇迹,1953年齐格勒在低压条件下合成出聚乙烯，随后纳塔合成出聚丙烯，1963齐格勒、纳塔获得诺贝尔化学奖。,研究对象之二橡胶的发展,橡树之泪,丑却受宠的合成橡胶,蚕说：还是人类有能耐,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；,研究对象之三纤维的发展,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。,绪论,一、高聚物的基本概论高聚物高聚物（highpolymer）是高分子化合物（macromolecularcompound）的简称，是由成千上万个原子通过化学键连接而成的高分子（macromolecule）所组成的化合物。高聚物的基本特点相对分子质量大高聚物的基本特点分子链长相对分子质量具有多分散性常用的术语,绪论,实例分析以氯乙烯（VC）为单体，通过聚合生成聚氯乙烯（PVC）。nCH2CHCH2CHCH2CHCH2CHCH2CH以对苯二甲酸、乙二醇为单体，通过聚合生成聚对苯二甲酸乙二酯（的确良）。,简写,CH2CH,n,结构单元,重复结构单元,绪论,单体（monomer）能够形成结构单元的分子所组成的化合物，即聚合时的小分子原料。结构单元（structuralunit）组成高聚物重复结构单元的基本单元。重复结构单元（structuralrepeatunit）高分子链中重复出现的单元，即链节（chainelement）。聚合度（degreeofpolymerization）重复结构单元数目，即链节数。单独提出用DP或Xn表示，在结构式中用n表示。三个关系的处理结构单元与重复结构单元的关系单一高分子的相对分子质量与聚合度、重复结构单元相对分子质量的关系,绪论,单一相对分子质量与平均相对分子质量的关系单一相对分子质量只对个体高分子，平均相对分子质量是体系内所有个体相对分子质量的平均值。个体高分子的相对分子质量没有实用价值，真正有价值的是平均相对分子质量的大小。原因：高聚物是由相对分子质量不等的同系聚合物组成的混合物，即高聚物的相对分子质量具有多分散性。多分散性的描述：分布曲线法、分散系数HI法。常见三大合成材料的相对分子质量范围,绪论,二、高聚物的命名与分类高聚物的命名通俗命名法“聚”单体名称实例聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚异丁烯、聚偏二氯乙烯等。注意：取代基的位置用文字代替。原料名称简字“树脂”实例酚醛树脂、脲醛树脂（聚合单体简字）扩充：聚氯乙烯树脂、聚乙烯树脂等（成型加工原料）,绪论,单体简字“橡胶”实例丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶结构特征命名具有“酯COO结构”的高聚物称为聚酯；具有“酰胺CONH结构”的高聚物称为聚酰胺；具有“醚O结构”的高聚物称为聚醚。习惯名称与商品名称,COOCH3,绪论,高聚物的分类,绪论,三、高聚物的形成反应高聚物的形成反应（formationreactionofpolymer）是指由低分子单体形成高聚物的化学反应。广义还应包括利用高聚物的化学变化转化为另一种高聚物的反应。高聚物形成反应的类型,绪论,四、聚合反应的工业实施方法适用于连锁聚合反应的工业实施方法适用于逐步聚合反应的工业实施方法选择聚合实施方法的原则：根据产品性质要求、单体性质、产品用作等缩合考虑。,绪论,五、高分子科学的发展概况天然高聚物的利用与改性阶段（19世纪前19世纪末）合成高分子工业的发展与高分子化学的建立阶段（20世纪初40年代末）现代高分子科学阶段（20世纪50年代初20世纪末）21世纪的高分子科学在合成上探索新的合成反应与方法；探索和提高高分子链结构有序和实现特定聚集态结构的合成技术；用普通单体通过共聚合成新的高聚物。在结构与性能上研究高分子链和聚集态各层次的结构和相态特点及对材料宏观性能、功能的影响；研究外场条件对各层次高分子链运动和结构的影响规律，开发潜在性能；研究新型高分子材料结构的特点、规律；研究生物高分子的结构特点、信息传递，合成仿生功能材料。在成型加工上研究高聚物成型原理，实现工业化；搜集高聚物流体数据，用计算机进行成型设计；注意在成型加工过程中控制结构，形成技能。在高分子化学上精确设计、精确操作，发展完善高分子化学与物理的结合，实现纳米化、功能化、仿生化。,绪论,高聚物的基本特点：相对分子质量大、分子链长、相对分子质量的多分散性主要概念：高聚物、单体、结构单元、重复结构单元、链节、聚合度、多分散性、相对分子质量命名方法：通俗法高聚物的类型：从主链结构上分：碳链高聚物、杂链高聚物、元素有机高聚物、无机高聚物从用途上分：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料、离子交换树脂从高分子链排列上分：结晶高聚物、非结晶高聚物从高分子链几何形状上分：线型、支链型、体型高聚物的形成反应：连锁聚合、逐步聚合、高聚物转化聚合的工业实施方法取决于原料性质、产品用途、质量要求。具体的：连锁聚合可用本体聚合、溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合等方法；缩聚可用熔融缩聚、溶液缩聚、固相缩聚、界面缩聚、乳液缩聚等方法。展望21世纪的高分子科学,BasicDefinitionandNomenclature,Polymer:asubstancecomposedofmoleculeswhichhavelongsequencesofoneormorespeciesofatomsorgroupsofatomslinkedtoeachotherbyprimary,usuallycovalent,bonds.Usually,amoleculeisconsideredtobemacromolecularwhenitexhibitspropertiestypicalofhighmolecularweightsubstances.Macromoleculesareformedbylinkingtogethermonomermoleculesthroughchemicalreactions,theprocessbywhichthisisachievedbeingknownaspolymerization.,Linearpolymersmayberepresentedbyachainwithtwoends.Branchedpolymershavesidechains,orbranches,ofsignificantlengthwhicharebondedtothemainchainatbranchpoints,andarecharacterizedintermsofthenumberandsizeofthebranches.Polymerswithwell-controlledmodesofbranching:comblikepolymers,starpolymers,dendrimers,etc.Networkpolymershavethree-dimensionalstructuresinwhicheachchainisconnectedtoallothers,andarecharacterizedbytheircrosslinkingdensityordegreeofcrosslinking(numberofjunctionpointsperunitvolume).,Homopolymers:Polymerswhosestructurecanberepresentedbymultiplerepetitionofasingletypeofrepeatunitwhichmaycontainoneormorespeciesofmonomerunit.(M)nM:monomerunitorrepeatunit;n:numberofrepeatunitsordegreeofpolymerization(DP)n=2(dimer),3(trimer),4(tetramer),5(pentamer),6(hexamer),.20orMW10,000:polymer,Nomenclature,Source-basednomenclatureplacestheprefixpolybeforethenameofthemonomer,themonomersnamebeingcontainedwithinparenthesesunlessitisasimplesingleworde.g.,poly(methylmethacrylate)(PMMA),polyethylene(PE).Instructure-basednomenclaturetheprefixpolyisfollowedinparenthesesbywordswhichdescribethechemicalstructureoftherepeatunite.g.,poly(ethyleneterephthalate)(PET).Polyesters:(O-R-CO)nor(O-R-O-CO-R-CO)ne.g.,HO-R-OH+HOCO-R-COOH(diol+diacid)Polycarbonates:(O-R-O-CO)ne.g.,HO-R-OH+COCl2(diol+phosgene)Polyamides:(NH-R-CO)nor(NH-R-NH-CO-R-CO)ne.g.,NH2-R-NH2+HOCO-R-COOH(diamine+diacid)Polyurethanes:(O-R-O-CO-NH-R-NH-CO-)ne.g.,HO-R-OH+OCN-R-NCO(diol+diisocyanate)Polyureas:(NH-R-NH-CO-NH-R-NH-CO-)ne.g.,NH2-R-NH2+OCN-R-NCO(diamine+diisocyanate)Polysiloxanes:Si(R2)-On(silicones),Thewordcopolymeriscommonlyusedtodescribepolymerswhosemoleculescontaintwoormoredifferenttypesofrepeatunit.Statisticalcopolymersarecopolymersinwhichthesequentialdistributionoftherepeatunitsobeysknownstatisticallaws.Randomcopolymersareaspecialtypeofstatisticalcopolymerinwhichthedistributionofrepeatunitsistrulyrandom.-B-A-B-B-A-B-A-A-B-A-B-B-B-A-(Forsimplicity,illustrationisforcopolymerscontainingonlyAandB.)Alternatingcopolymershaveonlytwodifferenttypesofrepeatunitandthesearearrangedalternatelyalongthepolymerchain:-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-Statistical,random,andalternatingcopolymersgenerallyhavepropertieswhichareintermediatetothoseofthecorrespondinghomopolymers.,Blockcopolymersarelinearcopolymersinwhichtherepeatunitsexitonlyinlongsequences,orblocks,ofthesametype.E.g.,ABdiblockcopolymers-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-ABAtriblockcopolymers-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A-Graftcopolymersarebranchedpolymersinwhichthebrancheshaveadifferentchemicalstructuretothatofthemainchain.B-B-B-B-B-B-BB-B-B-B-B-B-B-B-B-B-BBB-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-BBB-B-B-B-B-B-B-B-B-B-BB-B-B-B-B-B-B-B-B-B-BBlockandgraftcopolymersusuallyshowpropertiescharacteristicofeachoftheconstituenthomopolymers.Theyalsohavesomeuniquepropertiesarisingfromthecopolymerization.,NomenclatureStatisticalcopolymerofethyleneandpropylenepoly(ethylene-stat-propylene)ABAtriblockcopolymerofstyrene(A)andisoprene(B)polystyrene-block-polyisoprene-block-polystyrenealternatingcopolymerofstyreneandmaleicanhydridepolystyrene-alt-(maleicanhydride),ClassificationofPolymers,ThermosetsRigidmaterialsandnetworkpolymersinwhichchainmotionisgreatlyrestrictedbyahighdegreeofcrosslinking.Intractableonceformed.Degraderatherthanmeltuponheating.ElastomersCrosslinkedrubberypolymersthatcanbestretchedeasilytohighextensionsandwhichrapidlyrecovertheiroriginaldimensionswhentheappliedstressisreleased.Lowcrosslinkdensity.Thermoplastics(plastics)Linearorbranchedpolymerswhichcanbemeltedupontheapplicationofheat.(Largestproportionofthepolymersusedinindustry.),CrystallinepolymersInvariablydonotformperfectcrystallinematerialsbutinsteadaresemicrystallinewithbothcrystallineandamorphousregions.Thecrystallinephaseofsuchpolymersarecharacterizedbytheirmeltingtemperature(Tm).AmorphouspolymersCharacterizedbytheirglasstransitiontemperature(Tg),thetemperatureatwhichtheytransformabruptlyfromtheglassstate(hard)totherubberystate(soft).Thistransitioncorrespondstotheonsetofchainmotion.,MolecularWeightandPolydispersity,MolecularWeightMolarmass(M):massof1moleofpolymer,inunitofgmol-1.(Practicallypeopleusemolecularweightinsteadofmolarmass.)M=xMowherex(orn):degreeofpolymerization,Mo:molarmassofrepeatunit.MolecularWeightDistributionWithveryfewexceptions(e.g.,somematerialsofbiologicalorigin),polymersconsistofmacromoleculeswitharangeofmolecularweights.,MolecularWeightAveragesTodefineanyarithmeticmeanA,letsassumeunitvolumeofasampleofNpolymermoleculescomprising:N1moleculeswithmolecularweightM1,N2moleculeswithmolecularweightM2,NjmoleculeswithmolecularweightMj.N=N1+N2+NjThearithmeticmeanmolecularweightAisgivenasusualbythetotalmeasuredquality(M)dividedbythetotalnumberofelements.N1M1+N2M2+NjMjA=(Ni/N)MiN1+N2+NjNumber-averagemolecularweight(Mn):thesumoftheproductsofthemolarmassofeachfractionmultipliedbyitsm