高分子材料汇编

1、L o g oL o g oL o g oL o g o认识高分子与高分子认识高分子与高分子材料材料1L o g oL o g o1.1 1.1 现代生活中的高分子材料现代生活中的高分子材料L o g oL o g oPP、PUR、PC/ABS、PA、PVC、POM、PMMA、PPO、PFL o g oL o g oL o g oL o g o1.2 1.2 高分子科学的发展概况高分子科学的发展概况1919世纪前期世纪前期通过化学反应对天然高分子材料进行改性通过化学反应对天然高分子材料进行改性1919世纪世纪4040年代年代美国人发明了天然橡胶的硫化美国人发明了天然橡胶的硫化6060年代末期年

2、代末期以纤维素为原料获得了赛璐珞塑料以纤维素为原料获得了赛璐珞塑料8080年代末期年代末期用蛋白质用蛋白质- -乳酪素为原料获得了乳酪素塑料。乳酪素为原料获得了乳酪素塑料。它们被称为半合成材料它们被称为半合成材料利用天然高分子材料进行加工、改性（利用天然高分子材料进行加工、改性（19世纪）世纪）L o g oL o g o高分子材料合成工业不断发展壮大时期（高分子材料合成工业不断发展壮大时期（20世纪）世纪）1925-19351925-1935年年诞生了诞生了“高分子化学高分子化学”这一新兴学科，有力地促进了这一新兴学科，有力地促进了高分子化合物的工业生产高分子化合物的工业生产 1994199

3、4年年 19101910年年美国工业化生产酚醛树脂，随后合成出丁苯橡胶、美国工业化生产酚醛树脂，随后合成出丁苯橡胶、丁丁腈橡胶、氯丁橡胶、尼龙腈橡胶、氯丁橡胶、尼龙-66-66、聚酯纤维、高压聚乙烯、聚酯纤维、高压聚乙烯和聚氯乙烯，产量和品种在世界大战中得到快速发展和聚氯乙烯，产量和品种在世界大战中得到快速发展2020世纪世纪4040年代年代由于第二次世界大战所需橡胶数量巨大，大力发展合由于第二次世界大战所需橡胶数量巨大，大力发展合成橡胶，奠定了石油化学工业的基础成橡胶，奠定了石油化学工业的基础2020世纪世纪5050年代年代发现了发现了Ziegler-NattaZiegler-Natta催化

4、剂，可以容易地使烯烃、二催化剂，可以容易地使烯烃、二烯烃聚合为性能优良的高聚物，同时由于石油化学工烯烃聚合为性能优良的高聚物，同时由于石油化学工业的建立与发展，高分子合成材料的产量激增；业的建立与发展，高分子合成材料的产量激增； 19941994年年全世界三大合成材料的产量超过全世界三大合成材料的产量超过1.41.4104104万吨，按体万吨，按体积计算超过钢铁积计算超过钢铁L o g oL o g oL o g oL o g oL o g oL o g oL o g oL o g o+L o g oL o g o高分子与诺贝尔奖高分子与诺贝尔奖v施陶丁格施陶丁格 （Hermann Staud

5、inger）是德国著名的化学家 。v高分子化学的奠基人高分子化学的奠基人 ，预言了高分子化合物跟生物和人体的重要关系。创立了高分子线链学说；提出了关于高分子化合物粘度跟高分子化合物分子量之间的关系式，即施陶丁格定则，迄今仍为测定高分子化合物分子量的基本方法。 L o g oL o g o1881年年施陶丁格出生在德国莱茵河西岸莱茵河西岸的沃尔姆斯沃尔姆斯古城，父亲弗里茨施陶丁格是位哲学和社会科学学者。1899年年他进入哈勒大学哈勒大学就读，学习自己感兴趣的植物学。但由于他父亲建议说，如果要成为一位植物学家，一定要知晓一些化学，施陶丁格就在丹尼尔丹尼尔福尔兰德尔福尔兰德尔的指导下学习化学，没想到

6、这一“植物学的预备课程”竟成了他终生的研究方向。1900年年他在达姆斯塔特理工学院接受了分析化学的训练，之后的一年在慕尼黑大学慕尼黑大学阿道夫阿道夫拜耳拜耳的研究所学习了一年有机合成。1903年年他在福尔兰德尔的指导下以对丙二丙二酸酯的研究酸酯的研究获得了博士学位。求学 L o g oL o g o有机化学研究 1903-1907年间，施陶丁格在斯特拉斯堡大学斯特拉斯堡大学研究羧酸。他发现了烯酮烯酮，一种化学性质活泼，后来在药物合成中很有用的中间体。1907年11月施陶丁格担任卡尔斯鲁厄理工学院卡尔斯鲁厄理工学院化学研究所有机化学教授，与卡尔卡尔恩格勒恩格勒、弗里茨弗里茨哈伯哈伯等著名化学家一

7、起工作。他的主要研究方向为进一步研究烯酮的化学性质和反应烯酮的化学性质和反应。1912年烯酮烯酮一书出版一书出版，后来被认为是这一领域的经典教材。1912年施陶丁格接受苏黎世理工邀请，任化学系主任。他和拉沃拉沃斯拉夫斯拉夫鲁日奇卡鲁日奇卡一起，确认了除虫菊酯除虫菊酯的结构，并开发了这一除虫剂的人工合成途径。 1919年他和迈耶共同发表了叠氮化合物和三苯基膦反应叠氮化合物和三苯基膦反应，即施陶施陶丁格反应丁格反应L o g oL o g o高分子思想的确立 1926年年他接受弗莱堡大学邀请，担任化学系主任。已是一名颇具盛名的有机化学家的施陶丁格开始了对橡胶橡胶的研究。当时拉乌尔拉乌尔和范特霍夫范

8、特霍夫都通过物理方法测出了橡胶具有很大的分子量。1920年年施陶丁格发表了一篇里程碑的文章，提出橡胶与淀粉、赛提出橡胶与淀粉、赛璐珞、蛋白质等物质的化学本质都是由化学键连接重复单元形璐珞、蛋白质等物质的化学本质都是由化学键连接重复单元形成的聚合物成的聚合物。也就是说这些大分子的结构就如同一根穿起来的曲别针长链，每个曲别针是一样的，他们就如同重复单元。当时有名的化学家当时有名的化学家赫尔曼赫尔曼埃米尔埃米尔费歇尔费歇尔和和亨利奇威兰德都认为实验测出的高分子量来源于认为实验测出的高分子量来源于小分子组成的缔合体和小分子组成的缔合体和胶体颗粒胶体颗粒，其结合力源于每个分子之间的分子间作用力，其结合力

9、源于每个分子之间的分子间作用力，而而反对反对施陶丁格的施陶丁格的小分子通过化学键结合成大分子小分子通过化学键结合成大分子的主张。的主张。L o g oL o g o1930年代，越来越多的实验证据证实了施陶丁格的猜测越来越多的实验证据证实了施陶丁格的猜测。渗透压法和黏度法都测量出了聚合物的大分子量。赫尔曼赫尔曼马克马克的X射线衍射实验证实了大分子链的存在。而华莱士华莱士卡罗瑟卡罗瑟斯斯对尼龙尼龙和和聚酯聚酯的合成也证明了通过小分子合成聚合物是完全可行的。施陶丁格很早就看到了高分子科学的应用前景，他在1936年说过“这么说并非不可能，最终有一天合成高分子量聚合物可以用来制造人造纤维，因为天然纤维

10、的强度和弹性也来源于他的大分子结构。1940年年施陶丁格开始担任弗赖堡大学大分子化学研究所所长至1951年，期间创立了第一种聚合物杂志创立了第一种聚合物杂志大分子化学与物大分子化学与物理理1953年年施陶丁格因“在大分子化学上的诸多发现”获得诺贝获得诺贝尔化学奖尔化学奖。L o g oL o g ov1963年合成高分子塑料而共同获得诺贝尔化学奖。v分别发明用三乙基铝和三氧化钛组成的金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法。这种催化剂被统称为齐格勒纳塔型催化剂。1963年12月10日，他们共享诺贝尔化学奖的崇高荣誉。齐格勒(Karl Ziegler)德国化学家 纳塔(Giulio Natta

11、)意大利化学家 L o g oL o g ov美国高分子物理化学家弗洛美国高分子物理化学家弗洛里（里（Paul J. FloryPaul J. Flory）由于在高分子科学领域，尤其在高分子物理性质与结构的研究方面取得巨大成就，1974年荣获瑞典皇家科学院授予的诺贝尔化学奖。 L o g oL o g o对导电聚合物的发现和发展对导电聚合物的发现和发展获得获得20002000年度诺贝尔化学奖年度诺贝尔化学奖 日本化学家白川英树（Hideki Shirakawa） 美国化学家黑格（Alan J. Hegger） 美国化学家马克迪尔米德（Alan G. MacDiarmid） L o g oL o

12、 g o北京时间北京时间1010月月9 9日下午日下午5 5点点4545分，分，20132013年诺贝尔化学奖揭晓，美国三位科年诺贝尔化学奖揭晓，美国三位科学家学家Martin Karplus, Michael LevittMartin Karplus, Michael Levitt和和Arieh WarshelArieh Warshel获奖。获奖理由获奖。获奖理由是是“为复杂化学系统创立了多尺度模型为复杂化学系统创立了多尺度模型”。Martin KarplusMartin Karplus，美国和奥地利公民。，美国和奥地利公民。19301930年出生于奥地利维也纳。年出生于奥地利维也纳。195

13、31953年从美国加州理工学院获得博士学位。美国哈佛大学荣誉退休教年从美国加州理工学院获得博士学位。美国哈佛大学荣誉退休教授。授。Michael LevittMichael Levitt，美国和英国公民。，美国和英国公民。19471947年出生于南非比勒陀利亚。年出生于南非比勒陀利亚。19711971年从英国剑桥大学获得博士学位。目前为美国斯坦福大学医学院教年从英国剑桥大学获得博士学位。目前为美国斯坦福大学医学院教授。授。Arieh WarshelArieh Warshel，美国和以色列公民。，美国和以色列公民。19401940年出生于以色列年出生于以色列Kibbutz Sde-Kibbutz

14、 Sde-NahumNahum。19691969年从以色列魏茨曼科学研究所获得博士学位。目前为美国南年从以色列魏茨曼科学研究所获得博士学位。目前为美国南加州大学教授。加州大学教授。L o g oL o g o1.3 1.3 高分子的基本概念高分子的基本概念高分子就是那些分子量特别大的物质。高分子物质的分子一般由几千、几万甚至几十万个原子组成，它的分子量也就是几万、几十万、甚至以亿来计算。高分子的“高”就是指它的分子量高(104-107)。MacromoleculeMacromolecule compoundPolymer1.3.1 什么是高分子什么是高分子L o g oL o g o1.3.2

15、 高分子的命名高分子的命名（1）根据单体的名称来命名（2）根据特征官能团来命名（3）按聚合物的组成命名（4）按商品名或俗称命名（5）按化学名称的标准缩写L o g oL o g o1.3.2 高分子的分类高分子的分类v高分子按来源分：高分子按来源分：天然高分子天然高分子合成高分子合成高分子线型高分子线型高分子体型高分子体型高分子热塑性高分子热塑性高分子热固性高分子热固性高分子塑料纤维橡胶塑料纤维橡胶涂料粘合剂涂料粘合剂v高分子按结构分：高分子按结构分：v高分子按性质分：高分子按性质分：v高分子按性能和高分子按性能和用途分：用途分：L o g oL o g o1.3.2 高分子的研究方向高分子的

16、研究方向L o g oL o g o器官生成公司出品的人造皮肤器官生成公司出品的人造皮肤治愈的皮肤溃疡治愈的皮肤溃疡 聚合物支架和细胞（医学应用）聚合物支架和细胞（医学应用）罗伯特罗伯特朗格提供图片朗格提供图片医学奇迹L o g oL o g o高分子材料的缺陷高分子材料的缺陷L o g oL o g oL o g oL o g o高分子著名高校高分子著名高校北京大学，化学所，复北京大学，化学所，复旦大学，浙江大学旦大学，浙江大学 四川大学，华南理工四川大学，华南理工 青岛科技，北京化工大青岛科技，北京化工大学学 香港理工，东华大学，香港理工，东华大学，天津工业大学，北化工天津工业大学，北化工

17、（碳纤维）（碳纤维） 中国第一航空集团中国第一航空集团 621所，浙江大学，西北工所，浙江大学，西北工大，北航大，北航香港科技，复旦，上交香港科技，复旦，上交L o g oL o g o重点实验室重点实验室 v 高分子物理与化学国家重点实验室高分子物理与化学国家重点实验室-化学研究所和长春应化学研究所和长春应用化学研究所）。用化学研究所）。http:/ 吸附分离功能高分子材料国家重点实验室吸附分离功能高分子材料国家重点实验室-南开大学南开大学http:/ 聚合物分子工程教育部重点实验室聚合物分子工程教育部重点实验室-复旦大学复旦大学http:/ 高分子材料工程国家重点实验室高分子材料工程国家重

18、点实验室-四川大学四川大学http:/ 聚合反应工程国家重点实验室聚合反应工程国家重点实验室清华大学萃取分离工程实清华大学萃取分离工程实验室、天津大学精馏分离工程实验室、华东理工大学固定验室、天津大学精馏分离工程实验室、华东理工大学固定床反应工程实验室和浙江大学聚合反应工程实验室四个分床反应工程实验室和浙江大学聚合反应工程实验室四个分实验室。实验室。http:/ o g oL o g ov生物医用高分子材料教育部重点实验室生物医用高分子材料教育部重点实验室-武汉大学武汉大学http:/ o g oL o g o国内期刊杂志国内期刊杂志L o g oL o g o1.4 1.4 天然高分子天然高

19、分子纤维素的存在：纤维素的存在：绿色植物通过光合作用生成的物质，是构绿色植物通过光合作用生成的物质，是构成植物细胞的基础物质。一切植物都含有纤维素，棉花含成植物细胞的基础物质。一切植物都含有纤维素，棉花含纤维素高达纤维素高达90以上，木材中含纤维素为以上，木材中含纤维素为50左右。左右。1.4.1 纤维素纤维素L o g oL o g o纤维素的结构式纤维素的结构式 纤维素是由纤维素是由D-吡喃式葡萄糖单元通过相吡喃式葡萄糖单元通过相邻糖单元的邻糖单元的1位和位和4位之间的位之间的-苷键链接而成苷键链接而成的线性高分子。的线性高分子。OHOHHOHHOHHOCH2OHHOHHHHHOO*OHC

20、H2OHCH2OHOHHHOHHOHHOnL o g oL o g ov天然棉纤维素大约由天然棉纤维素大约由15300个葡萄糖基组成；个葡萄糖基组成；木材纤维素的聚合度大约木材纤维素的聚合度大约800010000个；个；v随着不同的品种来源，纤维素的相对分子量可随着不同的品种来源，纤维素的相对分子量可以从以从50002500000范围内变化。范围内变化。v由植物纤维原料经过化学处理制成的各类化学由植物纤维原料经过化学处理制成的各类化学浆，纤维素的聚合度下降至浆，纤维素的聚合度下降至1000左右。左右。L o g oL o g o纤维素的化学性质纤维素的化学性质降解反应降解反应 酸水解降解酸水解

21、降解 碱降解碱降解 酶降解酶降解 氧化降解氧化降解 酯化和醚化酯化和醚化 接枝共聚接枝共聚L o g oL o g o纤维素的应用纤维素的应用以纤维素为基质制造降解材料具有多方面的优势以纤维素为基质制造降解材料具有多方面的优势:(1)纤维素本身无毒，尤其制造出的降解材料将有广泛的使用范围、纤维素本身无毒，尤其制造出的降解材料将有广泛的使用范围、(2)纤维素是地球上一种可再生的绿色材料资源，不仅可有效提高农纤维素是地球上一种可再生的绿色材料资源，不仅可有效提高农林生产的经济效益，还对缓解以有限资源林生产的经济效益，还对缓解以有限资源石油为原料的现有石油为原料的现有塑料工业继续发展过程中的资源枯竭

22、产生积极作用。塑料工业继续发展过程中的资源枯竭产生积极作用。(3)纤维素分子中含有许多羟基，具有多种化学反应性能，接枝改性纤维素分子中含有许多羟基，具有多种化学反应性能，接枝改性后可制造出不同性能的材料，以满足不同的生产生活需求。后可制造出不同性能的材料，以满足不同的生产生活需求。L o g oL o g o 纤维素膜纤维素膜 纤维素塑料纤维素塑料以纤维素材料为基质的可降解塑料以纤维素材料为基质的可降解塑料共混型共混型反应型反应型可与纤维素共混的原材料有天然材料，可与纤维素共混的原材料有天然材料，如甲壳素、壳聚糖、蛋白质、纤维素如甲壳素、壳聚糖、蛋白质、纤维素及其化学改性物、种子粉和一些人工及

23、其化学改性物、种子粉和一些人工合成材料如合成材料如EVA、PVA、UF等。等。纤维素通过接枝或共聚反应将其他高分子或纤维素通过接枝或共聚反应将其他高分子或单体结合到纤维素分子上，可以大大改善纤单体结合到纤维素分子上，可以大大改善纤维素的性质。经这种改性后的纤维素有的耐维素的性质。经这种改性后的纤维素有的耐燃、耐化学腐蚀、耐老化，有的有粒子交换燃、耐化学腐蚀、耐老化，有的有粒子交换性能和吸附性能，有的有强烈吸收水分性能，性能和吸附性能，有的有强烈吸收水分性能，有的有止血、杀菌功能，因此已经用来制造有的有止血、杀菌功能，因此已经用来制造许多具有特殊用途的纤维素功能性产品许多具有特殊用途的纤维素功能

24、性产品。L o g oL o g o1.4.2 淀粉淀粉淀粉（淀粉（starchstarch）是植物的种子、根、块茎、果实和叶子等细胞组成的主要成分。其资源极为丰富，价格低廉。淀粉分为直链淀粉和支链淀粉两大类。L o g oL o g o直链淀粉（分子量较小，在50000左右）支链淀粉（分子量较大，在60000左右） L o g oL o g o不同品种淀粉的分子量分布研究不同品种淀粉的分子量分布研究：用凝胶渗透色谱法测定了谷类、薯类、豆类等14个不同品种淀粉的分子量分布。研究结果表明不同品种淀粉的分子量分布差别很大，分散度都较高。即使不同来源的同种淀粉样品，它们重均分子量虽很接近，但其分子量

25、分布和分散度差异也很大。在各类淀粉中以块茎类以块茎类淀粉的分子量最大淀粉的分子量最大。研究有助于了解淀粉的分子特性及指导生产应用。 L o g oL o g o淀粉的化学改性（变性淀粉）淀粉的化学改性（变性淀粉）（1 1）氧化淀粉）氧化淀粉（2 2）交联淀粉）交联淀粉（3 3）淀粉酯）淀粉酯（4 4）羟丙基淀粉）羟丙基淀粉（5 5）羧甲基淀粉）羧甲基淀粉L o g oL o g o氢气是一种清洁能源，但它的制取、存储和运输都很困难。美国科学家研究出一种用多糖制取氢的新技术。这一成果是美国弗吉尼亚理工学院、橡树岭国家实验室和乔治亚大学的科学家共同作出的。淀粉、纤维素等碳水化合物含有大量的氢，但它

26、们非常稳定，只有在酶的作用下才会分解。科学家利用合成生物学合成生物学的方法，使用由1313种酶组成的混合物种酶组成的混合物，将碳水化合物和水转变成二氧化碳碳水化合物和水转变成二氧化碳和氢气和氢气。实验显示，这一反应在约摄氏30度和1个大气压的条件下即可发生。将二氧化碳抽除后，氢气进入燃料电池产生电力，副产物水可以循环利用。在反应中，氢是主要产物，效率比自然界里厌氧菌分解生物物质产生氢的效率高3倍，每磅氢的成本可能低于1美元。 从淀粉到氢气从淀粉到氢气L o g oL o g o1.4.3 天然橡胶天然橡胶世界上约有2000种不同的植物可生产类似天然橡胶的聚合物，已从其中500种中得到了不同种类

27、的橡胶，但真正有实用价值的是三叶橡胶树三叶橡胶树。橡胶树的表面被割开时，树皮内的乳管被割断，胶乳从树上流出。从橡胶树上采集的乳胶，经过稀释后加酸凝固、洗涤，然后压片、干燥、打包，即制得市售的天然橡胶。天然橡胶根据不同的制胶方法可制成烟片、风干胶片、技术分级橡胶和浓缩橡胶等。 L o g oL o g o天然橡胶是一种以聚异戊二烯聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化学物，其橡胶烃（聚异戊二烯）含量在90%以上，还含有少量的蛋白质、脂肪酸、糖分及灰分等。 L o g oL o g o1492年年 远在哥仑布发现美洲大陆以前，中美洲和南美洲的当地居民已开始利用。 1736年年 法国才在世界上首次报道有

28、关橡胶的产地、采集胶乳的方法和橡胶在南美洲当地的利用情况，使欧洲人开始认识天然橡胶，并进一步研究其利用价值。 1839年年 美国人固特异（固特异（C.Goodyear）发现了在橡胶中加入硫黄和碱式碳酸铅，经加热后制出的橡胶制品遇热或在阳光下曝晒时，才不再像以往那样易于变软和发粘，而且能保持良好的弹性，从而发明了橡胶硫化发明了橡胶硫化，至此天然橡胶才真正被确认其特殊的使用价值，成为一种其重要的工业原料。 天然橡胶的历史天然橡胶的历史L o g oL o g o1888年年 英国人邓录普（J.B.Dunlop）发明了充气轮胎，促使汽车轮胎工业飞跃地发展，因而导致耗胶量急剧上升。 1876年年 英国

29、人威克姆（H.Wickham）从巴西马逊河口采集橡胶种子，运回英国皇家植物园播种，并在锡兰(现在的斯里兰卡)、印度尼西亚、新加坡试种，均取得成功。此即为巴西橡胶树在远东落户的开端。从此，栽培橡胶业发展非常迅速栽培橡胶业发展非常迅速。1997年年世界天然橡胶产量已高达624.7万吨。新中国成立后新中国成立后 中国农垦科技工作者通过科学实践，打破了国外近百年来所谓15以北是巴西橡胶树种植“禁区”的定论，成功地在北纬18以北至北纬24的广大地区种植巴西橡胶树，并获得较高的产量。1996年天然胶产量已达到42万吨，成为世界第五大天然胶生产国。 L o g oL o g o物理特性：物理特性：在常温下具有较高的弹性较高的弹性，稍带塑性，具有非常好的机械强度非常好的机械强度，滞后损失小，在多次变形时生热低，因此其耐屈挠性也很好耐屈挠性也很好，并且因为是非极性橡胶，所以电