高分子概论高分子材料科学概述课件

1、高 分 子 材 料 概 论第1页，共46页。前 言 一、材料的定义与分类分类具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质 材料按化学组成分类按作用分类按状态分类按使用领域分类金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料结构材料功能材料气态液态固态（单晶、多晶、非晶、复合）定义建筑材料医用材料电子材料耐火材料第2页，共46页。二、 材 料 的 发 展 历 史无机非金属材料复合材料高分子材料金属材料木材皮革纤维纸青铜铁钢金皮胶橡胶赛璐珞陶玻璃水泥火石合金钢耐热合金先进功能陶瓷各种基体复合材料功能高分子高温高分子高强高模高分子通用高分子韧性工程陶瓷金属陶瓷耐火材料时间 / 年相对占有量玻璃态

2、金属5000公元前0公元1000150018001900194019601980199020002019纤维增强塑料稻草杆砖微合金钢骨瓷第3页，共46页。三、 材 料 研究的四要素 “ 性质、结构与成分、合成与加工、使用性能，以及它们之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域。” 美国国家研究委员会：90年代的材料科学与材料工程 建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺寸上（从原子 尺寸 到宏观尺寸）对结构的控制，以及高效而有竞争力地制 造材料和零件的演变过程。 合成/加工确定材料功能特性和效用的描述性 质材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需求相融合一个要素。 使用性能第4页，共46页。合

3、成加工性质结构成分使用性能第5页，共46页。 四、材料今后的发展方向（1）从发展看，到二十一世纪，金属材料、高分子材料、 无机非金属材 料、复合材料将出现四大类工程材料平 分秋色的局面。（2）美国认为，在先进材料、电子信息技术、生物技术三 大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和高分 子基质材料将于今后25年内在世界上发挥重大作用， 并可能是美国在国际生产和技术竞争中保持强力地位 的关键技术领域。第6页，共46页。（3）对新一代材料的主要要求： a. 既是结构材料又具有多种功能的材料； b. 具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料； c. 制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料； d.

4、 充分利用自然资源，能循环作用的可再生性材料； e. 少维修或不维修的长寿命材料。第7页，共46页。 材料是人类生活和生产必需的基础，也是人类文明的物质基础，而材料的使用与一个历史时期内生产力和科学技术水平密切相关。一个国家材料的品种和产量是直接衡量一个国家的科学技术、经济发展水平的重要标志之一。第8页，共46页。例CPU制作材料 目前的CPU材料主要以半导体和超半导体技术为主。现有三种材料有可能改变这种情况：（1）原子水平的材料技术（2）生物学DNA技术（3）巴基球技术 用原子做基本材料（载体材料可多样），通过原子组合排列实现二进制逻辑计算，可使计算机超小型化。目前问题：组合排列的稳定性。

5、用生物基因做基本材料，用基因密码组合实现二进制逻辑计算，可使计算机智能化。目前问题：提高速度。 在巴基球条件下，碳分子成为导体，性能比现有任何计算机材料好，且三维方向可控，一方面材料俯拾即是，另一方面三维可控将提供更新的逻辑数学方式，对软件制作模式有重大影响。目前问题：载体稳定性。第9页，共46页。第10页，共46页。第一章绪论第一节 高分子材料科学概述一、基本概念 1、高分子科学 2、高分子化合物 3、高分子合成的基本概念二、高分子材料科学发展简史第11页，共46页。高分子科学的研究范围衣：棉、麻、丝、毛及合成纤维食：粮食（淀粉）；肉、蛋（蛋白质）住：木材、塑料、粘合剂、涂料行：汽车、自行车

6、用的轮胎、塑料等 航天、航空中的复合材料 这些材料都是高分子化合物第12页，共46页。1、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。ChemistryPhysicsPolymerTechnic第13页，共46页。 高分子科学的基础。主要研究高分子化合物的分子设计、合成及改性，担负为高分子科学研究提供新生化合物、为国民经济提供新材料及合成方法的任务。 高分子化学 高分子科学的理论基础，主要研究高分子及其聚集态的结构、性能、表征以及结构与性能、结构与外场力的影响之间的相互关系，指导高

7、分子化合物的分子设计和高聚物作为材料的合理使用。高分子物理 研究涉及聚合反应工程、高分子成型工艺及相应的理论、方法的研究，为高分子科学与高分子工业间的衔接点。高分子工程第14页，共46页。 高分子科学把合成、结构、性能和应用这四方面的研究用“四角关系”表示：合成 结构应用 性能第15页，共46页。 2、高分子化合物具有高的相对分子量，其结构必须是由多个重复单元所组成，并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。聚氯乙烯聚乙烯醇IUPAC2019年建议：Polymer molecule, Macromolecule高分子/聚合物/大分子实际上概念上何谓高分子？第16页，共46页。高分

8、子的特征A、相对分子质量很大：一般在104106相对分子质量 1.21.8104尼 龙相对分子质量 515104聚氯乙烯相对分子质量 2530104顺丁橡胶粘合剂、涂料第17页，共46页。C、由相同的化学结构重复多次而成 CH2 CH CH2 CH CH2 CH Cl Cl ClB、共价键连接（？） 聚氯乙烯例第18页，共46页。3、高分子合成的基本概念高分子化学是研究高分子化合物合成和反应的一门科学合成： 由小分子化合物经过聚合反应形成高分子化合物的过程反应：以高分子为反应物进行的化学反应例苯乙烯聚苯乙烯聚乙烯醇聚乙烯醇缩甲醛例第19页，共46页。链原子 Chain Atoms构成高分子主链

9、骨架的单个原子。链单元（链节） Chain Units由链原子及其取代基组成的原子或原子团。聚丙烯聚乙二醇第20页，共46页。结构单元：Constitutional Unit构成高分子主链结构一部分的单个原子或原子团，可包含一个或多个链单元。重复(结构)单元：Constitutional Repeating Unit, CRU重复组成高分子分子结构的最小的结构单元。侧基第21页，共46页。单体单元： Monomer(ic) Unit, mer单个聚合物分子所含单体单元的数目。聚合度： Degree of Polymerization，DP第22页，共46页。例如：单体？聚合物？主链、侧基？结构

10、单元、重复单元、单体单元、链节聚苯乙烯（PS)第23页，共46页。单体？聚合物？结构单元、重复单元、单体单元、链节聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET、涤纶）第24页，共46页。均聚物Homopolymer 由一种单体（真实的、隐含的或假设的）聚合而成的聚合物共聚物Copolymer 由两种以上单体（真实的、隐含的或假设的）共聚而成的聚合物杂链聚合物的结构特征NH-(CH2)6-NH CO-(CH2)4 - COn 结构单元 结构单元 重复单元 此时，两种结构单元的总数称为聚合度： X n X n = 2DP = 2n第25页，共46页。氯乙烯单体“假设单体”：乙烯醇生成均聚物的聚合反应称均聚反应 （

11、Homopolymerization)。生成共聚物的聚合反应称共聚反应 （Copolymerization)。由对苯二甲酸和乙二醇反应生成的“隐含单体”：HOOC-Ph-COOCH2CH2OH第26页，共46页。含有反应性末端基团、能进一步聚合的高分子。遥爪高分子： Telechelic Polymers 高分子链的末端结构单元。末端基团： End GroupsCH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH3聚乙烯：涤纶：第27页，共46页。 高分子工业：公元前，蛋白质、淀粉、棉、毛、丝、麻、造纸、 油漆、虫胶等高分子科学：- 1833年，Berzelius 提出 “Polymer”一词，指以共

12、价键、 非共价键联结的聚集体1、十九世纪之前：天然高分子的加工利用二、 高分子科学发展简史第28页，共46页。2、十九世纪中叶：天然高分子的化学改性高分子工业：- 1838 C.N.Goodyear 天然橡胶硫化- 1845 C.F.Schobein 硝化纤维- 1868 J.W.Hyatt 硝化纤维塑料- 1889 建成最早的人造丝工厂- 1900 英国建成年产1000t粘胶纤维工厂高分子科学：- 1870 提出纤维素、淀粉、蛋白质是大的分子1892 W.A.Tilden 确定天然橡胶干馏产物异戊二烯 结构式第29页，共46页。高分子工业：- 1907 L.Backeland 酚醛树脂- 1

13、911 丁钠橡胶- 1914 醋酸纤维和塑料- 1925 醋酸乙烯工业化- 1928 聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯高分子科学：- 1902 提出蛋白质是由氨基酸残基组成的多肽结构- 1907 W.Ostwold 提出分子胶体概念- 1920 H.Staudinger 提出“共价键联结的大分子” 之现代高分子概念3、二十世纪初叶：高分子工业和科学的创立的准备时期第30页，共46页。高分子工业：塑料：PVC(1931)、PS(1934)、LDPE(1939)、ABS (1948) 橡胶：氯丁胶(1931)、丁基胶(1940)、丁苯胶(1940)纤维：PVC(1931)、尼龙-66(1938)、PET

14、(1941)、维纶（1948）高分子科学：- 1932 H.Staudinger 高分子有机化合物出版 - 192940 W.H.Carothers. P.J.Floury 缩聚反应理论- 193238 W.Kuhn, K.H.Mayer 橡胶弹性理论 193548 H.Mark, F.R.Mayo, et al 链式聚合反应和共 聚合理论- 194249 P.J.Flory, M.L.Huggins, et al 高分子溶液理论- 40年代 Harkin-Smith-Ewart 乳液聚合理论4、二十世纪3040年代：高分子工业和科学的创立时期第31页，共46页。高分子工业： HDPE （19

15、5355）、PP（195557）、BR（1959）、 PC（1957）- 石油化工产品的80%用于高分子工业- 塑料以两倍于钢铁的速率增长（1215% / 年）高分子科学：- 195356 Ziegler-Natta 催化剂和配位阴离子聚合- 50年代 Szwarc 阴离子活性聚合 Kennedy 阳离子聚合- 1957 A.Keller 获得聚乙烯单晶5、二十世纪50年代：现代高分子工业确立、高分子合成化学大发展时期第32页，共46页。高分子工业：通用塑料：PE、PP、PVC、PS (80%)、PF、UF、PU、 UP（20%）- 工程塑料：ABS、PA、PC、PPO、POM、PBT、合成橡

16、胶：丁苯胶、顺丁胶、乙丙胶、异戊胶、丁基胶、 丁腈胶- 合成纤维：PET、PAN、PP、PVA、nylon高分子科学：- 各种热谱、力谱、电镜、IR手段的应用： 1960 高分辨率NMR、 1964 GPC的使用 - 结晶高分子、高分子粘弹性、流变学理论研究的深入6、二十世纪60年代：高分子物理大发展时期第33页，共46页。高分子工业：- 生产的高效化、自动化、大型化： 塑料6000万t、橡胶700万t、化纤6000万t、- 高分子合金，如HIPS- 高分子复合材料，如碳纤维增强复合材料高分子科学：- 197178 白川英树等 导电高分子- 1973 Kevlar 纤维7、二十世纪70年代：高

17、分子工程科学大发展时期第34页，共46页。高分子工业： 80年代初，三大合成材料产量超过10亿t，其中塑料 8500万t，以体积计超过钢铁的产量- 精细高分子、功能高分子、生物医学高分子高分子科学：- 提出分子设计概念- 1983 O.W.Webster 基团转移聚合- 1994 王锦山 原子（基团）转移自由基聚合8、二十世纪末期：高分子科学的扩展与深化第35页，共46页。1850年曾去美国学习两年机械。后来专心研究炸药。1862年夏研制成功了硝化甘油引爆方法。不久又发明了雷管、黄色炸药、无烟炸药。这种炸药很稳定，但用雷管引爆时又威力极大。1867年起，黄色炸药和雷管在实业界获得了极大的信誉。

18、一生获发明专利255项。1895年11月27日，诺贝尔在逝世前拟定遗嘱，将他的遗产大部分赠给斯德哥尔摩科学院，每年用提出的利息奖给科学领域里有重大发现者。 A.B.Nobel (1833-1896) 瑞典化学家崇高的科学奖赏重大事件第36页，共46页。 Nobel 的化学实验室第37页，共46页。 瑞士科学院从1901年起设立诺贝尔奖，每年12月10日，在诺贝尔去世这天颁发。它成为一种崇高的科学奖赏和荣誉。诺贝尔奖项 诺贝尔物理奖 诺贝尔化学奖 诺贝尔生理学和医学奖 诺贝尔文学奖 诺贝尔和平奖 诺贝尔经济学奖 （1969）第38页，共46页。第39页，共46页。 瑞典人，物理化学家。研究胶体分

19、子的提纯和分离技术，特别是对蛋白质的研究。1924年发明了超速离心机，用于蛋白质分子测定，并从沉降常数和扩散系数获得血红蛋白的分子量。 Svedberg 的工作为高分子化学的建立创造了实验条件。T.Svedberg （ 18841971）1926年因发明高速离心机并用于高分散胶体化学研究获诺贝尔化学奖第40页，共46页。 德国人，1903年在Halla大学完成博士论文。 毕业后在多所大学任教。 早期研究有机化学，后转向对天然有机物的结构研究。 1920年，在德国化学会志上发表划时代的文章论聚合,首次提出高分子的概念。 1932年，发表专著高分子有机化合物，标志着高分子化学的诞生。H.Staud

20、inger （18811965）1953年因“链状大分子物质的发现”获诺贝尔化学奖第41页，共46页。Ziegler-Natta催化剂的发现* 1923年，开始碱金属有机化合物研究* 二十世纪50年代，石油化工为高分子合成提供了廉价丰富的原料，但其中最 多的-烯烃由于没有合适的催化剂而末能得到充分使用。* 1948年，用AlH3与乙烯反应，得到不带支链的高级烯烃* 1953年，在一次实验中意外发现由于反应釜中残留的痕量镍而只生成二聚体德国人， 22岁获博士学位。毕业后在多所大学任教，主要从事金属有机化合物研究。治学严谨，重视理论与实践相结合。实验技巧娴熟，危险实验常亲自做。一生发表论文200余

21、篇。 对助手要求严格，对重要的书要求助手“通背” “翻破”为止。1946年起任前联邦德国化学会会长。* 1955年，进一步的研究发现用TiCl4和Al(C2H5)3 组成的催化体系，能使乙烯 在室温低压下迅速聚合成为高分子量的高密度聚乙烯， Ziegler 催 化剂由此诞生。K.Ziegler （18981973）第42页，共46页。1963年， K.Ziegler 和 G.Natta 因“在高分子合成和工艺领域中的重大发现”共同获诺贝尔化学奖意大利人，21岁获博士学位。毕业后在多所大学任教，同时兼任Montecatini（蒙埃）公司顾问。主要从事有机合成和高分子结构研究。高度重视工业工作，不单纯学术生涯。一生发表论文7