高分子概论高分子材料科学概述课件

高分子材料

概论前言

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……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金属5000公元前0公元1000150018001900194019601980199020002010纤维增强塑料稻草杆砖微合金钢骨瓷合成加工性质结构成分使用性能

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。（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.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。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。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

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：合成结构应用性能高分子的特征A、相对分子质量很大：一般在104~106相对分子质量1.2~1.8×104尼龙相对分子质量5~15×104聚氯乙烯相对分子质量25~30×104顺丁橡胶粘合剂、涂料C、由相同的化学结构重复多次而成～～

CH2━CH━CH2━CH━CH2━CH～～│││ClClClB、共价键连接（？）

聚氯乙烯例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→聚乙烯醇缩甲醛例结构单元：ConstitutionalUnit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：ConstitutionalRepeatingUnit,CRU

重复组成高分子分子结构的最小的结构单元。侧基单体单元：Monomer(ic)Unit,mer单个聚合物分子所含单体单元的数目。聚合度：DegreeofPolymerization，DP例如：单体？聚合物？主链、侧基？结构单元、重复单元、单体单元、链节聚苯乙烯（PS)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-

CO]n— ︱←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：Xn

Xn=2DP=2n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（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-COOCH2CH2OH2、十九世纪中叶：天然高分子的化学改性高分子工业：-1838C.N.Goodyear天然橡胶硫化-1845C.F.Schobein硝化纤维-1868J.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1892W.A.Tilden确定天然橡胶干馏产物异戊二烯结构式高分子工业：-1907L.Backeland酚醛树脂-1911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-1907W.Ostwold提出分子胶体概念-1920H.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(1941)、维纶（1948）高分子科学：-1932H.Staudinger《高分子有机化合物》出版-1929~40W.H.Carothers.P.J.Floury缩聚反应理论-1932~38W.Kuhn,K.H.Mayer橡胶弹性理论

1935~48H.Mark,F.R.Mayo,etal链式聚合反应和共聚合理论-1942~49P.J.Flory,M.L.Huggins,etal高分子溶液理论-40年代Harkin-Smith-Ewart乳液聚合理论4、二十世纪30~40年代：高分子工业和科学的创立时期高分子工业：

HDPE（1953~55）、PP（1955~57）、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（12~15%/年）高分子科学：-1953~56Ziegler-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-1957A.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、1964GPC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：-1971~78白川英树等导电高分子-1973Kevlar纤维7、二十世纪70年代：高分子工程科学大发展时期高分子工业：

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-1983O.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。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

Nobel的化学实验室瑞士科学院从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）

瑞典人，物理化学家。研究胶体分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（1884~1971）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

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.Staudinger

（1881~1965）1953年因“链状大分子物质的发现”获诺贝尔化学奖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α-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（1898~1973）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