高分子材料基础-第2章高分子材料科学基础

第二章高分子材料概论

IntroductiontoPolymericMaterials

§2.1.1PolymerHistory§2.1.2FamousPolymerScientists§2.1.3PolymerPresent§2.1.4Future§2.1HistoryandFutureofPolymers1

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§2.1.1

PolymerHistory22、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3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4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.Carthorse,P.J.Flory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5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6高分子工业：通用塑料：PE、PP、PVC、PS、PF、UF、PU-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7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8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9

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）§2.1.2

FamousPolymerScientist1926年因发明高速离心机并用于高分散胶体化学研究获奖10

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11尼龙的发明人

30年代缩聚反应的系统研究二元醇与二元羧酸的反应二元胺与二元羧酸的缩聚反应1935年合成出聚酰胺66（尼龙66）1938年世界上第一种合成纤维正式诞生WallaceH.Carothers（1896～1937）12K.Ziegler（1898~1973）G.Natta（1903~1979）德国人，22岁获博士学位。毕业后在多所大学任教，1946年起任前联邦德国化学会会长。主要从事有机金属化合物合成研究，1953年发现了可使乙烯在室温低压下迅速聚合成为高分子量聚乙烯的Ziegler催化剂。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公司顾问。主要从事有机合成和高分子结构研究。1954年，在用改进的Ziegler催化剂进行聚丙烯合成时发现对聚合物立体结构有重大影响。1963年因“在高分子合成和工艺领域中的重大发现”共同获奖13PaulJ.Flory(1910-1985)

美国人，1934年获博士学位后，作为物理化学家进入杜邦公司，在Carothers手下工作。Carothers鼓励他从事将数学方法用于高分子领域的研究。按照这一思路，Flory的研究在许多重要的理论方面多有建树：高分子分子量分布、等活性反应原理、高分子溶液的热力学研究等。1974年因在长链分子物理化学性质方面的研究获奖141991年因把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中获奖P.G.deGeenes(1932~)法国人，理论物理学家60~70年代，把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中，为物理学研究开拓了新的领域。15HidekiShirakawa(1936~)AlanG.MacDiarmid(1927~)AlanJ.Heeger(1936~)2000年因在导电聚合物领域的开创性工作共同获奖美国人，现任宾夕法尼亚大学化学教授美国人，现任加利福尼亚大学巴巴拉分校聚合物和有机固体研究所所长日本人，现任筑波大学材料科学研究所化学教授16库尔特.维特里希(1938~)约翰.芬恩(1917~)田中耕一（1959~）

瑞士人，现任瑞士苏黎世联邦高等理工学校的分子生物物理学教授日本人，现任岛津制作所分析测量事业部生命科学商务中心、生命科学研究所主任

2002年因在生物大分子研究领域的贡献而获奖美国人，现任弗吉尼亚联邦大学教授

17在自由基聚合、氧化还原引发体系等领域开展了系统的基础研究，并开创了国内医用高分子研究领域。(1915～2005)1915年10月12日生于江苏省吴江县。1937年毕业于清华大学化学系。1945年考取公费留美，入圣母大学研究院，1948年获该校博士学位后回国。1948～1952年，任清华大学化学系教授。后任北京大学化学系教授兼高分子教研室主任，并先后兼任中国科学院化学研究所和感光化学研究所研究员、中国化学会理事和高分子专业委员会副主任、中国生物医学工程学会理事和《高分子通讯》副主编。1981年当选为中国科学院化学部学部委员。1984年受日本京都大学邀请为医用高分子与生物材料研究中心客座教授。冯新德18王葆仁

（1907～1986）

江苏扬州人。1927年毕业于东南大学化学系。1935年获英国伦敦大学帝国学院博士学位。中国科学院化学研究所研究员、副所长。1940～1951年曾任浙江大学化学系教授、系主任。1959年在中国科技大学创建高分子化学与物理系。中国最早从事高分子科学研究的化学家之一。50年代开始研究聚甲基丙烯酸甲酯、聚已内酰胺。对有机硅高分子、特别是硅碳硅氧链高分子的合成做了深入研究。对耐高温杂环高分子的合成及性能进行了较广泛研究，并在应用方面作了许多开拓工作。70年代提出加强高分子大品种如聚丙烯等的研究。在烃类化学方面也做过许多研究。

19江苏省常熟县人，1939年毕业于浙江大学化学系。1940～43年，在西南联合大学任教。1944年赴美留学，在威斯康星大学从事喇曼光谱和电偶矩测定方面的研究。1948年回国，曾经担任厦门大学和浙江大学化学系副教授，并先后在中科院物理化学研究所、长春应用化学研究所和上海有机化学研究所任研究员。1981年当选为中国科学院化学部学部委员。(1917～2003)主要研究领域有：高分子结构与性能、高分子溶液性质、高聚物分子间激基缔合物荧光、有机光导体和有机导体的探索等。20广东省番禺县人。1942年毕业于西南联合大学化学系。1947年赴美留学，52年获印第安纳大学化学系博士学位，后到芝加哥纳尔科化学公司任有机化学高级研究员。1956年回国，历任南开大学化学系教授、系主任、分子生物研究所副所长、高分子研究所所长,中国化学会理事,中国生物材料与人工器官学会副理事长，中国生物医学工程学会理事，《中国科学》、《科学通报》、《高等学校化学学报》、《高分子通讯》等刊编委。1981年当选为中国科学院化学部学部委员。(1918～2007)开拓了我国离子交换与吸附树脂的研究领域，并在将基础研究和应用研究相结合推动产业发展方面做出富有成果的尝试。何炳林21江苏省江阴县人。1940年在武汉大学化学系毕业。1947年赴美留学，在纽约布鲁克林工学院高分子研究院学习和工作，1949年获化学硕士学位。同年回国，先后在上海化工厂、沈阳化工局任工程师。1951年后历任中国科学院长春应用化学研究所研究员、室主任、副所长。1981年起，任中国科学院武汉分院副院长、院长，湖北化学研究所所长，武汉大学教授。历任《中国科学》、《高分子通讯》和美国《高分子应用科学》等杂志编委。1981年当选为中国科学院化学部学部委员。(1916～1992)其长期从事高分子科学研究工作，在国内开创合成橡胶、高分子辐射化学、高分子固态反应和高聚物流变学等方面的研究。22江苏省宜兴县人。1940年毕业于西南联合大学。1946年赴美留学，1949年获哥伦比亚大学博士学位。1950年回国后任北京大学化学系教授。1952年后，先后任吉林大学教授、校长、名誉校长兼理论化学研究所所长、名誉所长，原国家自然科学基金委员会主任、中国化学会理事长、中国高教学会副会长、《高等学校化学学报》主编、《中国科学》和《科学通报》编委、《化学学报》常务编委和《国际量子化学》顾问编委。专长于物理化学和高分子物理化学，特别是量子化学。开展了高分子统计理论研究，在高分子化学、高分子物理理论研究方面开创了一个重要领域。(1915～2008)唐敖庆23江苏省南京市人。1944年在浙江大学化工系毕业，1948年获美国里海大学科学硕士学位。1949年，徐僖回国，受聘于重庆大学化学系，任副教授。1951年，他受命在重庆大学任教的同时筹建重庆塑料厂，任副厂长兼总工程师。后历任成都科技大学副校长、高分子材料系主任、高分子研究所所长以及中国化学会理事、中国石油化工学会副理事长、《高分子材料科学与工程》和《油田化学》期刊主编。(1921～)长期从事高分子化学、高分子材料成型基础理论、高分子力化学、辐射化学等领域的研究。徐僖241、努力没有失败，成功不是偶然。天道酬勤2、机遇只给有准备的人3、一切快乐之本在于有所作为4、不经历风雨哪能见彩虹5、勿以善小而不为，勿以恶小而为之6、细节决定命运7、机会只给有准备的人8、过去属于死神，未来属于我自己9、人要知道自己在做什么10、醒握杀人剑，醉卧美人膝11、亲情是滴水化海的浓郁，友情是举手投足的融洽，爱情是伤痕累累的甜蜜12、Impossibleisnothing13、知识就是力量2514、放弃，人生最大的不幸之一15、会当凌绝顶，一览众山小16、精诚所至，金石为开17、没有最好，只有更好18、走自己的路让别人说去吧19、Workwhileyouwork，playwhileyouplay.20、如果你决定成功，全世界都会为你让路21、每个人都是一座山，世上最难攀登的是自己，往上走，即使一小步，也有新高度。做最好的自己，我能！22、吃得苦中苦，方为人上人23、相信自己，永不放弃24、我信我能行25、爱自己的家人26§2.1.3

PolymerPresent高分子科学的发展极大地改变了我们的生活，在我们的生活中高分子几乎无处不在。那些我们现在看来司空见惯的材料仅仅是60年前还根本不存在。随着人们对高分子研究的不断深入，高分子将在未来发挥更大的作用。MacromolecularScientistsandEngineersdevelopthenewestpolymericmaterials,whicharechangingthefaceofoursociety.Polymersarethekeycomponentsofplasticsandfibers,packagingmaterials,coatings,adhesives,andsealants.Newgenerationsoffunctionalpolymersareenablingrevolutionaryadvancesinelectronicandphotonicsensorsanddevices,fuelcellsandbatteries,andbioprostheticanddrugdeliverydevices.27一、高分子与生活

－－高分子无处不在2829二、跨学科的高分子科学与工程

各学科间的大分子科学与工程（MMSE）中的一些令人振奋的新的领域不断的出现。这些新的领域处于材料学、工程学、化学、物理学和生物学的交叉部分。它们的健康发展对世界经济和人民生活都有很大的促进作用。30例1：生物材料和高分子生物学生物材料学、高分子科学和生物学之间有着紧密的联系。一些非常高级精密的高分子物质，可以植入人体并和人体组织和谐共存。利用这个技术来修补人类的一些生理缺陷是近期的一个重要目标。通过一些合成高分子和生物体建立特殊联系，使计算机等硬件和细胞之间能更融洽的联系，从而使一些医学上的新的诊断和治疗技术得到应用。这方面的发现主要依靠仿生材料合成和高分子物质的仿生化。31例2：新型高分子结构在新型催化剂的促进下，一些新型的聚合物合成出来，它们具有特殊的结构和性质。例如，一种催化剂可以将普通的聚乙烯的衣服变为防弹衣。显然，在这个转化过程中聚合物的结构发生了变化。新型高分子结构方面的研究主要是基于有机化学的研究，但除了有机合成外，建立模型和理论，用仪器检测结构特征也是必不可少的。

32例3：发光高分子10年前,没有人相信聚合物可以用作发光二级管（LED）的发光涂层。1990年，剑桥研究小组在一个由聚合物poly（1，4-phenylenevinylene）组成的薄片上加电压，聚合物会发光。但这个光非常微弱，效率为0.005%，且只能持续几分钟。现在，聚合物的发光二极管的效率可以达到百分之几的数量级且持续时间可以达到10000个小时。其显示的颜色范围较大，其最大的光亮度可以比显示器的光亮度都大1000多倍。33例4：高分子与环境高分子与环境关系密切。现在的一个重要发展方向就是绿色化学产品。如：植物质的高分子、细菌合成高分子和用于高分子合成和聚合的生物催化剂。最近出现一个技术可以将植物制成重要的高分子材料。还有，高分子的生物降解和再利用的研究，使其在使用后不污染环境。绿色建筑材料，环保健康装饰材料等。34例5：智能凝胶MIT的教授ToyoichiTanaka和他的同事从1975年以来，主要从事凝胶和能在水中溶胀的交联聚合物网络的研究。他们发现通过冷却透明的polyacrylamide凝胶物质，会变混浊而部分分相。而加热它后，它还会恢复透明。通过研究这种现象，Tanaka教授开辟了一个新的研究领域。本质上讲，Tanaka教授发现了交联聚合物的一个特征—一个温度上或浓度上的微小的变化可以使凝胶物质体积比原来膨胀许多倍或收缩而变成更致密的物质。351992年，GelMed公司推出了它的第一个产品：一种室温下柔软可弯曲，体温下变硬的粘弹凝胶体。这种物质可以用来作为轮滑鞋的材料—既舒服，又足够坚硬，以保护脚踝。另外，GelMed公司还有一种水凝胶产品，这种产品室温下是液态，而体温下粘度急剧升高，以至几乎成固态。如这张粘度—温度变化曲线所示。36例6：全新纤维防弹衣最新发明的一种绒毛纤维，可用于防弹背心阻止高速旋转的子弹射入，这种新的纤维是由“凯芙拉”和“斯佩克特拉”（Spectra）的混合物组成的。凯芙拉和斯佩克特拉纤维都是具有较高强度的现代防弹背心使用的主要原料。而新的纤维除强度极高外，与原纤维相比主要的不同点是它的无纺结构，类似毛毡或无纺布，轻柔而有弹性，因而已经受到各国军界的欢迎。37§2.1.4

Future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。在二十世纪初，可靠的聚合方法的发现，加上有关高分子理论，物理和工程的巨大进展，导致并推动了一场材料革命，这场材料革命至今仍在继续地进行着。38Future--DevelopmentTrend高功能化:电磁、光学、生物功能高分子材料高分子分离膜、催化剂，高吸水性等高性能化:耐磨、耐高温、耐老化、耐腐蚀等复合化:

纤维增强材料，高性能的结构复合材料精细化:高纯化、超净化、精细化、功能化等智能化:预知预告性、自我诊断、自我