第二章 高分子功能材料.ppt

1、,第二章 高分子功能材料,Chapter 2 Polymer functional materials,第三次课,在科学高速发展的今天，大到国民经济，小到日常生活都与高分子材料息息相关，可称为“高分子化合物时代”。 高分子材料在二战前后得到了迅速发展；到上世纪末，单是塑料在体积上就明显超过了钢铁。 棉、毛、蚕丝和蛋白质等都是天然高分子材料 。 合成高分子材料则主要包括塑料、橡胶与纤维三大合成材料，其中塑料占总量的80。,由于高分子材料具有许多优良性能，适合现代化生产，经济效益显著，且不受地域、气候的限制，因而高分子材料工业取得了突飞猛进的发展，如今高分子材料已经不再是传统材料的代用品，而是与金

2、属、水泥、木材一起并称为四大材料，在国民经济和国防建设中扮演着重要的角色。 高分子科学的三大组成部分高分子化学、高分子物理和高分子工程也已经日趋成熟。,量大面广的通用高分子材料通过不断升级改造，成本大幅度降低、使用性能明显提高；各类新型的、适应现代技术发展需要的高分子材料不断涌现。 通过各种手段，用物理或化学方法，或者使高分子与其他物质相互作用后产生物理或化学变化，从而使高分子化合物成为具有特殊功能的功能高分子材料。,物理功能高分子材料，如导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等。 化学功能高分子材料，如反应性高分子、离子

3、交换树脂、高分子分离膜、高分子催化剂、高分子试剂及人工脏器等。 生物功能和医用高分子材料，如生物高分子、模拟器、高分子药物及人工骨材料等。 总之，关于高分子材料的基础研究和应用研究正在飞速发展，日新月异。,一、高分子材料的发展简史,高分子的概念始于20世纪20年代，但应用早一些。 1838年Parker制得了第一种人造塑料硝酸纤维素。 1840年 Goodyear和Hancock开发了天然橡胶的硫化技术。 1851年硬质橡胶实现商品化。 1868年，英国Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得了赛璐珞。 1870年 J. Hyatt制备了低硝酸含量的硝酸纤维素赛璐珞，这是第一种具有商业价值的塑料，

4、也是在1907年Bakeland开发出酚醛塑料前唯一的商品塑料。,1893年，法国人De Chardonnet发明粘胶纤维。 1907年，第一个合成高分子酚醛树脂诞生。 1920年，德国人Staudinger发表了“论聚合”的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。,1881年3月23日生于德国莱因兰法耳次州的沃尔姆斯； 1907年毕业于施特拉斯堡大学，获博士学位。同年受聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授。 1912年于苏黎世工业大学任化学教授。 1920年，发表“论聚合反应”的论文，提出高分子的概念； 1932年，出版了划时代的巨著高分子有机化合物； 1953年

5、获诺贝尔化学奖； 1965年9月8日在弗赖堡逝世，终年84岁。,施陶丁格尔,1935年，Carothes发明尼龙66，1938年实现工业化。 30年代，许多烯烃类加聚物被开发出来，如聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚醋酸乙烯酯、 低密度聚乙烯等，极大地促进了自由基聚合的发展。 高分子溶液理论在30年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。Flory为此于1974年获得诺贝尔奖。 40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。如丁苯橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、有机氟材料、涤纶树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物等。 50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化

6、剂，制得高密度聚乙烯和有规聚丙烯，低级烯烃得到利用。1963年，Ziegler和Natta分享诺贝尔化学奖。,1956年，美国人Szwarc发明活性阴离子聚合，开创了高分子结构设计的先河。 50年后期至60年代，大量高分子工程材料问世。如聚甲醛，聚碳酸酯，聚砜，聚苯醚，聚酰亚胺等。 60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。,为表彰在导电高分子的发展方面所作的贡献， 2000年，日本科学家白川英树（H.Shirakawa）、美国科学家黑格（A.J.Heeger）和麦克迪尔米德（A.G. MacDiarmid）分享诺贝尔化学奖。 80年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现和发展。,纵

7、观高分子材料的发展过程，不难看出，人类活动为高分子科学的发展提供了源动力。,二、基本概念,高分子又称大分子，一般是指分子量大于104，链长度在103105，甚至更 大的分子。 高分子化合物与低分子化合物的根本区别，在于分子量大小的不同。 造成高分子分子量很大的原因，是它们的分子由特定的结构单元多次重复连接组成。如聚氯乙烯分子是由成千上万个氯乙烯分子相互连接而成。,高分子里每个特定的结构单元叫做链节。 每个高分子里链节的数目叫做聚合度(n)。 能够聚合生成高分子化合物的低分子化合物叫做单体。 如苯乙烯是合成聚苯乙烯的单体。,同一种高分子化合物在实质上，是由许多链节结构相同而聚合度不同的高分子所组

8、成的混和物。因此高分子化合物的分子量只能是平均分子量（Mr）。 由此可见，高分子化合物是由小分子单体聚合而成的，因此又称为聚合物。 通常，根据化合物的相对分子质量大小来划分高分子和小分子。 相对分子质量小于1000的，一般为小分子化合物；而相对分子质量大于10000的，称为高分子或高聚物；处于中间范围的可能为高分子（低聚物），也可能为小分子。,当一个化合物的相对分子质量足够大，以至多一个链节或少一个链节不会影响其基本性能时，称为高分子。 1.按聚合物的来源 天然聚合物，如天然橡胶、纤维素、蛋白质；人造聚合物，经人工改性的天然聚合物，如硝酸纤维、醋酸纤维（人造丝）；合成聚合物，完全由低分子物质合

9、成的如聚氯乙稀、聚酰胺等。,三、聚合物的分类,2.按生成聚合物的化学反应 加聚物，由加成聚合反应得到的，如聚烯烃；缩聚物，由缩合聚合反应得到的，如酚醛树脂。 3.按聚合物的性质 塑料，有固定形状、热稳定性与机械强度，如工程塑料；橡胶，具有高弹性，可做弹性材料与密封材料；纤维，单丝强度高，可做纺织材料。 4.按聚合物的热行为 热塑性聚合物，线型结构加热后仍不变；,热固性聚合物，线型结构加热后变体型。 5.按聚合物分子的结构 碳（均）链聚合物，一般为加聚物；杂键聚合物，一般为缩聚物；元素有机聚合物，一般为缩聚物。,四、聚合物的命名,聚合物有系统命名法和俗命，主要采用俗名。 天然高分子，一般按来源和

10、性质有专有名词。如纤维素、蛋白质等。,合成高分子，是在单体名称前冠以“聚”字。 如由乙烯(H2CCH2)制得的聚合物叫聚乙烯(polyethylene，简称PE)。是最常看到的塑料，可制塑料袋、塑料杯、塑料桶及塑料玩具等。 由氯乙烯加成聚合而成聚合物叫聚氯乙烯poly(vinyl chloride)，简称(PVC）。是制造雨衣、硬塑料水管、塑料布、电线塑料外壳的原料。,由两种单体缩聚而成的聚合物，如果结构比较复杂或不太明确，往往在单体名称后加上“树脂”二字来命名。 如由尿素与甲醛的水溶液在硫酸的催化下缩合而成的聚合物叫脲甲树脂。因受热不会软化，且质轻并有绝缘性，是制造电线插头与插座的塑料部分及

11、炊具把手的最佳原料。,常见聚合物的俗名、商品名称及简写代号：,五、高分子链的结构,1.线型高分子 链之间的结合力是分子间力，例如：聚乙烯、尼龙。,2.支链型高分子 如低密度聚乙烯。,3.体型高分子 链之间由共价键连接，如绝大多数橡胶。,4.网状高分子 通过三官能化聚合物形成三维网状结构。如环氧树脂、酚醛树脂等。,六、高分子化合物的性质,1.机械性能 随聚合度的增大而增强，同时粘度也迅速增大。 聚合物的结晶度越大机械性能越好。 分子间作用力、氢键增大，可显著提高聚合物的机械性能。 2.电学性能 高分子的结构是决定其导电性能的主要因素。 结构对称的非极性分子，不能导电。,结构不对称的极性分子，由于

12、在交流电场中，极性基团或极性链节随电场方向发生周期性的取向，具有一定的导电性。 含共轭双键的聚合物由双键中的电子能在整个分子中运动，具有一定的导电性。 3.老化与防老化 高分子在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象，叫做高分子化合物的老化。,高分子的老化过程主要包括交联和裂解两种反应。 交联是指在大分子链之间形成化学键，从线型变为体型结构的过程。导致高分子失去弹性、变脆、变硬。 裂解又称降解，是指大分子链发生断裂，聚合物相对分子质量明显降低的过程。使高分子变软、

13、变粘并失去机械强度。 防老化措施： 物理方法：镀上一层金属，或涂一层涂料。 化学方法：加入防老化剂，如紫外线吸收剂、抑制剂等。,七、几种重要的高分子材料,1.工程塑料 塑料按使用性能又可分为通用塑料和工程塑料。通用塑料一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。工程塑料一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件材料。如聚甲醛、ABS、尼龙、聚砜等。,工程塑料与金属材料相比 ，具有容易加工；生产效率高；节约能源；绝缘性能好；质量轻；比强度高；具有突出耐磨、耐腐蚀性等优点，是良好的工程机械更新换代产品。,2.合成橡胶 合成橡胶是以石油和天然气为原料合成的一种高分子化合物。如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶及具特殊性能的特种橡胶，如医疗、航空工业上广泛应用的硅橡胶，耐高温的氟橡胶和耐油性特别好的丁腈橡胶等。现在的总产量已经超过天然橡胶的一倍以上。,3.合成纤维 合成纤维是由合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得纤维。合成纤维的品种很多，最重要的品种是聚酯（涤纶）、聚酰胺（尼龙、锦纶）、聚丙烯腈（腈纶），它们占世界合成纤维总