1高分子材料简介

1、材料制备与加工原理,材料科学与工程学院,熊雷,Email: xionglei_,Phone:Polymer Materials高分子材料,高分子基本概念（2学时）,高分子材料的成型加工(重点)（10学时）,纤维增强高分子复合材料和可降解高分子材料（2学时）,本课程内容 (18学时),聚合反应和聚合方法（4学时）,认识高分子与高分子材料,高分子无处不在！,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,白

2、色污染,天 然 高 分 子的 直 接 利 用,天 然 高 分 子的 化 学 改 性,天然橡胶的硫化, 硝化纤维的合成等,淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等,聚酰胺、聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯,高 分 子 合 成,高 分 子 时 代,高分子科学的发展概况,发展历史短（一个世纪）,20世纪30年代高分子才得到公认 50年代才蓬勃发展 80年代开始进入千家万户（1亿吨/年）,发展快，每年约12-15增长 我国有：大庆、齐鲁、杨子、燕山和金山等石化基地,高 分 子 科 学,高 分 子 化 学,研究聚合反应和高分子化学反应原理，选择原料、确定路线、寻找催化剂、制订合成工艺等。,研究聚合物的结构与性能的关系，为

3、设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。,高 分 子 物 理,高 分 子 加 工,研究聚合物加工成型的原理与工艺。,高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。,高 分 子 科 学,至今高分子科学诺贝尔奖获得者,H. Staudinger （德国） : 把“高分子”这个概念引进科学领域，创立了高分子学说（1953年） K.Ziegler（德国）, G.Natta （意大利） : 乙烯、丙烯配位聚合（1963年） P. J. Flory (美国）: 聚合反应原理、高分子物理性质与

4、结构的关系（1974年）。 de Gennes(法国)：软物质、液晶（1991年）。 H. Shirakawa白川英树(日本), Alan G. MacDiarmid (美国), Alan J. Heeger (美国) ：对导电聚合物的发现和发展（2000年）。 英国曼彻斯特大学安德烈盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）：石墨烯（2010年）,l我国高分子研究起步于50年代初，唐敖庆于1951年，发表了首篇高分子科学论文。 l长春应化所1950年开始合成橡胶工作（王佛松，沈之荃）； l冯新德50年代在北京大学开设高分子化学专业。 l何炳林

5、50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。 l钱人元于1952年在应化所建立了高分子物理研究组，开展了高分子溶液性质研究。 l钱保功50年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射化学的研究。 l徐僖先生50年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。 l王葆仁先生1952年上海有机所建立了PMMA、PA6研究组。 我国高分子领域的中科院院士：王葆仁 冯新德 何炳林 钱保功 钱人元 于同隐 徐僖 王佛松 程镕时 黄葆同 卓仁禧 沈家骢 林尚安 沈之荃 白春礼 周其凤 曹 镛 杨玉良等。,我国高分子科学的发展,1.1 高分子基本概念,高 分 子,也叫聚合物或大分子。主链由1共价键结合，具有2高

6、的分子量，其结构必须是由3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（单体）衍生而来。概括的说，高分子是由许多相同的重复单元通过化学键连接而成的大分子。,Polymer, Macromolecule,聚氯乙烯,高 分 子,小 分 子,聚 合 反 应,Polymerization,单 体,单 体: 能够进行聚合反应，并转化成高分子基本结构组成单元的小分子。,Monomer,1.1 高分子基本概念,聚合物中化学组成相同的最小单元，又称为链节,重 复 单 元,如聚丙烯，单体是：CH2=CH-CH3,1.1 高分子基本概念,每个聚合物分子所含结构单元的数目。,聚 合 度,Deg

7、ree of Polymerization，DP,在大分子链中出现的以单体结构为基础的原子团,结构单元,Structure Unit,2n,聚对苯二甲酸乙二酯，涤纶，PET,n,1.1 高分子基本概念,高分子链的末端结构单元。,末 端 基 团,End Groups,涤纶：,1.1 高分子基本概念,1.2 高分子材料的结构特点,由很多结构单元组成，单元间以共价键连接 主链有内旋转自由度 单元间、链之间范德华力作用明显 可交联，交联对力学性能影响大 聚集态分结晶态和非晶态，结晶不完整 高分子材料常是多种填料、助剂和色料的混合物，织态结构复杂,I. 习惯命名法,天然高分子,一般有与其来源、化学性能与

8、作用、主要用途相关的专用名称。如纤维素（来源）、核酸（来源与化学性能）、酶（化学作用）。,合成高分子,（1）由一种单体合成的高分子：“聚”+ 单体名称 如聚氯乙烯、聚乙烯等 （2）假想单体名称前加 “聚” 如聚乙烯醇,1.3 高分子的命名,（3）由两种单体通过链式聚合反应合成的共聚物： 两单体名称或简称之间 +“-”+“共聚物”：如 乙烯和乙酸乙烯酯的共聚产物叫“乙烯-乙酸乙烯酯共聚物” （4）“聚”+高分子主链结构中的特征功能团： 指的是一类的高分子，而非单种高分子，如： 聚酯：,聚酰胺：,1.3 高分子的命名,1.3 高分子的命名,这种命名法在热固性树脂和橡胶中常用，取单体名或简称，后缀为

9、“树脂”二字或“橡胶”二字。如： 酚醛树脂是有苯酚和甲醛聚合而成 环氧树脂是由环氧化合物为原料聚合而成 丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯共聚而成,（5）根据聚合物的组成来命名,II. 根据商品名或俗称来命名,1.3 高分子的命名,来 源,天然高分子：自然界天然存在的高分子。,半天然高分子：经化学改性后的天然高分子。,主链元素组成,碳链高分子：主链（链原子）完全由C原子组成。,杂链高分子：主链原子除C外，还含S,O,N等杂原子。,元素有机高分子：主链由Si,B,Al,O,N,S,P杂原子组成。,合成高分子：由单体聚合人工合成的高分子。,1.4 高分子的分类,碳链高分子,杂链高分子,元素有机高分子,聚乙

10、烯,聚丙烯,聚乙二醇,尼龙-6,聚二甲基硅氧烷,1.4 高分子的分类,按性能和用途分类,塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料、功能高分子,高分子分类,橡胶是有机高分子弹性化合物。在很宽的温度（50150）范围内具有优异的弹性，所以又称为高弹体。,能把各种材料紧密地结合在一起的物质。,涂布在物体表面而形成具有保护和装饰作用膜层的材料。,具有特定的功能作用，可作功能材料使用的高分子化合物。,在常温下具有固定的形状和强度，在高温下具有可塑性的高分子化合物。在外力的作用下，可以产生形变，加工成任何所需的形状。,纤维是指长度比其直径大很多倍(大于1000/1)，并具有一定柔韧性的纤细物质。,塑 料,明德至诚

11、博学远志,按加工热塑性塑料和热固性塑料,塑料的分类,通用塑料,产量大、价格较低、力学性能一般，主要作 非结构材料使用的塑料。 如PVC、PE、PP、PS等,工程塑料,一般指可作为结构材料使用，能经受较宽的温度变化范围和较苛刻的环境条件，具有优异的力学性能、耐热、耐磨性能和良好的尺寸稳定性的塑料。 主要品种有PA、POM、PC、ABS、PTFE等,用途,结构式:,性能： 化学性质非常稳定，耐酸、碱，耐溶剂性能好，吸水性低，无毒，受热易老化,用途： 制造食品包装袋、各种饮水瓶、容器、玩具等；还可制各种管材、电线绝缘层等,第四代聚乙烯（超高分子量聚乙烯）高韧性、高耐磨。,（1）聚乙烯 (PE),结构

12、式:,性能： 强极性，绝缘性好，耐酸碱，难燃，具有自熄性。缺点是介电性能差，在100 120即可分解出氯化氢，热稳定性差,用途： 制造水槽，下水管；制造箱、包、沙发、桌布、窗帘、雨伞、包装袋；还可做凉鞋、拖鞋及布鞋的塑料底等,（2）聚氯乙烯（PVC),(3) ABS 塑料,化学名称：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,性能：无毒、无味，易溶于酮、醛、酯等有机溶剂。耐磨性、抗冲击性能好,用途：用于家用电器、箱包、装饰板材、汽车、收音机等零部件,丁二烯：提供韧性和耐寒性、抗冲性；苯乙烯： 赋予刚性、光泽性、电性能和易加工性；丙烯腈： 提供耐热性、化学性、 耐候性,（4）聚碳酸酯(PC),用作工程塑料的只

13、有双酚A型的芳香族聚碳酸酯。,性能： 坚硬、耐高温、良好的机械性能、电绝缘性好、韧性好、抗冲击性好、透明度高,用途： 制造继电器盒盖，计算机和磁盘的壳体、荧光灯罩、汽车及透明窗的玻璃等,结构式:,改 良 的 聚 碳 酸 酯 材 料,透明塑料制成的新款eXasis概念汽车 2007.3日内瓦,性能： 耐酸碱，耐腐蚀，化学稳定性好，耐寒，绝缘性好，耐磨。缺点是刚性差、加工性能差,结构式:,用途： 可用作高温环境中化工设备的密封零件，无油润滑条件下作轴承、活塞等，还可做电容器、电缆绝缘材料,（5）聚四氟乙烯（PTFE，塑料王）,橡 胶,来源,天然橡胶,合成橡胶,从自然界含胶植物中制取的一种高弹性物质

14、,用人工合成的方法制得的高分子弹性材料,分类,合 成 橡 胶,通用合成橡胶,特种合成橡胶,性能与天然橡胶相同或相近、广泛用于 制造轮胎及其他大量橡胶制品的橡胶品种。 如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶,具有耐寒、耐热、耐油、耐臭氧等特殊性能， 用于制造特定条件下使用的橡胶制品。 如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶,按其性 能和用途,（1) 天然橡胶,天然橡胶的分子链由异戊二烯链节组成。,此外，还含有一定量的水分、蛋白质、灰分等。 具有一系列优良的物理机械性能和加工性能，,是综合性能最好的橡胶。,橡胶工人从橡胶树上提取橡胶,橡树之泪,优点：弹性高，是当前橡胶中弹性最高的一种； 耐低温性

15、能好，玻璃化温度为-105；耐磨性能优异，滞后损失低，生热性低，耐屈挠性好；与其它橡胶相容性好。,主要用于制造轮胎，也用于制造胶鞋、胶辊等 耐磨性制品,(BR),(2) 聚丁二烯,(顺丁橡胶),以丁二烯为单体聚合而得的一种通用合成橡胶。,丁苯橡胶：是以丁二烯和苯乙烯为单体共聚而得的高分子弹性体。 结构式： 最早工业化的合成橡胶，1937年德国首先实现工业化生产。 其产量和消耗量在合成橡胶中占第一位，占50%以上。 特点：耐磨性和气密性好，抗撕裂性和耐老化性较佳，但强度和弹性差,(3) 丁苯橡胶 (SBR),用途：广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料,丁基橡胶是异

16、丁烯和少量异戊二烯的共聚物，为白色或暗灰色透明弹性体。 结构式,丁基橡胶于1943年美国开始工业生产。发展较快，已成为通用橡胶之一。,(4)丁基橡胶 (IIR),特点：气密性最好的橡胶，气透率约为天然橡胶的1/20，顺丁橡胶的1/30,用途：主要用于制作内胎，也可用于制作无内胆轮胎的密封层。,热塑性弹性体,常温下能显示橡胶弹性在高温下又能塑化成型的高分子材料。如SBS,热塑性弹性体,热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomer，TPE）自1958年问世以来，引起极大重视，被称为“橡胶的第三代”，得到迅速的发展。目前已经工业化生产的有聚烯烃类如热塑性三元乙丙橡胶TPV（PP/EP

17、DM动态硫化）、丁基橡胶接枝改性聚乙烯，苯乙烯嵌段共聚类如SBS、SIS、SEBS等，聚氨酯TPU和聚酯类TPEE。 动态硫化：是指将橡胶与不能硫化的热塑性聚合物在高温、高剪切的混合器中熔融共混，在交联剂的作用下将橡胶硫化，得到粒状的硫化橡胶相，并细微的分散于树脂中。,明德至诚 博学远志,纤 维,合成纤维,天然纤维,羊毛 棉,聚酰胺纤维（锦纶）,聚酯纤维(涤纶）,聚丙烯腈纤维（腈纶）,分类,性能： 强韧耐磨、弹性高、质量轻，染色性好，较不易起皱，抗疲劳性好。吸湿率为3.5%5.0%，在合成纤维中是较大的，吸汗性适当，但容易走样,用途： 约一半作衣料用，一半用于工业生产。在工业生产应用中，约1/

18、3是做轮胎帘子线。,结构式:,(1) 聚己二酰己二胺纤维（锦纶-66，尼龙-66）,性能： 显著优点是：抗皱、保型、挺括、美观。对热、光稳定性好。润湿时强度不降低，经洗耐穿，可与其他纤维混纺。年久不会变黄。缺点是不吸汗，而且需要高温染色,结构式:,用途： 是产量最大的合成纤维，大约90%作为衣料用（纺织品为75%，纺织物为15%）。用于工业生产的只占总量的6%左右,(2) 聚对苯二甲酸乙二醇酯(涤纶、的确良),性能： 具有与羊毛相似的特性，质轻，保温性和体积膨大性优良。强韧（与棉花相同）而富有弹性，软化温度高。吸水率低，不适宜作贴身内衣。缺点是强度不如尼龙和涤纶,结构式:,用途： 大约70%作

19、衣料用（纺织物占60%左右），用于工业生产的只占5%左右,(3) 聚丙烯腈纤维(腈纶、人造羊毛),性能： 亲水性好，吸湿率可达5%，和尼龙相当，与棉花（7%）相近。强度与聚酯或尼龙相近，拉伸弹性比羊毛差，比棉花好,结构式:,用途： 70%用于工业生产，其中以布和绳索居多。可代替棉花作衣料用,(4) 聚乙烯醇纤维（维纶、维尼纶）,功能高分子,功能高分子材料的发展,功能高分子材料于20世纪60年代末开始得到发展。 功能高分子是指具有化学反应活性、催化性、光敏性、导电性、磁性、生物相容性、药理性、选择分离性，或具有转换或贮存物质、能量和信息作用等功能的高分子及其复合材料。 目前已达到或即将实用化的功

20、能高分子有：离子交换树脂、分离功能膜、光刻胶、感光树脂、高分子缓释药物、人工脏器、高分子敏感元件、高导电高分子、高分辨能力分离膜、高感光性高分子、高分子太阳能电池等等。,高吸水性树脂,高吸水性树脂具有优异的吸水、保水功能，可吸收自身重量几百倍、上千倍，被冠予“超级吸附剂”的桂冠。主要类型有聚丙烯酸酯类、聚乙烯醇类、醋酸乙烯共聚物类、聚氨酯类、淀粉接校共聚物类等。,高分子膜是指那些由具有特殊分离功能的高分子材料制成的薄膜（如醋酸纤维素分离膜），能有选择地分离物质。目前应用于海水淡化、反渗透、膜萃取、膜蒸馏等技术领域。,高分子分离膜,光敏高分子材料以光敏树脂为代表，主要用于照相、印刷制版、印刷集成

21、电路等。,光敏高分子材料,1950年人们逐渐开始配戴材质是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的隐形眼镜，具有优越的光学特性，又能矫正角膜性散光。1960年捷克学者利用十年的时间发明了软性隐形眼镜的材料，就是一直延用至今的聚甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）。,功能高分子材料隐形眼镜,在塑料中加入蓄光型发光材料经加工就可制成发光塑料。发光塑料是近年来兴起的一种高附加值新型功能材料。其产品如：交通领域通道标识、楼梯标识、标志线；发光涂料、发光开光、发光壁纸、工艺品、玩具、体育休闲用品。,功能高分子材料发光塑料,导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。目前，它已成为一门新型的多学科交叉的研究领域，并在世界范围内吸引了一大批材料设计专家。,功能高分子材料导电高分子材料,液晶高分子作为一类新型的高性能材料，极大地引起了科学界和工业界的关注，得到了广泛的应用，并发展为高分子科学中最活跃的领域之一。,液晶高分子,竹子地板 地毯则可以选择耐久的羊毛制品或者PET地毯 主要采用水性涂料、粉末涂料和辐射固化涂料等 用于户外美化环境的产品：可以回收的塑料做成长椅、桌子和交通标志牌。,绿色建材,生物降解高分子材料,目前自然界的污染存在“白色”（