《高分子材料发展史》PPT课件.ppt

1、高分子材料,湖北汽车工业学院材料工程教研室李ijian_,2,教材及参考资料,黄丽.高分子材料,北京:化工出版社,2006 韩冬冰.高分子材料概论,北京:中国石化出版社,2006 何曼君,陈维孝,董西侠.高分子物理，上海:复旦大学出版社,1990 潘祖仁.高分子化学,北京:化工出版社,1997,3,课程内容,讲课内容（48个学时） 绪论 通用塑料 工程塑料 橡胶 实验内容（无） 拉伸标准样条的快速成型 高分子材料的鉴别,4,了解高分子科学发展历史以及我国高分子科学发展状况； 了解塑料、橡胶的类型和特性，掌握其主要品种结构及其特性；,教学内容,5,上课不迟到 课堂中不允

2、许随便说话，可以做任何不影响其它人听课的事情 认真独立完成作业及课堂中布置的任务 积极思考，回应课堂中的提问 答疑时间： 上课期间的课间时间 每次上课结束后的时间,课程要求,6,考核成绩构成 结业考核成绩 70 平时成绩30 平时成绩包括 作业成绩15 考勤成绩15 结业考核方式 闭卷考试,课程考核,第1章 绪论,8,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，建立微观结构宏观性能之间的联系，为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

3、原理与工艺。,高分子科学主要研究内容,9,合成,结构,性能,应用,高分子化学,高 分 子 物 理,成型加工,高分子科学,高分子科学各主干学科之间的关系,高 分 子 分子设计,10,高分子材料科学发展历程,高分子材料科学发展现状 高分子材料科学发展趋势,高分子材料科学发展简史,11,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,皮毛、甲壳素、棉麻丝、竹、木等,酚醛树脂、聚甲醛、聚氨酯、聚酰胺等,高分子合成,高分子时代,功能高分子、高分子复合材料（合金）、高分子的分子设计,高分子材料科学发展简史,12,头发,指甲,羊毛,蛋白质,天然高分子,高分子材料科学发展简史,1

4、3,1900年 硬橡胶电话机,1880年 硬橡胶手镯,汽车轮胎,橡胶树种,割胶刀,高分子材料科学发展简史,14,1924年 化装盒,1920年 添加矿物油的电木时钟,1920年 电木扬声器,1920年轮胎压力表 酚醛树脂、橡胶制备,1924年 玩具火车头,高分子材料科学发展简史,15,1930年 热水瓶,高分子材料科学发展简史,1940年 笔架,1940年 电话,1950年 变压器,1938年 飞利蒲收音机,16,Hermann Staudinger (1881-1965),1932年 在法拉第学会 上得到公认 1953年 获Nobel Prize,高分子材料科学发展简史,1920年代 提出“

5、大分子线 链型结构”概念,17,“大分子线链型结构”概念：无论天然或合成高聚物其形态和特征都可以由具有共价键连接的链型高分子结构解释（Polymers are long chains of smaller units that repeat themselves hundreds or thousands of times.） 从化学结构上阐明了高分子物质的共同特征，在化学界引起激烈争论。这一学说到1932年在法拉第学会上得到公认，1953年获得Nobel Prize， H. Staudinger成为现代高分子理论的创始人和奠基者。 随H. Staudinger大分子概念的提出，高分子科学基础

6、理论的研究得以快速发展，合成聚合物产品进入发展时期。,高分子材料科学发展简史,18,1950年 ABS & PVC 变焦眼镜,1950年 PVC电扇,1950年 PVC衣服刷,高分子材料科学发展简史,19,1960年 PS安全眼镜,1950年 PS衣服架,1940年 PS 及赛璐珞音乐时钟,1950年 PS & PVC 收音机,1950年 手动搅拌器,高分子材料科学发展简史,20,30年代缩聚反应的系统研究 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,Wallace H. Carothers （18961937）,尼龙的发明人,高

7、分子材料科学发展简史,21,1970年，发明了耐温聚合物Ekonol，为后续的液晶聚合物的研究奠定了基础。Ekonol主要用在电子行业及航天器等领域。 1971年，耐高温、高强度的Kevlar研制成功，耐温高达300，可织成防弹衣、消防服、赛车服等。 1976年，聚合物/塑料体积产量超过钢。从而使得高分子材料与历史悠久的金属材料、陶瓷材料构成现代材料领域的三大类。,20年代，“大分子链结构”概念的提出，开创了高分子材料发展序幕。,高分子材料科学发展简史,22,德国著名的化学家，1947年，编辑出版了高分子化学(Die makromolekulare Chemie)杂志，形象地描绘了高分子(Ma

8、cromolecules)存在的形式。把“高分子”这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系，创立了确定分子量的粘度的理论(后来被称为施陶丁格尔定律)。其科研成就对当时的塑料、合成橡胶、合成纤维等工业的蓬勃发展起了积极作用。由于他对高分子科学的杰出贡献，1953年,他以72岁高龄，走上了诺贝尔奖金的领奖台。,Hermann Staudinger,(1881-1965),1953年诺贝尔化学奖,高分子材料科学发展简史,23,Karl Ziegler Giulio Natta （1898-1973） (1903-1979),ZieglerNatta催化剂 配位聚合乙烯、丙烯

9、实现乙烯、丙烯 工业化生产,1963年诺贝尔化学奖,德国科学家(Karl Ziegler)与意大利科学家(Giulio Natta)分别发明用三乙基铝和三氧化钛组成的金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法。,高分子材料科学发展简史,24,Paul J. Flory (1910-1985),高分子科学理论的主要开拓者和奠基人之一。 高分子化学原理 长链分子的统计力学,1974年诺贝尔化学奖,美国高分子物理化学家弗洛里(Paul J. Flory),由于他在高分子科学领域，如聚合反应原理，尤其在高分子物理与结构的研究方面取得巨大成就。,高分子材料科学发展简史,25,Pierre -Gilles

10、 de Gennes (1932-2007),因其在对液晶、聚合物及其界面等科学的研究中获得重大突破，并提出了高分子标度理论，而荣获1991年诺贝尔物理学奖，被瑞典皇家科学院誉为“当今的牛顿”。,1991年诺贝尔物理学奖,高分子材料科学发展简史,26,2000年诺贝尔化学奖,研究领域：导电聚合物,日本筑波大学 白川英树,美国加利福尼亚大学 艾伦-J-黑格,美国宾夕法尼亚大学 艾伦-G-马克迪尔米德,高分子材料科学发展简史,27,1946年Mark在纽约成立第一所高分子专业研究所 国际会议：1947年在比利时利日市召开第一届国际高分子学术报告会。现在每两年举行一次，39th 2002年在北京举行

11、 国内会议：1987年以来，每两年召开一次全国高分子学术论文报告年会。,高分子材料科学发展简史,28,高分子材料科学发展简史 高分子材料科学发展现状 高分子材料科学发展趋势,高分子科学发展历程,29,高分子材料科学发展现状,30,通常运动鞋，鞋面是由皮革和尼龙拼接而成的，鞋底是用一种叫SBS的橡胶制成的。鞋垫使用的则是一种叫做聚氨酯的高分子材料。,高分子材料科学发展现状,31,汽车中聚丙烯材料零部件,高分子材料科学发展现状,32,聚四氟乙烯(PTFE),高分子材料科学发展现状,33,ABS树脂,高分子材料科学发展现状,34,可吸收医用胶水-可吸收缝合线,生物医用高分子材料,高分子材料科学发展现

12、状,35,F-22隐形战斗机,防弹衣,高分子材料科学发展现状,36,液晶高分子材料,2001年日本索尼公司研制的液晶显示器,偏光显微镜下的高分子液晶,高分子材料科学发展现状,37,TEM Photographs Latex particles for single CaCO3 particle covered by copoly(St-BA) a. 120,000 X, b. 80,000 X,Single inorganic nanoparticle covered by polymer,纳米高分子复合材料,高分子材料科学发展现状,38,高分子材料科学发展简史 高分子材料科学发展现状 高分子

13、材料科学发展趋势,高分子科学发展历程,39,生物医学中的人工组织支架、缓释药物胶囊 光电信息高分子材料 自组装、芯片封装材料等 燃料电池与锂离子电池、导电高分子材料 环境协调与友好性高分子材料：生物可降解高分子材料、绿色建筑涂料、健康环保装饰材料 现代高分子膜分离技术等等,高分子材料科学发展趋势,40,高性能化: 耐磨、耐高温、耐老化、耐腐蚀等 高功能化: 电磁、光学、生物等功能高分子材料、 高分子分离膜、催化剂等 复 合 化: 纤维增强材料，高性能的结构复合材料 精 细 化: 向高纯化、超净化、精细化、功能化等 智 能 化: 预知预告性、自我诊断、自我修复、 自我增殖、认识识别能力等,高分子

14、材料科学发展趋势,41,高分子材料的类型与特征,按照高分子材料的物理形态和用途划分：,塑料 橡胶 纤维 胶粘剂 涂料,聚合物基复合材料 聚合物合金 功能高分子材料,三大合成材料,42,塑 料,塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂，在一定温度和压力下塑造成一定形状，并在玻璃态下使用的高分子材料。,43,塑料的组成,树脂是未经加工处理的、没有与各种添加剂混合的聚合物，是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。 添加剂是为改善塑料某些性能而加入的物质。 (1)填料主要起增强作用； (2)增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性； (3)固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构； (4)稳定剂用于防

15、止塑料老化，延长其使用寿命； (5)润滑剂用于防止塑料加工时粘模具上, 使制品光亮 (6)着色剂用于塑料制品着色。 (7)其他的还有发泡剂、催化剂、阻燃剂、抗静电剂等。,添加剂,塑料树脂添加剂,44,塑料分类,1按塑料用途分： 通用塑料(Universal Plastics)：一般指产量大、用途广、成型性好、价廉，但性能一般，主要用于非结构材料。 工程塑料(Engineering Plastics)：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，长期使用温度在100以上，可以作为工程结构件的塑料。 特种塑料：一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等），应用于特殊要求的塑料。如氟塑料、

16、有机硅等。,45,通用塑料(Universal Plastics),电讯器材和电木制品（如插座、开关等），耐热绝缘部件及各种结构件。,最好的透明材料，透光率达到92%以上，比普通玻璃好。,环氧树脂电器配件,46,工程塑料(Engineering Plastics),又称尼龙。强度较高，耐磨、自润滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。,热稳定性高是其最 突出的特点。使用温度150174。 用于机械设备等工业。,PC挡风板,优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。,47,塑料分类,2按树脂受热性能分 热塑性塑料： 指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化,具有多次重复加工性的塑料。如聚乙烯、聚氯乙烯

17、塑料等。 热固性塑料： 因受热发生固化反应，形成不熔不溶性物料，不具有多次重复加工性的塑料。如酚醛塑料、环氧塑料等。,48,塑料的特点,塑料的优点： 塑料比较轻，这是相对于金属和有机玻璃而言的，轻的原因不是因为它是高分子化合物，而是因为它们是有机化合物，即由碳、氢、氧、氮等较轻的元素组成的。 塑料易于加工。塑料具有可塑性，即在加热或加压后变形，在降温或压力消失后维持原形不变。可以通过挤出，注射等方式加工成各自形状的产品。 塑料绝缘性好，耐腐蚀。可作为电器、电线的绝缘包覆物。 塑料不易腐烂。大量的塑料废弃无法被自然界吸收、分解，从而造成一定程度的环境污染。,49,塑料的缺点： 刚性差(为钢铁材料

18、的1/100-1/10)，强度低；耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小(只有金属的1/200-1/600)；蠕变温度低、易老化。,塑料的特点,50,橡 胶,橡胶(Rubber)是一种在使用温度范围内处于高弹态的高分子化合物。其分子链柔性好，在外力作用下可产生较大变形，除去外力后能迅速恢复原状。,51,橡胶的组成,1. 生胶 2. 配合剂 主要有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。,硫化剂,天然橡胶（生胶） 线型,橡胶 网状体型,52,橡胶分类,天然橡胶NR,橡胶,合成橡胶,通用合成橡胶,特种合成橡胶,丁苯橡胶SBR,顺丁橡胶BR,异戊橡胶IR,氯丁橡胶

19、CR,乙丙橡胶EPDM,丁腈橡胶NBR,硅橡胶,53,常用橡胶,天然橡胶(NR)： 为异戊二烯聚合物。具有优良的回弹性，拉伸强度、伸长率、耐磨性、抗撕裂和耐压缩永久变形件能都优于大多数合成橡胶。 适用范围：制作轮胎、减震零件、缓冲绳和密封零件。不耐油，耐天候、臭氧、氧的性能较差。 使用温度范围：-60120 丁苯橡胶(SBR): 为丁二烯与苯乙烯的共聚物。含10苯乙烯的丁苯-10具有优良的耐寒性，含30苯乙烯的丁苯-30耐磨性优良。 适用范围：制作轮胎和密封零件。制品不耐油，老化性能较差。 使用温度范围：-60120,丁苯橡胶,天然橡胶,54,顺丁橡胶BR 为顺丁二烯聚合物。耐寒、耐磨及回弹性

20、能较好。 适用范围： 制作轮胎、密封零件、减震零件、胶带和胶管等制品。制品不耐油，不耐老化。 使用温度范围：-70100。,常用橡胶,55,氯丁橡胶(CR) 为氯丁二烯聚合物。耐天候，耐臭氧老化，有自熄性，耐油性能仅次于丁腈橡胶，拉伸强度、伸长率、回弹性优良，与金属和织物粘结性能好。 适用范围：制作密封圈及其他密封型材、胶管、涂层、电线绝缘层、胶布及配制胶粘剂。制品不耐合成双脂润滑油及磷酸脂液压油。 使用温度范围：-35130。,氯丁橡胶,常用橡胶,56,硅橡胶 为聚硅氧烷。具有极佳的耐热、耐寒、耐老化性能，绝缘电阻、介电特性优异，导热性好，但强度和抗撕裂性较差，不耐油，价格较贵。 适用范围：

21、密封圈、密封型材、氧气波纹管、膜片、绝缘材料。 使用温度范围：-70280。,硅橡胶,常用橡胶,57,橡胶特点,高弹性 橡胶的弹性模量小，一般在19.8MPa。伸长变形大，伸长率可高达1000%，仍表现有可恢复的特性，并能在很宽的温度（-50150）范围内保持有弹性。 粘弹性 橡胶是粘弹性体。由于大分子间作用力的存在，使橡胶受外力作用。产生形变时受时间、温度等条件的影响，表现有明显的应力松驰和蠕变现象。 缓冲减震作用 橡胶对声音及振动和传播有缓和作用，可利用这一特点来防除噪音和振动。 电绝缘性 橡胶和塑料一样是电绝缘材料，天然橡胶和丁基橡胶和体积电阻率可达到1015cm以上。,58,温度依赖性

22、 高分子材料一般都受温度影响。橡胶在低温时处于玻璃态变硬变脆，在高温时则发生软化、熔融、热氧化、热分解以至燃烧。 具有老化现象 如同金属腐蚀、木材腐朽、岩石风化一样，橡胶也会因环境条件的变化而发生老化，使性能变坏，使寿命缩短。 必须硫化 橡胶必须加入硫黄或其它能使橡胶硫化（或称交联）的物质，使橡胶大分子交联成空间网状结构，才能得到具有使用价值的橡胶制品，但是，热塑性橡胶可不必硫化。 橡胶密度低，属于轻质材料，硬度低，柔软性好；透气性较差，可做气密性材料；还是较好的防水性材料等等。,橡胶特点,59,纤 维,纤维是指长度比直径大很多倍，并且有一定柔韧性的纤细物质。,60,纤维的分类,纤维,天然纤维

23、,化学纤维,棉花 羊毛 蚕丝 麻,合成纤维,人造纤维,涤纶 的确良,锦纶 尼龙,腈纶 人造羊毛,丙纶 轻、耐磨,维纶 成本低,六大纶,氯纶 保暖、弹性好,醋酸纤维,粘胶纤维,61,主要合成纤维品种,62,胶 粘 剂,胶粘剂(Adhesive)是靠界面间作用使各种材料牢固地粘接在一起的物质。 胶粘剂的组成 除了基料外(一种或几种高聚物)，还有固化剂、填料、增塑剂、增韧剂、稀释剂、促进剂及着色剂等。,63,胶粘剂的分类,胶粘剂,天然胶粘剂,合成胶粘剂,淀粉系、蛋白质系、天然树脂系、天然橡胶系,树脂型,橡胶型,热塑性,热固性,聚醋酸乙烯 聚乙烯醇 聚丙烯酸酯 饱和聚酯 聚氨酯,脲醛树脂、酚醛树脂、环

24、氧树脂、不饱和聚酯等,氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、有机硅橡胶、热塑性橡胶,产量最大的热塑性胶粘剂，主要品种有 PVAc 溶液粘合剂、PVAc乳液粘合剂等。,线型聚合物为粘料，可溶。用于非结构件的胶粘，粘接力不高。,价格低、无毒、主要用于纸品的粘接和办公用品中的浆液。,加热下，聚合物发生交联，形成不溶不熔胶层。粘接力强。,64,特殊胶粘剂,有两类胶粘剂产量不很大，但其某些性能非常突出，且增长速度很快，是目前胶粘剂工业发展的关键。 结构胶粘剂（Structural adhensive)，主要用于航空和宇航及其他工业中受力构件的粘接，目前结构胶主要品种是改性的热固性胶粘剂。如用尼龙、羧酸

25、丁腈、聚砜改性的环氧胶或聚乙烯醇缩醛、丁腈改性的酚醛胶，都具有很高的强度和韧性及优良的耐湿、热老化（除环氧尼龙外）氧等性能。,65,特殊胶粘剂,特种胶粘剂，除一般性能外还有某些特殊功能如耐超高温低温、导电、医用.品种配方多达数万种，附加价值高。与此相似，一些特殊工艺胶粘剂如热熔胶(Hot melt adhesive)、厌氧胶(Anaerobic adhesive)、压敏胶(Pressure adhesive)等发展迅速，年增长率在15%以上。,66,涂 料,涂料是指涂布在物体表面而形成具有保护和装饰作用膜层的材料。 涂料的组成 （1）粘结剂：与物体表面和颜料具有良好的结合力，可分为转化型和非转

26、化型两种类型。 （2）颜料：起装饰作用，并对物体表面起抗腐蚀的保护作用 （3）溶剂：溶解成膜物质的易挥发性液体 （4）其他添加剂：增塑剂、催干剂、增稠剂、稀释剂、杀菌剂，颜料分散剂，阻聚剂，防结皮剂等,67,涂料的分类,施工层次：腻子、底漆、面漆、罩光漆 稀释介质：溶剂型、水溶型、水乳型 漆膜光泽：无光漆、半光漆、有光漆 施工方法：喷漆、烘漆、电泳漆 成膜物质：油性涂料(油基树脂漆)、合成树脂类漆,68,常用涂料,醇酸树脂涂料 具有附着力强、光泽好、硬度大、保光性和耐候性好等特点，可制成清漆、磁漆、底漆和腻子。 氨基树脂涂料 主要有三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂等涂料。 聚氨酯涂料 具有耐磨性优异、附着力强、耐化学腐蚀，广泛用作地板漆甲板漆、纱管漆等。 酚醛树脂涂料 有机硅涂料,69,功能高分子材料,功能高分子材料是具有特殊的功能，如光敏性、导电性、磁性、化学活性、生物相容性，高分子液晶等。