高分子功能材料第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四在科學(xué)高速發(fā)展的今天，大到國民經(jīng)濟(jì)，小到日常生活都與高分子材料息息相關(guān)，可稱為“高分子化合物時(shí)代”。高分子材料在二戰(zhàn)前后得到了迅速發(fā)展；到上世紀(jì)末，單是塑料在體積上就明顯超過了鋼鐵。棉、毛、蠶絲和蛋白質(zhì)等都是天然高分子材料。合成高分子材料則主要包括塑料、橡膠與纖維三大合成材料，其中塑料占總量的80％。第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四由于高分子材料具有許多優(yōu)良性能，適合現(xiàn)代化生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，且不受地域、氣候的限制，因而高分子材料工業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，如今高分子材料已經(jīng)不再是傳統(tǒng)材料的代用品，而是與金屬、水泥、木材一起并稱為四大材料，在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中扮演著重要的角色。高分子科學(xué)的三大組成部分—高分子化學(xué)、高分子物理和高分子工程也已經(jīng)日趨成熟。第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四量大面廣的通用高分子材料通過不斷升級(jí)改造，成本大幅度降低、使用性能明顯提高；各類新型的、適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展需要的高分子材料不斷涌現(xiàn)。通過各種手段，用物理或化學(xué)方法，或者使高分子與其他物質(zhì)相互作用后產(chǎn)生物理或化學(xué)變化，從而使高分子化合物成為具有特殊功能的功能高分子材料。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四物理功能高分子材料，如導(dǎo)電高分子、高分子半導(dǎo)體、光導(dǎo)電高分子、壓電及熱電高分子、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?；瘜W(xué)功能高分子材料，如反應(yīng)性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、高分子催化劑、高分子試劑及人工臟器等。生物功能和醫(yī)用高分子材料，如生物高分子、模擬器、高分子藥物及人工骨材料等?？傊?，關(guān)于高分子材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究正在飛速發(fā)展，日新月異。第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四一、高分子材料的發(fā)展簡史高分子的概念始于20世紀(jì)20年代，但應(yīng)用早一些。1838年P(guān)arker制得了第一種人造塑料—硝酸纖維素。1840年Goodyear和Hancock開發(fā)了天然橡膠的硫化技術(shù)。1851年硬質(zhì)橡膠實(shí)現(xiàn)商品化。1868年，英國Parks用硝化纖維素與樟腦混合制得了賽璐珞。1870年J.Hyatt制備了低硝酸含量的硝酸纖維素—賽璐珞，這是第一種具有商業(yè)價(jià)值的塑料，也是在1907年Bakeland開發(fā)出酚醛塑料前唯一的商品塑料。第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四1893年，法國人DeChardonnet發(fā)明粘膠纖維。1907年，第一個(gè)合成高分子—酚醛樹脂誕生。1920年，德國人Staudinger發(fā)表了“論聚合”的論文，提出了高分子的概念，并預(yù)測了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的結(jié)構(gòu)。1881年3月23日生于德國萊因蘭—法耳次州的沃爾姆斯；1907年畢業(yè)于施特拉斯堡大學(xué)，獲博士學(xué)位。同年受聘為卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)副教授。1912年于蘇黎世工業(yè)大學(xué)任化學(xué)教授。1920年，發(fā)表“論聚合反應(yīng)”的論文，提出高分子的概念；

1932年，出版了劃時(shí)代的巨著《高分子有機(jī)化合物》；

1953年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1965年9月8日在弗賴堡逝世，終年84歲。施陶丁格爾第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四1935年，Carothes發(fā)明尼龍66，1938年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。30年代，許多烯烴類加聚物被開發(fā)出來，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，極大地促進(jìn)了自由基聚合的發(fā)展。高分子溶液理論在30年代建立，并成功測定了聚合物的分子量。Flory為此于1974年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。40年代，二次大戰(zhàn)促進(jìn)了高分子材料的發(fā)展，一大批重要的橡膠和塑料被合成出來。如丁苯橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、有機(jī)氟材料、滌綸樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物等。50年代，Ziegler和Natta發(fā)明配位聚合催化劑，制得高密度聚乙烯和有規(guī)聚丙烯，低級(jí)烯烴得到利用。1963年，Ziegler和Natta分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四1956年，美國人Szwarc發(fā)明活性陰離子聚合，開創(chuàng)了高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先河。

50年后期至60年代，大量高分子工程材料問世。如聚甲醛，聚碳酸酯，聚砜，聚苯醚，聚酰亞胺等。

60年代以后，特種高分子和功能高分子得到發(fā)展。第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四為表彰在導(dǎo)電高分子的發(fā)展方面所作的貢獻(xiàn)，2000年，日本科學(xué)家白川英樹（H.Shirakawa）、美國科學(xué)家黑格（A.J.Heeger）和麥克迪爾米德（A.G.MacDiarmid）分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。80年代以后，新的聚合方法和新結(jié)構(gòu)的聚合物不斷出現(xiàn)和發(fā)展?？v觀高分子材料的發(fā)展過程，不難看出，人類活動(dòng)為高分子科學(xué)的發(fā)展提供了源動(dòng)力。第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四二、基本概念高分子又稱大分子，一般是指分子量大于104，鏈長度在103～105，甚至更大的分子。高分子化合物與低分子化合物的根本區(qū)別，在于分子量大小的不同。造成高分子分子量很大的原因，是它們的分子由特定的結(jié)構(gòu)單元多次重復(fù)連接組成。如聚氯乙烯分子是由成千上萬個(gè)氯乙烯分子相互連接而成。第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四高分子里每個(gè)特定的結(jié)構(gòu)單元叫做鏈節(jié)。每個(gè)高分子里鏈節(jié)的數(shù)目叫做聚合度(n)。能夠聚合生成高分子化合物的低分子化合物叫做單體。如苯乙烯是合成聚苯乙烯的單體。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四同一種高分子化合物在實(shí)質(zhì)上，是由許多鏈節(jié)結(jié)構(gòu)相同而聚合度不同的高分子所組成的混和物。因此高分子化合物的分子量只能是平均分子量（Mr）。由此可見，高分子化合物是由小分子單體聚合而成的，因此又稱為聚合物。通常，根據(jù)化合物的相對分子質(zhì)量大小來劃分高分子和小分子。相對分子質(zhì)量小于1000的，一般為小分子化合物；而相對分子質(zhì)量大于10000的，稱為高分子或高聚物；處于中間范圍的可能為高分子（低聚物），也可能為小分子。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)一個(gè)化合物的相對分子質(zhì)量足夠大，以至多一個(gè)鏈節(jié)或少一個(gè)鏈節(jié)不會(huì)影響其基本性能時(shí)，稱為高分子。1.按聚合物的來源天然聚合物，如天然橡膠、纖維素、蛋白質(zhì)；人造聚合物，經(jīng)人工改性的天然聚合物，如硝酸纖維、醋酸纖維（人造絲）；合成聚合物，完全由低分子物質(zhì)合成的如聚氯乙稀、聚酰胺等。三、聚合物的分類第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四2.按生成聚合物的化學(xué)反應(yīng)加聚物，由加成聚合反應(yīng)得到的，如聚烯烴；縮聚物，由縮合聚合反應(yīng)得到的，如酚醛樹脂。3.按聚合物的性質(zhì)塑料，有固定形狀、熱穩(wěn)定性與機(jī)械強(qiáng)度，如工程塑料；橡膠，具有高彈性，可做彈性材料與密封材料；纖維，單絲強(qiáng)度高，可做紡織材料。4.按聚合物的熱行為熱塑性聚合物，線型結(jié)構(gòu)加熱后仍不變；第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四熱固性聚合物，線型結(jié)構(gòu)加熱后變體型。5.按聚合物分子的結(jié)構(gòu)碳（均）鏈聚合物，一般為加聚物；雜鍵聚合物，一般為縮聚物；元素有機(jī)聚合物，一般為縮聚物。四、聚合物的命名聚合物有系統(tǒng)命名法和俗命，主要采用俗名。天然高分子，一般按來源和性質(zhì)有專有名詞。如纖維素、蛋白質(zhì)等。第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四合成高分子，是在單體名稱前冠以“聚”字。如由乙烯(H2C＝CH2)制得的聚合物叫聚乙烯(polyethylene，簡稱PE)。是最?？吹降乃芰?，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(vinylchloride)]，簡稱(PVC）。是制造雨衣、硬塑料水管、塑料布、電線塑料外殼的原料。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四由兩種單體縮聚而成的聚合物，如果結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜或不太明確，往往在單體名稱后加上“樹脂”二字來命名。如由尿素與甲醛的水溶液在硫酸的催化下縮合而成的聚合物叫脲甲樹脂。因受熱不會(huì)軟化，且質(zhì)輕并有絕緣性，是制造電線插頭與插座的塑料部分及炊具把手的最佳原料。第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四常見聚合物的俗名、商品名稱及簡寫代號(hào)：通俗名稱商品名稱簡寫代號(hào)聚氯乙烯氯綸PVC聚丙烯丙綸丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS樹脂ABS聚對苯二甲酸乙二酯滌綸PET聚甲基丙烯酸甲酯有機(jī)玻璃PMMA聚苯乙烯聚苯乙烯PSPP第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四五、高分子鏈的結(jié)構(gòu)1.線型高分子

鏈之間的結(jié)合力是分子間力，例如：聚乙烯、尼龍。第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四2.支鏈型高分子

如低密度聚乙烯。第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四3.體型高分子

鏈之間由共價(jià)鍵連接，如絕大多數(shù)橡膠。第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四4.網(wǎng)狀高分子通過三官能化聚合物形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四六、高分子化合物的性質(zhì)1.機(jī)械性能①隨聚合度的增大而增強(qiáng)，同時(shí)粘度也迅速增大。②聚合物的結(jié)晶度越大機(jī)械性能越好。③分子間作用力、氫鍵增大，可顯著提高聚合物的機(jī)械性能。2.電學(xué)性能高分子的結(jié)構(gòu)是決定其導(dǎo)電性能的主要因素。①結(jié)構(gòu)對稱的非極性分子，不能導(dǎo)電。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四②結(jié)構(gòu)不對稱的極性分子，由于在交流電場中，極性基團(tuán)或極性鏈節(jié)隨電場方向發(fā)生周期性的取向，具有一定的導(dǎo)電性。③含共軛雙鍵的聚合物由雙鍵中的π電子能在整個(gè)分子中運(yùn)動(dòng)，具有一定的導(dǎo)電性。3.老化與防老化高分子在長期使用過程中，由于受到氧、熱、紫外線、機(jī)械、水蒸氣、酸堿及微生物等因素作用，逐漸失去彈性，出現(xiàn)裂紋，變硬、變脆或變軟、發(fā)粘、變色等，從而使它的物理機(jī)械性能越來越差的現(xiàn)象，叫做高分子化合物的老化。第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四高分子的老化過程主要包括交聯(lián)和裂解兩種反應(yīng)。交聯(lián)是指在大分子鏈之間形成化學(xué)鍵，從線型變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)的過程。導(dǎo)致高分子失去彈性、變脆、變硬。裂解又稱降解，是指大分子鏈發(fā)生斷裂，聚合物相對分子質(zhì)量明顯降低的過程。使高分子變軟、變粘并失去機(jī)械強(qiáng)度。

防老化措施：①物理方法：鍍上一層金屬，或涂一層涂料。②化學(xué)方法：加入防老化劑，如紫外線吸收劑、抑制劑等。第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四七、幾種重要的高分子材料1.工程塑料塑料按使用性能又可分為通用塑料和工程塑料。通用塑料一般指產(chǎn)量大、用途廣、成型性好、價(jià)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，并有良好的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性，在高、低溫下仍能保持其優(yōu)良性能，可以作為工程結(jié)構(gòu)件材料。如聚甲醛、ABS、尼龍、聚砜等。第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四工程塑料與金屬材料相比，具有容易加工；生產(chǎn)效率高；節(jié)約能源；絕緣性能好；質(zhì)量輕；比強(qiáng)度高；具有突出耐磨、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，是良好的工程機(jī)械更新?lián)Q代產(chǎn)品。第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四2.合成橡膠合成橡膠是以石油和天然氣為原料合成的一種高分子化合物。如丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠及具特殊性能的特種橡膠，如醫(yī)療、航空工業(yè)上廣泛應(yīng)用的硅橡膠，耐高溫的氟橡膠和耐油性特別好的丁腈橡膠等。現(xiàn)在的總產(chǎn)量已經(jīng)超過天然橡膠的一倍以上。第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四3.合成纖維合成纖維是由合成高分子為原料，通過拉絲工藝獲得纖維。合成纖維的品種很多，最重要的品種是聚酯（滌綸）、聚酰胺（尼龍、錦綸）、聚丙烯腈（腈綸），它們占世界合成纖維總產(chǎn)量的90%以上。此外還有聚乙烯醇縮甲醛（維綸）、聚丙