高分子材料

概論前言

一、材料的定義與分類分類具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)

材料按化學(xué)組成分類按作用分類按狀態(tài)分類按使用領(lǐng)域分類金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)材料功能材料氣態(tài)液態(tài)固態(tài)〔單晶、多晶、非晶、復(fù)合〕定義建筑材料醫(yī)用材料電子材料耐火材料……二、材料的發(fā)展歷史無機非金屬材料復(fù)合材料高分子材料金屬材料木材皮革纖維紙青銅鐵鋼金皮膠橡膠賽璐珞陶玻璃水泥火石合金鋼耐熱合金先進功能陶瓷各種基體復(fù)合材料功能高分子高溫高分子高強高模高分子通用高分子韌性工程陶瓷金屬陶瓷耐火材料時間/年相對占有量玻璃態(tài)金屬5000公元前0公元1000150018001900194019601980199020002021纖維增強塑料稻草桿磚微合金鋼骨瓷三、材料研究的四要素“性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工、使用性能，以及它們之間的密切關(guān)系確定了材料科學(xué)與工程這一領(lǐng)域。〞美國國家研究委員會：?90年代的材料科學(xué)與材料工程?建立原子、分子和分子團的新排列，在所有尺寸上（從原子尺寸到宏觀尺寸）對結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競爭力地制造材料和零件的演變過程。合成/加工確定材料功能特性和效用的描述性質(zhì)材料固有性質(zhì)同產(chǎn)品設(shè)計、工程能力和人類需求相融合一個要素。

使用性能合成加工性質(zhì)結(jié)構(gòu)成分使用性能四、材料今后的開展方向〔1〕從開展看，到二十一世紀(jì)，金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料將出現(xiàn)四大類工程材料平分秋色的局面。（2）美國認(rèn)為，在先進材料、電子信息技術(shù)、生物技術(shù)三大未來高技術(shù)領(lǐng)域中，先進材料中的先進陶瓷和高分子基質(zhì)材料將于今后25年內(nèi)在世界上發(fā)揮重大作用，并可能是美國在國際生產(chǎn)和技術(shù)競爭中保持強力地位的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?！?〕對新一代材料的主要要求：a.既是結(jié)構(gòu)材料又具有多種功能的材料；b.具有感知、自我調(diào)節(jié)和反響等能力的智能型材料；c.制作和廢棄過程中盡可能減少污染的綠色材料；d.充分利用自然資源，能循環(huán)作用的可再生性材料；e.少維修或不維修的長壽命材料。材料是人類生活和生產(chǎn)必需的根底，也是人類文明的物質(zhì)根底，而材料的使用與一個歷史時期內(nèi)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)水平密切相關(guān)。一個國家材料的品種和產(chǎn)量是直接衡量一個國家的科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟開展水平的重要標(biāo)志之一。例CPU制作材料目前的CPU材料主要以半導(dǎo)體和超半導(dǎo)體技術(shù)為主?，F(xiàn)有三種材料有可能改變這種情況：〔1〕原子水平的材料技術(shù)〔2〕生物學(xué)DNA技術(shù)〔3〕巴基球技術(shù)用原子做根本材料〔載體材料可多樣〕，通過原子組合排列實現(xiàn)二進制邏輯計算，可使計算機超小型化。目前問題：組合排列的穩(wěn)定性。用生物基因做根本材料，用基因密碼組合實現(xiàn)二進制邏輯計算，可使計算機智能化。目前問題：提高速度。在巴基球條件下，碳分子成為導(dǎo)體，性能比現(xiàn)有任何計算機材料好，且三維方向可控，一方面材料俯拾即是，另一方面三維可控將提供更新的邏輯數(shù)學(xué)方式，對軟件制作模式有重大影響。目前問題：載體穩(wěn)定性。第一章 緒論第一節(jié)高分子材料科學(xué)概述一、根本概念1、高分子科學(xué)2、高分子化合物3、高分子合成的根本概念二、高分子材料科學(xué)開展簡史高分子科學(xué)的研究范圍衣：棉、麻、絲、毛及合成纖維食：糧食〔淀粉〕；肉、蛋〔蛋白質(zhì)〕?。耗静?、塑料、粘合劑、涂料行：汽車、自行車用的輪胎、塑料等航天、航空中的復(fù)合材料這些材料都是高分子化合物1、高分子科學(xué)

研究高分子化合物合成、改性，高分子及其聚集態(tài)的結(jié)構(gòu)、性能，聚合物的成型加工等內(nèi)容的一門綜合性學(xué)科。包括高分子化學(xué)、高分子物理、高分子工程幾個領(lǐng)域。ChemistryPhysicsPolymerTechnic

高分子科學(xué)的基礎(chǔ)。主要研究高分子化合物的分子設(shè)計、合成及改性，擔(dān)負(fù)為高分子科學(xué)研究提供新生化合物、為國民經(jīng)濟提供新材料及合成方法的任務(wù)。

高分子化學(xué)

高分子科學(xué)的理論基礎(chǔ)，主要研究高分子及其聚集態(tài)的結(jié)構(gòu)、性能、表征以及結(jié)構(gòu)與性能、結(jié)構(gòu)與外場力的影響之間的相互關(guān)系，指導(dǎo)高分子化合物的分子設(shè)計和高聚物作為材料的合理使用。高分子物理

研究涉及聚合反應(yīng)工程、高分子成型工藝及相應(yīng)的理論、方法的研究，為高分子科學(xué)與高分子工業(yè)間的銜接點。高分子工程高分子科學(xué)把合成、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用這四方面的研究用“四角關(guān)系〞表示：合成結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能

2、高分子化合物具有高的相對分子量，其結(jié)構(gòu)必須是由多個重復(fù)單元所組成，并且這些重復(fù)單元實際上或概念上是由相應(yīng)的小分子衍生而來。聚氯乙烯聚乙烯醇IUPAC1996年建議：Polymermolecule,Macromolecule高分子/聚合物/大分子實際上概念上何謂高分子？高分子的特征A、相對分子質(zhì)量很大：一般在104~106相對分子質(zhì)量1.2~1.8×104尼龍相對分子質(zhì)量5~15×104聚氯乙烯相對分子質(zhì)量25~30×104順丁橡膠粘合劑、涂料C、由相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)重復(fù)屢次而成～～

CH2━CH━CH2━CH━CH2━CH～～│││ClClClB、共價鍵連接〔？〕

聚氯乙烯例3、高分子合成的根本概念高分子化學(xué)是研究高分子化合物合成和反響的一門科學(xué)合成：由小分子化合物經(jīng)過聚合反響形成高分子化合物的過程反響：以高分子為反響物進行的化學(xué)反響例苯乙烯→聚苯乙烯聚乙烯醇→聚乙烯醇縮甲醛例鏈原子ChainAtoms 構(gòu)成高分子主鏈骨架的單個原子。鏈單元〔鏈節(jié)〕ChainUnits 由鏈原子及其取代基組成的原子或原子團。聚丙烯聚乙二醇結(jié)構(gòu)單元：ConstitutionalUnit構(gòu)成高分子主鏈結(jié)構(gòu)一局部的單個原子或原子團，可包含一個或多個鏈單元。重復(fù)(結(jié)構(gòu))單元：ConstitutionalRepeatingUnit,CRU

重復(fù)組成高分子分子結(jié)構(gòu)的最小的結(jié)構(gòu)單元。側(cè)基單體單元：Monomer(ic)Unit,mer單個聚合物分子所含單體單元的數(shù)目。聚合度：DegreeofPolymerization，DP例如：單體？聚合物？主鏈、側(cè)基？結(jié)構(gòu)單元、重復(fù)單元、單體單元、鏈節(jié)聚苯乙烯〔PS)單體？聚合物？結(jié)構(gòu)單元、重復(fù)單元、單體單元、鏈節(jié)聚對苯二甲酸乙二醇酯〔PET、滌綸〕均聚物Homopolymer —由一種單體〔真實的、隱含的或假設(shè)的〕聚合而成的聚合物共聚物Copolymer —由兩種以上單體〔真實的、隱含的或假設(shè)的〕共聚而成的聚合物雜鏈聚合物的結(jié)構(gòu)特征 —[NH-(CH2)6-NH—CO-(CH2)4-CO]n— ︱←結(jié)構(gòu)單元→︱←結(jié)構(gòu)單元→︱ ︱← 重復(fù)單元 →︱ 此時，兩種結(jié)構(gòu)單元的總數(shù)稱為聚合度：Xn Xn=2DP=2n氯乙烯單體“假設(shè)單體〞：乙烯醇生成均聚物的聚合反響稱均聚反響〔Homopolymerization)。生成共聚物的聚合反響稱共聚反響〔Copolymerization)。由對苯二甲酸和乙二醇反響生成的“隱含單體〞：HOOC-Ph-COOCH2CH2OH含有反響性末端基團、能進一步聚合的高分子。遙爪高分子：TelechelicPolymers高分子鏈的末端結(jié)構(gòu)單元。末端基團：EndGroupsCH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH3聚乙烯：滌綸：

高分子工業(yè)：公元前，蛋白質(zhì)、淀粉、棉、毛、絲、麻、造紙、油漆、蟲膠等高分子科學(xué)：-1833年，Berzelius提出“Polymer〞一詞，指以共價鍵、非共價鍵聯(lián)結(jié)的聚集體1、十九世紀(jì)之前：天然高分子的加工利用二、高分子科學(xué)開展簡史2、十九世紀(jì)中葉：天然高分子的化學(xué)改性高分子工業(yè)：-1838C.N.Goodyear天然橡膠硫化-1845C.F.Schobein硝化纖維-1868J.W.Hyatt硝化纖維塑料-1889建成最早的人造絲工廠-1900英國建成年產(chǎn)1000t粘膠纖維工廠高分子科學(xué)：-1870提出纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)是大的分子1892W.A.Tilden確定天然橡膠干餾產(chǎn)物異戊二烯結(jié)構(gòu)式高分子工業(yè)：-1907L.Backeland酚醛樹脂-1911丁鈉橡膠-1914醋酸纖維和塑料-1925醋酸乙烯工業(yè)化-1928聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯高分子科學(xué)：-1902提出蛋白質(zhì)是由氨基酸殘基組成的多肽結(jié)構(gòu)-1907W.Ostwold提出分子膠體概念-1920H.Staudinger提出“共價鍵聯(lián)結(jié)的大分子〞之現(xiàn)代高分子概念3、二十世紀(jì)初葉：高分子工業(yè)和科學(xué)的創(chuàng)立的準(zhǔn)備時期高分子工業(yè)：塑料：PVC(1931)、PS(1934)、LDPE(1939)、ABS(1948)橡膠：氯丁膠(1931)、丁基膠(1940)、丁苯膠(1940)纖維：PVC(1931)、尼龍-66(1938)、PET(1941)、維綸〔1948〕高分子科學(xué)：-1932H.Staudinger?高分子有機化合物?出版-1929~40.P.J.Floury縮聚反響理論-1932~38W.Kuhn,K.H.Mayer橡膠彈性理論1935~48H.Mark,F.R.Mayo,etal鏈?zhǔn)骄酆戏错懞凸簿酆侠碚?1942~49P.J.Flory,M.L.Huggins,etal高分子溶液理論-40年代Harkin-Smith-Ewart乳液聚合理論4、二十世紀(jì)30~40年代：高分子工業(yè)和科學(xué)的創(chuàng)立時期高分子工業(yè)：HDPE〔1953~55〕、PP〔1955~57〕、BR〔1959〕、PC〔1957〕-石油化工產(chǎn)品的80%用于高分子工業(yè)-塑料以兩倍于鋼鐵的速率增長〔12~15%/年〕高分子科學(xué)：-1953~56Ziegler-Natta催化劑和配位陰離子聚合-50年代Szwarc陰離子活性聚合Kennedy陽離子聚合-1957A.Keller獲得聚乙烯單晶5、二十世紀(jì)50年代：現(xiàn)代高分子工業(yè)確立、高分子合成化學(xué)大開展時期高分子工業(yè)：通用塑料：PE、PP、PVC、PS(80%)、PF、UF、PU、UP〔20%〕-工程塑料：ABS、PA、PC、PPO、POM、PBT、合成橡膠：丁苯膠、順丁膠、乙丙膠、異戊膠、丁基膠、丁腈膠-合成纖維：PET、PAN、PP、PVA、nylon高分子科學(xué)：-各種熱譜、力譜、電鏡、IR手段的應(yīng)用：1960高分辨率NMR、1964GPC的使用-結(jié)晶高分子、高分子粘彈性、流變學(xué)理論研究的深入6、二十世紀(jì)60年代：高分子物理大開展時期高分子工業(yè)：-生產(chǎn)的高效化、自動化、大型化：塑料~6000萬t、橡膠~700萬t、化纖~6000萬t、-高分子合金，如HIPS-高分子復(fù)合材料，如碳纖維增強復(fù)合材料高分子科學(xué)：-1971~78白川英樹等導(dǎo)電高分子-1973Kevlar纖維7、二十世紀(jì)70年代：高分子工程科學(xué)大開展時期高分子工業(yè)：

80年代初，三大合成材料產(chǎn)量超過10億t，其中塑料

8500萬t，以體積計超過鋼鐵的產(chǎn)量-精細(xì)高分子、功能高分子、生物醫(yī)學(xué)高分子高分子科學(xué)：-提出分子設(shè)計概念-1983O.W.Webster基團轉(zhuǎn)移聚合-1994王錦山原子〔基團〕轉(zhuǎn)移自由基聚合8、二十世紀(jì)末期：高分子科學(xué)的擴展與深化1850年曾去美國學(xué)習(xí)兩年機械。后來專心研究炸藥。1862年夏研制成功了硝化甘油引爆方法。不久又創(chuàng)造了雷管、黃色炸藥、無煙炸藥。這種炸藥很穩(wěn)定，但用雷管引爆時又威力極大。1867年起，黃色炸藥和雷管在實業(yè)界獲得了極大的信譽。一生獲創(chuàng)造專利255項。1895年11月27日，諾貝爾在逝世前擬定遺囑，將他的遺產(chǎn)大局部贈給斯德哥爾摩科學(xué)院，每年用提出的利息獎給科學(xué)領(lǐng)域里有重大發(fā)現(xiàn)者。

A.B.Nobel(1833-1896)瑞典化學(xué)家崇高的科學(xué)獎賞重大事件

Nobel的化學(xué)實驗室瑞士科學(xué)院從1901年起設(shè)立諾貝爾獎，每年12月10日，在諾貝爾去世這天頒發(fā)。它成為一種崇高的科學(xué)獎賞和榮譽。諾貝爾獎項諾貝爾物理獎諾貝爾化學(xué)獎諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎諾貝爾文學(xué)獎諾貝爾和平獎諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎〔1969〕瑞典人，物理化學(xué)家。研究膠體分子的提純和別離技術(shù)，特別是對蛋白質(zhì)的研究。1924年創(chuàng)造了超速離心機，用于蛋白質(zhì)分子測定，并從沉降常數(shù)和擴散系數(shù)獲得血紅蛋白的分子量。Svedberg的工作為高分子化學(xué)的建立創(chuàng)造了實驗條件。T.Svedberg〔1884~1971〕1926年因創(chuàng)造高速離心機并用于高分散膠體化學(xué)研究獲諾貝爾化學(xué)獎

德國人，1903年在Halla大學(xué)完成博士論文。畢業(yè)后在多所大學(xué)任教。早期研究有機化學(xué)，后轉(zhuǎn)向?qū)μ烊挥袡C物的結(jié)構(gòu)研究。1920年，在?德國化學(xué)會志?上發(fā)表劃時代的文章?論聚合?,首次提出高分子的概念。1932年，發(fā)表專著?高分子有機化合物?，標(biāo)志著高分子化學(xué)的誕生。H.Staudinger〔1881~1965〕1953年因“鏈狀大分子物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)〞獲諾貝爾化學(xué)獎Ziegler-Natta催化劑的發(fā)現(xiàn)*1923年，開始堿金屬有機化合物研究*二十世紀(jì)50年代，石油化工為高分子合成提供了廉價豐富的原料，但其中最多的α-烯烴由于沒有適宜的催化劑而末能得到充分使用。*1948年，用AlH3與乙烯反響，得到不帶支鏈的高級烯烴*1953年，在一次實驗中意外發(fā)現(xiàn)由于反響釜中殘留的痕量鎳而只生成二聚體德國人，22歲獲博士學(xué)位。畢業(yè)后在多所大學(xué)任教，主要從事金屬有機化合物研究。治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，重視理論與實踐相結(jié)合。實驗技巧嫻熟，危險實驗常親自做。一生發(fā)表論文200余篇。對助手要求嚴(yán)格，對重要的書要求助手“通背〞“翻破〞為止。1946年起任前聯(lián)邦德國化學(xué)會會長。*1955年，進一步的研究發(fā)現(xiàn)用TiCl4和Al(C2H5)3組成的催化體系，能使乙烯在室溫低壓下迅速聚合成為高分子量的高密度聚乙烯，Ziegler催化劑由此誕生。K.Ziegler〔1898~1973〕1963年，K.Zi