1、高分子材料概述,主要內(nèi)容,第一節(jié) 材料和高分子材料,1,第二節(jié) 高分子材料分類,2,第三節(jié) 高分子材料的相關概念、術語,3,第四節(jié) 高分子材料的性能,4,2,第五節(jié) 高分子材料的研究方法,第一節(jié) 材料和高分子材料,材料、能源和信息作為科學技術的三大支柱促進了社會的發(fā)展。 材料是工業(yè)發(fā)展的基礎，是一個國家科學技術水平、經(jīng)濟發(fā)展水平和人民生活水平的重要 標志，也是一個時代的重要標志。,人類社會發(fā)展史回顧,人類社會的發(fā)展史就是一部材料的發(fā)展史。,第一節(jié) 材料和高分子材料,金屬材料,無機非金屬材料,有機高分子材料,材料分為三大類,第一節(jié) 材料和高分子材料,金屬材料長盛不衰 從神秘的形狀記憶合金到未來能

2、源材料之星儲氫合金 古老的陶瓷舊貌換新顏 從一個古老的材料王國到現(xiàn)代無機材料的再度輝煌。 威力無比的先進結構陶瓷到奇妙無窮的功能陶瓷。 年輕的高分子材料千姿百態(tài) 20世紀新興的材料王國現(xiàn)代生活的高分子材料 功能高分子各顯神通 先進的復合材料巧奪天工 新型功能材料人類文明進步的階梯 生物材料、信息材料、環(huán)境材料、納米材料、能源和智能材料,第一節(jié) 材料和高分子材料,現(xiàn)代生活中的高分子材料普通塑料,第一節(jié) 材料和高分子材料,現(xiàn)代生活中的高分子材料工程塑料,第一節(jié) 材料和高分子材料,現(xiàn)代生活中的高分子材料橡膠,第一節(jié) 材料和高分子材料,現(xiàn)代生活中的高分子材料纖維,第一節(jié) 材料和高分子材料,高分子材料在

3、高科技領域應用廣泛,第一節(jié) 材料和高分子材料,高分子的概念始于20世紀20年代，但應用更早。 1839年，美國人Goodyear發(fā)明硫化橡膠。 1868年，英國科學家Parks用硝化纖維素與樟腦混合制得賽璐珞。 1893年，法國人De Chardonnet發(fā)明粘膠纖維。 1907年，第一個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，并預測了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的結構。1953年獲諾貝爾化學獎。,高分子材料發(fā)展簡史,橡樹之淚,第一節(jié) 材料和高分子材料,1935年，Carothers發(fā)明尼龍66，1938年工業(yè)化。 30

4、年代，許多烯烴類加聚物被開發(fā)出來，PVC, PMMA, PS, PVAc, LDPE。 40年代，二次大戰(zhàn)促進了高分子材料的發(fā)展，一大批重要的橡膠和塑料被合成出來。丁苯橡膠, 丁腈橡膠, 丁基橡膠, 有機氟材料, 滌綸樹脂, ABS。,ABS樹脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母縮寫）是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料。,高分子材料發(fā)展簡史,第一節(jié) 材料和高分子材料,50年代，Ziegler和Natta發(fā)明配位聚合催化劑，制得高密 度PE和有規(guī)PP，低級烯烴得到利用。1963年， Ziegler和 N

5、atta分享諾貝爾化學獎。 1956年，美國人Szwarc發(fā)明活性陰離子聚合，開創(chuàng)了高 分子結構設計的先河。 50年后期至60年代，大量高分子工程材料問世。聚甲醛 （1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚 （1964），聚酰亞胺（1962）。,高分子材料發(fā)展簡史,第一節(jié) 材料和高分子材料,60年代以后，特種高分子和功能高分子得到發(fā)展。 特種高分子：高模量高強度、耐高低溫、耐輻射、高頻絕緣、半導體等。 功能高分子：分離材料（離子交換樹脂、分離膜等）、導電高分子、感光高分子、高分子催化劑、高吸水性樹脂、醫(yī)用高分子、藥用高分子、高分子液晶等。 80年代后，新結構的聚合物有：新型嵌

6、段共聚物、新型接枝共聚物、星狀聚合物、樹枝狀聚合物、超支化聚合物、含富勒烯(C60)聚合物等等。,高分子材料發(fā)展簡史,為表彰在導電高分子的發(fā)展方面所作的貢獻， 2000年，日本科學家白川英樹（H.Shirakawa）、美國科學家黑格（A.J.Heeger）和麥克迪爾米德（A.G. MacDiarmid）分享諾貝爾化學獎。,From fossil fuel based polymer introductions ,Slide based on,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，獲博士學 位。同年聘為卡爾斯魯厄工業(yè)大學副教授。 1912年于蘇

7、黎世工業(yè)大學任為化學教授。 1920年，發(fā)表“論聚合反應”的論文，提 出高分子的概念； 1932年，出版劃時代的巨著高分子有 機化合物 1953年獲諾貝爾化學獎； 1965年9月8日在弗賴堡逝世，終年84歲。,第一節(jié) 材料和高分子材料,施陶丁格爾小傳 (Hermann Staudinger) (18811965),Karl Ziegler (1903-1979),Giulio Natta (1898-1973),K.Ziegler （德國）, G.Natta （意大利） （1963年諾貝爾獎得主）,第一節(jié) 材料和高分子材料,50年代，Ziegler和Natta發(fā)明配位聚合催化劑，制得高密度PE

8、和有規(guī)PP，低級烯烴得到利用。,Ziegler和Natta創(chuàng)造了聚烯烴塑料的新紀元,第一節(jié) 材料和高分子材料,P.J.Paul John Flory (19101985)美國高分子科學家。1934年在俄亥俄州州立大學獲物理化學博士學位，后任職于杜邦公司，進行高分子基礎理論研究。1948年在康奈爾大學任教授。1957年任梅隆科學研究所執(zhí)行所長。1961年任斯坦福大學化學系教授，1975年退休。1953年當選為美國科學院院士。 弗洛里在高分子物理化學方面的貢獻，幾乎遍及各個領域。他是實驗家又是理論家，是高分子科學理論的主要開拓者和奠基人之一。,（1974年諾貝爾獎）,for his fundame

9、ntal achievements, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of the macromolecules,第一節(jié) 材料和高分子材料,（2000年諾貝爾獎得主）,H. Shirakawa白川英樹(日本), Alan G. MacDiarmid (美國), Alan J. Heeger (美國) ：對導電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。,2005 Nobel Chemistry Prize: Grubbs, Schrock, A France Scientist in Industry Contribution:

10、 MAO catalysts,第一節(jié) 材料和高分子材料,我國近代高分子科學的發(fā)展,我國高分子研究起步于50年代初，唐敖慶于1951年，發(fā)表 了首篇高分子科學論文。 長春應化所1950年開始合成橡膠工作（王佛松，沈之荃）； 馮新德50年代在北京大學開設高分子化學專業(yè)。 何炳林50年代中期在南開大學開展了離子交換樹脂的研究。 錢人元于1952年在應化所建立了高分子物理研究組，開展了高分子溶 液性質(zhì)研究。 錢保功50年代初在應化所開始了高聚物粘彈性和輻射化學的研究。 徐僖先生50年初成都工學院（四川大學）開創(chuàng)了塑料工程專業(yè)。 王葆仁先生1952年上海有機所建立了PMMA、PA6研究組,高分子科學,高

11、分子 科學,研究高分子化合物合成、改性，高分子及其聚集態(tài)的結構、性能，聚合物的成型加工等內(nèi)容的一門綜合性學科。包括高分子化學、高分子物理、高分子工程幾個領域。,高 分 子 化 學,有機化學,物理化學,聚合反應工程,聚合物成型加工,材料力學 流體力學 .,無機化學,分析化學,物 理,高分子科學,高分子工程,高分子科學及相關學科,高 分 子 物 理,高分子化學、高分子物理和高分子工藝學構成了一個完整的體系，基本理論已經(jīng)形成，研究方法已經(jīng)建立，成為高分子材料的開發(fā)、生產(chǎn)和應用的基石。,第一節(jié) 材料和高分子材料,高分子材料的應用,高分子材料遍及各行各業(yè)，各個領域：包裝、農(nóng)林牧漁、建筑、電子電氣，交通運

12、輸、家庭日用、機械、化工、紡織、醫(yī)療衛(wèi)生、玩具、文教辦公、家具等等。,農(nóng)用塑料：薄膜 灌溉用管。 建筑工業(yè)：給排水管PVC、HDPE 塑料門窗 涂料油漆 復合地板、家具人造木材、地板 PVC天花板。 包裝工業(yè)：塑料薄膜：PE、PP、PS、PET、PA等 中空容器：PET、PE、PP等 泡沫塑料：PE、PU等。 汽車工業(yè)：塑料件、儀表盤、保險機、油箱內(nèi)飾件、坐墊等。 軍工工業(yè)：飛機和火箭固體燃料（低聚物）、復合纖維等。,高分子材料的應用,第一節(jié) 材料和高分子材料,電氣工業(yè) ：絕緣材料（導熱性、電阻率）等、導電高分子； 電子：通訊光纖、電纜、電線、光盤、手機、電話； 家用電器：外殼、內(nèi)膽（電視、電

13、腦、空調(diào)）等。 醫(yī)療衛(wèi)生中的應用： 人工心臟、人工臟器、人工腎（PU）、人工肌肉、輸液管、人工肌肉、輸液管、血袋、注射器、可溶縫合線等。 防腐工程：耐腐蝕性，防腐結構材料。如水管閥門（PTFE）： 230260長期工作，適合溫度高腐蝕嚴重的產(chǎn)品。 功能高分子：離子交換樹脂、高分子分離膜、高吸水性樹脂、光刻膠、感光樹脂、醫(yī)用高分子、液晶高分子、高導電高分子、電致發(fā)光高分子等。,高分子材料的應用,第二節(jié) 高分子材料的分類,天然高分子材料,改性的天然高分子材料,合成高分子材料,一 按來源分,改性合成高分子材料,為了獲得具有各種實用性能或改善其成型加工性能，除基本組分聚合物之外，還要添加各種添加劑，因

14、此嚴格地說，高分子化合物與高分子材料的涵義是不同的。,第二節(jié) 高分子材料的分類,碳鏈聚合物： 指高分子化合物的的主鏈 完全由碳原子組成，絕大部分聚烯烴及其衍生物 都屬于此類。,雜鏈聚合物：雜鏈聚合物是指大分子主鏈 中除了碳原子外，還有氧、氮、硫等雜原子。常 見的雜環(huán)聚合物有聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、 聚硫橡膠、聚砜等。,元素有機聚合物：指大分子主鏈中沒有 碳原子，主要由硅、硼、鋁、氧、硫、磷等原子 組成。典型的例子是有機硅橡膠。,二 按主鏈結構分,材料的組成及各成分之間的配比從根本上保證了制品的性能，作為主要成分的高分子化合物對制品的性能起主宰作用。,第二節(jié) 高分子材料的分類,重要的碳鏈化合物

15、,第二節(jié) 高分子材料的分類,重要的雜鏈化合物,第二節(jié) 高分子材料的分類,典型的元素有機聚合物,有機硅-聚甲基硅氧烷,第二節(jié) 高分子材料的分類,三 按用途分,涂料,粘合劑,復合材料,纖維,塑料,橡膠,實際上，按用途分才是真正把高分子材料從材料的角度進行分類的一種方法。,第二節(jié) 高分子材料的分類,功能高分子材料,高分子信息轉(zhuǎn)換材料,高分子透明材料,高分子模擬酶,醫(yī)用、藥用高分子材料,高分子記憶材料,生物降解高分子材料,功能高分子材料除具有聚合物的一般力學性能、絕緣性能和熱性能外，還具有物質(zhì)、能量和信息的轉(zhuǎn)換、傳遞和儲存、生物性能等等特殊功能。已實用的有高分子信息轉(zhuǎn)換材料、高分子透明材料、高分子模擬

16、酶、生物降解高分子材料、高分子形狀記憶材料和醫(yī)用、藥用高分子材料。,按用途分又分為,功能高分子材料,普通高分子材料,第二節(jié) 高分子材料的分類,四 按受熱后形態(tài)變化分類,熱塑性高分子在受熱后會從固體狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)。這種轉(zhuǎn)變理論上可重復無窮多次?；蛘哒f，熱塑性高分子是可以再生的。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和滌綸樹脂等均為熱塑性高分子。,熱塑性高分子：,熱固性高分子在受熱后先轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)，進一步加熱則轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)變是不可逆的。換言之，熱固性高分子是不可再生的。 能通過加入固化劑使流體狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀的高分子，也稱為熱固性高分子。典型的熱固性高分子如：酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、氨基

17、樹脂、不飽和聚酯、聚氨酯、硫化橡膠等。,熱固性高分子：,第三節(jié) 高分子材料的相關概念、術語,1,2,3,4,通用塑料：,工程塑料：,熱塑性塑料：,指產(chǎn)量大、價格便宜、力學性能一般、主要作為非結構材料使用的一類塑料。,指可以作為結構材料使用，具有優(yōu)異的力學性能、耐熱性能、耐磨性能和良好的尺寸穩(wěn)定性的一類塑料。,指在特定的溫度范圍內(nèi)，具有可反復加熱軟化、冷卻硬化特性的塑料品種。,熱固性塑料：,指在特定的溫度下加熱或通過固化劑可發(fā)生交聯(lián)反應，變成既不熔融，也不溶解的塑料制品的塑料品種。,第三節(jié) 高分子材料的相關概念、術語,5,用化學合成方法生產(chǎn)出的一種與天然樹脂類似的高分子化合物，是一種新型的合成材

18、料、如果一合成樹脂為基料，加上各種助劑，記過加工，即可制成具有一定特性的可塑材料，通常稱為“塑料”。,6,有合成的高分子化合物制成的纖維。如聚酯纖維（滌綸）、聚酰胺纖維（棉綸）、聚丙烯晴纖維（晴綸）.,7,以天然高聚物為原料，經(jīng)過化學處理與機械加工制成的纖維。其中以含有纖維素的物質(zhì)如棉短絨、木材為原料的，稱為纖維素纖維；以蛋白質(zhì)為預料的，稱為蛋白質(zhì)纖維。,8,在一定溫度下，熔融狀態(tài)的高聚物在一定負荷下，10min內(nèi)從規(guī)定直徑和長度的標準毛細管中流出的質(zhì)量，也稱熔體指數(shù)。,合成樹脂,合成纖維,人造纖維,熔體流動速率,第三節(jié) 高分子材料的相關概念、術語,生膠,再生膠,硫化,塑化,9,10,11,1

19、2,天然的或合成的高分子化合物經(jīng)過化學處理或加工制成濃縮膠乳或干膠，前者直接用于乳膠制品，后者即為橡膠制品中的生膠。,用過的硫化橡膠經(jīng)過化學、熱、機械加工處理后所制得的，具有一定的可塑性，可重新硫化的橡膠材料，再生膠可部分代替生膠使用。,膠料在一定條件下，橡膠大分子由線型機構轉(zhuǎn)變成網(wǎng)狀結構的交聯(lián)過程。,指塑料在加工設備內(nèi)經(jīng)過加熱達到流動狀態(tài)經(jīng)具有良好的可塑性。,第三節(jié) 高分子材料的相關概念、術語,13,14,15,16,微孔高分子材料：,復合材料：,門尼粘度：,指內(nèi)部具有大量微小氣孔的 一類高分子材料，以樹脂為基體的稱為泡沫塑料；以生膠或膠乳為基體的稱為泡沫橡膠，俗稱為海綿橡膠。,由兩種或兩種

20、以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)，用適當?shù)墓に嚪椒ńM合起來，得到的具有復合效應的多相固態(tài)材料。,指膠料在模腔內(nèi)對粘度計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的剪切阻力。,捻度：,指將拉細的纖維或幾根纖維相互抱合在一起，在特定的加捻機上進行，這種工藝過程叫加捻。加捻的程度叫捻度，即纖維每米長度上的捻回數(shù)，捻形的方向有你S形和Z形之分。,第三節(jié) 高分子材料的相關概念、術語,熔融紡絲,溶液紡絲,濕法紡絲,干法紡絲,第三節(jié) 高分子材料的相關概念、術語,21,22,23,24,聚合物共混：,界面：,疲勞破壞：,指兩種或兩種以上聚合物經(jīng)混合制成宏觀均勻的材料過程，是聚合物改姓最為簡便而且有效的方法。,指基體與增強劑或填料之間化學成分

21、有顯著的變化，構成彼此結合的、能其負載傳遞作用的微小區(qū)域。,指材料在交變負載的作用下，獨漸形成裂縫，并不斷擴大引起的低應力破壞。、,線密度：,表示纖維粗細的程度，1000m長纖維質(zhì)量的克數(shù)作為線密度的單位，名稱”特克絲”，單位符號為tex。,第四節(jié) 高分子材料的性能,高分子材料的力學性能,一,高分子材料的物理性能,2,高分子材料的化學性能,三,4,二,高分子溶液,主要內(nèi)容,高分子材料應用如此廣泛的一個很重要的原因，是高分子材料具有其它材料所不可比擬的性能。,第四節(jié) 高分子材料的性能,一 高分子材料的力學性能,1 基本指標,2 高彈性能,3 粘彈性,5 力學強度,4 力學屈服,6 摩擦與磨損,7

22、 疲勞強度,8 蠕變,9 應力馳豫,應力與應變,彈性模量,硬度,強度,拉伸強度,彎曲強度,沖擊強度,動態(tài)粘彈性,靜態(tài)粘彈性,對大多數(shù)高分材料來說，力學性能是最總有的性能指標。聚合物的力學性能是有結構特性所決定的。,第五節(jié) 高分子材料的研究方法,高分子材料結構的測定方法,高分子材料的結構是材料物理性能和力學性能的基礎，所以人們了解高分子材料的微觀結構、亞微觀結構、宏觀結構等不同層次的形態(tài)和聚集態(tài)是必不可少的。,高分子鏈結構的測定,高分子鏈的結構測定包括分析鑒別聚合物、定量測定和定性分析聚合物的鏈結構、研究高聚物的反應、高聚物的支化結構和取向結構等。常用的研究儀器有：大角X射線衍射法，電子衍射法、中心散射法、裂解色譜-質(zhì)譜法、紫外吸收光譜、紅外吸收光譜、拉曼光譜、微波分光法、熒光光譜、電子能譜法等。,高分子聚集態(tài)結構的測定,高分子聚集態(tài)結構的測定主要包括高分子結晶狀態(tài)、溶液中聚合物的狀態(tài)、共混物和共混物的片層結構等。常用儀器有：小角X射線散射法、電子衍射法、核磁共振吸收、紅外吸收光譜、示差掃描量熱儀、電子顯微鏡、光學顯微鏡、原子力顯微鏡等。,高分子鏈的整體結構測定,高分子鏈整體結構測定包括四部分：分子量的測定；分子量分布的測定；支化度的測定；交聯(lián)度的測定。 分子量