1、認(rèn)識(shí)高分子材料,郭寶華 徐軍 清華大學(xué)化工系 （010）62784550（O） ,什么是高分子,“高分子是什么？” ，“比如塑料就是高分子”。而實(shí)際上，高分子所涵蓋的材料范圍遠(yuǎn)比塑料要大得多。所謂高分子就是由許多重復(fù)單元構(gòu)成的分子量巨大的分子。這樣的分子很多，如生物體中的蛋白質(zhì)，木材，絲綢，橡膠, 油漆等等。,分子量與性能（以PE為例） 聚合度 外觀 熔點(diǎn) 1 氣體 183 5 液體 30 10 結(jié)晶 36 60 蠟狀物 100 100 脆性固體 106 1000 韌性固體 110 104106 韌性固體 140,高分子特點(diǎn)： 由很大數(shù)目的結(jié)構(gòu)單元組成，一個(gè)結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)于一個(gè)小分子，其長(zhǎng)鏈可由

2、一種或幾種結(jié)構(gòu)單元組成（均聚物、共聚物）。 鏈的柔性 由單鍵鍵合的高分子主鏈一般都具有一定的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。 多分散性 聚合反應(yīng)是一個(gè)隨機(jī)過程，反應(yīng)產(chǎn)物由長(zhǎng)短不一的高分子鏈組成。 凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 交聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，橡膠所特有 各種添加劑,主要研究?jī)?nèi)容,合成,結(jié)構(gòu),性能,應(yīng)用,高分子化學(xué),高 分 子 物 理,成型加工,高 分 子 設(shè) 計(jì),高分子材料 科學(xué)與工程,高分子材料的發(fā)展前景,近代科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的進(jìn)步為高分子材料學(xué)科的發(fā)展開拓了廣泛的前景。高分子材料已由傳統(tǒng)的有機(jī)材料向具有光、電、磁、生物和分離效應(yīng)的功能材料延伸、高分子結(jié)構(gòu)材料正朝著高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐極端條件的高性能材料發(fā)展，為航天航空、近

3、代通訊、電子工程、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等方面提供各種新型材料，從而在新技術(shù)革命中發(fā)揮重大作用。,高分子材料的地位與現(xiàn)狀,高分子的歷史不長(zhǎng)，從上世紀(jì)30年代Staudinger的線型說被確立到現(xiàn)在不過70多年歷史，但發(fā)展異常迅速，目前年產(chǎn)量已超過1.7億噸，其體積已大大超過鋼鐵。 從材料科學(xué)角度來看，過去曾是金屬和陶瓷的時(shí)代，現(xiàn)在可以說是高分子時(shí)代，在歷史上從沒有一種材料象今天的高分子一樣具有這樣廣的性能范圍和各種各樣的功能。,力學(xué)性能從橡膠般柔軟，到鋼鐵般堅(jiān)硬的，拉伸強(qiáng)度從三歲嬰兒可隨手拉長(zhǎng)的橡膠，到抗拉強(qiáng)度超過鋼絲的Kevelar纖維、Nomax纖維。功能從最簡(jiǎn)單的形狀記憶到溫控開關(guān)

4、，高吸水材料，光電信息材料，及各種人造器官、半透膜等。它已滲透到我們生活的各個(gè)方面，航天飛機(jī)、汽車、建筑、家電、包裝、醫(yī)用、農(nóng)用可以說我們已離不開高分子。,高分子材料的發(fā)展,從高分子材料產(chǎn)量的增長(zhǎng)來看，在過去的50年中，全世界鋼平均年增長(zhǎng)5.7%，木材1.6%，水泥6.4%，塑料13.6%。對(duì)于我國(guó)更是如此，建國(guó)初期年產(chǎn)量不到200噸，1982年達(dá)到1003噸，1989年200萬噸，現(xiàn)在年生產(chǎn)能力已達(dá)3800萬噸。而從80年代到現(xiàn)在，世界鋼產(chǎn)量一直在8億噸左右徘徊，塑料塑料為1.7億噸，其體積產(chǎn)量已超過鋼鐵，是一個(gè)蓬勃發(fā)展的朝陽工業(yè)。,中國(guó)塑料制品每年以12的速度高速發(fā)展。 2005年我國(guó)塑料

5、制品的消費(fèi)量為3813萬噸，產(chǎn)值4998億元。 目前是世界第一大加工國(guó)。,高分子的分類由來歷分,天然高分子：纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、天然橡膠、蠶絲、蜘蛛絲、木質(zhì)素、甲殼素等 合成高分子：從1907年酚醛樹脂開始 五大通用樹脂：LDPE、HDPE、PP、PS、PVC、ABS 工程塑料：PA、POM、PC、PBT、PPO 四大合成纖維：錦綸、滌綸、晴綸、丙綸,高分子的分類由結(jié)構(gòu)分,鏈結(jié)構(gòu) 線型：PE、共聚酯、酰胺 枝型：LDPE a-梳型 b-星型 網(wǎng)狀：橡膠、熱固性樹脂,由材料的性質(zhì)、用途分類,塑料（plastic） 熱塑性 熱固性（酚醛、環(huán)氧、不飽和聚酯） 橡膠、熱塑性彈性體（rubber、th

6、ermo elastomer） 纖維（fiber）錦綸、滌綸、晴綸、丙綸 涂料、膠粘劑（paint、adhesive）環(huán)氧、丙烯酸酯 功能高分子,通用塑料,聚乙烯（PE），1939年工業(yè)化 聚丙烯（PP），1959年工業(yè)化 聚苯乙烯（PS），1938年工業(yè)化 聚氯乙?。≒VC），1935年工業(yè)化 ABS樹脂,五大工程塑料,超級(jí)工程塑料,高分子材料的應(yīng)用,包裝 建筑 日用品 農(nóng)業(yè) 體育 軍事 汽車,機(jī)械工業(yè) 化學(xué)工業(yè) 航空航天 電子、電器 以塑代木、以塑代鋼 各種功能高分子材料 醫(yī)藥,1. 包裝 目前包裝行業(yè)幾乎全被聚合物占領(lǐng)。水泥、化肥的包裝多用聚丙烯編織袋，打包帶。食品的真空包裝用多層復(fù)合膜

7、（PP、PA、鋁）。保鮮袋，PP包裝袋，以及各種塑料食品袋，購(gòu)物袋，占塑料用量的23左右。 各種證書的封裝，IC卡的封裝，不干膠，彩虹膜等。 食品包裝：腸衣，牛奶， 我國(guó)2005年包裝材料產(chǎn)量700萬噸，,2. 建筑及室內(nèi)裝飾 施工中使用的塑料模殼可使施工周期縮短。 廣泛應(yīng)用的PVC電線套管，PS發(fā)泡隔熱層，下水管，衛(wèi)生間，地毯，地板，門窗，室內(nèi)外涂料，玻璃鋼，防水材料，鋁塑復(fù)合管可耐20個(gè)大氣壓，巨型充氣薄膜建筑，野戰(zhàn)醫(yī)院。橡膠攔水壩等。占塑料用量的7,微膠囊化制備方法,物理法,化學(xué)法,物理化學(xué)法,制備方法,界面聚合法,原位聚合法,銳孔-凝固浴法,噴霧干燥法,靜電結(jié)合法,空氣懸浮成膜法,復(fù)凝

8、聚法,冷凝法,相分離法,乳化,加入另一單體,界面聚合,石蠟,IPDI,乳化劑,TEPA,聚脲,聚合過程,異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI） 四乙撐五胺（TEPA）,相變材料的微膠囊化,相變材料的微膠囊化,對(duì)微膠囊分別作180與80熱處理，表面無油狀物出現(xiàn)，微膠囊具有在高溫下的不滲漏性。,3 農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 塑料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)帶來一場(chǎng)革命。農(nóng)膜的使用可使作物成熟提前1520天，產(chǎn)量提高2050，同時(shí)具有土壤保墑等作用，塑料大棚的應(yīng)用，解決了北方地區(qū)冬季的蔬菜供應(yīng)問題。塑料管用于農(nóng)業(yè)滴灌，節(jié)約水量在50以上。占塑料應(yīng)用的16。 種籽包衣，轉(zhuǎn)光膜，網(wǎng)箱，養(yǎng)雞、養(yǎng)豬棚，魚網(wǎng)等。,使沙漠變良田的吸水樹脂

9、,由淀粉制備高吸水樹脂 由腐植酸制備高吸水樹脂 化學(xué)合成高吸水樹脂。,高吸水樹脂通過其特定的分子結(jié)構(gòu)，吸水儲(chǔ)存水分，供植物生長(zhǎng)需要。,以植物為原料的塑料,玉米-聚乳酸-磁盤 (一根玉米棒=10張磁盤),Green production process of PDO,微生物法生產(chǎn)1,3-丙二醇和PTT的產(chǎn)品開發(fā)受到國(guó)內(nèi)外眾多知名企業(yè)（如Dupont、Shell等）的高度重視，將成為“綠色化工”的新典范。,4. 體育 由于塑料的應(yīng)用，使原來的一些不可逾越的預(yù)言成為歷史。,疏水織物,5. 軍事 Kevelar織成的防彈背心。頭盔、隱形涂料、以及槍支、帳篷等。,改性PC/PAR合金,注射成型可以制造低

10、成本、高性能無骨架透明件，是下一代飛機(jī)用透明件的主要成型方法。,PC與PAR相容性的理論分析與預(yù)測(cè),PC與PAR的分子結(jié)構(gòu)分析,PC,PAR,PC/PAR的DMA曲線（損耗角正切tan）,PAR含量對(duì)PC/PAR透光度與霧度的影響,PAR含量對(duì)PC/PAR拉伸斷裂強(qiáng)度的影響,6. 汽車工業(yè) 汽車工業(yè)是高分子應(yīng)用最大的領(lǐng)域之一。從汽車的輪胎到保險(xiǎn)杠、內(nèi)飾件等，都大量應(yīng)用高分子材料。保險(xiǎn)杠為增韌PP或PPO材料，儀表板大多為滑石粉填充PP，方向盤為PP材料，表面為聚氨酯發(fā)泡材料。風(fēng)扇葉為玻纖增強(qiáng)尼龍。汽車安全玻璃?？梢哉f沒有高分子材料就沒有現(xiàn)代的汽車工業(yè)。 2005年我國(guó)汽車產(chǎn)量570萬輛，消費(fèi)塑

11、料80多萬噸。,汽車中聚丙烯材料零部件,7. 航空航天工業(yè) 高分子材料的應(yīng)用可減輕重量，節(jié)約成本。如飛機(jī)機(jī)翼油箱采用PA610，重量減輕20，PC風(fēng)檔玻璃，F(xiàn)111戰(zhàn)斗機(jī)采用PC坐艙減輕重量，在波音飛機(jī)上，有成千上萬個(gè)零部件為塑料制品，可大大減輕飛機(jī)重量。,X-33，2001年終止,X-37，波音公司，2002年開始研發(fā),8. 電子電器 印刷電路板，高分子絕緣材料，電子封裝，電器外殼。2004年家電用ABS/HIPS為75萬噸。塑料已經(jīng)成為家電行業(yè)的第二大類材料。,主要家電中所含塑料的百分比,電視機(jī) 25 冰箱 40 空調(diào) 11 洗衣機(jī) 36 臺(tái)式電腦 23 吸塵器 60,Microcup E

12、PD,Roll-to-roll Manufacturing Process,9.高分子材料的物料分離功能 應(yīng)用高分子分離膜具有節(jié)能和節(jié)約原材料 的特點(diǎn) 氣體分離膜：氫分離膜和富氧膜。其分離機(jī)理為多孔膜的透過擴(kuò)散型和無孔膜的熔解擴(kuò)散型。如美國(guó)通用電氣公司的富氧膜，在聚砜多孔膜上，用聚二甲基硅氧烷和PC組成共聚物，將其溶于三氯丙烷，在水面展開，制成薄膜。 液體分離膜：用于海水淡化，高純物制備，有機(jī)物分離。多用復(fù)合膜，（反）滲透膜。 生物功能模擬膜：50100 ，主要為磷脂和蛋白質(zhì)。 燃料電池用質(zhì)子交換膜，nifion膜等。,熔融擠出拉伸法制備聚合物微孔膜,研究?jī)?nèi)容：熔融擠出拉伸成孔法制備聚乙烯微孔

13、膜，用作鋰離子電池隔膜。,方法優(yōu)點(diǎn)： 工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，無污染 膜性能優(yōu)異，無通孔問題,應(yīng)用現(xiàn)狀： 國(guó)外：工業(yè)生產(chǎn)， 技術(shù)壟斷 國(guó)內(nèi)：目前只有我們 剛剛研制出來,擠出成膜,熔融擠出拉伸法制備聚合物微孔膜,原始膜的拉伸曲線,聚丙烯拉伸膜,10.醫(yī)用高分子材料,PHB多孔支架在裸鼠體內(nèi)形成的人工骨,人造皮膚,材料與可持續(xù)發(fā)展,石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、高分子時(shí)代。 從上世紀(jì)90年代開始進(jìn)入信息材料、環(huán)境材料。 可持續(xù)發(fā)展的提出：自然資源的過度開發(fā)和消耗、全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。 不犧牲未來幾代人需要的情況下，滿足我們這代人的需要和發(fā)展。,聚乙烯袋的評(píng)價(jià)流程,原油運(yùn)輸,原油提煉,油井開采,乙烯氣生產(chǎn),聚乙烯生產(chǎn),原料包裝/運(yùn)輸,塑料袋生產(chǎn),包裝,運(yùn)輸,使用,丟棄,廢物,LCA中將環(huán)境損害分為三類：資源消耗，人體健康和生態(tài)環(huán)境影響。然后再細(xì)分為許多具體的環(huán)境損害：如氣候影響，土壤影響，水資源影響等。,聚乙烯袋對(duì)于紙袋有更好的環(huán)境協(xié)調(diào)性,可完全生物降解材料,丁二酸衍生物的綠色生產(chǎn)工藝,直接酯化-脫二元醇反應(yīng) 酯交換反應(yīng) 以二元酸二甲酯或二乙酯