高分子材料基礎(chǔ)理論Chapter1

1、授課教師：信春玲 Tel: 64452920 ,E-mail: 辦公室辦公室:東區(qū)機(jī)械樓東區(qū)機(jī)械樓306 什么是高分子材料？什么是高分子材料？ 為什么學(xué)習(xí)？為什么學(xué)習(xí)？ 學(xué)什么？學(xué)什么？ 材料材料 金屬材料金屬材料 無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料 高分子材料高分子材料 復(fù)合材料復(fù)合材料 什么是高分子材料？什么是高分子材料？ 廣泛應(yīng)用的四大材料之一廣泛應(yīng)用的四大材料之一 塑料是高分子材料塑料是高分子材料 橡膠是高分子材料橡膠是高分子材料 合成纖維是高分子材料合成纖維是高分子材料 涂料、粘合劑是高分子材料涂料、粘合劑是高分子材料 天然高分子材料天然高分子材料 高高 分分 子

2、子 材材 料料 家家 族族 塑塑 料料 橡膠橡膠 合成纖維合成纖維 涂料、粘合劑涂料、粘合劑 天然高分子材料天然高分子材料 高分子材料有哪些一般性質(zhì)？ 重量輕（重量輕（light weight) 絕緣性（絕緣性（insulation） 耐腐蝕耐腐蝕 (corrosion resistance) 易加工成型（易加工成型（easy molding) 高彈性（高彈性（high elasticity) 具有一定的力學(xué)性能（具有一定的力學(xué)性能（mechanical property) 高分子材料是由高分子化合物與少量添加 劑組成的，具有一定使用性能的一類物質(zhì)。 高分子化合物，是指分子量很高并由高分子化合

3、物，是指分子量很高并由 共價鍵連接的一類化合物共價鍵連接的一類化合物 Macromolecules 高分子化合物怎么得來的高分子化合物怎么得來的？ 是由小分子單體連接而成，通過聚合反應(yīng)得來的是由小分子單體連接而成，通過聚合反應(yīng)得來的 C C H H CH3 H C H H C CH3 H C H H C CH3 H 聚丙烯聚丙烯 聚合反應(yīng)賦予高分子化合物的結(jié)構(gòu)特點聚合反應(yīng)賦予高分子化合物的結(jié)構(gòu)特點： 分子鏈由許多重復(fù)單元相互連接而成；分子鏈由許多重復(fù)單元相互連接而成； 鏈狀結(jié)構(gòu)的基本形式；鏈狀結(jié)構(gòu)的基本形式； 分子鏈足夠長。分子鏈足夠長。 ： 為什么學(xué)習(xí)高分子材料為什么學(xué)習(xí)高分子材料？ 有用？

4、有趣？ 薄膜吹塑過程 注塑成型過程 中空容器成型 高分子材料高分子材料應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)和人應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)和人 們生活的方方面面?zhèn)兩畹姆椒矫婷?l 交通（飛機(jī)、汽車、軌道交通）交通（飛機(jī)、汽車、軌道交通） 電子電器電子電器 建筑建筑 農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè) 包裝包裝 航空航天航空航天 醫(yī)療用品醫(yī)療用品 輕量化、降低能耗輕量化、降低能耗 電子電器產(chǎn)品電子電器產(chǎn)品 輕質(zhì)，絕緣，易成型，低成本 建筑材料 耐候性，耐腐蝕，隔熱，低成本 包裝材料 阻隔性，易成型，耐腐蝕，低成本 航空航天航空航天 生物醫(yī)用材料 各種功能材料 高分子分離膜：高分子分離膜：海水淡化、反滲透、膜萃取、膜蒸餾海水淡化、反滲透、膜萃取、膜蒸餾 等

5、技術(shù)領(lǐng)域。等技術(shù)領(lǐng)域。 各種功能材料 發(fā)光材料：發(fā)光材料：交通領(lǐng)域通道標(biāo)識、樓梯標(biāo)識、標(biāo)志線；交通領(lǐng)域通道標(biāo)識、樓梯標(biāo)識、標(biāo)志線； 發(fā)光涂料、發(fā)光壁紙、工藝品、玩具、體育休閑用品發(fā)光涂料、發(fā)光壁紙、工藝品、玩具、體育休閑用品 各種功能材料 導(dǎo)電高分子材料：導(dǎo)電塑料，導(dǎo)電橡膠，導(dǎo)電纖導(dǎo)電高分子材料：導(dǎo)電塑料，導(dǎo)電橡膠，導(dǎo)電纖 維維 高分子材料發(fā)展迅速，總體積超過另外兩高分子材料發(fā)展迅速，總體積超過另外兩 大類材料之和大類材料之和 高分子材料由于來源豐富、 制造方便，品種繁多，用途 廣泛，因此在材料領(lǐng)域的地 位越來越突出，增長最快， 如今，產(chǎn)量相當(dāng)于金屬、木 材和水泥的總和。 世界塑料工業(yè)世界塑料

6、工業(yè) 其中塑料是消費量最大的高其中塑料是消費量最大的高 分子材料，分子材料，20072007年全世界共年全世界共 消費消費2.62.6億噸塑料億噸塑料, ,約是鋼材約是鋼材 體積消費量的體積消費量的1.51.5倍倍 高分子材料科學(xué)是個年輕的學(xué)科高分子材料科學(xué)是個年輕的學(xué)科 19世紀(jì)，天然高分子材料的應(yīng)用和改性世紀(jì)，天然高分子材料的應(yīng)用和改性 19世紀(jì)前期，木材、棉、麻、絲、毛、漆、橡世紀(jì)前期，木材、棉、麻、絲、毛、漆、橡 膠、皮革等天然高分子材料在人們的生活和生膠、皮革等天然高分子材料在人們的生活和生 產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。 19世紀(jì)后期，已經(jīng)對一些天然高分子材料進(jìn)行世紀(jì)后期

7、，已經(jīng)對一些天然高分子材料進(jìn)行 改性，如橡膠的硫化、皮革的鞣制、棉麻的處改性，如橡膠的硫化、皮革的鞣制、棉麻的處 理等等理等等 20世紀(jì)初，高分子材料科學(xué)創(chuàng)立準(zhǔn)備期世紀(jì)初，高分子材料科學(xué)創(chuàng)立準(zhǔn)備期 Staudinger 德國化學(xué)家 1920年，發(fā)表年，發(fā)表“論聚合論聚合”， 首次提出鏈結(jié)構(gòu)的模型，指首次提出鏈結(jié)構(gòu)的模型，指 出存在一類分子量很大的聚出存在一類分子量很大的聚 合物，它們是由共價鍵連接合物，它們是由共價鍵連接 起來的大分子。起來的大分子。 1932年，年，Staudinger提出了提出了 溶液粘度與分子量的關(guān)系式。溶液粘度與分子量的關(guān)系式。 確立了大分子的存在。確立了大分子的存在。

8、 1953年，因此獲得諾貝爾化年，因此獲得諾貝爾化 學(xué)獎學(xué)獎 20世紀(jì)世紀(jì)30、40年代，高分子材料科學(xué)創(chuàng)立期年代，高分子材料科學(xué)創(chuàng)立期 “高分子有機(jī)化合物高分子有機(jī)化合物”出版，現(xiàn)在高分子概出版，現(xiàn)在高分子概 念獲得公認(rèn)；念獲得公認(rèn)； 隨后，縮聚反應(yīng)理論、橡膠彈性理論、鏈隨后，縮聚反應(yīng)理論、橡膠彈性理論、鏈 式聚合反應(yīng)和共聚理論等相繼得到研究；式聚合反應(yīng)和共聚理論等相繼得到研究； 1935年，第一個工業(yè)化的高分子材料，尼年，第一個工業(yè)化的高分子材料，尼 龍問世（龍問世（dupont公司）；并且一系列高分子公司）；并且一系列高分子 材料被合成出來，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、材料被合成出來，如聚氯乙

9、烯、聚苯乙烯、 高壓聚乙烯、氯丁橡膠、丁基橡膠等。高壓聚乙烯、氯丁橡膠、丁基橡膠等。 20世紀(jì)世紀(jì)50年代，高分子工業(yè)確立，高分子合成大發(fā)展年代，高分子工業(yè)確立，高分子合成大發(fā)展 Ziegler（德） Natta（意大利） 1953年，Ziegler（德）實現(xiàn)了乙烯的低壓聚合（高密度 聚乙烯），1955年Natta（意大利）實現(xiàn)了丙烯的定向聚 合（全同聚丙烯），使高分子工業(yè)開始蓬勃發(fā)展。配位 聚合催化劑統(tǒng)稱為“Ziegler-Natta”催化劑，二人于1963 年共同獲得諾貝爾化學(xué)獎。 20世紀(jì)世紀(jì)60年代，高分子物理大發(fā)展年代，高分子物理大發(fā)展 隨著科技進(jìn)步，測試儀器在高分子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

10、隨著科技進(jìn)步，測試儀器在高分子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用 開發(fā)，人們對高分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較深入的研究和理開發(fā)，人們對高分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較深入的研究和理 解，如進(jìn)一步研究了高分子的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、高分子的粘解，如進(jìn)一步研究了高分子的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、高分子的粘 彈性、流變學(xué)等。彈性、流變學(xué)等。 美國科學(xué)家Flory ，高分子溶液，高分子溶液 理論，分子量分布研究方面取得理論，分子量分布研究方面取得 重大成就重大成就 20世紀(jì)世紀(jì)70年代，高分子工程科學(xué)大發(fā)展年代，高分子工程科學(xué)大發(fā)展 20世紀(jì)世紀(jì)80年代，高性能、功能材料、生物材料發(fā)展年代，高性能、功能材料、生物材料發(fā)展 PE、PP高效催化劑研制成功，大大提高生產(chǎn)效率

11、， 且生產(chǎn)自動化、大型化程度大幅度提高。 與此同時，為了滿足材料多方面性能要求，聚合與此同時，為了滿足材料多方面性能要求，聚合 物共混理論得到發(fā)展。物共混理論得到發(fā)展。 分子設(shè)計概念提出、復(fù)合材料深入研究，以及多種合成技分子設(shè)計概念提出、復(fù)合材料深入研究，以及多種合成技 術(shù)發(fā)展，使得高分子材料領(lǐng)域向高性能、多功能方面發(fā)展。術(shù)發(fā)展，使得高分子材料領(lǐng)域向高性能、多功能方面發(fā)展。 法國科學(xué)家吉尼法國科學(xué)家吉尼(Pierre-Gilles de Gennes)成功成功 地將研究簡單體系中有序現(xiàn)象的方法推廣到高分子、地將研究簡單體系中有序現(xiàn)象的方法推廣到高分子、 液晶等復(fù)雜體系。液晶等復(fù)雜體系。1991

12、年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。 Alan J, Heeger Alan G. MacDiarmid 白川英樹白川英樹 導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電聚合物 抗靜電材料、電磁屏蔽材料。太陽能電池等方面 2000年三位科學(xué)家獲得諾貝爾化學(xué)獎年三位科學(xué)家獲得諾貝爾化學(xué)獎 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 第一部分：高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能第一部分：高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能 l 緒論（緒論（3課時）課時） l 高分子化學(xué)基礎(chǔ)（高分子化學(xué)基礎(chǔ)（3課時）課時） l 高分子物理基礎(chǔ)（高分子物理基礎(chǔ)（18課時）課時） 第二部分：高分子材料成型工藝第二部分：高分子材料成型工藝 l 高分子材料配方設(shè)計（高分子材料配方設(shè)計（2課時）

13、課時） l 高分子材料成型工藝（高分子材料成型工藝（12課時）課時） l 總復(fù)習(xí)（總復(fù)習(xí)（2課時）課時） 學(xué)什么？學(xué)什么？ 1 1高分子概論高分子概論. . 代麗君，張玉軍，姜華珺代麗君，張玉軍，姜華珺 主編，化學(xué)工業(yè)出版社（主編，化學(xué)工業(yè)出版社（20072007） 2 2高分子物理高分子物理（第二版）金日光，華幼卿，（第二版）金日光，華幼卿， 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 3 3 塑料成型工藝學(xué)塑料成型工藝學(xué)（第二版）（第二版）. . 黃銳黃銳 主主 編，中國輕工業(yè)出版社編，中國輕工業(yè)出版社 4 4高分子材料成型加工高分子材料成型加工( (第二版）第二版）. . 周達(dá)飛周達(dá)飛 唐頌超唐頌超,

14、 ,輕工出版社輕工出版社(2000)(2000) 5 5 其它有關(guān)高分子物理、高分子材料加工、塑其它有關(guān)高分子物理、高分子材料加工、塑 料或橡膠加工的書籍。料或橡膠加工的書籍。 參考書目：參考書目： 課程要求課程要求 u 掌握高分子材料的基本特性，特掌握高分子材料的基本特性，特 別是材料的結(jié)構(gòu)性能成型工藝別是材料的結(jié)構(gòu)性能成型工藝 設(shè)備之間的關(guān)系設(shè)備之間的關(guān)系 u 課程考核方式：課程考核方式： 平時成績（考勤和作業(yè)）平時成績（考勤和作業(yè)）3030 期末考試期末考試7070 高分子材料中常用的基本概念高分子材料中常用的基本概念 高分子高分子也叫也叫高分子化合物高分子化合物，是指分子量很高，是指分

15、子量很高 并由并由共價鍵共價鍵連接的一類化合物連接的一類化合物 Macromolecules, High Polymer, Polymer 單體單體 CH2 CH CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH n 低聚物低聚物 分子量介于高分子量（分子量介于高分子量（10104 4以上）和低分以上）和低分 子量之間的化合物。如異氰酸酯（子量之間的化合物。如異氰酸酯（502502 膠）、環(huán)氧樹脂等的預(yù)聚體。膠）、環(huán)氧樹脂等的預(yù)聚體。 2) 2) 主鏈、側(cè)基、支鏈主鏈、側(cè)基、支鏈 高分子可看作由許多重復(fù)單元組成的一條長鏈高分子可看作由許多重復(fù)單元組成的一條長鏈 （高分子鏈高分子鏈），長鏈的主干部分稱為

16、高分子的），長鏈的主干部分稱為高分子的主鏈主鏈， 與主鏈原子連接的原子或基團(tuán)為與主鏈原子連接的原子或基團(tuán)為側(cè)基（取代基）側(cè)基（取代基），由，由 重復(fù)單元組成的分支部分稱為高分子的重復(fù)單元組成的分支部分稱為高分子的支鏈支鏈。 C C H H CH3 H C H H C CH3 H C H H C CH3 H 聚丙烯聚丙烯 主鏈支鏈 側(cè)基 支支 鏈鏈 3 3） 聚合度、分子量聚合度、分子量 聚合度聚合度 ：一條高分子鏈：一條高分子鏈 所含有的重復(fù)單元的數(shù)目稱為聚合度（所含有的重復(fù)單元的數(shù)目稱為聚合度（DP） CH2 CH Cl n 00 MDPMnM 注意：絕大多數(shù)聚合物都是由不同鏈長的大分子鏈注

17、意：絕大多數(shù)聚合物都是由不同鏈長的大分子鏈 組成的，聚合度和分子量是大小不均一的大分子的組成的，聚合度和分子量是大小不均一的大分子的 統(tǒng)計平均值統(tǒng)計平均值。 1）根據(jù)性能和用途分類）根據(jù)性能和用途分類 高分子材料的分類高分子材料的分類 塑塑 料料 橡橡 膠膠 纖纖 維維 涂料、黏合劑涂料、黏合劑 具有塑性行為的高分子材料，受力時能發(fā)生一定具有塑性行為的高分子材料，受力時能發(fā)生一定 形變形變 （包括可逆和永久形變）。（包括可逆和永久形變）。 塑塑 料料 根據(jù)使用特性根據(jù)使用特性 塑料塑料 通用塑料通用塑料 工程塑料工程塑料 特種工程塑料特種工程塑料 產(chǎn)量大、用途廣、成型性能好、價格便宜，產(chǎn)量大、

18、用途廣、成型性能好、價格便宜， 如如PE、PP、PS、PVC等等 具有良好的機(jī)械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩(wěn)具有良好的機(jī)械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩(wěn) 定性較好，可以用作工程結(jié)構(gòu)材料，如定性較好，可以用作工程結(jié)構(gòu)材料，如PA、PC、 PET、POM、PPO等等 具有突出的特種性能的塑料，用于具有突出的特種性能的塑料，用于 航空航天特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如航空航天特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如PEI、 聚砜、聚砜、PEEK等有特殊耐熱性等有特殊耐熱性 橡橡 膠膠 具有可逆形變的高彈性聚合物材料。在很小具有可逆形變的高彈性聚合物材料。在很小 外力作用下，能產(chǎn)生較大形變，除去外力后能外力作用下，能產(chǎn)生較大形變，除去外力后

19、能 恢復(fù)原狀?；謴?fù)原狀。 按原料來源按原料來源 橡膠橡膠 天然橡膠天然橡膠 合成橡膠合成橡膠 由三葉橡膠樹乳膠中提取而來，主要由三葉橡膠樹乳膠中提取而來，主要 成分為順式聚異戊二烯，彈性好，強(qiáng)成分為順式聚異戊二烯，彈性好，強(qiáng) 度高，綜合性能好度高，綜合性能好 人工合成的橡膠，如異戊膠、順丁人工合成的橡膠，如異戊膠、順丁 膠、丁苯膠等膠、丁苯膠等 纖纖 維維 聚合物經(jīng)一定的機(jī)械加工（牽引、拉伸、定型等）聚合物經(jīng)一定的機(jī)械加工（牽引、拉伸、定型等） 后形成細(xì)而柔軟的細(xì)絲，形成纖維。纖維具有彈性后形成細(xì)而柔軟的細(xì)絲，形成纖維。纖維具有彈性 模量大，受力時形變小，強(qiáng)度高等特點。模量大，受力時形變小，強(qiáng)

20、度高等特點。 品種：聚酰胺（尼龍），聚酯（滌綸），聚丙烯腈（腈品種：聚酰胺（尼龍），聚酯（滌綸），聚丙烯腈（腈 綸）、聚丙烯（丙綸），聚氯乙烯（氯綸）、芳綸等。綸）、聚丙烯（丙綸），聚氯乙烯（氯綸）、芳綸等。 涂料、黏合劑涂料、黏合劑 具有一定的成膜性能附著在基體上，對基體起具有一定的成膜性能附著在基體上，對基體起 保護(hù)或粘結(jié)作用。如丙烯酸酯類、異氰酸酯類等保護(hù)或粘結(jié)作用。如丙烯酸酯類、異氰酸酯類等 2） 按主鏈結(jié)構(gòu)分類按主鏈結(jié)構(gòu)分類 1.4 高分子材料的分類高分子材料的分類 C H H C H H C H H C H H C H H C H H C C H H CH3 H C H H C C

21、H3 H C H H C CH3 H 特點特點：具有可塑性好，容易加工成型等優(yōu)點，具有可塑性好，容易加工成型等優(yōu)點， 但耐熱性差，易燃燒，耐老化性差等不足。但耐熱性差，易燃燒，耐老化性差等不足。 分子主鏈上除具有分子主鏈上除具有C C原子外，還含有原子外，還含有O O、S S、 N N等雜原子。如尼龍、聚酯、聚砜等雜原子。如尼龍、聚酯、聚砜 特點：主鏈具有極性，容易吸水，加工特點：主鏈具有極性，容易吸水，加工 前需干燥處理，耐熱性好，強(qiáng)度高，做前需干燥處理，耐熱性好，強(qiáng)度高，做 工程塑料用。工程塑料用。 分子主鏈不含碳原子，由硅、氧、氮、硼等分子主鏈不含碳原子，由硅、氧、氮、硼等 組成，但側(cè)基

22、是有機(jī)基團(tuán)。如硅橡膠組成，但側(cè)基是有機(jī)基團(tuán)。如硅橡膠 特點：既具有無機(jī)物的熱穩(wěn)定性，又有有機(jī)特點：既具有無機(jī)物的熱穩(wěn)定性，又有有機(jī) 物的彈塑性；缺點是強(qiáng)度較低。物的彈塑性；缺點是強(qiáng)度較低。 分子主鏈不含碳原子，側(cè)基也不含碳原子，分子主鏈不含碳原子，側(cè)基也不含碳原子， 完全由其它原子組成。完全由其它原子組成。 特點：這些元素的成鍵能力較弱，所以該類特點：這些元素的成鍵能力較弱，所以該類 高分子的分子量較低，且易水解；但具有優(yōu)高分子的分子量較低，且易水解；但具有優(yōu) 異的耐高溫性能。異的耐高溫性能。 聚二硫化硅聚二硫化硅 聚偏磷酸及其鹽類聚偏磷酸及其鹽類 重要的碳鏈聚合物：重要的碳鏈聚合物： 重要的

23、雜鏈聚合物：重要的雜鏈聚合物： 3）根據(jù)高分子受熱后的形態(tài)變化：分）根據(jù)高分子受熱后的形態(tài)變化：分 為為熱塑性高分子熱塑性高分子和和熱固性高分子熱固性高分子 熱塑性高分子熱塑性高分子受熱后會從固體狀受熱后會從固體狀 態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)。這種轉(zhuǎn)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(fù)無窮多次。熱塑變理論上可重復(fù)無窮多次。熱塑 性高分子是可以再生的。性高分子是可以再生的。 如：如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯 和滌綸樹脂和滌綸樹脂等。絕大多數(shù)高分子化合物為熱等。絕大多數(shù)高分子化合物為熱 塑性高分子。塑性高分子。 熱固性高分子熱固性高分子受熱后先轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃邮軣岷笙绒D(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?狀態(tài)，進(jìn)一步加熱則轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)。狀態(tài)，進(jìn)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。即熱固性高分這種轉(zhuǎn)變是不可逆的。即熱固性高分 子是不可再生的。子是不可再生的。 如：如：酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、氨基樹脂、不酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、氨基樹脂、不 飽和聚酯、聚氨酯、硫化橡膠飽和聚酯、聚氨酯、硫化橡膠等。等。 高分子材料的命名高分子材料的命名 習(xí)慣命名法習(xí)慣命名法 商品命名法商品命名法 IUPAC命名法命名法 乙烯乙烯 聚乙烯聚乙烯 氯乙烯氯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯 苯乙烯苯乙烯 聚苯乙烯聚苯乙烯 甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯