高分子材料匯編

1、L o g oL o g oL o g oL o g o認識高分子與高分子認識高分子與高分子材料材料1L o g oL o g o1.1 1.1 現代生活中的高分子材料現代生活中的高分子材料L o g oL o g oPP、PUR、PC/ABS、PA、PVC、POM、PMMA、PPO、PFL o g oL o g oL o g oL o g o1.2 1.2 高分子科學的發(fā)展概況高分子科學的發(fā)展概況1919世紀前期世紀前期通過化學反應對天然高分子材料進行改性通過化學反應對天然高分子材料進行改性1919世紀世紀4040年代年代美國人發(fā)明了天然橡膠的硫化美國人發(fā)明了天然橡膠的硫化6060年代末期年

2、代末期以纖維素為原料獲得了賽璐珞塑料以纖維素為原料獲得了賽璐珞塑料8080年代末期年代末期用蛋白質用蛋白質- -乳酪素為原料獲得了乳酪素塑料。乳酪素為原料獲得了乳酪素塑料。它們被稱為半合成材料它們被稱為半合成材料利用天然高分子材料進行加工、改性（利用天然高分子材料進行加工、改性（19世紀）世紀）L o g oL o g o高分子材料合成工業(yè)不斷發(fā)展壯大時期（高分子材料合成工業(yè)不斷發(fā)展壯大時期（20世紀）世紀）1925-19351925-1935年年誕生了誕生了“高分子化學高分子化學”這一新興學科，有力地促進了這一新興學科，有力地促進了高分子化合物的工業(yè)生產高分子化合物的工業(yè)生產 1994199

3、4年年 19101910年年美國工業(yè)化生產酚醛樹脂，隨后合成出丁苯橡膠、美國工業(yè)化生產酚醛樹脂，隨后合成出丁苯橡膠、丁丁腈橡膠、氯丁橡膠、尼龍腈橡膠、氯丁橡膠、尼龍-66-66、聚酯纖維、高壓聚乙烯、聚酯纖維、高壓聚乙烯和聚氯乙烯，產量和品種在世界大戰(zhàn)中得到快速發(fā)展和聚氯乙烯，產量和品種在世界大戰(zhàn)中得到快速發(fā)展2020世紀世紀4040年代年代由于第二次世界大戰(zhàn)所需橡膠數量巨大，大力發(fā)展合由于第二次世界大戰(zhàn)所需橡膠數量巨大，大力發(fā)展合成橡膠，奠定了石油化學工業(yè)的基礎成橡膠，奠定了石油化學工業(yè)的基礎2020世紀世紀5050年代年代發(fā)現了發(fā)現了Ziegler-NattaZiegler-Natta催化

4、劑，可以容易地使烯烴、二催化劑，可以容易地使烯烴、二烯烴聚合為性能優(yōu)良的高聚物，同時由于石油化學工烯烴聚合為性能優(yōu)良的高聚物，同時由于石油化學工業(yè)的建立與發(fā)展，高分子合成材料的產量激增；業(yè)的建立與發(fā)展，高分子合成材料的產量激增； 19941994年年全世界三大合成材料的產量超過全世界三大合成材料的產量超過1.41.4104104萬噸，按體萬噸，按體積計算超過鋼鐵積計算超過鋼鐵L o g oL o g oL o g oL o g oL o g oL o g oL o g oL o g o+L o g oL o g o高分子與諾貝爾獎高分子與諾貝爾獎v施陶丁格施陶丁格 （Hermann Staud

5、inger）是德國著名的化學家 。v高分子化學的奠基人高分子化學的奠基人 ，預言了高分子化合物跟生物和人體的重要關系。創(chuàng)立了高分子線鏈學說；提出了關于高分子化合物粘度跟高分子化合物分子量之間的關系式，即施陶丁格定則，迄今仍為測定高分子化合物分子量的基本方法。 L o g oL o g o1881年年施陶丁格出生在德國萊茵河西岸萊茵河西岸的沃爾姆斯沃爾姆斯古城，父親弗里茨施陶丁格是位哲學和社會科學學者。1899年年他進入哈勒大學哈勒大學就讀，學習自己感興趣的植物學。但由于他父親建議說，如果要成為一位植物學家，一定要知曉一些化學，施陶丁格就在丹尼爾丹尼爾福爾蘭德爾福爾蘭德爾的指導下學習化學，沒想到

6、這一“植物學的預備課程”竟成了他終生的研究方向。1900年年他在達姆斯塔特理工學院接受了分析化學的訓練，之后的一年在慕尼黑大學慕尼黑大學阿道夫阿道夫拜耳拜耳的研究所學習了一年有機合成。1903年年他在福爾蘭德爾的指導下以對丙二丙二酸酯的研究酸酯的研究獲得了博士學位。求學 L o g oL o g o有機化學研究 1903-1907年間，施陶丁格在斯特拉斯堡大學斯特拉斯堡大學研究羧酸。他發(fā)現了烯酮烯酮，一種化學性質活潑，后來在藥物合成中很有用的中間體。1907年11月施陶丁格擔任卡爾斯魯厄理工學院卡爾斯魯厄理工學院化學研究所有機化學教授，與卡爾卡爾恩格勒恩格勒、弗里茨弗里茨哈伯哈伯等著名化學家一

7、起工作。他的主要研究方向為進一步研究烯酮的化學性質和反應烯酮的化學性質和反應。1912年烯酮烯酮一書出版一書出版，后來被認為是這一領域的經典教材。1912年施陶丁格接受蘇黎世理工邀請，任化學系主任。他和拉沃拉沃斯拉夫斯拉夫魯日奇卡魯日奇卡一起，確認了除蟲菊酯除蟲菊酯的結構，并開發(fā)了這一除蟲劑的人工合成途徑。 1919年他和邁耶共同發(fā)表了疊氮化合物和三苯基膦反應疊氮化合物和三苯基膦反應，即施陶施陶丁格反應丁格反應L o g oL o g o高分子思想的確立 1926年年他接受弗萊堡大學邀請，擔任化學系主任。已是一名頗具盛名的有機化學家的施陶丁格開始了對橡膠橡膠的研究。當時拉烏爾拉烏爾和范特霍夫范

8、特霍夫都通過物理方法測出了橡膠具有很大的分子量。1920年年施陶丁格發(fā)表了一篇里程碑的文章，提出橡膠與淀粉、賽提出橡膠與淀粉、賽璐珞、蛋白質等物質的化學本質都是由化學鍵連接重復單元形璐珞、蛋白質等物質的化學本質都是由化學鍵連接重復單元形成的聚合物成的聚合物。也就是說這些大分子的結構就如同一根穿起來的曲別針長鏈，每個曲別針是一樣的，他們就如同重復單元。當時有名的化學家當時有名的化學家赫爾曼赫爾曼埃米爾埃米爾費歇爾費歇爾和和亨利奇威蘭德都認為實驗測出的高分子量來源于認為實驗測出的高分子量來源于小分子組成的締合體和小分子組成的締合體和膠體顆粒膠體顆粒，其結合力源于每個分子之間的分子間作用力，其結合力

9、源于每個分子之間的分子間作用力，而而反對反對施陶丁格的施陶丁格的小分子通過化學鍵結合成大分子小分子通過化學鍵結合成大分子的主張。的主張。L o g oL o g o1930年代，越來越多的實驗證據證實了施陶丁格的猜測越來越多的實驗證據證實了施陶丁格的猜測。滲透壓法和黏度法都測量出了聚合物的大分子量。赫爾曼赫爾曼馬克馬克的X射線衍射實驗證實了大分子鏈的存在。而華萊士華萊士卡羅瑟卡羅瑟斯斯對尼龍尼龍和和聚酯聚酯的合成也證明了通過小分子合成聚合物是完全可行的。施陶丁格很早就看到了高分子科學的應用前景，他在1936年說過“這么說并非不可能，最終有一天合成高分子量聚合物可以用來制造人造纖維，因為天然纖維

10、的強度和彈性也來源于他的大分子結構。1940年年施陶丁格開始擔任弗賴堡大學大分子化學研究所所長至1951年，期間創(chuàng)立了第一種聚合物雜志創(chuàng)立了第一種聚合物雜志大分子化學與物大分子化學與物理理1953年年施陶丁格因“在大分子化學上的諸多發(fā)現”獲得諾貝獲得諾貝爾化學獎爾化學獎。L o g oL o g ov1963年合成高分子塑料而共同獲得諾貝爾化學獎。v分別發(fā)明用三乙基鋁和三氧化鈦組成的金屬絡合催化劑合成低壓聚乙烯與聚丙烯的方法。這種催化劑被統(tǒng)稱為齊格勒納塔型催化劑。1963年12月10日，他們共享諾貝爾化學獎的崇高榮譽。齊格勒(Karl Ziegler)德國化學家 納塔(Giulio Natta

11、)意大利化學家 L o g oL o g ov美國高分子物理化學家弗洛美國高分子物理化學家弗洛里（里（Paul J. FloryPaul J. Flory）由于在高分子科學領域，尤其在高分子物理性質與結構的研究方面取得巨大成就，1974年榮獲瑞典皇家科學院授予的諾貝爾化學獎。 L o g oL o g o對導電聚合物的發(fā)現和發(fā)展對導電聚合物的發(fā)現和發(fā)展獲得獲得20002000年度諾貝爾化學獎年度諾貝爾化學獎 日本化學家白川英樹（Hideki Shirakawa） 美國化學家黑格（Alan J. Hegger） 美國化學家馬克迪爾米德（Alan G. MacDiarmid） L o g oL o

12、 g o北京時間北京時間1010月月9 9日下午日下午5 5點點4545分，分，20132013年諾貝爾化學獎揭曉，美國三位科年諾貝爾化學獎揭曉，美國三位科學家學家Martin Karplus, Michael LevittMartin Karplus, Michael Levitt和和Arieh WarshelArieh Warshel獲獎。獲獎理由獲獎。獲獎理由是是“為復雜化學系統(tǒng)創(chuàng)立了多尺度模型為復雜化學系統(tǒng)創(chuàng)立了多尺度模型”。Martin KarplusMartin Karplus，美國和奧地利公民。，美國和奧地利公民。19301930年出生于奧地利維也納。年出生于奧地利維也納。195

13、31953年從美國加州理工學院獲得博士學位。美國哈佛大學榮譽退休教年從美國加州理工學院獲得博士學位。美國哈佛大學榮譽退休教授。授。Michael LevittMichael Levitt，美國和英國公民。，美國和英國公民。19471947年出生于南非比勒陀利亞。年出生于南非比勒陀利亞。19711971年從英國劍橋大學獲得博士學位。目前為美國斯坦福大學醫(yī)學院教年從英國劍橋大學獲得博士學位。目前為美國斯坦福大學醫(yī)學院教授。授。Arieh WarshelArieh Warshel，美國和以色列公民。，美國和以色列公民。19401940年出生于以色列年出生于以色列Kibbutz Sde-Kibbutz

14、 Sde-NahumNahum。19691969年從以色列魏茨曼科學研究所獲得博士學位。目前為美國南年從以色列魏茨曼科學研究所獲得博士學位。目前為美國南加州大學教授。加州大學教授。L o g oL o g o1.3 1.3 高分子的基本概念高分子的基本概念高分子就是那些分子量特別大的物質。高分子物質的分子一般由幾千、幾萬甚至幾十萬個原子組成，它的分子量也就是幾萬、幾十萬、甚至以億來計算。高分子的“高”就是指它的分子量高(104-107)。MacromoleculeMacromolecule compoundPolymer1.3.1 什么是高分子什么是高分子L o g oL o g o1.3.2

15、 高分子的命名高分子的命名（1）根據單體的名稱來命名（2）根據特征官能團來命名（3）按聚合物的組成命名（4）按商品名或俗稱命名（5）按化學名稱的標準縮寫L o g oL o g o1.3.2 高分子的分類高分子的分類v高分子按來源分：高分子按來源分：天然高分子天然高分子合成高分子合成高分子線型高分子線型高分子體型高分子體型高分子熱塑性高分子熱塑性高分子熱固性高分子熱固性高分子塑料纖維橡膠塑料纖維橡膠涂料粘合劑涂料粘合劑v高分子按結構分：高分子按結構分：v高分子按性質分：高分子按性質分：v高分子按性能和高分子按性能和用途分：用途分：L o g oL o g o1.3.2 高分子的研究方向高分子的

16、研究方向L o g oL o g o器官生成公司出品的人造皮膚器官生成公司出品的人造皮膚治愈的皮膚潰瘍治愈的皮膚潰瘍 聚合物支架和細胞（醫(yī)學應用）聚合物支架和細胞（醫(yī)學應用）羅伯特羅伯特朗格提供圖片朗格提供圖片醫(yī)學奇跡L o g oL o g o高分子材料的缺陷高分子材料的缺陷L o g oL o g oL o g oL o g o高分子著名高校高分子著名高校北京大學，化學所，復北京大學，化學所，復旦大學，浙江大學旦大學，浙江大學 四川大學，華南理工四川大學，華南理工 青島科技，北京化工大青島科技，北京化工大學學 香港理工，東華大學，香港理工，東華大學，天津工業(yè)大學，北化工天津工業(yè)大學，北化工

17、（碳纖維）（碳纖維） 中國第一航空集團中國第一航空集團 621所，浙江大學，西北工所，浙江大學，西北工大，北航大，北航香港科技，復旦，上交香港科技，復旦，上交L o g oL o g o重點實驗室重點實驗室 v 高分子物理與化學國家重點實驗室高分子物理與化學國家重點實驗室-化學研究所和長春應化學研究所和長春應用化學研究所）。用化學研究所）。http:/ 吸附分離功能高分子材料國家重點實驗室吸附分離功能高分子材料國家重點實驗室-南開大學南開大學http:/ 聚合物分子工程教育部重點實驗室聚合物分子工程教育部重點實驗室-復旦大學復旦大學http:/ 高分子材料工程國家重點實驗室高分子材料工程國家重

18、點實驗室-四川大學四川大學http:/ 聚合反應工程國家重點實驗室聚合反應工程國家重點實驗室清華大學萃取分離工程實清華大學萃取分離工程實驗室、天津大學精餾分離工程實驗室、華東理工大學固定驗室、天津大學精餾分離工程實驗室、華東理工大學固定床反應工程實驗室和浙江大學聚合反應工程實驗室四個分床反應工程實驗室和浙江大學聚合反應工程實驗室四個分實驗室。實驗室。http:/ o g oL o g ov生物醫(yī)用高分子材料教育部重點實驗室生物醫(yī)用高分子材料教育部重點實驗室-武漢大學武漢大學http:/ o g oL o g o國內期刊雜志國內期刊雜志L o g oL o g o1.4 1.4 天然高分子天然高

19、分子纖維素的存在：纖維素的存在：綠色植物通過光合作用生成的物質，是構綠色植物通過光合作用生成的物質，是構成植物細胞的基礎物質。一切植物都含有纖維素，棉花含成植物細胞的基礎物質。一切植物都含有纖維素，棉花含纖維素高達纖維素高達90以上，木材中含纖維素為以上，木材中含纖維素為50左右。左右。1.4.1 纖維素纖維素L o g oL o g o纖維素的結構式纖維素的結構式 纖維素是由纖維素是由D-吡喃式葡萄糖單元通過相吡喃式葡萄糖單元通過相鄰糖單元的鄰糖單元的1位和位和4位之間的位之間的-苷鍵鏈接而成苷鍵鏈接而成的線性高分子。的線性高分子。OHOHHOHHOHHOCH2OHHOHHHHHOO*OHC

20、H2OHCH2OHOHHHOHHOHHOnL o g oL o g ov天然棉纖維素大約由天然棉纖維素大約由15300個葡萄糖基組成；個葡萄糖基組成；木材纖維素的聚合度大約木材纖維素的聚合度大約800010000個；個；v隨著不同的品種來源，纖維素的相對分子量可隨著不同的品種來源，纖維素的相對分子量可以從以從50002500000范圍內變化。范圍內變化。v由植物纖維原料經過化學處理制成的各類化學由植物纖維原料經過化學處理制成的各類化學漿，纖維素的聚合度下降至漿，纖維素的聚合度下降至1000左右。左右。L o g oL o g o纖維素的化學性質纖維素的化學性質降解反應降解反應 酸水解降解酸水解

21、降解 堿降解堿降解 酶降解酶降解 氧化降解氧化降解 酯化和醚化酯化和醚化 接枝共聚接枝共聚L o g oL o g o纖維素的應用纖維素的應用以纖維素為基質制造降解材料具有多方面的優(yōu)勢以纖維素為基質制造降解材料具有多方面的優(yōu)勢:(1)纖維素本身無毒，尤其制造出的降解材料將有廣泛的使用范圍、纖維素本身無毒，尤其制造出的降解材料將有廣泛的使用范圍、(2)纖維素是地球上一種可再生的綠色材料資源，不僅可有效提高農纖維素是地球上一種可再生的綠色材料資源，不僅可有效提高農林生產的經濟效益，還對緩解以有限資源林生產的經濟效益，還對緩解以有限資源石油為原料的現有石油為原料的現有塑料工業(yè)繼續(xù)發(fā)展過程中的資源枯竭

22、產生積極作用。塑料工業(yè)繼續(xù)發(fā)展過程中的資源枯竭產生積極作用。(3)纖維素分子中含有許多羥基，具有多種化學反應性能，接枝改性纖維素分子中含有許多羥基，具有多種化學反應性能，接枝改性后可制造出不同性能的材料，以滿足不同的生產生活需求。后可制造出不同性能的材料，以滿足不同的生產生活需求。L o g oL o g o 纖維素膜纖維素膜 纖維素塑料纖維素塑料以纖維素材料為基質的可降解塑料以纖維素材料為基質的可降解塑料共混型共混型反應型反應型可與纖維素共混的原材料有天然材料，可與纖維素共混的原材料有天然材料，如甲殼素、殼聚糖、蛋白質、纖維素如甲殼素、殼聚糖、蛋白質、纖維素及其化學改性物、種子粉和一些人工及

23、其化學改性物、種子粉和一些人工合成材料如合成材料如EVA、PVA、UF等。等。纖維素通過接枝或共聚反應將其他高分子或纖維素通過接枝或共聚反應將其他高分子或單體結合到纖維素分子上，可以大大改善纖單體結合到纖維素分子上，可以大大改善纖維素的性質。經這種改性后的纖維素有的耐維素的性質。經這種改性后的纖維素有的耐燃、耐化學腐蝕、耐老化，有的有粒子交換燃、耐化學腐蝕、耐老化，有的有粒子交換性能和吸附性能，有的有強烈吸收水分性能，性能和吸附性能，有的有強烈吸收水分性能，有的有止血、殺菌功能，因此已經用來制造有的有止血、殺菌功能，因此已經用來制造許多具有特殊用途的纖維素功能性產品許多具有特殊用途的纖維素功能

24、性產品。L o g oL o g o1.4.2 淀粉淀粉淀粉（淀粉（starchstarch）是植物的種子、根、塊莖、果實和葉子等細胞組成的主要成分。其資源極為豐富，價格低廉。淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩大類。L o g oL o g o直鏈淀粉（分子量較小，在50000左右）支鏈淀粉（分子量較大，在60000左右） L o g oL o g o不同品種淀粉的分子量分布研究不同品種淀粉的分子量分布研究：用凝膠滲透色譜法測定了谷類、薯類、豆類等14個不同品種淀粉的分子量分布。研究結果表明不同品種淀粉的分子量分布差別很大，分散度都較高。即使不同來源的同種淀粉樣品，它們重均分子量雖很接近，但其分子量

25、分布和分散度差異也很大。在各類淀粉中以塊莖類以塊莖類淀粉的分子量最大淀粉的分子量最大。研究有助于了解淀粉的分子特性及指導生產應用。 L o g oL o g o淀粉的化學改性（變性淀粉）淀粉的化學改性（變性淀粉）（1 1）氧化淀粉）氧化淀粉（2 2）交聯淀粉）交聯淀粉（3 3）淀粉酯）淀粉酯（4 4）羥丙基淀粉）羥丙基淀粉（5 5）羧甲基淀粉）羧甲基淀粉L o g oL o g o氫氣是一種清潔能源，但它的制取、存儲和運輸都很困難。美國科學家研究出一種用多糖制取氫的新技術。這一成果是美國弗吉尼亞理工學院、橡樹嶺國家實驗室和喬治亞大學的科學家共同作出的。淀粉、纖維素等碳水化合物含有大量的氫，但它

26、們非常穩(wěn)定，只有在酶的作用下才會分解?？茖W家利用合成生物學合成生物學的方法，使用由1313種酶組成的混合物種酶組成的混合物，將碳水化合物和水轉變成二氧化碳碳水化合物和水轉變成二氧化碳和氫氣和氫氣。實驗顯示，這一反應在約攝氏30度和1個大氣壓的條件下即可發(fā)生。將二氧化碳抽除后，氫氣進入燃料電池產生電力，副產物水可以循環(huán)利用。在反應中，氫是主要產物，效率比自然界里厭氧菌分解生物物質產生氫的效率高3倍，每磅氫的成本可能低于1美元。 從淀粉到氫氣從淀粉到氫氣L o g oL o g o1.4.3 天然橡膠天然橡膠世界上約有2000種不同的植物可生產類似天然橡膠的聚合物，已從其中500種中得到了不同種類

27、的橡膠，但真正有實用價值的是三葉橡膠樹三葉橡膠樹。橡膠樹的表面被割開時，樹皮內的乳管被割斷，膠乳從樹上流出。從橡膠樹上采集的乳膠，經過稀釋后加酸凝固、洗滌，然后壓片、干燥、打包，即制得市售的天然橡膠。天然橡膠根據不同的制膠方法可制成煙片、風干膠片、技術分級橡膠和濃縮橡膠等。 L o g oL o g o天然橡膠是一種以聚異戊二烯聚異戊二烯為主要成分的天然高分子化學物，其橡膠烴（聚異戊二烯）含量在90%以上，還含有少量的蛋白質、脂肪酸、糖分及灰分等。 L o g oL o g o1492年年 遠在哥侖布發(fā)現美洲大陸以前，中美洲和南美洲的當地居民已開始利用。 1736年年 法國才在世界上首次報道有

28、關橡膠的產地、采集膠乳的方法和橡膠在南美洲當地的利用情況，使歐洲人開始認識天然橡膠，并進一步研究其利用價值。 1839年年 美國人固特異（固特異（C.Goodyear）發(fā)現了在橡膠中加入硫黃和堿式碳酸鉛，經加熱后制出的橡膠制品遇熱或在陽光下曝曬時，才不再像以往那樣易于變軟和發(fā)粘，而且能保持良好的彈性，從而發(fā)明了橡膠硫化發(fā)明了橡膠硫化，至此天然橡膠才真正被確認其特殊的使用價值，成為一種其重要的工業(yè)原料。 天然橡膠的歷史天然橡膠的歷史L o g oL o g o1888年年 英國人鄧錄普（J.B.Dunlop）發(fā)明了充氣輪胎，促使汽車輪胎工業(yè)飛躍地發(fā)展，因而導致耗膠量急劇上升。 1876年年 英國

29、人威克姆（H.Wickham）從巴西馬遜河口采集橡膠種子，運回英國皇家植物園播種，并在錫蘭(現在的斯里蘭卡)、印度尼西亞、新加坡試種，均取得成功。此即為巴西橡膠樹在遠東落戶的開端。從此，栽培橡膠業(yè)發(fā)展非常迅速栽培橡膠業(yè)發(fā)展非常迅速。1997年年世界天然橡膠產量已高達624.7萬噸。新中國成立后新中國成立后 中國農墾科技工作者通過科學實踐，打破了國外近百年來所謂15以北是巴西橡膠樹種植“禁區(qū)”的定論，成功地在北緯18以北至北緯24的廣大地區(qū)種植巴西橡膠樹，并獲得較高的產量。1996年天然膠產量已達到42萬噸，成為世界第五大天然膠生產國。 L o g oL o g o物理特性：物理特性：在常溫下具有較高的彈性較高的彈性，稍帶塑性，具有非常好的機械強度非常好的機械強度，滯后損失小，在多次變形時生熱低，因此其耐屈撓性也很好耐屈撓性也很好，并且因為是非極性橡膠，所以電