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1、第1讲 高分子材料进展及 与环境的关系,高分子科学与工程简介 高分子材料简介 高分子材料与环境的关系,2020/7/7,2,高 分 子 化 学,有机化学,物理化学,化学工程 .,聚合反应工程,高 分 子 物 理,小分子化合物,高分子化合物,制品,聚合物成型加工,材料力学 流体力学 .,分 子 结 构,形 态 形 状,使 用 性 能,无机化学,分析化学,物 理,循环利用,石油 天燃气 煤 其它,高分子科学,高分子工程,高分子化学及相关学科,1.1 高分子科学与工程简介,2020/7/7,3,高 分 子 科 学与工程,高 分 子 化 学,研究聚合反应和高分子化学反应原理，选择原料、确定路线、寻找催
2、化剂、制订合成工艺等。,研究聚合物的结构与性能的关系，为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。,高 分 子 物 理,高 分 子 工程,研究高分子材料成型工程，聚合物反应工程，高分子材料改性技术与工程。,高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。,2020/7/7,4,20世纪的高分子发展历史 20世纪20-30年代， 19271937,PVC；19271931,PMMA 19351938,nylon-66； 1936年PVAC； 19341937,PS出现及工业化 20世纪
3、40年代，相继出现BSR,ABS等橡胶和树脂 20世纪50年代，PP; 20世纪60年代，EPR, SBS 随后出现聚甲醛、聚砜、聚苯醚、聚酰亚胺 等工程塑料。 20世纪70年代，通用高分子,工程塑料,特种高分子层出不穷 20世纪80年代，功能高分子,2020/7/7,5,制 约 因 素,解 决 途 径,（1）延长使用寿命：减少废弃 （2）回收利用：低性能应用；降解 （3）自然降解：自然分解回归自然,：高分子制品废弃后对环境的污染,人类历史上,几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献.,. 高分子材料简介,塑料 橡胶 纤维 涂料 胶黏剂 功能高分子 聚合物基复合材料,2
4、020/7/7,7,塑料,照字面上讲,是可以塑造的材料,也就是具有可塑性的材料。现今的塑料是用树脂在一定温度和压力下浇铸、挤压、吹塑或注射到模型中冷却成型的一类材料的专称。化学上,塑料是一种聚合物。即由很多个单元不断重复组合而成的。,塑料定义,塑料是以树脂为主要成分，在一定温度和压力下塑造成一定形状，并在常温下能保持既定形状的有机高分子材料。 树脂是指受热时通常有转化或熔融范围，转化时受外力作用具有流动性，常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物，它是塑料最基本的，也是最重要的成分。 广义地讲，在塑料工业中作为塑料基本材料的任何聚合物都可称为树脂。,塑料发展史,在19世纪，台球都是用象牙做的，数
5、量自然非常有限。于是有人悬赏1万美元征求制造台球的替代材料。1869年，美国的海厄特把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，然后在常压下硬化成型制出了廉价台球，赢得了这笔奖金。这种由纤维素制得的材料就是“赛璐珞”。 “赛璐珞”是人类历史上第一种合成塑料，它是一种坚韧材料，具有很大的抗张强度，耐水，耐油、耐酸。从此，赛璐珞被用来制造各种物品，从儿童玩具到衬衫领子中都有“赛璐珞”。它还被用来做胶状银化合物的片基，这就是第一张实用照相底片。不过，由于“赛璐珞”中含硝酸根，所以它有一个很大的缺点，就是极易着火引起火灾。,2020/7/7,10,赛璐珞产品,2020/7/7,11,塑料的出现,第一种
6、合成塑料是将树脂加热模压制得,是在20世纪初,1910年美籍比利时化学家贝克兰德制成。,贝克兰德将树脂添加木屑加热,加压模塑成各种制品,以他的姓氏命名为贝克里特(Plastic),我们称为电木。,2020/7/7,12,贝克兰塑料又称酚醛树脂。酚醛树脂是通过缩合反应（甲醛和苯酚）制备的，属于热固性塑料。其制备过程共分两步：第一步先做成线型聚合度较低的化合物；第二步用高温处理，转变为体型聚合度很高的高分子化合物。 20世纪40年代乙烯类单体的自由基引发聚合迅速发展，实现工业化的包括氯乙烯、聚苯乙烯和有机玻璃等，这是合成高分子蓬勃发展的时期。,2020/7/7,13,进入50年代，从石油裂解而得的
7、烯烃主要包括乙烯与丙烯，德国人齐格勒(Karl Ziegler)与意大利人纳塔(Giulio Natta)分别发明用金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法，前者1952年工业化，后者1957年工业化，这是高分子化学的历史性发展，因为可以由石油为原料又能建立年产10万吨的大厂，他们二人后来都获得了1963年的诺贝尔化学奖。 (2012/8/28),2020/7/7,14,60年代，由于要飞往月球而出现高温高分子的研究热。耐高温的定义是材料能够在氮气中、500环境中能使用一个月；在空气中，300环境下能使用一个月。主要分为两大类，一类是芳香聚酰胺，例如苯二胺与间苯二酰缩聚得到的 Nomex，这
8、在当时曾被作为太空服的原料。还有对苯二胺与对苯二酰氯缩聚得到的Kevlar，它属于耐高温的高分子液晶，现在用于超音速飞机的复合材料中。另一类是杂环高分子，例如聚芳亚酰胺和作为高温粘合剂的聚苯并咪唑，为现在宇航飞行所需的材料打下了基础。,2020/7/7,15,塑料的种类很多。除了酚醛树脂和聚乙烯外，还有聚氯乙烯、聚苯乙烯等。我们常见的有机玻璃，其实也是塑料的一种。它的透明度比普通玻璃还高，有韧性，不易破碎，枪弹打上去也只能穿一个洞。因此，它是制作飞机舷窗的绝好材料。,2020/7/7,16,塑料有三个最主要的优点： 第一，它比较轻，这是相对于金属和有机玻璃而言的，轻的原因不是因为它是高分子化合
9、物，而是因为它们是有机化合物，即由碳、氢、氧、氮等较轻的元素组成的。 第二，塑料易于加工。塑料具有可塑性，即在加热或加压后变形，在降温或压力消失后维持原形不变。可以通过挤出，注射等方式加工成各自形状的产品。 第三，塑料不会腐烂也不会生锈。但是，这一性质也给人类带来一个严重的问题：由于塑料不易腐烂，大量的塑料废弃无法被自然界吸收、分解，从而造成一定程度的环境污染。,2020/7/7,17,由于这些优良性能，塑料这一新型材料的发展十分迅速。特别是石油化学工业的发展，为塑料生产开辟了广阔的原料来源。从1947年到1967年的20年间，美国的塑料产量从60多万吨增至600多万吨。目前，其产量按体积已远
10、超钢铁。钢铁生产已有两千多年的历史，而塑料问世不过百余年，足可见塑料工业发展速度之惊人。,塑料分类,1按塑料用途分 通用塑料(Universal Plastics)：一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、酚醛等。 工程塑料(Engineering Plastics)：一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料，如聚酰胺、聚砜等。 特种塑料：一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等），应用于特殊要求的塑料。如氟塑料、有机硅等。,通用塑料(Universal Plastics),2020/7/7,20,聚
11、丙烯,聚酰胺,工程塑料(Engineering Plastics),2按塑料的物理化学性能分,热塑性塑料： 指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。如聚乙烯、聚氯乙烯塑料等。热固性塑料： 因受热或其它条件能固化成不熔不溶性物料的塑料。如酚醛塑料、环氧塑料等。,2020/7/7,23,常用塑料 热塑性塑料。热塑性塑料加热时变软、熔融，冷却后变硬、固化，再加热又可变软、熔融，可反复成型，且基本性能不变。热塑性塑料成型工艺简便，可直接经注射、挤压、吹塑成型，生产率高，其制品使用温度低于120。 常用的热塑性塑料有以下几种：,2020/7/7,24, 聚乙烯(PE)： 按生产工艺不同，分为高
12、压聚乙烯、中压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯化学稳定性高，柔软性、绝缘性、透明性、耐冲击性好，宜吹塑成薄膜、软管、瓶等。低压聚乙烯质地坚硬，耐磨性、耐蚀性、绝缘性好，适宜制作化工用管道、槽，电线、电缆包皮，承载小的齿轮、轴承等；又因其无毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。,2020/7/7,25, 聚氯乙烯(PVC)： 分为硬质和软质两种。硬质聚氯乙烯强度较高，绝缘性和耐蚀性好，耐热性差，在-1560的温度范围使用，用于化工耐蚀的结构材料，如输油管、容器、离心泵、阀门管件等，用途很广。软质聚氯乙烯强度低于硬质聚氯乙烯，伸长率大，绝缘性较好，在-1560的温度范围使用，用于电线、电缆的绝缘包皮，农用
13、薄膜，工业包装等。因其有毒，不能包装食品。,2020/7/7,26, 聚丙烯(PP)： 密度小，是常用塑料中最轻的一种。强度、硬度、刚性、耐热性均高于低压聚乙烯，可在120以下长期工作。绝缘性好，且不受湿度影响，无毒无味，但低温脆性大，不耐磨，易老化，用于一般机械零件(如齿轮)，耐蚀件(如泵叶轮、化工管道、容器)，绝缘件(电视机、收音机、电扇、电机罩等壳体)，生活用具，医疗器械，食品和药品包装等。,2020/7/7,27, 聚酰胺(PA)：俗称尼龙或锦纶。强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、吸振性、自润滑性、成型性好，摩擦系数小，无毒无味，可在100以下使用。蠕变值大，导热性差，吸水性高，成型收缩率大
14、。常用的有尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010等。用于制造耐磨、耐蚀的某些承载和传动零件，如轴承、机床导轨、齿轮、螺母及一些小型零件。也可用于制作高压耐油密封圈，或喷涂在金属表面作防腐、耐磨涂层，应用较广。,2020/7/7,28, 聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)：俗称有机玻璃。透光性、着色性、绝缘性、耐蚀性好，在自然条件下老化发展缓慢，可在-60100的温度范围内使用。不耐磨，脆性大，易溶于有机溶剂中，硬度不高，表面易擦伤。用于航空、仪器、仪表、汽车中的透明件和装饰件，如飞机窗、灯罩、电视和雷达屏幕、油标、油杯、设备标牌等。,2020/7/7,29, ABS塑料：是丙烯腈(A)、丁二烯(
15、B)、苯乙烯(S)的三元共聚物。综合力学性能好，尺寸稳定性、绝缘性、耐水和耐油性、耐磨性好，长期使用易起层。用于制造齿轮，叶轮，轴承，把手，管道，储槽内衬，仪表盘，轿车车身，汽车挡泥板，电话机、电视机、电机、仪表的壳体，应用较广。,2020/7/7,30, 聚甲醛(POM)：耐磨性、尺寸稳定性、着色性、减摩性、绝缘性好，可在-40100长期使用。加热易分解，成型收缩率大。用于制造减摩、耐磨件及传动件，如轴承、滚轮、齿轮、绝缘件，化工容器，仪表外壳，表盘等，可代替尼龙和有色金属。,2020/7/7,31, 聚四氟乙烯(F-4)，也称塑料王。有极强的耐蚀性，可抗王水腐蚀，绝缘性、自润滑性好，不吸水
16、，摩擦系数小，可在-195250的温度范围内使用，但价格较高。用于耐蚀、减摩、耐磨件，密封件，绝缘件，如高频电缆、电容线圈架、化工用反应器、管道等。,2020/7/7,32, 聚碳酸脂(PC)：强度高，韧性、尺寸稳定性、透明性好，可在-60120长期使用。耐疲劳性不如尼龙和聚甲醛。用于制造齿轮、蜗轮、凸轮，电气仪表零件，大型灯罩，防护玻璃，飞机挡风罩，高级绝缘材料，用途很广。,2020/7/7,33, 聚砜(PSF)：强度、硬度、成型温度高，抗蠕变、尺寸稳定性、绝缘性好，可在-100150长期使用。不耐有机溶剂和紫外线。用于制造耐热件，绝缘件，减摩、耐磨件，高强度件，如凸轮、精密齿轮、真空泵叶片、仪表壳体和罩、汽车护板、电子器件等。,2020/7/7,34,热固性塑料： 加热时软化，冷却后坚硬。固化后再加热，则不再软化或熔融，不能再成型。热固性塑料抗蠕变性强，不易变形，耐热性高，但树脂性能较脆，强
