高分子材料第一章绪论全解

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1、高 分 子 材 料,黄丽 主编,第一章 绪论,高分子材料发展史 高分子材料分类与特性 塑料 橡胶 纤维 涂料 黏合剂 聚合物基复合材料 聚合物合金 功能高分子材料,第一章 绪论,高分子材料的成型加工 挤出成型 注射成型 吹塑成型 压制成型,1.1 材料与材料科学,材料是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要标志，也是一个时代的重要标志。人类社会的发展史事实上也是一部材料的发展史，材料与人类的发展和进步息息相关，材料的每一次重大发现及其大量制造和使用，推动人类社会向更新更高的阶段发展。 几百万年来，人类已经跨越了石器时代，青铜器时代，铁器时代，以水泥、玻璃、塑料、橡胶为代表的非金

2、属时代，21世纪将以复合材料和功能材料为特色。,材料的涵义,使用性能（物理） 合成/加工 （工程） 性质（化学） 结构/成分 （物理）,具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理 性状的物质称为材料。 材料包含有四个要素：材料的制备（加工）、材料的结构、材料的性能和材料的使用性能。这四个要素是相互关联、相互制约的，如下图所示：,在上图中： 材料的性质与现象是新材料创造、发展及生产过程中人们 最关注的中心问题。 材料的结构与成分决定了它的性质和使用性能，也影响着 它的加工性能。而为了实现某种性质和使用性能，又提出 了材料结构与成分的可设计性。 材料的结构与成分受材料合成和加工所制约。 为完成某一

3、特定的使用目而制造的材料，必须是最经济 的， 并符合社会的规范和具有可持续发展性。,作为材料，必须具备如下特点： 一定的组成 可加工性 现状保持性 使用性能 经济性 再生性 从以上的分析可见，材料与物质是两个不同的概念，材料总是和一定的用场相联系的。,材料按用途可分为结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料。 材料按化学组成的不同，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。,

4、金属材料又分为黑色金属和有色金属。黑色金属通常包括铁、锰、铬以及它们的合金。除黑色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。为了发展航空、火箭、宇航、舰艇、能源等新技术工业，需要研制具有特殊性能的新型金属材料。 无机非金属材料主要是指硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃和水泥。新近发展起来的特种陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物。此外半导体材料也属于无机非金属材料。,材料的分类,高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。这类材料具有优异的性能，如较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等，发展速度很快，已部分取代了金属材料。合成具有特殊性能的高分

5、子材料是其发展方向。 复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚性和耐腐蚀性等比单一材料更为优越，是一类具有广阔应用发展前景的新型材料。,高分子材料发展史大事记 15世纪 美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。1869 美国的海厄特(John Wesley Hyatt,1837-1920) 把硝 化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造 出了第一种人工合成塑料“赛璐珞”(cellulose)。1887 Count Hilairede Chardonnet用硝化纤维素的溶液进 行纺丝，制得了第一种人造丝。 1909 美国人贝克兰(Leo Baekeland

6、)用苯酚与甲醛反应制 造出第一种完全人工合成的塑料-酚醛树酯。 1920 施陶丁格(Hermann Staudinger)发表了“关于聚合反 应 “(UberPolymerization)的论文提出：高分子物质 是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚合)， 通过化学 键连接在一起的大分子化合物，高分子或 聚合物一词即源于此。 1926 瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机， 用它测量出蛋白质的分子量：证明高分子的分子量 的确是从几万到几百万。,1926 美国化学家Waldo Semon合成了聚氯乙烯，并于 1927年 实现了工业化生产。 1930 苯乙烯(PS)发明。 1932 施陶

7、丁格(Hermann Staudinger)总结了自己的大分子理 论，出版了划时代的巨著高分子有机化合物成为高分 子化学作为一门新兴学科建立的标志。 1935 杜邦公司基础化学研究所有机化学部的卡罗瑟斯(Wallace H. Carothers，1896-1937)合成出聚酰胺66，即尼龙。尼 龙在1938年实现工业化生产。 1930 德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和 丁苯橡胶。 1940 英国人温费尔德(T.R.Whinfield,1901-1966)合成出聚酯纤 维(PET)。1940Peter Debye发明了通过光散射测定高分 子物质分子量的方法。 1948 Paul

8、 Flory建立了高分子长链结构的数学理论。 1950 德国人齐格勒(Karl Ziegler)与意大利人纳塔(Giulio Natta) 分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯 1955 美国人利用齐格勒-纳塔催化剂聚合异戊二烯，首次用化 学方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。,创立高分子化学的施陶丁格 Hermann Staudinger 1881-1965,施陶丁格的成长史 1881年3月23日，海尔曼施陶丁格出生在德国的弗尔姆斯。他父亲是新康德派的哲学家。中学毕业后，他考入哈勒大学学习植物学。1903年，他完成了关于不饱和化合物丙二酸酯的毕业论文，从达姆大学毕业。接着又来

9、到施特拉斯堡，拜著名的有机化学家梯尔为师继续深造。1907年，以他在实验中发现的高活性烯酮为题完成了博士论文，获得了博士学位。同年他被聘为卡尔斯鲁厄工业大学的副教授。5年后他被楚利希联邦工业大学聘任为化学教授。在这里他执教了14年，这期间的教学和研究使他熟悉了化学，特别是有机化学的各个领域和一些新的理论，为他顺利开展科学研究奠定了扎实的基础。也在这期间，他投入了上述关于高分子组成、结构的学术论战。1926年，他为了有更充裕的时间，进行更多的实验来验证他的大分子理论，他应聘来到布莱斯高的符来堡专心从事科学研究。在符来堡他度过了他的后半生，许多重要的科研成果都是在这里完成的。为了配合高分子科学的发

10、展，1947年起他主持编辑了高分子化学这一专业杂志。他晚年的兴趣主要在分子生物学的研究，由于年事已高，成果不多，但是培养了许多高分子研究方面的人才，1965年9月8日，施陶丁格安然去世，享年84岁。,一、概述 高分子材料是一种古老而又年轻的材料。 合成高分子材料从问世到今天不到一个世纪，但在这短短的几十年中，其发展速度却远远超过其它传统材料。在过去的40年中，美国塑料生产猛增100倍，而同一时期钢铁生产却几乎是负增长。 如按体积计算，全世界塑料的产量在90年代初已超过钢铁，高分子材料在世界经济中的作用已变得越来越重要。,1.2 高分子材料的类型与特征,高分子材料获得迅猛发展的原因： 高分子材料

11、本身具有十分优良的性能，如比重轻，强度高；绝缘性和绝热性好；耐腐蚀性和化学稳定性好；光学性质好；耐磨、自润滑性能好；加工性能优，能耗小。 高分子材料的资源非常丰富，原料价格十分低廉。炼油厂从石油中提炼了汽油、柴油和润滑油等后无法直接利用的废气和重油，焦炭厂炼焦时产生的废气和焦油都是生产高分子最好的原料。这使得高分子生产和加工所需的投资和成本都比其它材料低，有十分显著的经济效益和市场竞争力。,高分子材料的分类和用途 根据高分子的来源，可将其分为天然高分子、人造高分子和合成高分子；根据用途则可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂和功能高分子。 辩证地看待“回归自然”与合成高分子的关系：自然界存在的天

12、然高分子化合物的发展受到自然条件的限制，在数量和质量上都不能满足人类社会飞速发展的需要。合成高分子的出现是对人类资源的综合利用，更有利于经济的综合、平衡发展。另一方面，应充分认识到合成高分子对环境的影响，,二. 塑料 是一类在常温下具有固定的形状和强度，在高温下具 有可塑性的高分子材料。 通用塑料： 聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯(PVC）、 聚苯乙烯（PS）、ABS树脂、有机玻璃（PMMA） 工程塑料： 尼龙（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚酯（PET） 特种塑料： 聚四氟乙烯（PTFE）、有机硅树脂,塑料的主要用途：包装和建筑材料 包装材料 ： 塑料薄膜、中空容器、塑料周转箱、编织袋

13、、泡沫塑料等。 建筑材料 塑料门窗、塑料板材、人造大理石装饰板、塑料管道,三、 橡胶 橡胶是一类具有高弹性的高分子材料，拉伸时能伸长到原长的几倍，拉力撤除后又能恢复到原来的尺寸。橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。 由于种植天然橡胶的生产周期长、成本高、产量低，远远不能满足人类的需要，化学家开始致力于合成橡胶的研究。 橡胶的弹性、柔软性、耐磨性、绝缘性和阻隔性都十分优良，用途十分广泛。在工业上，主要用于制备各种轮胎（50%以上）。此外，传送带、马达皮带、自动扶梯把手、印刷用的胶辊、电缆电线的绝缘护套及劳保产品等也都由橡胶制造。农业上用于制灌溉胶管 。生活中的雨衣、胶鞋、热水袋、球类、玩具、输液管等也是

14、用橡胶制成的。,四、 纤 维 人类使用天然纤维的历史已有好几千年。我国是利用天然纤维最早的国家之一，其中闻名于世的蚕丝更是我们祖先的一项重大发现。 天然纤维的生产也受到自然环境的限制。仅靠天然纤维来解决人们的穿衣问题是非常困难的，唯一的出路是大力发展合成纤维。 合成纤维的出现是在20世纪30年代。1938年第一个化学纤维厂投产，生产尼龙66。此后一系列合成纤维如腈纶、涤纶等先后研制成功。目前合成纤维的产量已经占工业纤维的100和民用纤维的50%.,合成纤维具有比天然纤维和人造纤维更优越的性能：强度高大、弹性好；耐磨、耐化学腐蚀性好；不会发霉，不怕虫蛀；不缩水；做成的衣服美观，坚固耐用。 制备纤

15、维的聚合物必须具备如下条件：很好的防丝性性；较高的强度；较好的耐热性；较好的手感、吸湿性、染色性、抗腐蚀和抗霉变性。 最主要的合成纤维有三种：涤纶（聚酯纤维），是最挺括的纤维；锦纶（聚酰胺纤维），最结实耐磨的纤维；腈纶（聚丙烯腈纤维），最耐晒的纤维。,涂料是一种液态或粉末状态能均匀涂覆在物体的表面并形成坚韧保护膜的材料。 涂料具有保护、装饰、色彩标志作用，某些涂料还具有防腐、杀菌等特殊功能。 涂料的主要组分有：成膜物、溶剂、颜料和填料、助剂等。 涂料工业正向高质量、低成本、低污染及方便施工的方向发展。绿色环保已成为涂料发展的主题。,五、 涂 料,涂料的主要品种 涂料的品种非常繁多，有溶剂型涂料

16、、高固含量涂料、无溶剂辐射固化涂料及粉末涂料等。 合成树脂漆（包括酚醛树脂漆、环氧树脂漆、聚氨酯树脂漆和丙烯酸树脂漆），形成的漆膜质量较好，硬度高，耐磨性好，涂饰性能好，但使用的有机溶剂量大，会对环境和健康带来不利影响。 乳胶漆（包括聚醋酸乙烯酯涂料和丙烯酸酯系列乳液）属于水性涂料，其最大特点是涂膜的物理性能优异，装饰效果好，耐水性好。耐腐蚀和耐紫外线性能优良。既可以用于中、高档装饰的内墙涂料，也可用作外墙涂料。,凡能把同种的或不同种的固体材料表面连接在一起的物质统称为胶粘剂。如自行车补胎用的胶水，信封封口用的糨糊等。 胶粘剂的品种很多，组成不一，但一般都包含以下几种组分：基料、固化剂、溶剂、填料以及其他助剂。 随着经济和科学技术的发展，胶粘剂需求量愈来愈大，并已进入工业、农业、交通、医学、国防以及人们日常生活各个领域，在国民经济中发挥愈来愈大的作用。,六、 胶 粘 剂,胶粘剂的种类 溶剂型胶粘剂：如市售的“白胶”，广泛应用于家庭装潢和木材的粘接；再