高分子合成材料及应用课件

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1、材料化学- 高分子材料,林志丹,主要内容,高分子材料简介 热塑性和热固性塑料 橡胶 纤维 功能高分子材料 聚合物基复合材料,1. 材料与材料分类 2. 高分子科学的发展 3. 高分子材料在现代化建设中的作用 4. 高分子的合成、结构及性能,高分子材料简介：,1. 什么是材料？ 具有满足指定条件下使用要求的形态和物理性状的物质称为材料。 材料和物质这两个概念，具有不同的函义。 材料总是和一定的应用相联系的。材料可由一种物质或若干种物质构成； 同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可制成用途各异的不同类型的材料。 如：化学组成相同的PP，由于制备方法和成型加工方法的不同，可制成纤维或塑料； 由

2、化学物质或原料转变成适于一定用途的材料，其转变过程称为材料化过程或称为材料工艺过程。,材料的类别: 材料可从不同角度进行分类：,化学组成分类,金属材料 无机材料 有机材料（高分子材料）,物理状态分类,气态 液态 固态,单晶材料 多晶材料 非晶材料 复合材料,作用分类,结构材料 功能材料,使用领域分类,建筑材料、耐火材料 研磨材料、电子材料 耐蚀材料、医用材料等,材料分类,有机无机杂化材料 复合材料,高分子材料 按不同分类方法分类 按来源：天然高分子材料和合成高分子材料 按主链结构：碳链、杂链和元素有机高分子材料 按性能和用途：橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂、功能高分子材料,2.高分子科学的发展

3、,蒙昧时期 19世纪中叶以前无意识地使用高分子材料 棉、麻、羊毛、丝绸、天然橡胶,(2) 萌芽时期 19世纪后期二十世纪初 出现化学改性和人工合成的高分子 橡胶工业：硫化工艺、硬橡胶、橡皮擦 塑料工业：纤维素的硝化和乙酰化、酚醛树脂,1839年，美国人Charles Goodyear发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能。,1869 年，美国的 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)。,1884 年，法国人Count Hilaire de Chardonnet用硝化纤维素

4、的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。,1909 年，美国人贝克兰(Leo Baekeland)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。,(3) 争鸣时期,二十世纪初到三十年代有机化学和胶体化学打压高分子科学,次价键理论占统治地位，认为高分子物质是由小分子的缔合体或大环化合物所组成,天然橡胶,酚醛树脂,1920年，高分子科学创始人： Hermann Staudinger发表了“论聚合”,1932年，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科学作为一门新兴学科建立的标志。,Hermann Staudinger （18

5、81-1965）（德）,(4) 成熟时期,二十世纪三十年代到五十年代 高分子科学学说基本形成,促进了高分子合成工业的发展 进一步提供实验材料,尼龙的诞生,1934年美国化学家W.H.Carothers发明尼龙66，1939年杜邦公司正式投产，引起极大的轰动,40年代后，自由基聚合和缩合聚合理论逐步确立并趋于成熟 在理论指导下，一些重要的聚合物品种相继投产 如：高压聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、有机玻璃、尼龙、涤纶、丁苯橡胶、丁腈橡胶等 70年代后，发展了精细高分子，如高强度高分子、功能高分子、生物医用高分子，向提高产量、改进性能、发展功能等方面发展，提出“高分子设计”目标 20世纪80、90年代

6、后， “新材料革命”蓬勃兴起 21世纪，发展环境友好高分子，不仅包括高分子材料本身，也包括环境友好的制造技术,高分子材料的产量 4070的30年间，每隔10年全世界三大合成材料（塑料、橡胶、纤维）的产量就翻两翻多 7080年代，全世界三大合成材料的产量增加一倍多,塑料的产量以体积计已超过钢铁的产量 合成橡胶的产量为天然橡胶的两倍以上 化学纤维的产量已大大超过天然纤维,三大合成材料,获得诺贝尔奖的高分子科学家,美国高分子科学家布尔（Boor）评论说： 由于H. Staudinger，K. Ziegler， G. Natta， W. H. Carothers，以及P. J. Flory等化学家所做

7、出的成就，为现代高分子化学开创了一个黄金时代。,3. 高分子材料在现代化建设中的作用,高分子材料迅速发展的原因 在工业方面的应用 在农业方面的应用 在医疗卫生方面的应用 在国防和科学技术方面,高分子合成材料迅速发展的原因,高分子合成材料有许多优良性能：比重小、比强度大、弹性高、电绝缘性好、透明、耐热寒、腐蚀及一些特殊性能，可适应多种多样的需求。 以石油、天然气为原料，来源丰富，适合现代化生产，经济效益高，且不受地域、气候的限制，不受自然灾害的影响，如： 一个年产20万吨的合成纤维厂，相当于400万亩高产棉田的产量，或4000万头绵羊一年的产毛量，可织15亿米布。 年产1万吨天然橡胶，需要热带或

8、亚热带土地10万亩，栽种3000万株橡胶树，需要劳力5万个，且栽树到割胶需用68年的时间，只相当于一个150人规模的合成橡胶厂的年产量。,高分子材料在工业方面的应用,在机械工业上 大量用来制造轴承、齿轮、阀门、导线、密封环、压缩环、叶片和各种泵叶等。 可节约钢材和其他金属，而且成本低 1吨塑料大约可以替代45吨有色金属 一台普通塑料注射机，可年产15万件塑料齿轮，相当于一个拥有二十台滚齿机和五台车床齿轮车间的年产量 雷达的金属齿轮改用塑料来制造，工效提高二十倍，成本降低二十倍,在化学工业上 高分子合成材料基本上解决了防腐蚀问题 据统计，全世界每年因腐蚀而损失的钢铁达1亿吨以上 在金属管道、反应

9、器等表面上涂上高分子，就可以防止腐蚀。直接用塑料制成反应器、容器、管道、则防腐效果更佳 在电子、电气工业上 聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等优良绝缘材料被广泛用于发电机、马达、变压器及导线的制造。 有机硅绝缘材料可使电机在180200高温及相对温度为9598%的恶劣条件下运转，使电机使用寿命延长十倍以上，而体积与重量可以缩减40%。,在汽车工业上 汽车工业使用大量的高分子材料 汽车中除了金属，几乎都是高分子材料 一辆轿车，要使用几百公斤高分子 不少高分子都属于增强塑料，如玻璃纤维增强塑料 在建筑工业上 展览厅、体育馆、游泳池、雷达站、战地医院、飞机库等都是用塑料建造 室内的装饰材料，许多都是用高

10、分子材料 天花板、地毯、塑料窗帘、雨阳棚、各种涂料 塑料用在建筑上，不仅可减轻结构重量，提高建筑质量，而且又可以提高装配化程度，缩短施工时间,塑料薄膜 地膜 塑料薄膜用于水稻育秧，据有关单位调查，每亩秧田因防止烂秧可节省种子10斤，则全国二亿二千万亩稻田如都用塑料薄膜育秧，可节省种子22亿斤，相当于一个省稻谷总产量。 塑料大棚 改良土壤 高分子化合物，加到泥土中可使泥土加速熟化。使用脲醛树脂，可改良沙漠 高吸水性的树脂 可作为保水剂，种子涂覆剂，以及改良土壤等,高分子材料在农业上地应用,高分子合成材料具有化学惰性、相容性、无毒、易加工，可以它不仅用于修补、支撑人体器脏，而且具有生物化学功能，可

11、替换人体器脏 人造器官：人工皮、眼球角膜、喉、血管、心脏瓣膜、颅骨和组织粘合剂 整型、整容材料：隆胸、隆鼻（硅橡胶） 骨科固定材料：聚乳酸,高分子材料在医疗卫生上的应用,功能的高分子合成材料具有耐高温、耐辐射、高绝缘、高强度、耐低温及其他的光、电磁性能，所以无论在宇航、导弹、原子能、超音速飞机、大型集成电路以及军事装备轻微化方面缺少不了它 舰艇、潜水艇 火箭发射器，反坦克发射筒，防护具等。聚苯醚玻璃钢可用作175毫米口径大炮的弹头 防弹背心,高分子材料在国防和尖端技术上的应用,4. 高分子的合成、结构及性能,高分子化学 高分子化合物的合成 高分子的反应 高分子物理 高分子的结构：单个分子；聚集

12、态结构 高分子材料的性能：粘弹性、力学性能 高分子的分子运动：联系结构与性能,高分子化合物的合成-聚合反应,按单体和聚合物在组成和结构上发生的变化分类,加聚反应 缩聚反应,连锁聚合 ：绝大多数烯类单体的加聚反应 逐步聚合反应 ：绝大多数缩聚反应和合成聚氨酯的反应,按聚合反应的反应机理和动力学分类,（1）加聚反应：烯类单体，通过打开双键互相联结起来而形成聚合物的反应，其产物称为加聚物。如：,加聚物的组成与单体相同； 聚合物主链由碳链组成，不含官能基团； 加聚物的分子量是单体分子量的整数倍。,特点：,1.按单体和聚合物在组成和结构上发生的变化分类,（2） 缩聚反应：通常是由单体分子的官能团间发生反

13、应，伴随有水、醇等小分子副产物生成，其产物称为缩聚物。如：,特点：,在组成上，缩聚物和其单体不同； 在结构上，缩聚物主链上含官能团，如酰胺键、酯键； 分子量不再是单体分子量的整数倍。,酰胺键,2、按聚合反应的反应机理和动力学分类,（1）连锁聚合 （绝大多数烯类单体的加聚反应）,按聚合的活性中心可分为：,聚合特征： 由链引发、链增长、链终止等基元反应组成，各步反应速率和活化能差别很大 体系始终由单体、高分子量聚合物和微量引发剂组成 分子量随时间没有变化，而转化率随时间而增加,自由基聚合 阴离子聚合 阳离子聚合 配位聚合,整个聚合过程主要由链引发（chain initiation）、链增长（cha

14、in propagation）、链终止（chain termination）三个基元反应组成。,连锁聚合：,链引发,链增长,链终止,+, -,活性中心：,可以是自由基、阳离子和阴离子，它进攻单体的双键，使单体M的键打开，与之加成，形成单体活性种，而后进一步与单体加成，促使链增长。依据活性种的不同，可将烯类单体的聚合反应分为自由基聚合、阳离子聚合和阴离子聚合。,依据单烯CH2=CHX中取代基X电负性次序和聚合倾向的关系排列如下：,电子效应：,连锁聚合特征： 由链引发、链增长、链终止等基元反应组成，各步反应速率和活化能差别很大 体系始终由单体、高分子量聚合物和微量引发剂组成 分子量随时间没有变化，

15、而转化率随时间而增加,阴离子活性聚合,特征： 链增长聚合机理 引发极快、增长较慢、无终止（活性聚合） 聚合物的分子量随单体转化率成线性增加,（2）逐步聚合反应 （绝大多数缩聚反应和合成聚氨酯的反应）,特征： 反应逐步进行，每一步的反应速率和活化能大致相同 反应起始单体很快聚合成二聚体、三聚体等低聚物，短期转化率很高，低聚物之间可继续反应，分子量缓慢增加 体系由单体和分子量递增的一系列中间产物所组成,涤纶（PET)的合成 n HOOC-Ph-COOH + n HOCH2CH2OH,H-(ORO-OC-Ph-CO)n-OH + (2n-1) H2O,聚乙二醇的合成 n HOCH2CH2OH,H-(

16、OCH2CH2)n-OH + (n-1) H2O,尼龙-66的合成 n H2N(CH2)6NH2 + n HOOC(CH2)4COOH,H-HN(CH2)6NH-OC(CH2)4CO)n-OH + (2n-1) H2O,聚硅氧烷化反应 n HO-SiR1R2-OH + n HO-SiR1R2-OH,H-(OSiR1R2-OSiR1R2)n-OH + (2n-1) H2O,图1 分子量转化率关系 1-自由基聚合；2-阴离子活性聚合；3-缩聚反应,不同聚合反应制备的聚合物的分子量和转化率关系比较：,聚合方法:,逐步聚合方法,本体聚合 溶液聚合 悬浮聚合 乳液聚合 超临界CO2聚合,熔融缩聚 溶液缩聚 界面缩聚 超临界CO2缩聚,自由基聚合方法,高分子结构与性能,研究高分子结构的意义 结构是对材料性能有着决定性影响的因素 高分子材料的物理性能是分子运动的反映，结构是了解分子运动的基础,意义：在于了解高分子分子内和分子间相互作用的本质，即通过对分子运动的理解建立结构与性能间的内在联系，掌握结构