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1、材料科学与工程导论,高分子材料科学,2000年，世界合成高分子材料的年总产量已达到2亿吨。其中塑料1.63亿吨，合成橡胶0.11亿吨，合成纤维0.28亿吨。 高分子科学既是一门基础学科，又是一门应用科学，主要由高分子化学、高分子物理、高分子材料和高分子工艺四个学科分支组成。,多种多样的高分子材料,防 弹 衣,高比强度的降洛伞绳索,什么是高分子？,高分子的含义 分子量很大（104107，甚至更大）。 分子似“一条链”，由许多相同的结构单元组成。 以共价键的形式重复连接而成。,与小分子比较 分子量不确定，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物； 没有固定熔点，只有一段宽的温度范围； 分子间力
2、很大，没有沸点，加热到2000C3000C以上，材料破坏（降解或交联）。,高分子材料分类,按材料来源分类 天然高分子 合成高分子 按材料性能和用途分类 塑料 橡胶 （称为三大合成材料） 纤维 涂料 粘合剂 功能高分子,通用高分子材料,塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料 全世界产量1亿多吨 塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等 合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占60% 合成纤维主要品种有：涤纶（PET）、尼龙、聚丙烯腈、聚丙烯等 合成纤维、天然纤维、人造纤维比例为2 3 1,工程塑料,性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好。 主要有：尼龙（聚酰胺）、
3、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、饱和聚酯（PET、PBT）等,表 三大高分子材料的比较,材料应力应变曲线,按结构单元的化学组成分类,1. 碳链高分子 主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得 如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯,聚乙烯,2. 杂链高分子 主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等,涤纶,3. 元素有机高分子 主链中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素与O组成，其侧链为有机基团； 兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高
4、耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。,硅橡胶,4. 无机高分子 主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解。,二硫化硅,聚二氯一氮化磷,高分子材料形成过程,简单流程如下：,热塑性塑料：受热后软化，冷却后又变硬，可重复循环。 热固性塑料：由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。 优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形加工等； 缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，大多数品种易燃，耐热性差。,热塑性与热固性,图 热塑性a、b和热固性c聚合物的形
5、态特征,在室温下，为什么有些高分子材料柔软而另外一些刚硬？,聚合物分子运动特点,聚合物分子运动具有多重性。 运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子等。 运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链或链节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的重心位移等。 聚合物分子运动具有明显的松弛特性。 具有时间依赖性的过程称为松弛过程。 分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，提高温度和延长时间具有相同的效果，这称为时-温等效原理，或时-温转化效应。,力学状态,玻璃态 链段运动处于“冻结”状态，模量高形变小。具有虎克弹性行为，质硬而脆。 高弹态 链段运动已充分发展。在较小应力下，即可迅速发生很大
6、的形变，除去外力后，形变可迅速恢复。 粘流态 由于链段的剧烈运动，整个大分子链重心发生相对位移，产生不可逆位移即粘性流动。 交联聚合物无粘流态存在,玻璃化转变,聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之间的转变。从分子运动的角度看，玻璃化温度Tg是大分子链段开始运动的温度。 玻璃化转变是一个松弛过程。 在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力减小等结构因素，都使Tg下降。,高分子材料发展简史,天然高分子的利用 天然高分子改性 天然橡胶硫化（1839年） 硝化纤维赛璐珞（1868年） 粘胶纤维（18931898年） 合成高分子 20世纪初，出现了酚醛树脂 1
7、920年，Staudinger提出高分子概念 30年代、40年代，飞速发展 70年代，特种性能的高分子,创立高分子化学的施陶丁格 Hermann Staudinger 1881一1965,The Nobel Prize in Chemistry 1953,“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”,2000年化学奖授予了黑格(A. J. Heeger，美国)、马克迪尔米德(A. G. MacDiarmid，美国)和白川英树(H. ShiraKawa，日本) 三人，他们发现了导电聚合物。,A.J.Heeger(美国
8、),A.G.Macdiarmid (美国),H.ShiraKawa (日本),几种典型的高分子材料,聚乙烯制品,聚乙烯（PE）,聚乙烯从1939年开始工业化生产，是目前产量最大，应用最广泛的品种。 低密度聚乙烯（LDPE） 在各种聚乙烯中产量最大，主要用于生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大鹏膜等）；约10%用于生产注塑用品。 线型低密度聚乙烯（LLDPE） 主要用于生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。还用于生产扁丝，制造编织袋。,高密度聚乙烯 注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。 中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装瓶等。 薄膜制品（约占20%）：大量用于食品包装。 聚乙烯
9、管材 应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。 质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，铺设费用低。,给水用HDPE管,超高分子量聚乙烯（UHMWPE）可作为工程塑料 在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域得到重要应用。 具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗磨损、不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑板、储罐衬里等。,聚乙烯生产线,聚氯乙烯（PVC）,PS保温板,PS光纤,聚苯乙烯（PS）,氟塑料,是各种含氟塑料的总称。 聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦公司投产。有“塑料王”之称。 是高结晶度聚合物，无熔融态，分
10、解温度400 ，可在260 以下长期下使用，耐低温达-200 ，力学性能优异。光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐王水及沸腾的氢氟酸。具有塑料中最好的电绝缘性能。 广泛用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、电绝缘等。,纤维,涤纶 尼龙（锦纶） 聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛）,高分子材料应用极为广泛！ 讨论： 也请同学们举一些例子。 想象一下现代生活如果没有高分子材料，如何？,保鲜膜,性能要求 保鲜、保洁、自粘 安全、无毒 市场上的保鲜膜 聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯乙烯及其他材质 聚氯乙烯（PVC）保鲜膜存在的问题,聚合物光盘基片,性能要
11、求 高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变形温度，较好的机械性能和加工性能、低的双折射和成本等。 主要材料： 聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、改性双酚A环氧树脂、非晶态聚烯烃等,功能高分子材料,医用高分子 导电高聚物 液晶高分子 智能聚合物 高吸水性树脂等等,生物（医用）高分子,医用高分子 人工生体软组织 人工生体硬组织 药用高分子 高分子药物 高分子载药体系 医疗器械与诊断材料,医用高分子材料,医用修复材料 龋齿密封材料、外科缝合线、高分子绷托 眼球人工玻璃体 隐形眼镜 人工脏器 人造皮肤、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人工肺、肾、肝、心脏等等。 在美国，每年有几百万件人工器件或修
12、复材料植入病人体内。,导电高聚物,共轭结构,-CH=CH-CH=CH-CH=CH-,导电高聚物应用前景,二次电池、太阳能电池 传感器 电磁屏蔽材料 隐身材料 金属防腐,B-2 Bomber (American),F-117A Fighter (American),A stealth ship,A stealth ship,液晶高分子材料,强度和模量极高 液晶概念 既具有液体的流动性，又有晶体的各向异性。 应用 防弹背心 火箭发动机外壳、导弹壳体 阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳、直升飞机吊绳、人造卫星电子部件等等。,为什么液晶高分子的强度极高？ 为什么尼龙的强度高于普通的高分子材料？,高聚物的分子间作用力,范德华力 氢键 用内聚能或内聚能密度来表征分子间作用力的大小 橡胶内聚能密度小于334.94J/cm3 纤维内聚能密度大于418.68J/cm3,聚合物分离膜,超滤膜 污水处理 食品浓缩、灭菌 药物精制、浓缩，血液过滤等 反渗透膜 大规模海水和苦咸水的淡化 制备医药、电子工业用无菌、去离子和超纯水 气体分离膜等等,高分子材料的可持续性发展,废弃物的环境污染 可降解聚合物 部分降解 完全降解 回收利用技术,展望,环境协调性发展 传统材料提高生产效率 材料的复合、合金化技术 新功能材料的开发 分子设计,
