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高分子材料概述 主要內(nèi)容 第一節(jié)材料和高分子材料 1 第二節(jié)高分子材料分類 2 第三節(jié)高分子材料的相關(guān)概念 術(shù)語 3 第四節(jié)高分子材料的性能 4 2 第五節(jié)高分子材料的研究方法 第一節(jié)材料和高分子材料 材料 能源和信息作為科學(xué)技術(shù)的三大支柱促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展 材料是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ) 是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平 經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人民生活水平的重要標(biāo)志 也是一個(gè)時(shí)代的重要標(biāo)志 人類社會(huì)發(fā)展史回顧 人類社會(huì)的發(fā)展史就是一部材料的發(fā)展史 第一節(jié)材料和高分子材料 金屬材料 無機(jī)非金屬材料 有機(jī)高分子材料 材料分為三大類 第一節(jié)材料和高分子材料 金屬材料 長(zhǎng)盛不衰從神秘的形狀記憶合金到未來能源材料之星 儲(chǔ)氫合金古老的陶瓷 舊貌換新顏從一個(gè)古老的材料王國(guó)到現(xiàn)代無機(jī)材料的再度輝煌 威力無比的先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷到奇妙無窮的功能陶瓷 年輕的高分子材料 千姿百態(tài)20世紀(jì)新興的材料王國(guó) 現(xiàn)代生活的高分子材料功能高分子各顯神通先進(jìn)的復(fù)合材料 巧奪天工新型功能材料 人類文明進(jìn)步的階梯生物材料 信息材料 環(huán)境材料 納米材料 能源和智能材料 第一節(jié)材料和高分子材料 現(xiàn)代生活中的高分子材料 普通塑料 第一節(jié)材料和高分子材料 現(xiàn)代生活中的高分子材料 工程塑料 第一節(jié)材料和高分子材料 現(xiàn)代生活中的高分子材料 橡膠 第一節(jié)材料和高分子材料 現(xiàn)代生活中的高分子材料 纖維 第一節(jié)材料和高分子材料 高分子材料在高科技領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 第一節(jié)材料和高分子材料 高分子的概念始于20世紀(jì)20年代 但應(yīng)用更早 1839年 美國(guó)人Goodyear發(fā)明硫化橡膠 1868年 英國(guó)科學(xué)家Parks用硝化纖維素與樟腦混合制得賽璐珞 1893年 法國(guó)人DeChardonnet發(fā)明粘膠纖維 1907年 第一個(gè)合成高分子 酚醛樹脂誕生 1920年 德國(guó)人Staudinger發(fā)表了 論聚合 的論文 提出了高分子的概念 并預(yù)測(cè)了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的結(jié)構(gòu) 1953年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 高分子材料發(fā)展簡(jiǎn)史 橡樹之淚 第一節(jié)材料和高分子材料 1935年 Carothers發(fā)明尼龍66 1938年工業(yè)化 30年代 許多烯烴類加聚物被開發(fā)出來 PVC PMMA PS PVAc LDPE 40年代 二次大戰(zhàn)促進(jìn)了高分子材料的發(fā)展 一大批重要的橡膠和塑料被合成出來 丁苯橡膠 丁腈橡膠 丁基橡膠 有機(jī)氟材料 滌綸樹脂 ABS ABS樹脂 丙烯腈 苯乙烯 丁二烯共聚物 ABS是AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母縮寫 是一種強(qiáng)度高 韌性好 易于加工成型的熱塑型高分子材料 高分子材料發(fā)展簡(jiǎn)史 第一節(jié)材料和高分子材料 50年代 Ziegler和Natta發(fā)明配位聚合催化劑 制得高密度PE和有規(guī)PP 低級(jí)烯烴得到利用 1963年 Ziegler和Natta分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1956年 美國(guó)人Szwarc發(fā)明活性陰離子聚合 開創(chuàng)了高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先河 50年后期至60年代 大量高分子工程材料問世 聚甲醛 1956 聚碳酸酯 1957 聚砜 1965 聚苯醚 1964 聚酰亞胺 1962 高分子材料發(fā)展簡(jiǎn)史 第一節(jié)材料和高分子材料 60年代以后 特種高分子和功能高分子得到發(fā)展 特種高分子 高模量高強(qiáng)度 耐高低溫 耐輻射 高頻絕緣 半導(dǎo)體等 功能高分子 分離材料 離子交換樹脂 分離膜等 導(dǎo)電高分子 感光高分子 高分子催化劑 高吸水性樹脂 醫(yī)用高分子 藥用高分子 高分子液晶等 80年代后 新結(jié)構(gòu)的聚合物有 新型嵌段共聚物 新型接枝共聚物 星狀聚合物 樹枝狀聚合物 超支化聚合物 含富勒烯 C60 聚合物等等 高分子材料發(fā)展簡(jiǎn)史 為表彰在導(dǎo)電高分子的發(fā)展方面所作的貢獻(xiàn) 2000年 日本科學(xué)家白川英樹 H Shirakawa 美國(guó)科學(xué)家黑格 A J Heeger 和麥克迪爾米德 A G MacDiarmid 分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) Fromfossilfuelbasedpolymerintroductions Slidebasedon 1881年3月23日生于德國(guó)萊因蘭 法耳次州的沃爾姆斯 1907年畢業(yè)于施特拉斯堡大學(xué) 獲博士學(xué)位 同年聘為卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)副教授 1912年于蘇黎世工業(yè)大學(xué)任為化學(xué)教授 1920年 發(fā)表 論聚合反應(yīng) 的論文 提出高分子的概念 1932年 出版劃時(shí)代的巨著 高分子有機(jī)化合物 1953年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1965年9月8日在弗賴堡逝世 終年84歲 第一節(jié)材料和高分子材料 施陶丁格爾小傳 HermannStaudinger 1881 1965 KarlZiegler 1903 1979 GiulioNatta 1898 1973 K Ziegler 德國(guó) G Natta 意大利 1963年諾貝爾獎(jiǎng)得主 第一節(jié)材料和高分子材料 50年代 Ziegler和Natta發(fā)明配位聚合催化劑 制得高密度PE和有規(guī)PP 低級(jí)烯烴得到利用 Ziegler和Natta創(chuàng)造了聚烯烴塑料的新紀(jì)元 第一節(jié)材料和高分子材料 P J PaulJohnFlory 1910 1985 美國(guó)高分子科學(xué)家 1934年在俄亥俄州州立大學(xué)獲物理化學(xué)博士學(xué)位 后任職于杜邦公司 進(jìn)行高分子基礎(chǔ)理論研究 1948年在康奈爾大學(xué)任教授 1957年任梅隆科學(xué)研究所執(zhí)行所長(zhǎng) 1961年任斯坦福大學(xué)化學(xué)系教授 1975年退休 1953年當(dāng)選為美國(guó)科學(xué)院院士 弗洛里在高分子物理化學(xué)方面的貢獻(xiàn) 幾乎遍及各個(gè)領(lǐng)域 他是實(shí)驗(yàn)家又是理論家 是高分子科學(xué)理論的主要開拓者和奠基人之一 1974年諾貝爾獎(jiǎng) forhisfundamentalachievements boththeoreticalandexperimental inthephysicalchemistryofthemacromolecules 第一節(jié)材料和高分子材料 2000年諾貝爾獎(jiǎng)得主 H Shirakawa白川英樹 日本 AlanG MacDiarmid 美國(guó) AlanJ Heeger 美國(guó) 對(duì)導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展 2005NobelChemistryPrize Grubbs Schrock AFranceScientistinIndustryContribution MAOcatalysts 第一節(jié)材料和高分子材料 我國(guó)近代高分子科學(xué)的發(fā)展 我國(guó)高分子研究起步于50年代初 唐敖慶于1951年 發(fā)表了首篇高分子科學(xué)論文 長(zhǎng)春應(yīng)化所1950年開始合成橡膠工作 王佛松 沈之荃 馮新德50年代在北京大學(xué)開設(shè)高分子化學(xué)專業(yè) 何炳林50年代中期在南開大學(xué)開展了離子交換樹脂的研究 錢人元于1952年在應(yīng)化所建立了高分子物理研究組 開展了高分子溶液性質(zhì)研究 錢保功50年代初在應(yīng)化所開始了高聚物粘彈性和輻射化學(xué)的研究 徐僖先生50年初成都工學(xué)院 四川大學(xué) 開創(chuàng)了塑料工程專業(yè) 王葆仁先生1952年上海有機(jī)所建立了PMMA PA6研究組 高分子科學(xué) 高分子科學(xué) 研究高分子化合物合成 改性 高分子及其聚集態(tài)的結(jié)構(gòu) 性能 聚合物的成型加工等內(nèi)容的一門綜合性學(xué)科 包括高分子化學(xué) 高分子物理 高分子工程幾個(gè)領(lǐng)域 高分子化學(xué) 有機(jī)化學(xué) 物理化學(xué) 聚合反應(yīng)工程 聚合物成型加工 材料力學(xué)流體力學(xué) 無機(jī)化學(xué) 分析化學(xué) 物理 高分子科學(xué) 高分子工程 高分子科學(xué)及相關(guān)學(xué)科 高分子物理 高分子化學(xué) 高分子物理和高分子工藝學(xué)構(gòu)成了一個(gè)完整的體系 基本理論已經(jīng)形成 研究方法已經(jīng)建立 成為高分子材料的開發(fā) 生產(chǎn)和應(yīng)用的基石 第一節(jié)材料和高分子材料 高分子材料的應(yīng)用 高分子材料遍及各行各業(yè) 各個(gè)領(lǐng)域 包裝 農(nóng)林牧漁 建筑 電子電氣 交通運(yùn)輸 家庭日用 機(jī)械 化工 紡織 醫(yī)療衛(wèi)生 玩具 文教辦公 家具等等 農(nóng)用塑料 薄膜 灌溉用管 建筑工業(yè) 給排水管PVC HDPE 塑料門窗 涂料油漆 復(fù)合地板 家具人造木材 地板 PVC天花板 包裝工業(yè) 塑料薄膜 PE PP PS PET PA等 中空容器 PET PE PP等 泡沫塑料 PE PU等 汽車工業(yè) 塑料件 儀表盤 保險(xiǎn)機(jī) 油箱內(nèi)飾件 坐墊等 軍工工業(yè) 飛機(jī)和火箭固體燃料 低聚物 復(fù)合纖維等 高分子材料的應(yīng)用 第一節(jié)材料和高分子材料 電氣工業(yè) 絕緣材料 導(dǎo)熱性 電阻率 等 導(dǎo)電高分子 電子 通訊光纖 電纜 電線 光盤 手機(jī) 電話 家用電器 外殼 內(nèi)膽 電視 電腦 空調(diào) 等 醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用 人工心臟 人工臟器 人工腎 PU 人工肌肉 輸液管 人工肌肉 輸液管 血袋 注射器 可溶縫合線等 防腐工程 耐腐蝕性 防腐結(jié)構(gòu)材料 如水管閥門 PTFE 230 260 長(zhǎng)期工作 適合溫度高腐蝕嚴(yán)重的產(chǎn)品 功能高分子 離子交換樹脂 高分子分離膜 高吸水性樹脂 光刻膠 感光樹脂 醫(yī)用高分子 液晶高分子 高導(dǎo)電高分子 電致發(fā)光高分子等 高分子材料的應(yīng)用 第二節(jié)高分子材料的分類 天然高分子材料 改性的天然高分子材料 合成高分子材料 一按來源分 改性合成高分子材料 為了獲得具有各種實(shí)用性能或改善其成型加工性能 除基本組分聚合物之外 還要添加各種添加劑 因此嚴(yán)格地說 高分子化合物與高分子材料的涵義是不同的 第二節(jié)高分子材料的分類 碳鏈聚合物 指高分子化合物的的主鏈完全由碳原子組成 絕大部分聚烯烴及其衍生物都屬于此類 雜鏈聚合物 雜鏈聚合物是指大分子主鏈中除了碳原子外 還有氧 氮 硫等雜原子 常見的雜環(huán)聚合物有聚醚 聚酯 聚酰胺 聚脲 聚硫橡膠 聚砜等 元素有機(jī)聚合物 指大分子主鏈中沒有碳原子 主要由硅 硼 鋁 氧 硫 磷等原子組成 典型的例子是有機(jī)硅橡膠 二按主鏈結(jié)構(gòu)分 材料的組成及各成分之間的配比從根本上保證了制品的性能 作為主要成分的高分子化合物對(duì)制品的性能起主宰作用 第二節(jié)高分子材料的分類 重要的碳鏈化合物 第二節(jié)高分子材料的分類 重要的雜鏈化合物 第二節(jié)高分子材料的分類 典型的元素有機(jī)聚合物 有機(jī)硅 聚甲基硅氧烷 第二節(jié)高分子材料的分類 三按用途分 涂料 粘合劑 復(fù)合材料 纖維 塑料 橡膠 實(shí)際上 按用途分才是真正把高分子材料從材料的角度進(jìn)行分類的一種方法 第二節(jié)高分子材料的分類 功能高分子材料 高分子信息轉(zhuǎn)換材料 高分子透明材料 高分子模擬酶 醫(yī)用 藥用高分子材料 高分子記憶材料 生物降解高分子材料 功能高分子材料除具有聚合物的一般力學(xué)性能 絕緣性能和熱性能外 還具有物質(zhì) 能量和信息的轉(zhuǎn)換 傳遞和儲(chǔ)存 生物性能等等特殊功能 已實(shí)用的有高分子信息轉(zhuǎn)換材料 高分子透明材料 高分子模擬酶 生物降解高分子材料 高分子形狀記憶材料和醫(yī)用 藥用高分子材料 按用途分又分為 功能高分子材料 普通高分子材料 第二節(jié)高分子材料的分類 四按受熱后形態(tài)變化分類 熱塑性高分子在受熱后會(huì)從固體狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài) 這種轉(zhuǎn)變理論上可重復(fù)無窮多次 或者說 熱塑性高分子是可以再生的 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯和滌綸樹脂等均為熱塑性高分子 熱塑性高分子 熱固性高分子在受熱后先轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài) 進(jìn)一步加熱則轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài) 這種轉(zhuǎn)變是不可逆的 換言之 熱固性高分子是不可再生的 能通過加入固化劑使流體狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀的高分子 也稱為熱固性高分子 典型的熱固性高分子如 酚醛樹脂 環(huán)氧樹脂 氨基樹脂 不飽和聚酯 聚氨酯 硫化橡膠等 熱固性高分子 第三節(jié)高分子材料的相關(guān)概念 術(shù)語 1 2 3 4 通用塑料 工程塑料 熱塑性塑料 指產(chǎn)量大 價(jià)格便宜 力學(xué)性能一般 主要作為非結(jié)構(gòu)材料使用的一類塑料 指可以作為結(jié)構(gòu)材料使用 具有優(yōu)異的力學(xué)性能 耐熱性能 耐磨性能和良好的尺寸穩(wěn)定性的一類塑料 指在特定的溫度范圍內(nèi) 具有可反復(fù)加熱軟化 冷卻硬化特性的塑料品種 熱固性塑料 指在特定的溫度下加熱或通過固化劑可發(fā)生交聯(lián)反應(yīng) 變成既不熔融 也不溶解的塑料制品的塑料品種 第三節(jié)高分子材料的相關(guān)概念 術(shù)語 5 用化學(xué)合成方法生產(chǎn)出的一種與天然樹脂類似的高分子化合物 是一種新型的合成材料 如果一合成樹脂為基料 加上各種助劑 記過加工 即可制成具有一定特性的可塑材料 通常稱為 塑料 6 有合成的高分子化合物制成的纖維 如聚酯纖維 滌綸 聚酰胺纖維 棉綸 聚丙烯晴纖維 晴綸 7 以天然高聚物為原料 經(jīng)過化學(xué)處理與機(jī)械加工制成的纖維 其中以含有纖維素的物質(zhì)如棉短絨 木材為原料的 稱為纖維素纖維 以蛋白質(zhì)為預(yù)料的 稱為蛋白質(zhì)纖維 8 在一定溫度下 熔融狀態(tài)的高聚物在一定負(fù)荷下 10min內(nèi)從規(guī)定直徑和長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管中流出的質(zhì)量 也稱熔體指數(shù) 合成樹脂 合成纖維 人造纖維 熔體流動(dòng)速率 第三節(jié)高分子材料的相關(guān)概念 術(shù)語 生膠 再生膠 硫化 塑化 9 10 11 12 天然的或合成的高分子化合物經(jīng)過化學(xué)處理或加工制成濃縮膠乳或干膠 前者直接用于乳膠制品 后者即為橡膠制品中的生膠 用過的硫化橡膠經(jīng)過化學(xué) 熱 機(jī)械加工處理后所制得的 具有一定的可塑性 可重新硫化的橡膠材料 再生膠可部分代替生膠使用 膠料在一定條件下 橡膠大分子由線型機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)過程 指塑料在加工設(shè)備內(nèi)經(jīng)過加熱達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)經(jīng)具有良好的可塑性 第三節(jié)高分子材料的相關(guān)概念 術(shù)語 13 14 15 16 微孔高分子材料 復(fù)合材料 門尼粘度 指內(nèi)部具有大量微小氣孔的一類高分子材料 以樹脂為基體的稱為泡沫塑料 以生膠或膠乳為基體的稱為泡沫橡膠 俗稱為海綿橡膠 由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì) 用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ńM合起來 得到的具有復(fù)合效應(yīng)的多相固態(tài)材料 指膠料在模腔內(nèi)對(duì)粘度計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的剪切阻力 捻度 指將拉細(xì)的纖維或幾根纖維相互抱合在一起 在特定的加捻機(jī)上進(jìn)行 這種工藝過程叫加捻 加捻的程度叫捻度 即纖維每米長(zhǎng)度上的捻回?cái)?shù) 捻形的方向有你S形和Z形之分 第三節(jié)高分子材料的相關(guān)概念 術(shù)語 熔融紡絲 溶液紡絲 濕法紡絲 干法紡絲 第三節(jié)高分子材料的相關(guān)概念 術(shù)語 21 22 23 24 聚合物共混 界面 疲勞破壞 指兩種或兩種以上聚合物經(jīng)混合制成宏觀均勻的材料過程 是聚合物改姓最為簡(jiǎn)便而且有效的方法 指基體與增強(qiáng)劑或填料之間化學(xué)成分有顯著的變化 構(gòu)成彼此結(jié)合的 能其負(fù)載傳遞作用的微小區(qū)域 指材料在交變負(fù)載的作用下 獨(dú)漸形成裂縫 并不斷擴(kuò)大引起的低應(yīng)力破壞 線密度 表示纖維粗細(xì)的程度 1000m長(zhǎng)纖維質(zhì)量的克數(shù)作為線密度的單位 名稱 特克絲 單位符號(hào)為tex 第四節(jié)高分子材料的性能 高分子材料的力學(xué)性能 一 高分子材料的物理性能 2 高分子材料的化學(xué)性能 三 4 二 高分子溶液 主要內(nèi)容 高分子材料應(yīng)用如此廣泛的一個(gè)很重要的原因 是高分子材料具有其它材料所不可比擬的性能 第四節(jié)高分子材料的性能 一高分子材料的力學(xué)性能 1基本指標(biāo) 2高彈性能 3粘彈性 5力學(xué)強(qiáng)度 4力學(xué)屈服 6摩擦與磨損 7疲勞強(qiáng)度 8蠕變 9應(yīng)力馳豫 應(yīng)力與應(yīng)變 彈性模量 硬度 強(qiáng)度 拉伸強(qiáng)度 彎曲強(qiáng)度 沖擊強(qiáng)度 動(dòng)態(tài)粘彈性 靜態(tài)粘彈性 對(duì)大多數(shù)高分材料來說 力學(xué)性能是最總有的性能指標(biāo) 聚合物的力學(xué)性能是有結(jié)構(gòu)特性所決定的 第五節(jié)高分子材料的研究方法 高分子材料結(jié)構(gòu)的測(cè)定方法 高分子材料的結(jié)構(gòu)是材料物理性能和力學(xué)性能的基礎(chǔ) 所以人們了解高分子材料的微觀結(jié)構(gòu) 亞微觀結(jié)構(gòu) 宏觀結(jié)構(gòu)等不同層次的形態(tài)和聚集態(tài)是必不可少的 高分子鏈結(jié)構(gòu)的測(cè)定 高分子鏈的結(jié)構(gòu)測(cè)定包括分析鑒別聚合物 定量測(cè)定和定性分析聚合物的鏈結(jié)構(gòu) 研究高聚物的反應(yīng) 高聚物的支化結(jié)構(gòu)和取向結(jié)構(gòu)等 常用的研究?jī)x器有 大角X射線衍射法 電子衍射法 中心散射法 裂解色譜 質(zhì)譜法 紫外吸收光譜 紅外吸收光譜 拉曼光譜 微波分光法 熒光光譜 電子能譜法等 高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的測(cè)定 高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的測(cè)定主要包括高分子結(jié)晶狀態(tài) 溶液中聚合物的狀態(tài) 共混物和共混物的片層結(jié)構(gòu)等 常用儀器有 小角X射線散射法 電子衍射法 核磁共振吸收 紅外吸收光譜 示差掃描量熱儀 電子顯微鏡 光學(xué)顯微鏡 原子力顯微鏡等 高分子鏈的整體結(jié)構(gòu)測(cè)定 高分子鏈整體結(jié)構(gòu)測(cè)定包括四部分 分子量的測(cè)定 分子量分布的測(cè)定 支化度的測(cè)定 交聯(lián)度的測(cè)定 分子量的測(cè)定可采用溶液光散射