國培-張磊.ppt

1、高分子材料應用與發(fā)展,材料系：張 磊 2014.10.09,1493年哥倫布第二次探險美洲時，看到印第安人拿一種黑色的球在玩，球落地后彈起很高，還有許多用膠制成的鞋子、瓶子等物品。,這些物品其實是橡膠樹的分泌物（“膠乳”）經凝固、干燥等步驟處理而成。此后，西班牙和葡萄牙在征服墨西哥和南美洲的過程中，將橡膠知識陸續(xù)帶到了歐洲。,1819年蘇格蘭化學家馬金托希發(fā)現(xiàn)橡膠能被煤焦油溶解。后來，他把濃稠的橡膠液體涂抹在布上，制成防雨布，并縫制了“馬金托?！蹦z布雨衣。 1820年，世界上第一個橡膠工廠于在英國格拉斯哥建立，人們還試圖用橡膠制造膠管和膠鞋。,然而，這些產品一旦遇到高溫或經太陽暴曬后就變軟、發(fā)

2、黏，而氣溫低時則變硬、脆裂，從而失去使用價值。,CharlesGoodyear （1800-1860）,1834年夏天，固特異參觀了紐約的印第安橡膠公司，他了解到像膠的這種性質困擾著整個橡膠工業(yè)，決心研究橡膠的改性。 1839年，固特異發(fā)明了橡膠硫化方法，解決了生膠變黏發(fā)脆的問題。 1844年6月14日美國專利局批準了他的專利，但由于硫化技術“太容易”掌握，許多橡膠廠都在無償享受他辛苦換來的成果。 1898年，克伯林把自己創(chuàng)建的輪胎橡膠公司命名為固特異。,木 頭,象 牙,賽璐珞,酚醛樹脂,Hyatt （1837-1920）,1869年，海厄特在硝化纖維中加入樟腦，硝化纖維變成了一種硬而不脆的材

3、料，在熱壓下可成為各種形狀的制品。 1870年，海厄特獲得了賽璐珞的專利權。 1872年，海厄特與其兄弟一起建廠生產賽璐珞，除用于制作臺球外，還用于制作馬車、汽車的風擋和照相膠片，從此開創(chuàng)了塑料工業(yè)的先河 。 1877年，英國開始用賽璐珞生產假象牙和臺球等塑料制品。 后來，海厄特又用賽璐珞制造箱子、紐扣、直尺、乒乓球和眼鏡架等。,1872年，德國化學家拜爾發(fā)現(xiàn)苯酚和醛在酸存在下可生成棕紅色產物。 1909年，美國科學家貝克蘭提出關于酚醛樹脂“加壓、加熱”固化的專利，實現(xiàn)了酚醛樹脂的實用化。合成高分子元年。 1910年，貝克蘭成立Bakelite公司，是世界上第一家生產酚醛樹脂和模塑料的企業(yè)，同

4、時也是世界上第一家生產合成高分子的企業(yè)。,10,但化學家仍不清楚“高分子” 究竟是什么樣的物質！,11,德國化學家，1881年3月23日生于德國Worms； 1920年，在德國化學會會志上發(fā)表劃時代的論著論聚合，提出：“聚合物是由數目巨大的單體小分子通過共價鍵的重復連接而形成的線性長鏈分子” ； 1932年，專著高分子有機化合物問世，標志著高分子科學的誕生； 1943年，創(chuàng)辦高分子化學學報期刊； 1953年，獲諾貝爾化學獎。,斯陶丁格(Staudinger)：,(18811965),卡羅瑟斯(Carothers):,1896年4月27日生于Burlington； 1924年在伊利諾伊大學獲有機

5、化學博士學位，留校任教； 1926年，到哈佛大學講授有機化學； 1928年起，在美國杜邦公司任職， 領導基礎有機化學的研究工作； 1935年發(fā)明尼龍； 1936年當選為美國科學院院士。,(18961937),縮合反應,反應物分子中能參與反應的官能團數稱為官能度。醋酸和乙醇中都只有一個能參與反應的官能團，因此稱為1-1官能度體系。,在有機化學中，醋酸和乙醇的酯化是典型的縮合反應，除了得到主產物醋酸乙酯外，還有副產物水。,只要一種反應物是單官能度物質，無論另一反應物的官能度為多少，都只能得到低分子產物。,二聚體,三聚體,四聚體,聚酯,1930年，卡羅瑟斯用乙二醇和癸二酸縮合制取聚酯，發(fā)現(xiàn)熔融的聚合

6、物可以抽出細絲。,卡羅瑟斯和他的同事們將注意力轉到二元胺與二元羧酸的縮聚反應。,1935年初，卡羅瑟斯決定用戊二胺和癸二酸合成聚酰胺（即聚酰胺510）。,卡羅瑟斯后來又選擇己二胺和己二酸進行縮聚反應，終于在1935年2月28 日合成出聚酰胺66。,由于己二胺易揮發(fā)、己二酸易脫羧，所以反應要采取分步程序：首先在較低溫度（200215）和1.41.7MPa下反應1.52h，至反應程度為0.80.9。然后慢慢升溫至270275，進一步縮聚，同時不斷排氣減壓，最后在2700Pa的減壓條件下完成反應。,卡羅瑟斯采用了遠遠超過進行有機合成一般規(guī)程的方法，在進行高分子縮聚反應時，對反應物的配比要求很嚴格，相

7、差不超過1%，縮聚反應的程度相當徹底，超過99.5%，從而合成出分子量較高的聚合物。,卡羅瑟斯的研究表明，聚合物是一種真正的大分子，可以通過已知的有機反應獲得，參與反應的每個分子都含有兩個或兩個以上的活性基團，這些基團通過共價鍵相互連接，而不是靠一種不確定的力簡單聚集在一起，從而揭示了縮聚反應的規(guī)律。,采用新的催化技術，用廉價的苯酚大量生產出己二酸，隨后又發(fā)明了用己二酸生產己二胺的新工藝。,首創(chuàng)了熔體紡絲新技術，將聚酰胺-66加熱融化，通過噴絲頭噴成細絲，經空氣冷卻后牽伸、定型。,1938年7月完成中試，首次生產出聚酰胺纖維，同月，用聚酰胺-66作牙刷毛的牙刷開始投放市場。,1938年10月2

8、7日，杜邦公司正式宣布世界上第一種合成纖維誕生了，并將聚酰胺-66命名為nylon。,杜邦公司從高聚物的基礎研究開始歷時11年，耗投2200萬美元，有230名專家參加了有關的工作，終于在1939年底尼龍實現(xiàn)了工業(yè)化生產。,尼龍的發(fā)明是從沒有明確應用目的的基礎研究開始，但最終產生了改變人們生活面貌的尼尤產品。它使人們認識到與技術相比科學要走在前頭，與生產相比技術要走在前頭；此后，企業(yè)從事或資助的基礎科研在世界范圍內如雨后春筍般地出現(xiàn)，并促使基礎科研產生的成果更迅速地轉化為生產力。,尼龍-66的性能： 具有熔點高、強度高、耐磨、柔軟、易染色、低摩擦系數、低蠕變、耐溶劑等綜合優(yōu)點，是世界上第二大合成

9、纖維。,尼龍（錦綸）,尼龍-66的用途： 游泳衣、體操裝、襪子、夾克衫、地毯、漁網、睡袋、 繩索和行李包、降落傘、軍用帳蓬 、傳送帶、工業(yè)濾布、安全帶及軍工產品等領域。,滌 綸,滌 綸,對苯二甲酸難以提純，難以控制兩單體等基團數比； 平衡常數小，需要高溫減壓的反應條件。,合成滌綸難點：,酯交換法：,強度高，耐沖擊強度比尼龍高4倍，比粘膠纖維高20倍。 熔點高（255-260），耐熱性好。 耐皺性超過其他纖維，即織物不折皺，尺寸穩(wěn)定性好。 耐磨性好，耐磨性僅次于耐磨性最好的錦綸，比其他天然纖維和合成纖維都好。 耐光性好，耐光性僅次于腈綸。 耐腐蝕，耐漂白劑、氧化劑、烴類、酮類、及無機酸。 分子間

10、缺少親水結構，回潮率低，吸濕性能差。,滌綸性能如下：,用途如下： 服裝、窗簾、地毯、船帆。 在漁業(yè)上是編織漁網的好材料。 也可作汽車輪胎的簾子線。 用于工程塑料或復合材料代替許多金屬。 在國防上可用來制造高空降落傘、軍用織品。 還可以制感光膠片，磁帶基片等。,滌綸、尼龍、腈綸,氨綸、丙綸、維綸、粘膠,第八大“人造纖維”在哪里？,李官奇，生于1946年3月，河南省滑縣老店鎮(zhèn)桑寨村人，高中文化，當過生產隊長。,國務院總理朱镕基、副總理吳儀關注大豆纖維,吳邦國委員長為大豆纖維題詞,河南省省長李成玉關注大豆纖維,滑縣華康實業(yè)有限責任公司董事長兼總工程師，申請各種發(fā)明專利21項，其中12項已獲專利證書。

11、2003年12月獲世界知識產權組織發(fā)明專利金獎和中國知識產權局發(fā)明專利金獎，2006年獲中國發(fā)明協(xié)會“發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎特等獎”并獲“當代發(fā)明家”榮譽稱號，2007年2月獲國家科學技術進步獎。,碳纖維,腈 綸,碳纖維,與腈綸相比，碳纖維性能卓越。比強度和比模量高于鋼鐵、耐腐蝕，抗拉和抗壓性能優(yōu)異。 在國防軍工和民用方面都是重要材料，應用領域包括航空航天、 汽車、 電子、 機械、化工、運動器材等。,結構材料的25%由先進輕質復合材料制造，其中22%為碳、玻璃或者石英纖維增強塑料，3%為首次用于民用飛機的GLARE (玻璃纖維/鋁復合材料)。,結構材料的50%由復合材料構成，整個機身、機翼、尾翼和發(fā)動機艙

12、都采用更輕、更堅固的碳纖維復合材料而不是傳統(tǒng)的鋁合金制作。,Kevlar纖維,Kevlar纖維,性能：全面超越尼龍-66，高比強度（是鋼絲的56倍），高比模量（是鋼絲的23倍），高耐磨、高抗撕裂，分解溫度超過 560 ，在196 至204范圍內可長期使用。 用途：用于飛機、導彈、火箭上的復合材料；制防彈衣、賽馬服、賽車服、游艇帆布、滑雪板、高性能繩索、高性能支撐材料、體育用品（網球、羽毛球拍等）。,PBO纖維,PBO纖維,PBO纖維具有極高的強度和模量，是現(xiàn)有化學纖維中最高的，一根直徑為1毫米的PBO纖維可吊起450千克的重物；耐熱溫度達到600 ，在火焰中不燃燒、不收縮。 性能完全超過Kev

13、lar纖維，被譽為21世紀的超級纖維。,離子交換樹脂,功能高分子材料(Functional polymers),ion exchange resins,離子交換樹脂是指具有離子交換功能的高分子材料。,結構要求： 其骨架或載體是交聯(lián)聚合物，在任何溶劑中都 不能使其溶解，也不能使其熔融。 聚合物鏈上含有可以離子化的功能基。,離子交換樹脂的分類：,強酸型陽離子交換樹脂：,（2）酚醛樹脂型：,方法2：先合成苯酚磺酸，然后與甲醛縮聚。,方法1：甲醛與苯酚縮聚，然后用硫酸磺化酚醛縮聚物。,強堿型陰離子交換樹脂：,1938： 1947： 1952： 1956： 1958： 1960： 1964： 1980：,考入西南聯(lián)大化學系,何炳林（19182007）,赴美留學,在印第安納大學獲博士學位,回國，到南開大學任教,毛主席視察何炳林實驗室,成功研制大孔離子交換樹脂,原子彈爆炸成功,當選中國科學院化學學部委員,1離子交換樹脂在水處理中的應用 （1）水的軟化,離子交換樹脂的應用：,（2）水的脫鹽,2離子交換樹脂在食品工業(yè)中的應用,總陽離子：47.0 1.9 mmol/L； 總陰離子：38.0 1.4mmol/L； pH值：8.7 8.1； 色度：3.5 0.2； 純度：91.6% 99.3%。,甜菜糖漿用H型強酸型陽離