石油大學(xué)聚合物加工第一章

聚合物加工工藝學(xué)

(PrinciplesofPolymerMaterialsProcessing)

1本課程的任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)：1、高分子材料的根本概念及其成型和后加工的根本原理；

2、熟悉工藝條件與高分子材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；3、為今后在高分子材料領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)打下良好的理論根底。2與本課程密切相關(guān)的先修課程及預(yù)備知識(shí)先修課程：物理化學(xué)高分子化學(xué)高分子物理高等數(shù)學(xué)等預(yù)備知識(shí)：高分子結(jié)構(gòu)高分子溶液熱力學(xué)高聚物分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)高聚物的粘彈性與應(yīng)力松弛微積分3課程內(nèi)容與考試相關(guān)本課程40學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)，上課34學(xué)時(shí)閉卷考試工，考試總成績(jī)=期末成績(jī)(70%)+平時(shí)(10%)+作業(yè)(10%)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)(10%)點(diǎn)名五次，一次2分，共10分作業(yè)五次，一次2分，共10分規(guī)定：三次點(diǎn)名不到或三次作業(yè)不交，不準(zhǔn)參加考試4

本課程的主要內(nèi)容緒論聚合物流體的制備聚合物的共混聚合物流體的流變性塑料成型加工原理橡膠成型加工原理化學(xué)纖維成型加工原理5教材《高分子材料加工原理〔第二版〕》

沈新元主編中國(guó)紡織出版社

2023年高等教育精品教材6主要參考書(shū)

①《高分子材料成型加工原理》

王貴恒主編，化學(xué)工業(yè)出版社②《高分子材料成型加工》

周達(dá)飛編，中國(guó)輕工業(yè)出版社③《聚合物加工原理》

Z.塔德莫爾編，化學(xué)工業(yè)出版社④《PolymerProcessingFundamentals》

EditbyTimA.Osswald,HanserPublishers

7①《高分子學(xué)報(bào)》②《高分子材料科學(xué)與工程》③《合成纖維》④《橡膠工業(yè)》⑤《中國(guó)塑料》⑥《合成橡膠工業(yè)》⑦JournalofAppliedPolymerScience⑧Polymer相關(guān)雜志8中國(guó)聚合物網(wǎng)小木蟲(chóng)高分子學(xué)科版:///bbs/forumdisplay.php?fid=236例子—新進(jìn)展荷蘭科學(xué)家用高分子材料仿制世界首個(gè)真核細(xì)胞〔〕真核細(xì)胞指的是具有完整細(xì)胞核的細(xì)胞，這意味著所有的復(fù)雜生命形式都建立在真核細(xì)胞的根底上。細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行著很多小規(guī)模的高效化學(xué)反響，這些反響是人工實(shí)驗(yàn)難以模擬的。該研究小組用一滴水作為根底結(jié)構(gòu)，往里面參加裝有酶的聚苯乙烯球，模仿關(guān)鍵成分，然后用聚丁二烯高分子聚合物模擬細(xì)胞壁，構(gòu)建出一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。這個(gè)人造細(xì)胞就像真的一樣，可以分步進(jìn)行化學(xué)反響。他們成功使它在黑暗中發(fā)光，證實(shí)了這個(gè)模擬概念。這個(gè)成果將對(duì)生物化學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響，可能引發(fā)人造光合作用和生物燃料生產(chǎn)的一場(chǎng)技術(shù)革命。第一章緒論第一節(jié)

高分子材料的根本概念和主要品種

10高分子材料111.1.概述問(wèn)題1.什么是高分子？(復(fù)習(xí))2.什么是高分子材料？3.什么是高分子材料加工？121.高分子(高分子化合物、大分子、聚合物)

(macromoleculecompound,macromolecule,polymer)由眾多原子或原子團(tuán)主要以共價(jià)鍵結(jié)合而成的分子量在一萬(wàn)以上的化合物。

高分子(大分子)與聚合物的區(qū)別?1.2.根本概念132.高分子材料(PolymerMaterials〕“高分子材料〞和“高分子〞的區(qū)別。高分子材料是以高分子為基體組分的材料。高分子材料是組成相當(dāng)復(fù)雜的一種體系。從應(yīng)用的角度高分子材料分為為塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑、聚合物基復(fù)合材料等。不同類(lèi)型的高分子材料可能需要不同的添加成分。1.2.根本概念143.高分子材料加工

(PolymerMaterialprocessing,Polymerprocessing)

高分子原材料經(jīng)過(guò)通過(guò)一定的工藝手段轉(zhuǎn)變成某種高分子材料制品的過(guò)程。1.2.根本概念轉(zhuǎn)變15“高分子材料加工〞和“高分子合成〞是有區(qū)別的。高分子合成經(jīng)過(guò)一定的途徑，從氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的各種原料中得到化學(xué)上不同于原料的高分子材料。

高分子材料加工經(jīng)過(guò)加工，使高分子材料在物理上處于和原材料不同的狀態(tài)(化學(xué)上相同)。161.3.高分子材料的主要種類(lèi)和概念按高分子的來(lái)源分類(lèi)天然高分子材料〔naturalpolymermaterials〕合成高分子材料〔syntheticpolymermaterials〕按照材料的性能分類(lèi)通用高分子材料〔generalpurposepolymermaterials〕量大、產(chǎn)值高、涉及面廣泛、性能一般。屬于傳統(tǒng)材料、根底材料。新型高分子材料〔advancedpolymermaterials〕正在開(kāi)展，且具有通用高分子材料所不具備的優(yōu)異性能和應(yīng)用前景。用量少、專(zhuān)一性、附加價(jià)值高。高新技術(shù)開(kāi)展與進(jìn)步不可或缺的基石。17纖維：一種細(xì)長(zhǎng)形狀〔長(zhǎng)徑比>10〕、截面積較小(<0.05mm2)

的物體。塑料：以合成〔或天然〕的高分子化合物為根本成份、在加

工中通過(guò)塑化流動(dòng)或原位聚合而成型的柔韌性或剛性

固體高分子材料。橡膠：以合成〔或天然〕的高分子化合物為根本成份的高彈

性的高分子材料。涂料：應(yīng)用于物體外表并能結(jié)成堅(jiān)韌保護(hù)膜的物質(zhì)的總稱(chēng)。膠粘劑：能把各種材料粘合在一起的物質(zhì)。1.3.1.通用高分子材料18(1)高性能高分子材料指材料的機(jī)械性能、耐熱性、耐久性、耐腐蝕等性能有較大提高。主要的高性能高分子材料特種工程塑料〔高性能塑料〕特種合成橡膠高強(qiáng)高模合成纖維和其它的特種合成纖維1.3.2.新型高分子材料主要種類(lèi)和概念1920Kevlar21球身外層的材料是什么？22(2)功能高分子材料

指與常規(guī)高分子材料相比具有明顯不同的物理化學(xué)性質(zhì)，并具有某些特殊功的高分子材料。

主要的功能高分子材料物理功能材料化學(xué)功能材料物理化學(xué)功能材料生物功能材料其它特殊功能材料1.3.2.新型高分子材料主要種類(lèi)和概念23絕緣高分子材料導(dǎo)電高分子材料高分子光學(xué)材料液晶高分子材料相變儲(chǔ)能材料磁性高分子材料……物理功能高分子材料一般具有傳遞、轉(zhuǎn)換或貯存物質(zhì)、能量和信息作用的高分子及其復(fù)合物。24具有特殊旋光性質(zhì)25化學(xué)功能高分子材料化學(xué)功能高分子鏈為骨架并連接具有化學(xué)活性大基團(tuán)構(gòu)成。離子交換樹(shù)脂高分子催化劑高分子載體高吸水樹(shù)脂……2627ACSMacroLett2023,2,1095?109928形象地說(shuō)，膜就是一道具有選擇性滲透功能的壁障，將混合液體或者氣體分隔為兩相，以此到達(dá)特定成分別離的效果。物理化學(xué)功能高分子材料滲透壓！29海水淡化圖滲透、滲透平衡和反滲透

例：地中海中部的馬耳他建有世界上最大的反滲透海水淡化廠。德國(guó)、英國(guó)用膜技術(shù)治理了萊茵河和泰晤士河。我國(guó)廈門(mén)市也有一批應(yīng)用膜技術(shù)的環(huán)保示范工程。30幾種常見(jiàn)的制備聚合物微孔膜的方法？31美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校OmarM.Yaghi開(kāi)發(fā)出一種能隔離并捕獲二氧化碳分子材料。Science，Vol.319.no.5865,pp.939-943，RahulBanerjee,AnhPhan,OmarM.Yagh

吸附功能材料高吸水、吸油、選擇吸附等32人工腎透析器人工器官用生物醫(yī)學(xué)高分子材料人工器官主要指人工內(nèi)臟器官，如包括人工腎、人工關(guān)節(jié)、人工血管、心臟、起搏器等。

生物功能材料33人工腎透析原理將人體血液引出體外，利用透析膜兩側(cè)溶質(zhì)濃度的差異，排出體內(nèi)過(guò)剩的含氮化合物等溶質(zhì)，然后將凈化的血液引回體內(nèi)。全世界人工腎透析器年產(chǎn)量超過(guò)7500萬(wàn)個(gè)，產(chǎn)值近22.5億美元。我國(guó)我國(guó)腎衰竭患者約有130萬(wàn)人，每年需1360萬(wàn)只人工腎透析器.腎小管上皮細(xì)胞34

外科手術(shù)縫線PLA及其共聚物可吸收手術(shù)縫線

生物醫(yī)用高分子材料35周?chē)窠?jīng)再生導(dǎo)管36

是一種無(wú)細(xì)胞真皮替代物。外層(表皮)成分是聚硅氧烷。內(nèi)層材料膠原纖維及軟骨素6-硫酸〕。人造皮膚37醫(yī)用納米纖維38

組織工程材料面臨重大突破關(guān)鍵是構(gòu)建細(xì)胞和生物材料的三維空間復(fù)合體。PGA-PLA支架具有一定強(qiáng)力和彈性的軟骨耳廓3D打印技術(shù)393D打印技術(shù)材料是根底！?。?0《The

Big

Bang

Theory》第六季第14集41高分子/金屬、高分子/無(wú)機(jī)非金屬、高分子/高分子材料復(fù)合成一體，而制得的綜合性能更顯優(yōu)異的新型材料。

例：Seung-MoLee對(duì)柔軟蜘蛛絲進(jìn)行金屬涂層，使蜘蛛絲的抗斷裂或變形能力變得更強(qiáng)。能制造超級(jí)堅(jiān)韌織物、外科縫線或諸如骨頭、韌帶及動(dòng)脈壁等人工組織?！猄cience,April24,2023(3)復(fù)合高分子材料1.3.2.新型高分子材料主要種類(lèi)和概念42TsuyoshiSekitani開(kāi)發(fā)出了一種碳納米管-彈性體復(fù)合材料，具有極佳的導(dǎo)電和超級(jí)伸展性，可用來(lái)制造可安裝在任何地方的電子裝置，包括在彎曲的外表或是可移動(dòng)的部位，如機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)處?！猻cience.August7,2023

可伸展的由彈性導(dǎo)體連接起來(lái)的晶體管矩陣

43通常習(xí)慣的材料，是在空間x、y和z3個(gè)方向均延展到一定宏觀尺度的三維固體:三維材料。低維材料——維數(shù)低于三維的材料，包括二維、一維和零維材料等。假設(shè)使材料在任一維度(z)的尺寸縮小到納米量級(jí)，那么此材料成為在x、y方向延展的二維材料。使材料除在z方向縮小之外，還同時(shí)在y方向也縮到納米量級(jí)的尺度，便成了一維材料零維材料假設(shè)使材料從x、y、z3個(gè)方向都縮小到納米量級(jí)，便成了零維材料。以原子、分子為起始物，用各種方法制成的原子團(tuán)簇是典型的零維材料。比原子團(tuán)簇稍大的納米微粒，可視為準(zhǔn)零維材料。(4)低維高分子材料1.3.2.新型高分子材料主要種類(lèi)和概念44例：美國(guó)佐治亞理工〔GeorgiaInstituteofTechnology〕王中林小組發(fā)現(xiàn)了一種制造高分子納米線的方法，能控制高分子納米線的密度和長(zhǎng)度。生長(zhǎng)出導(dǎo)電聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸〔PEDOT-PSS)等近十種不同的高分子納米線/納米管。

更進(jìn)一步利用PEDOT-PSS制備出有機(jī)發(fā)光二極管，最大承載電流密度是相應(yīng)有機(jī)薄膜發(fā)光二極管的40倍.J.Phys.Chem.C,2023,113(38):571–16574

45例：中科院上海硅酸鹽研究所常江課題組在電紡絲制備納米纖維材料方面取得新進(jìn)展，成功制備出具有可控宏觀結(jié)構(gòu)和微觀形貌的三維管狀纖維材料，研究工作發(fā)表在國(guó)際著名雜志NanoLetters，該文還被NatureChina選為最新研究亮點(diǎn)。通過(guò)改變?nèi)S模板的宏觀結(jié)構(gòu)，對(duì)管狀材料的三維結(jié)構(gòu)〔長(zhǎng)度、直徑、管端封閉性、連通交叉結(jié)構(gòu)等〕實(shí)現(xiàn)了可控。NanoLetters，8(10),3283–3287，DamingZhang，JiangChang464748富勒烯C60，F(xiàn)ullereneC60碳納米管，Carbon

Nanotube石墨烯，Graphene石墨塊，Graphite

Block49生物體皆具備的對(duì)外界刺激的反響能力:蜥蜴皮膚的顏色隨其所處周?chē)h(huán)境不同而改變，從而到達(dá)隱身的目的。烏賊遇敵時(shí)釋放墨汁乘機(jī)逃脫。貓眼的瞳孔隨光線的強(qiáng)弱而放大或縮小，以保持不同光線時(shí)的視力含羞草以葉子受到觸碰時(shí)會(huì)產(chǎn)生閉合。(5)智能高分子材料/仿生高分子材料1.3.2.新型高分子材料主要種類(lèi)和概念50智能高分子材料：“能隨著外部條件的變化，而進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作的高分子〞“必須具備能感應(yīng)外部刺激的感應(yīng)器功能、能進(jìn)行實(shí)際操作的動(dòng)作器功能以及得到感應(yīng)器的信號(hào)后而使動(dòng)作器動(dòng)作的過(guò)程器功能。〞智能材料結(jié)構(gòu)51自愈殼聚糖水凝膠，清華大學(xué)化學(xué)系危巖研究團(tuán)隊(duì)52智能高分子材料能夠感知機(jī)械、熱、光、化學(xué)、濕度、電和磁等環(huán)境的變化或刺激并做出反響，具有傳感、執(zhí)行和調(diào)節(jié)適應(yīng)能力。仿制仙人掌結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)沙漠蓄水江雷院士研究團(tuán)隊(duì)5354高分子材料的綠色化(1)高分子材料的循環(huán)利用

(2)生態(tài)高分子材料的研究和開(kāi)發(fā)生態(tài)高分子材料與其他新型高分子材料的區(qū)分不是性能，而是其與環(huán)境的關(guān)系。生態(tài)高分子材料資源可再生、生產(chǎn)過(guò)程清潔、廢棄物可降解。

(5)生態(tài)高分子材料1.3.2.新型高分子材料主要種類(lèi)和概念55傳統(tǒng)塑料應(yīng)用非常廣泛給生活帶來(lái)極大便利不能生物降解環(huán)境污染填埋回收利用燃燒污染土壤有害氣體本錢(qián)高,難度大開(kāi)發(fā)可生物降解聚合物56循環(huán)過(guò)程57資源可再生高分子材料分類(lèi)天然高分子生物合成高分子化學(xué)合成高分子纖維素蛋白質(zhì)淀粉木質(zhì)素聚氨基酸細(xì)菌甲殼素細(xì)菌纖維素聚

-羥基丁酸酯

聚乙交酯丙交酯聚乳酸聚乙交酯

甲殼素海藻58天然高分子型：淀粉、纖維素等加工困難，機(jī)械性能不行化學(xué)合成型：脂肪族聚酯降解性能優(yōu)良，目前最重要脂肪族/芳香族共聚聚碳酸酯聚酰胺降解速率慢局部降解5960甲殼素纖維紡絲生產(chǎn)線聚丁二酸丁二醇酯〔PBS〕優(yōu)點(diǎn)1.相對(duì)較高的熔點(diǎn)2.優(yōu)異的力學(xué)性能3.加工性能4.本錢(qián)較低5.用途廣泛最具有產(chǎn)業(yè)化前景的生物降解塑料之一61PBSA-20，降解2周PBSM-20，降解2周PBS2M-20，降解2周PBSBS-20，降解2周621.3.3.高分子材料開(kāi)展的特點(diǎn)〔1〕材質(zhì)由均質(zhì)向復(fù)合方向開(kāi)展?！?〕性能由高性能、功能化向多功能和結(jié)構(gòu)功

能化方向開(kāi)展?！?〕尺寸向越來(lái)越小方向開(kāi)展。〔4〕層次由被動(dòng)向主動(dòng)方向開(kāi)展?！?〕合成和加工技術(shù)向仿生化方向開(kāi)展?！?〕原料和生產(chǎn)向綠色化方向開(kāi)展。631.4.高分子材料加工的學(xué)科分類(lèi)高分子材料加工：對(duì)高分子材料或體系進(jìn)行操作以擴(kuò)大其用途的工程，是把聚合物原材料經(jīng)過(guò)多道工序轉(zhuǎn)變成某種制品的過(guò)程。聚合物的可擠壓性聚合物通過(guò)擠壓作用形變時(shí)獲得形狀和保持形狀的能力。聚合物的可模塑性聚合物在一定溫度和外力作用下形變并在模具中模制成型的能力。聚合物的可紡性聚合物流體在拉伸作用下形成連續(xù)細(xì)長(zhǎng)絲條的能力。聚合物的可延展性定形或局部結(jié)晶固體聚合物在一個(gè)或兩個(gè)方向上受到壓延或拉伸時(shí)變形的能力。641.4.1.各種高分子材料的加工方法各種高分子材料均有獨(dú)特的成型方法：塑料：注塑、擠塑、吹塑、壓延等橡膠：塑煉、混煉、擠出、壓延、硫化等化學(xué)纖維：熔體紡絲、干法紡絲、濕法紡絲等

而且每