第一章高分子材料緒論課件

第一章高分子材料緒論

歐陽星深圳大學(xué)材料學(xué)院第一章高分子材料緒論

歐陽星深圳大學(xué)材料學(xué)院人類從起源以來就同高分子結(jié)下不解之緣生命體系其根本都是由高分子組成

衣食住行離不開高分子材料人類從起源以來就同高分子結(jié)下不解之緣一、高分子基本概念二、高分子學(xué)科與材料三、發(fā)展歷程和成就四、發(fā)展前景一、高分子基本概念材料:人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。通常分類：結(jié)構(gòu)材料與功能材料。結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，以制造受力構(gòu)件所用材料。功能材料是利用物質(zhì)的獨特物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)或生物功能等而形成的一類材料。用途分類：電子材料、航天材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。物化分類：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復(fù)合材料。材料定義一、高分子基本概念材料:人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。材5

高分子材料定義高分子：高分子材料：由相同結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成的大分子化合物。以高分子為主要成分，添加其他助劑構(gòu)成的材料。5高分子材料定義高分子：由相同結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成的

定義：高分子量的化合物(>10000)

別稱：聚合物－Polymer

高聚物－Highpolymer

大分子－Macromolecule

比較：低聚物(<10000)－Oligomer

齊聚物高分子學(xué)科定義高分子學(xué)科定義聚合反應(yīng)聚合反應(yīng)－Polymerization

小分子化合物聚合物聚合物

(Polymer):聚乙烯（Polyethylene，PE）單體

(Monomer):乙烯（Ethylene）聚合反應(yīng)聚合反應(yīng)－Polymerization聚合物(P

聚合物聚合度與分子量結(jié)構(gòu)式：聚合度：大分子中的重復(fù)單元數(shù)或結(jié)構(gòu)單元數(shù)，n。分子量：數(shù)均分子量、重均分子量。數(shù)均聚合度

、重均聚合度。聚合物聚合度與分子量結(jié)構(gòu)式：聚合度：大分子中的重復(fù)單元數(shù)

聚合物結(jié)構(gòu)類型線型

LinearPolymer支化型

BranchedPolymer交聯(lián)型

CrosslinkedPolymer星型

StarPolymer樹狀Dendrimer聚合物結(jié)構(gòu)類型線型二、高分子學(xué)科與材料

高分子化學(xué)（Polymerchemistry)

合成機理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制方法。高分子物理（Polymerphysics)

物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。

高分子工藝學(xué)（Polymertechnology）

合成工藝、加工工藝。

高分子學(xué)科,后起之秀。二、高分子學(xué)科與材料高分子材料分類天然高分子材料

(Naturalpolymer)

纖維素(Cellulose)、淀粉(Starch)、天然橡膠(Naturalrubber)等。

人造高分子材料

(Artificialpolymer)

硝化纖維素（塑料、電影膠片、炸藥）、粘膠纖維等。

合成高分子材料

(Syntheticpolymer)

有機玻璃、滌綸、尼龍等。

從來源高分子材料分類天然高分子材料(Naturalpolym高分子材料分類有機高分子

(OrganicPolymer)

主鏈以碳氫為主，如聚乙烯、聚丙烯等。無機高分子

(InorganicPolymer)

主鏈由雜原子構(gòu)成,如SiO2等。復(fù)合高分子材料

(PolymerComposite)

聚合物與無機材料復(fù)合，如玻璃鋼，輪胎。生物高分子

(Biopolymer)

具有生物功能,如蛋白質(zhì)(Protein)、核酸(Nucleicacid)等。

從組成及功能高分子材料分類有機高分子(OrganicPolymer高分子材料分類

天然和人造高分子材料塑料(Plastics)

橡膠(Rubber)

纖維(Fiber)

涂料(Coating)

粘合劑(Adhesive)功能高分子材料從用途高分子材料分類天然和人造高分子材料從用途天然高分子材料

蛋白質(zhì)，木材纖維素，甲殼素，攜帶生物遺傳信息的核酸，食物中的淀粉，衣服原料的棉、毛、絲、麻以及天然橡膠等。天然高分子材料蛋白質(zhì)，木材纖維素，甲殼素，天然和人造高分子定義天然高分子：人造高分子：存在于自然界中的高分子化合物稱為天然高分子。通過化學(xué)方法對天然高分子加工，改變其加工成型性能和使用性能得到的高分子化合物稱為人造高分子。天然和人造高分子定義天然高分子：人造高分子：存在于自然界中的天然和人造高分子天然和人造高分子無毒、環(huán)保、可生物降解、具有生物相容性等優(yōu)點。天然和人造高分子天然和人造高分子無毒、環(huán)保、可生物降解、具有核酸、蛋白質(zhì)、多糖和脂肪是組成生物體的四大類類物質(zhì)。脂肪不是高分子。生命高分子人體本身就是由高分子構(gòu)成的。核酸、蛋白質(zhì)、多糖和脂肪是組成生物體的四大類類物質(zhì)。脂肪不是蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)人工合成牛胰島素中國是世界上第一個人工合成蛋白質(zhì)的國家人工合成牛胰島素中國是世界上第一個人工合成蛋白質(zhì)的國家生命的本質(zhì)生命由分子構(gòu)成，卻具有思考、情感、成長、自我保護的本領(lǐng)。為什么會有這些本領(lǐng)？可以靠人工合成制造這種本領(lǐng)嗎？生命的本質(zhì)生命由分子構(gòu)成，卻具有思考、情感、成長、自我保護的傳統(tǒng)高分子學(xué)科目前研究最廣泛的是其作為結(jié)構(gòu)材料的研究。研究其結(jié)構(gòu)、機械性能與應(yīng)用關(guān)系。傳統(tǒng)高分子學(xué)科傳統(tǒng)高分子學(xué)科目前研究最廣泛的是其作為結(jié)構(gòu)材料的研究。傳統(tǒng)高大漆（漆樹）天然橡膠塑料（賽璐珞）天然和人造高分子棉、麻、絲（纖維素）皮革（蛋白質(zhì)、纖維素）膠粘劑（淀粉、天然樹脂）從應(yīng)用的角度大漆（漆樹）天然和人造高分子棉、麻、絲（纖維素）從應(yīng)用的角度

又名天然漆、生漆、土漆、國漆。中國特產(chǎn)，故泛稱中國漆。是一種天然樹脂涂料，是割開漆樹樹皮，從韌皮內(nèi)流出的一種白色粘性乳液，經(jīng)加工而制成的涂料。中國商代已開始用大漆制出了精美的漆器。大漆性能非常優(yōu)異。大漆又名天然漆、生漆、土漆、國漆。中國特產(chǎn)漆樹漆樹漆樹漆樹

漆樹在中國分布很廣，主要產(chǎn)地有湖南、湖北、廣東、廣西、四川、云南、貴州、陜西、河南等省。漆樹樹齡滿6～7年后，即可產(chǎn)漆。隨樹種和樹齡的不同，每株樹每年產(chǎn)漆約50～500g，每株樹產(chǎn)漆時間可達10～15年，最長達30年。漆樹漆樹在中國分布很廣，主要產(chǎn)地有湖南、湖北、廣東、天然橡膠

從天然產(chǎn)膠植物中制取的橡膠。天然橡膠是一種以聚異戊二烯為主要成分的天然高分子化合物。其成分中91％～94％是聚異戊二烯，其余為蛋白質(zhì)、脂肪酸、灰分、糖類等非橡膠物質(zhì)。天然橡膠是應(yīng)用最廣的通用橡膠。

天然橡膠從天然產(chǎn)膠植物中制取的橡膠。天然橡膠是一種以橡膠樹

世界上約有2000種不同的植物可生產(chǎn)類似天然橡膠的聚合物，真正有實用價值的是三葉橡膠樹。從橡膠樹上采集的乳膠，經(jīng)過稀釋后加酸凝固、洗滌、壓片、干燥、打包，即制得市售的天然橡膠。

橡膠樹世界上約有2000種不同的植物可生產(chǎn)類似天天然橡膠膠乳橡膠樹天然橡膠膠乳橡膠樹天然樹脂是指由自然界中動植物分泌物所得的無定形有機物質(zhì)，如松香、琥珀、蟲膠等。

膠粘劑用天然樹脂松香天然樹脂是指由自然界中動植物分泌物所得的無定形有機物質(zhì)，如松采集松香膠粘劑用天然樹脂采集松香膠粘劑用天然樹脂天然膠粘劑應(yīng)用實例構(gòu)件連接方法：鉚釘、膠粘劑、焊接。利用血膠、骨膠、松脂、天然瀝青、淀粉、石灰等。中國是應(yīng)用膠粘劑最早的國家之一。1986年從四川廣漢三星堆祭祀坑發(fā)掘的金面青銅人頭像，4000年前古人通過中國漆調(diào)合石灰將金箔粘合在青銅頭像上。古代的箭的制作。將箭頭粘合在箭桿上。古代以桐油為基料，石灰粉為填料制作的密封膩子用于造船，窗子密封。至今還有用于窗玻璃的密封。到20世紀(jì)初，人工合成酚醛樹脂開始，膠粘劑和粘接技術(shù)進入高速發(fā)展時期。天然膠粘劑應(yīng)用實例構(gòu)件連接方法：鉚釘、膠粘劑、焊接。

1865年發(fā)明了賽璐珞。賽璐珞是塑料的老祖宗，賽璐珞是英文“celluloid”的譯音，是將纖維素硝化而得到的。最早用于制備假象牙臺球和電影膠片?，F(xiàn)在它的最常見的用途就是做乒乓球和眼鏡架。

最早的塑料賽璐珞最早的塑料賽璐珞天然纖維

天然纖維是自然界原有的或經(jīng)人工培植的植物上、人工飼養(yǎng)的動物上直接取得的紡織纖維，是紡織工業(yè)的重要材料來源。盡管20世紀(jì)中葉以來合成纖維產(chǎn)量迅速增長，紡織原料的構(gòu)成發(fā)生了很大變化，但是天然纖維在紡織纖維年總產(chǎn)量中仍約占50％。天然纖維天然纖維是自然界原有的或經(jīng)人工培植的植物天然纖維天然纖維纖維素纖維（棉纖維、麻纖維）蛋白質(zhì)纖維天然纖維天然纖維纖維素纖維蛋白質(zhì)纖維纖維素纖維棉、麻纖維素纖維棉、麻棉纖維天然彩色棉棉纖維天然彩色棉造紙技術(shù)中國四大發(fā)明之一，人類文明史上的一項杰出的成就。

造紙技術(shù)中國四大發(fā)明之一，人類文明史上的一項杰出的成就。皮革技術(shù)

目前，市場上流行的皮革制品有真皮和人造皮革兩大類，人造革是由紡織布底基或無紡布底基，分別用聚氨酯涂復(fù)并采用特殊發(fā)泡處理制成的，有表面手感酷似真皮，但透氣性，耐磨性，耐寒性都不如真皮。

皮革技術(shù)目前，市場上流行的皮革制品有真皮和人造39橡膠橡膠

具有極高彈性、低剛度的高分子材料，其彈性形變可達1000%。橡膠還有很好的絕緣性、耐水性和密封性。是常用的彈性材料、密封材料和減震防震材料。39橡膠橡膠具有極高彈性、低剛度的高分子材料，其彈性形變可40最早應(yīng)用的橡膠：天然橡膠(NR)。生活中常見的橡膠制品：輪胎、口香糖、汽車密封條、膠管、高壓鍋密封圈、鞋底等等。40最早應(yīng)用的橡膠：天然橡膠(NR)。生活中常見的橡膠制品41輪胎膠管41輪胎膠管42電線電纜包套輸送帶42電線電纜包套輸送帶43

塑料

塑料是指以高分子樹脂為主要成分，以增塑劑、填充劑、著色劑等添加劑為輔助成分，在加工過程中能流動成型的材料。43

塑料塑料是指以高分子樹脂為主要成分，生活中的塑料制品：電器外殼（手機、冰箱、電視）、涼鞋、化妝品容器、建筑板材、建筑管道、包裝薄膜、光盤、印刷電路板、儀表外殼、塑料杯子、眼鏡片等。以塑代鋼運動。生活中的塑料制品：電器外殼（手機、冰箱、電視）、涼鞋、化妝品45PE手提袋PE飲料瓶45PE手提袋PE飲料瓶464647474848膠粘劑用途分類：紡織品膠、木工膠、建筑膠等。狀態(tài)分類：溶劑膠、水膠、熱熔膠。生活中的膠水：萬能膠、502、鞋膠、免釘膠、玻璃膠等。膠粘劑用途分類：紡織品膠、木工膠、建筑膠等。涂料

涂料又叫漆。用途分類：木器漆、汽車漆、內(nèi)墻漆、金屬漆、船舶漆等。狀態(tài)分類：水性涂料、油性涂料、粉末涂料等。涂料公司：阿克蘇諾貝爾公司、華潤涂料、佐敦涂料等。涂料涂料又叫漆。纖維是指柔韌、纖細、具有相當(dāng)長度、強度、彈性和吸濕性的絲狀物。大多數(shù)是不溶于水的有機高分子化合物，少數(shù)是無機物。根據(jù)來源可以分為天然纖維和合成纖維兩大類。纖維纖維是指柔韌、纖細、具有相當(dāng)長度、強度、彈性和吸濕性的絲狀物52

纖維滌綸：化學(xué)名稱為聚酯纖維，商品名為滌綸，俗稱的確良。錦綸：化學(xué)名稱為聚酰胺纖維，商品名稱為錦綸或尼龍。腈綸：化學(xué)名稱為聚丙烯腈纖維，商品名稱為腈綸、開司米。維綸：化學(xué)名稱為聚乙烯醇縮甲醛纖維，商品名稱為維綸。丙綸：化學(xué)名稱為聚丙烯纖維，商品名稱為丙綸。氨綸：高彈性的聚氨酯纖維，又稱萊卡。商品名稱叫氨綸。芳綸：芳香族聚酰胺纖維的商品總稱，國外名Kevlar(凱夫拉)。保暖內(nèi)衣，中空纖維。52纖維滌綸：化學(xué)名稱為聚酯纖維，商品名為滌綸，俗稱的確良纖維的基本性能1、細度：可以用3種物理量來表示。一種是直徑，主要用于毛類纖維；第二種是支數(shù)，分英支和公支；第三種是線密度，有特數(shù)和旦數(shù)，其中特數(shù)為纖維細度的國際法定計量單位。2、長度3、強伸性：包括強力、強度；斷裂伸長、斷裂伸長率4、彈性：纖維受拉伸后變形，外力去除的回復(fù)能力5、初始模量：反映纖維的剛性6、吸濕性：有回潮率和含水率兩個指標(biāo)?；爻甭适窃嚇又形乃空荚嚇痈稍镏亓康陌俜直?。含水率是纖維含水量占含水試樣重量的百分比。7、化學(xué)穩(wěn)定性：主要是耐酸堿性纖維的基本性能1、細度：可以用3種物理量來表示。一種是直徑，54比塊狀材料的缺陷少，強度好。纖維材料的擾度大，可彎曲，柔軟（如纖維、金屬絲、玻璃纖維等）因此適合做衣服。纖維的優(yōu)勢54比塊狀材料的缺陷少，強度好。纖維的優(yōu)勢

成纖高聚物的特征高聚物的品種很多，但并不是所有高聚物都能用于紡絲，而是具有如下特征的高聚物都能進行紡絲。

成纖高聚物均為線型高分子用這類高分子紡制的纖維能沿纖維縱軸方向拉伸而有序排列。當(dāng)纖維受到拉力時，大分子能同時承受作用力，使纖維具有較高的拉伸強度和適宜的延伸度及其他物理-力學(xué)性能。

成纖維高聚物具有適宜的相對分子質(zhì)量相對分子質(zhì)量的高低均不好，高者不易加工，低者性能不好。常見的主要成纖高聚物的相對分子質(zhì)量如下表所示。合成纖維成纖高聚物的特征合成纖維合成纖維高聚物相對分子質(zhì)量高聚物相對分子質(zhì)量聚酰胺-6或-66聚酯聚丙烯腈16000-2200016000-2000050000-80000聚乙烯醇全同聚丙烯60000-80000180000-300000主要成纖高聚物的相對分子質(zhì)量合成纖維高聚物相對分子質(zhì)量高聚物相對分子質(zhì)量聚酰胺-6或-6

成纖高聚物的分子鏈間必須有足夠的次價力高聚物的物理-力學(xué)性能與次價力有密切關(guān)系。分子間次價力越大，纖維的強度越高，次價力大于20.92kJ/mol的高聚物適宜作纖維材料。

成纖高聚物應(yīng)具有可溶性和熔融性只有這樣才能將高聚物溶解或熔融成溶液或熔體，再經(jīng)紡絲、凝固或冷卻形成纖維，否則就不能進行紡絲。

合成纖維成纖高聚物的分子鏈間必須有足夠的次價力高聚物的物理-力58581、中空纖維2、屏蔽纖維3、抗菌纖維功能性纖維1、中空纖維功能性纖維60紡絲技術(shù)1、熔融紡絲2、干法紡絲3、濕法紡絲4、靜電紡絲60紡絲技術(shù)1、熔融紡絲

利用其力學(xué)性能的高分子，稱為一般高分子，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等；而利用力學(xué)性能以外性能的高分子，叫做功能高分子。功能高分子（FP,FunctionalPolymer）一般帶有官能團，化學(xué)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此，難以按化學(xué)結(jié)構(gòu)來分類，一般按照其功能來分類。什么是功能高分子?功能高分子利用其力學(xué)性能的高分子，稱為一般高分子，如聚乙烯高分子材料的特點質(zhì)輕：

常用塑料的密度為1g/cm3左右，是鋼鐵的1/10。耐溫范圍寬：硅橡膠(－80℃)

聚苯并咪唑（600℃)

碳纖維（4000℃）性能優(yōu)異：

高強度（Kevlar，比強度為鋼的8倍）高模量高彈性（伸長率1000％）透明性好抗腐蝕好光、電、磁等功能種類多：滿足不同的需求。易加工：

節(jié)能、低成本。高分子材料的特點質(zhì)輕：常用塑料的密度為1g/cm三、發(fā)展歷程和成就天然高分子利用

7000多年前，天然油漆

我國已使用天然油漆涂飾船只。中國漆(大漆)1839年，天然橡膠硫化

美國人古德伊爾（CharlersGoodyear）。

1869年，第一種人工塑料

賽璐珞（Celluloid，硝化纖維素）美國人海厄特（JhonWesleyHyatt）。

1887年，第一種人造絲

硝化纖維素，CountHilairedeChardonnet.三、發(fā)展歷程和成就天然高分子利用合成高分子問世

1909年，第一種合成塑料

酚醛樹脂，美國人

貝克蘭德（LeoBaekeland）。大分子概念提出

1920年，提出聚合反應(yīng)生成高分子量化合物。施陶丁格（HermannStaudinger）。奠定基礎(chǔ)

1930－40年代，聚合方法及理論發(fā)展。

卡羅瑟斯（Carothers），美國人。

弗洛里（PaulFlory），美國人。

合成高分子問世大發(fā)展

1950年代，配位聚合（CoordinationPolymerization)

齊格勒（KarlZiegler），德國人。納塔（GiulioNatta），意大利人。

1960－70年代，高性能化，特種高分子合成

高強度、高模量、耐高溫等。功能、復(fù)合高分子材料

1980－90年代，

功能高分子：

導(dǎo)體和半導(dǎo)體高分子、磁性高分子、光敏高分子、光導(dǎo)高分子、生物醫(yī)用高分子、液晶高分子、高分子催化劑等等。

高分子合金：

不同的高分子混合。

復(fù)合高分子材料：

與玻璃纖維、碳纖維等復(fù)合，如玻璃鋼等。大發(fā)展

起步晚：20世紀(jì)初

發(fā)展迅猛、成就卓著起步晚：20世紀(jì)初高分子材料的工業(yè)生產(chǎn)塑料

2億噸纖維

3790萬噸（天然2410萬噸）橡膠

1136萬噸（天然775萬噸）塑料增產(chǎn)迅猛，過去40年，美國增長100倍。全世界塑料產(chǎn)量上世紀(jì)90年代初超過鋼鐵。高分子材料的工業(yè)生產(chǎn)塑料2億噸主要國家生產(chǎn)及消費量國家

產(chǎn)量（千萬噸）

消量（千萬噸）美國4．85．1中國1．84．0德國1．61．2日本1．41．0韓國1．00．5主要國家生產(chǎn)及消費量國家產(chǎn)量（千萬噸）建立了理論體系和實驗方法

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。涉及多個領(lǐng)域

生物、材料、信息、醫(yī)學(xué)、能源等。諾貝爾獎

高分子領(lǐng)域有數(shù)位科學(xué)家獲獎。高分子科學(xué)研究建立了理論體系和實驗方法高分子科學(xué)研究1953

施陶丁格(HermannStaudinger)1963齊格勒(KarlZiegler)和納塔(GiulioNatta)1974弗洛里(PaulJ.Flory)1991德讓納(Pierre-GillesdeGennes)2000黑格(AlanJ.Hegger)、馬克迪爾米德(AlanG.MacDiarmid)和白川英樹(HidekiShirakawa)高分子科學(xué)Nobel獎獲得者1953施陶丁格(HermannStaudinger

突破有機化學(xué)的傳統(tǒng)觀念，首先提出了高分子的概念，以大量先驅(qū)性工作為高分子化學(xué)奠基開創(chuàng)了高分子學(xué)科?！癴orhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry”H.Staudinger(德)1953年化學(xué)獎

突破有機化學(xué)的傳統(tǒng)觀念，首先提出了

K.Ziegler(德)、G.Natta(意)1963化學(xué)獎

1953年，Ziegler：

Ziegler催化劑，低壓聚乙烯合成方法；

1954年，Natta：改進Ziegler催化劑，提出有規(guī)立構(gòu)聚丙烯的概念。KarlZiegler

GiulioNatta

“fortheirdiscoveriesinthefieldofthechemistryandtechnologyofhighpolymers”K.Ziegler(德)、G.NaIsotacticpolymer

（全同立構(gòu)聚合物）Syndiotacticpolymer

（間同立構(gòu)聚合物）StereoregularPolymersIsotacticpolymer

（全同立構(gòu)聚合物）SyP.J.Flory（美)1974化學(xué)獎利用等活性假設(shè)及直接的統(tǒng)計方法，他計算了高分子分子量分布，即最可幾分布，并利用動力學(xué)實驗證實了等活性假設(shè)；引入鏈轉(zhuǎn)移概念，將聚合物統(tǒng)計理論用于非線性分子，產(chǎn)生了凝膠理論；Flory-Huggins格子理論；1948年作出了最重要的貢獻，即提出“排除體積”理論