高分子材料概论-第二章

高分子材料概论（章节备课）章节第二章高分子材料概述本章4学时教学目的和要求1.了解高分子材料的发展历史，和高分子材料与人类社会生产实践的关系2.掌握高分子材料的分类和相关术语3.掌握高分子材料的性能及应用教学重点教学难点重点：1.高分子材料的相关概念。2.高分子材料的力学性能3.高分子材料的物理化学性能难点：高分子材料的物理性能和力学性能教学方法与手段板书和多媒体相结合，讲解和讨论相结合教学进程第二章高分子材料概述（4学时）第一次课（2学时）第一节材料和高分子材料【引言】材料、能源和信息作为科学技术的三大支柱促进了社会的迅速发展。其中材料是工业发展的基础，是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要标志，也是一个时代的重要标志。人类社会的发展史就是一部材料的发展史。材料分为三大类：金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料一、材料的发展历史（多媒体展示）材料科学技术几个活跃领域（多媒体展示）高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。1839年，美国人Goodyear发明硫化橡胶。1868年，英国科学家Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。1893年，法国人DeChardonnet发明粘胶纤维。1907年，第一个合成高分子—酚醛树脂诞生。1920年，德国人Staudinger发表了“论聚合”的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。1953年获诺贝尔化学奖。1935年，Carothers发明尼龙66，1938年工业化。1839年，30年代，许多烯烃类加聚物被开发出来，PVC（1927～1937）,PMMA（1927～1931）,PS（1934～1937）,PVAc（1936）,LDPE（1939）。40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（1937）,丁腈橡胶（1937）,丁基橡胶（1940）,有机氟材料（1943）,涤纶树脂（1940～1950）,ABS（1947）。50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂，制得高密度PE和有规PP，低级烯烃得到利用。1963年，Ziegler和Natta分享诺贝尔化学奖。50年后期至60年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚（1964），聚酰亚胺（1962）。60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。特种高分子：高模量高强度、耐高低温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。80年代后，新结构的聚合物有：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含富勒烯(C60)聚合物等等。二、高分子材料的应用农用塑料：①薄膜②灌溉用管。建筑工业：①给排水管PVC、HDPE②塑料门窗③涂料油漆④复合地板、家具人造木材、地板⑤PVC天花板。包装工业：①塑料薄膜：PE、PP、PS、PET、PA等②中空容器：PET、、PE、PP等③泡沫塑料：PE、PU等。汽车工业：塑料件、仪表盘、保险机、油箱内饰件、坐垫等。军工工业：飞机和火箭固体燃料（低聚物）、复合纤维等。电气工业：①绝缘材料（导热性、电阻率）等、导电高分子；②电子：通讯光纤、电缆、电线、光盘、手机、电话；③家用电器：外壳、内胆（电视、电脑、空调）等。医疗卫生中的应用：人工心脏、人工脏器、人工肾（PU）、人工肌肉、输液管、人工肌肉、输液管、血袋、注射器、可溶缝合线等。防腐工程：耐腐蚀性，防腐结构材料。如水管阀门（PTFE）：230～260℃长期工个作，适合温度高腐蚀严重的产品。功能高分子：离子交换树脂、高分子分离膜、高吸水性树脂、光刻胶、感光树脂、医用高分子、液晶高分子、高导电高分子、电致发光高分子等。第二节高分子材料的分类（多媒体展示为主）一．按来源分：天然高分子，改性高分子，合成高分子二．按主链结构分：碳链高分子，杂链高分子，元素有机聚合物三、按性质用途分：塑料，橡胶，纤维，涂料和胶黏剂，功能高分子材料四、按受热后变化分：热塑性，热固性高分子材料第三节高分子材料的相关概念、术语（多媒体展示为主）通用塑料：指产量大、价格便宜、力学性能一般、主要作为非结构材料使用的一类塑料。工程塑料：指可以作为结构材料使用，具有优异的力学性能、耐热性能、耐磨性能和良好的尺寸稳定性的一类塑料热塑性塑料：指在特定的温度范围内，具有可反复加热软化、冷却硬化特性的塑料品种。热固性塑料：指在特定的温度下加热或通过固化剂可发生交联反应，变成既不熔融，也不溶解的塑料制品的塑料品种生胶：天然的或合成的高分子化合物经过化学处理或加工制成浓缩胶乳或干胶，前者直接用于乳胶制品，后者即为橡胶制品中的生胶。硫化：胶料在一定条件下，橡胶大分子由线型机构转变成网状结构的交联过程。塑化：指塑料在加工设备内经过加热达到流动状态经具有良好的可塑性。聚合物共混：指两种或两种以上聚合物经混合制成宏观均匀的材料过程，是聚合物改姓最为简便而且有效的方法。小结：通过本节的学习，了解高分子材料的发展过程，高分子材料的分类及相关术语。作业：预习高分子材料的性能参考文献：《高分子材料进展》张留成《高分子科学简明教程》董炎明第二次课（2学时）第二章高分子材料概述第四节高分子材料的性能【引言】高分子材料的性质主要包括高分子材料的力学性能，物理性能以及化学性能。下面主要从以下几个方面进行阐述。一高分子材料的力学性能1.力学性能的基本指标（1）应力：物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。（2）应变：物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。（3）弹性模量：简称模量，是单位应变所需应力的大小，是材料抵抗形变的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易变形程度的一种表征。相应的三种形变对应的模量分别为拉伸模量（E，也称杨氏模量），剪切模量（G），弯曲模量；压缩模量。（4）硬度：是衡量材料抵抗压力的一种指标。实验方法不同名称各异。硬度的大小与材料的拉伸强度与弹性模量有关。分邵氏硬度；巴氏硬度；布式硬度和洛氏硬度。（5）拉伸强度：屈服或断裂前材料试样所承受的最大力（载荷与横切面积之比）称为拉伸强度。一般用MPa为单位（6）弯曲强度：也称扰曲强度、抗弯强度，是在规定的条件下对标准试样施加静弯曲力矩，直到试样折断为止，然后根据最大载荷和最大尺寸，按照公式计算弯曲强度。2.高弹性能是高分子材料极其重要的性能，其中橡胶一高弹性能作为主要特征。聚合物在高弹态都能表现出一定程度的高弹性，但并非都可以作为橡胶材料使用，作为橡胶材料必须具有一定特点：3.粘弹性聚合物的粘弹性是指聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质上是聚合物的力学松弛行为。在玻璃化转变温度以上，非晶态线形聚合物的粘弹性最为明显。对理想的粘性液体即牛顿流体，其应力应变行为遵从牛顿定律；对虎克体，其应力应变行为遵从虎克定律。蠕变：指在一定温度、一定应力作用下材料的形变随时间而增加的现象。应力松弛：在温度、应力一定的条件下，材料的内应力随时间延长而杜渐减小的现象。4.聚合物的力学屈服5聚合物的摩擦与磨耗6聚合物的疲劳强度：疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。7聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象（1）蠕变：在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学松弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。应用：（见多媒体）（2）应力松弛：所谓应力松弛，就是在固定的温度和形变下，聚合物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。例如橡胶松紧带开始使用时感觉比较紧，用过一段时间后越来越松。也就是说，实现同样的形变量，所需的力越来越少。应用：（见多媒体）二、高分子材料的其它物理性能1、高聚物的电性能高聚物具有体积电阻率高（1016～1020Ω·cm）、介电常数小（≤2）、介质损耗低（＜10－4）等绝缘体、半导体特殊优良的电性能，同时某些高聚物还具有优良的导电性能。另外，由于高聚物成型加工容易，品型多，故在电器方法应用广泛实例PVC2.高聚物的光性能高聚物的光学应用：光的传递材料（镜片、光导纤维等）；发光、反光装饰材料（指示灯、反光镜片等）3高聚物的渗透性20406080100T(℃)051015ε′20406080100T(℃)00.51.01.5ε″03915200391520增塑剂加入量对PVC介电性能的影响三、高分子的化学性能1.高聚物的老化：是指高聚物在使用或储存过程中，由于受到环境的光、热、氧、潮、霉、化学试剂等的作用，引起高聚物性能变坏的反应。2.高聚物的降解：指在化学因素或物理因素作用下高聚物分子的聚合度降低的过程。3.高分子材料的耐化学腐蚀和耐酸碱性能4.高分子材料的燃烧性能为了防止高分子材料的燃烧，在使用时通常加入阻燃剂，使其具有良好的阻燃性能，阻燃剂大多数是无机物和含卤素、磷原子的有机物。衡量高分子的阻燃性氧指数：16~35垂直燃烧试验：V-0；V-1；V-2；HB5.高分子溶液（自学）小结：本节主要学习高分子材料的各种性能，以及各种性能对高分子材料使用的影响。作业：1.名词解释：蠕变疲劳强度2.简述高分子材料按使用性能分为哪几类参考文献：《高分子材料进展》张留成《高分子科学简明教程》董炎明作业详见各章节高聚物渗透性能的应用透气性能越大越好包装薄膜透气性能越小越好轮胎气球真空包装气垫船橡皮水坝橡皮水坝选择性渗透海水淡化污水处理富氧气体物料分离主要参考资料《高分子材料进展》张留成《高分子科学简明教程》董炎明备注详见各章节