高分子材料基础理论Chapter1.

授课教师：信春玲Tel:64452920,13910724559E-mail:[e-mail]办公室:东区机械楼306什么是高分子材料？为什么学习？学什么？材料金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料什么是高分子材料？广泛应用的四大材料之一•塑料是高分子材料•橡胶是高分子材料•合成纤维是高分子材料•涂料、粘合剂是高分子材料•天然高分子材料高分子材料家族塑料橡胶合成纤维涂料、粘合剂天然高分子材料高分子材料有哪些一般性质？①重量轻（lightweight)②绝缘性（insulation）③耐腐蚀(corrosionresistance)④易加工成型（easymolding)⑤高弹性（highelasticity)⑥具有一定的力学性能（mechanicalproperty)高分子材料是由高分子化合物与少量添加剂组成的，具有一定使用性能的一类物质。高分子化合物，是指分子量很高并由共价键连接的一类化合物大分子，高分子，Macromolecules聚合物，Polymer高聚物Highpolymer常用的高分子的分子量一般高达几万、几十万，甚至上百万，范围在104～106高分子化合物怎么得来的？是由小分子单体连接而成，通过聚合反应得来的聚丙烯聚合反应赋予高分子化合物的结构特点：•分子链由许多重复单元相互连接而成；•链状结构的基本形式；•分子链足够长。：为什么学习高分子材料？有用？有趣？？薄膜吹塑过程注塑成型过程中空容器成型高分子材料——应用在国民经济和人们生活的方方面面交通（飞机、汽车、轨道交通）•电子电器•建筑•农业•包装•航空航天•医疗用品轻量化、降低能耗电子电器产品轻质，绝缘，易成型，低成本建筑材料耐候性，耐腐蚀，隔热，低成本包装材料阻隔性，易成型，耐腐蚀，低成本航空航天生物医用材料各种功能材料高分子分离膜：海水淡化、反渗透、膜萃取、膜蒸馏等技术领域。各种功能材料发光材料：交通领域通道标识、楼梯标识、标志线；发光涂料、发光壁纸、工艺品、玩具、体育休闲用品各种功能材料导电高分子材料：导电塑料，导电橡胶，导电纤维高分子材料发展迅速，总体积超过另外两大类材料之和•高分子材料由于来源丰富、制造方便，品种繁多，用途广泛，因此在材料领域的地位越来越突出，增长最快，如今，产量相当于金属、木材和水泥的总和。世界塑料工业其中塑料是消费量最大的高分子材料，2007年全世界共消费2.6亿吨塑料,约是钢材体积消费量的1.5倍高分子材料科学是个年轻的学科19世纪，天然高分子材料的应用和改性19世纪前期，木材、棉、麻、丝、毛、漆、橡胶、皮革等天然高分子材料在人们的生活和生产中得到广泛的应用。19世纪后期，已经对一些天然高分子材料进行改性，如橡胶的硫化、皮革的鞣制、棉麻的处理等等20世纪初，高分子材料科学创立准备期Staudinger德国化学家1920年，发表“论聚合”，首次提出链结构的模型，指出存在一类分子量很大的聚合物，它们是由共价键连接起来的大分子。1932年，Staudinger提出了溶液粘度与分子量的关系式。确立了大分子的存在。1953年，因此获得诺贝尔化学奖20世纪30、40年代，高分子材料科学创立期“高分子有机化合物”出版，现在高分子概念获得公认；随后，缩聚反应理论、橡胶弹性理论、链式聚合反应和共聚理论等相继得到研究；1935年，第一个工业化的高分子材料，尼龙问世（dupont公司）；并且一系列高分子材料被合成出来，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、高压聚乙烯、氯丁橡胶、丁基橡胶等。20世纪50年代，高分子工业确立，高分子合成大发展Ziegler（德）Natta（意大利）1953年，Ziegler（德）实现了乙烯的低压聚合（高密度聚乙烯），1955年Natta（意大利）实现了丙烯的定向聚合（全同聚丙烯），使高分子工业开始蓬勃发展。配位聚合催化剂统称为“Ziegler-Natta”催化剂，二人于1963年共同获得诺贝尔化学奖。20世纪60年代，高分子物理大发展随着科技进步，测试仪器在高分子结构研究中的应用开发，人们对高分子的结构进行了较深入的研究和理解，如进一步研究了高分子的结晶结构、高分子的粘弹性、流变学等。美国科学家Flory，高分子溶液理论，分子量分布研究方面取得重大成就20世纪70年代，高分子工程科学大发展20世纪80年代，高性能、功能材料、生物材料发展PE、PP高效催化剂研制成功，大大提高生产效率，且生产自动化、大型化程度大幅度提高。与此同时，为了满足材料多方面性能要求，聚合物共混理论得到发展。分子设计概念提出、复合材料深入研究，以及多种合成技术发展，使得高分子材料领域向高性能、多功能方面发展。法国科学家吉尼(Pierre-GillesdeGennes)成功地将研究简单体系中有序现象的方法推广到高分子、液晶等复杂体系。1991年被授予诺贝尔物理学奖。AlanJ,HeegerAlanG.MacDiarmid白川英树导电聚合物抗静电材料、电磁屏蔽材料。太阳能电池等方面2000年三位科学家获得诺贝尔化学奖主要内容第一部分：高分子材料的结构与性能绪论（3课时）高分子化学基础（3课时）高分子物理基础（18课时）第二部分：高分子材料成型工艺高分子材料配方设计（2课时）高分子材料成型工艺（12课时）总复习（2课时）学什么？1《高分子概论》.代丽君，张玉军，姜华珺主编，化学工业出版社（2007）2《高分子物理》（第二版）金日光，华幼卿，化学工业出版社3《塑料成型工艺学》（第二版）.黄锐主编，中国轻工业出版社4《高分子材料成型加工》(第二版）.周达飞唐颂超,轻工出版社(2000)5其它有关高分子物理、高分子材料加工、塑料或橡胶加工的书籍。参考书目：课程要求掌握高分子材料的基本特性，特别是材料的结构－性能－成型工艺－设备之间的关系课程考核方式：平时成绩（考勤和作业）－30％期末考试－70％高分子材料中常用的基本概念1）高分子、单体、低聚物高分子也叫高分子化合物，是指分子量很高并由共价键连接的一类化合物大分子化合物、大分子、高聚物、聚合物；这些术语一般可以通用Macromolecules,HighPolymer,Polymer常用的高分子的分子量一般高达几万、几十万，甚至上百万，范围在104～106单体合成聚合物的起始原料称为单体（Monomer）CH2CHCH2-CH-CH2-CH-CH2-CHn低聚物分子量介于高分子量（104以上）和低分子量之间的化合物。如异氰酸酯（502胶）、环氧树脂等的预聚体。2)主链、侧基、支链高分子可看作由许多重复单元组成的一条长链（高分子链），长链的主干部分称为高分子的主链，与主链原子连接的原子或基团为侧基（取代基），由重复单元组成的分支部分称为高分子的支链。聚丙烯主链支链侧基支链3）聚合度、分子量聚合度（Degreeofpolymerization）：一条高分子链所含有的重复单元的数目称为聚合度（DP）注意：绝大多数聚合物都是由不同链长的大分子链组成的，聚合度和分子量是大小不均一的大分子的统计平均值。1）根据性能和用途分类高分子材料的分类塑料橡胶纤维涂料、黏合剂具有塑性行为的高分子材料，受力时能发生一定形变（包括可逆和永久形变）。塑料根据使用特性塑料通用塑料工程塑料特种工程塑料产量大、用途广、成型性能好、价格便宜，如PE、PP、PS、PVC等具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构材料，如PA、PC、PET、POM、PPO等具有突出的特种性能的塑料，用于航空航天特殊应用领域，如PEI、聚砜、PEEK等有特殊耐热性橡胶具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在很小外力作用下，能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。按原料来源橡胶天然橡胶合成橡胶由三叶橡胶树乳胶中提取而来，主要成分为顺式聚异戊二烯，弹性好，强度高，综合性能好人工合成的橡胶，如异戊胶、顺丁胶、丁苯胶等纤维聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成细而柔软的细丝，形成纤维。纤维具有弹性模量大，受力时形变小，强度高等特点。品种：聚酰胺（尼龙），聚酯（涤纶），聚丙烯腈（腈纶）、聚丙烯（丙纶），聚氯乙烯（氯纶）、芳纶等。涂料、黏合剂具有一定的成膜性能附着在基体上，对基体起保护或粘结作用。如丙烯酸酯类、异氰酸酯类等2）按主链结构分类碳链高分子，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯1.4高分子材料的分类CHHCHHCHHCHHCHHCHHCCHHCH3HCHHCCH3HCHHCCH3H特点：具有可塑性好，容易加工成型等优点，但耐热性差，易燃烧，耐老化性差等不足。•杂链高分子分子主链上除具有C原子外，还含有O、S、N等杂原子。如尼龙、聚酯、聚砜特点：主链具有极性，容易吸水，加工前需干燥处理，耐热性好，强度高，做工程塑料用。•元素有机高分子分子主链不含碳原子，由硅、氧、氮、硼等组成，但侧基是有机基团。如硅橡胶特点：既具有无机物的热稳定性，又有有机物的弹塑性；缺点是强度较低。•无机高分子分子主链不含碳原子，侧基也不含碳原子，完全由其它原子组成。特点：这些元素的成键能力较弱，所以该类高分子的分子量较低，且易水解；但具有优异的耐高温性能。聚二硫化硅聚偏磷酸及其盐类重要的碳链聚合物：重要的杂链聚合物：3）根据高分子受热后的形态变化：分为热塑性高分子和热固性高分子热塑性高分子受热后会从固体状态逐步转变为流动状态。这种转变理论上可重复无穷多次。热塑性高分子是可以再生的。如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和涤纶树脂等。绝大多数高分子化合物为热塑性高分子。热固性高分子受热后先转变为流动状态，进一步加热则转变为固体状态。这种转变是不可逆的。即热固性高分子是不可再生的。如：酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、硫化橡胶等。高分子材料的命名•习惯命名法•商品命名法•IUPAC命名法1以单体名称为基础，在前面加“聚”字乙烯聚乙烯氯乙烯聚氯乙烯苯乙烯聚苯乙烯甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯1习惯命名法大多数的通用塑料按这种命名法聚乙烯类塑料•低密度聚乙烯LDPE(高压聚乙烯）•高密度聚乙烯HDPE（低压聚乙烯）•线型低密度聚乙烯LLDPE•超高分子量聚乙烯UHMWPE•茂金属聚乙烯（mPE)2取单体简名，在后面加“树脂”或“橡胶”两字苯酚酚醛树脂尿素丁苯橡胶丁二烯丙烯腈丁腈橡胶＋甲醛＋甲醛尿醛树脂＋苯乙烯丁二烯＋对于热固性树脂和橡胶类高分子材料按这种命名法3以高分子链结构特征命名“聚”+高分子主链结构中的特征功能团：指的是一类高分子，而非单种高分子聚酰胺（尼龙）：聚酯：通常，对工程塑料类采用该种命名法第一个数字表示二元胺的碳原子数第二个数字表示二元酸的碳原子数只附一个数字表示内酰胺或氨基酸的碳原子数尼龙后坠数字尼龙66己二胺己二酸尼龙610己二胺癸二酸尼龙6己内酰胺，或ω－氨基己酸Ⅱ.商品命名法聚酰胺（尼龙）聚酯（涤纶）聚丙烯腈（腈纶）聚丙烯（丙纶）聚氯乙烯（氯纶）聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）命名程序：确定重复单元结构排出次级单元（subunit）的次序，两个原则:•对乙烯基聚合物，先写有取代基的部分•连接元素最少的次级单元写在前面给重复单元命名，在前面加“聚”字例子:CHCH2n聚(1－苯基乙烯)Poly(1-phenylethylene)Ⅲ.IUPAC系统命名法作业：写出下列聚合物的英文缩写及结构式,并按主链结构进行分类聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯尼龙66聚对苯二甲酸乙二醇酯聚碳酸酯聚异戊二烯聚丁二烯