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高分子材料成型与加工于俊荣东华大学材料科学与工程学院1主要参考书1.《高分子材料成型加工》周达飞、唐颂超主编，中国轻工业出版社，20002.《高分子材料加工工艺学》李光主编，中国纺织工业出版社，20103.《高分子材料加工原理》沈新元主编，中国纺织工业出版社，20004.《高分子材料改性》郭静主编，中国纺织出版社，20095.《聚合物共混改性》吴培熙、张留城编著，中国轻工业出版社，19962高分子材料成型与加工第一章绪论第一节高分子材料3一、高分子与高分子材料1.定义高分子(macromolecule，polymer）：由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的分子量在1万以上的化合物。高分子材料(PolymerMaterials）：以高分子为基体组分的材料。高分子材料是组成相当复杂的一种体系。从应用的角度，高分子材料分为纤维、塑料、橡胶、涂料、粘合剂、聚合物基复合材料等。42.高分子材料的主要种类按高分子的来源分类：•天然高分子材料（NaturalPolymerMaterials）•合成高分子材料（SyntheticPolymermaterials）一、高分子与高分子材料52.高分子材料的主要种类按照材料的性能分类•通用高分子材料（commonpolymermaterials）量大、产值高、涉及面广泛、性能一般。属于传统材料、基础材料。主要包括：塑料、橡胶、纤维、涂料和胶粘剂等。•新型高分子材料（advancedpolymermaterials）正在发展，且具有通用高分子材料所不具备的优异性能和应用前景。用量少，专一性、附加价值高。主要包括：智能型高分子材料、生物分离用高分子材料、医疗用高分子材料、医药高分子材料等62.高分子材料的主要种类•纤维：长度比直径大千倍以上且具有一定柔韧性和强力的纤细物质统称为纤维•塑料：以高分子化合物为基本成份、在加工中通过塑化流动或原位聚合而成型的柔韧性或刚性固体高分子材料•橡胶：以高分子化合物为基本成份的高弹性高分子材料•涂料：应用于物体表面并能结成坚韧保护膜的物质的总称•胶粘剂：能把各种材料粘合在一起的物质按照材料的性能和用途分类73.高分子材料在国民经济中的地位和作用（1）高分子材料在国民经济中具有重要的战略地位大力发展节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车等战略性新兴产业。新材料产业重点发展新型功能材料、先进结构材料、高性能纤维及其复合材料、共性基础材料。--中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要8（2）高分子材料在国民经济中的作用①高分子材料比传统材料发展迅速、空间大•全球塑料产量折算成体积，在20世纪80年代就已接近钢铁，2013年的年产量达到2.99亿吨。•全球合成橡胶的产量从1960年的202万吨剧增到2011年的1511万吨，为天然橡胶的2倍。•全球合成纤维的产量由1960年的70万吨快速飙升至2013年的5270万吨，为天然纤维的2倍。3.高分子材料在国民经济中的地位和作用9•化学纤维2012年产量为3646万吨,占世界产量的70%,已连续15年居世界第一；•塑料产量2012年4921万吨，居世界第一；•合成橡胶产量386万吨，居世界第一。我国高分子材料已经形成庞大的产业10高分子材料发展速度快的原因•原料丰富•制造方便、加工容易•品种繁多、形态多样•性能优异•在生产和应用领域所需的投资低，经济效益显著11（2）高分子材料在国民经济中的作用②合成高分子材料在很多应用领域能有效取代传统材料•高分子材料代替金属材料•合成高分子材料代替天然高分子材料广泛采用高分子材料节省了许多传统材料，带来了明显的技术经济效果，推动了传统产业的现代化。12例:汽车骨架结构的开发传统汽车首选金属：钢轻质骨架材料的开发过程：铝→发泡金属→镁及镁/铝合金→轻质骨架组织结构→聚合物塑料→整体注塑发泡技术→流线仿生1314改良的聚碳酸酯材料透明塑料制成的新款eXasis概念汽车2007.3日内瓦15③高分子材料为发展高新技术提供新材料高分子材料为发展高新技术提供高性能结构材料、高功能材料以及满足各种特殊用途的专用材料。在一些高新技术领域已成为不可替代的重要材料。（2）高分子材料在国民经济中的作用16国防和航空航天尖端技术耐热性，耐寒性，耐老化17纤维素基碳纤维•高纯度•低密度•高断裂应变•低热导率•耐烧蚀性洲际导弹关键部位唯一性特种耐烧蚀增强材料导弹弹头防热层18二、高分子材料加工1.定义高分子材料加工（PolymerMaterialprocessing,Polymerprocessing）把高分子原材料经过通过一定的工艺手段转变成某种高分子材料制品的过程。19高分子合成经过一定的途径,从气态、液态、固态的各种原料中得到化学上不同于原料的高分子材料。高分子材料加工经过加工,使高分子材料在物理上处于和原材料不同的状态(化学上相同)。“高分子材料加工”和“高分子合成”的区别202、高分子材料加工的学科分类（1）高分子材料的主要加工方法各种高分子材料均有独特的成型方法化学纤维：熔体纺丝、干法纺丝、湿法纺丝等塑料：注塑、挤塑、吹塑、压延等橡胶：塑炼、混炼、挤出、压延、硫化等21（2）学科分类把高分子材料加工作为一门工程学科，各种高分子材料的加工学科可根据基本的工程和科学原理进行分类。2、高分子材料加工的学科分类22高分子材料加工过程及成型方法示意图23根据工程原理，高分子材料加工分为三个基本阶段：（1）基础阶段固体粒子的处理熔融或溶解增压和泵送；混合脱挥发物和汽提24（2）成型阶段压延和涂覆口模成型模涂（3）后成型阶段机械加工、修饰、装配、黏接、热合、着色、印刷、彩绘等模塑和铸塑二次成型25高分子材料成型与加工第一章绪论第二节高分子材料科学的发展趋势26高分子材料高性能化新功能化复合化和杂化智能化高分子材料科学的发展趋势低维化绿色化27一、高性能化高性能高分子材料：指材料的力学性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等性能有较大提高。主要的高性能高分子材料（1）特种工程塑料（高性能塑料）（2）特种合成橡胶（3）高强高模合成纤维及其它特种合成纤维高分子材料科学的发展趋势28（1）特种工程塑料（高性能塑料）聚砜（PFS）芳香族聚酰胺（Aramid）聚酰亚胺（PI）聚苯硫醚（PPS）聚芳酯（PAR）聚苯醚（PHB）聚醚酮（PEK）氟塑料（F）例：聚醚酮系列按分子链中醚键、酮基与苯环连接次序和比例的不同，可形成许多不同的聚合物。主要有聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮（PEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮（PEKEKK）等品种。29（2）特种合成橡胶氟橡胶：耐热、油、化学介质、强氟化剂等聚硫橡胶：耐油、溶剂、大气老化、极佳气密性氟硫化聚乙烯（CSM）:耐臭氧、阳光、氧化丙烯酸酯橡胶（ACM）：耐热、油、风化、腐蚀、油硅橡胶聚胺酯橡胶（PUE）氯氧化橡胶（CPE）氯醇橡胶30（3）高强高模合成纤维及其它的特种合成纤维高性能纤维低热稳定性高强度纤维高热稳定性高强度纤维（200～300℃）高热稳定性耐热纤维（≦350℃）高热稳定性无机纤维UHMWPE纤维：冻胶纺丝法PVA纤维：冻胶纺丝或湿法纺丝对位芳纶：液晶纺丝或湿法纺丝芳族聚酯：液晶纺丝杂环聚合物纤维（PBO,PB,PI）间位芳纶：湿法纺丝聚酰亚胺纤维：湿法或干法纺丝聚酰胺亚胺纤维：湿法或干法纺丝聚醚醚酮纤维：熔融纺丝嘧胺纤维聚苯硫醚纤维：熔融纺丝酚醛纤维：湿法纺丝碳纤维：湿法纺丝-预氧化-碳化碳化硅纤维：纺丝-碳化玻璃纤维氧化铝纤维：溶胶-凝胶法-碳化31高性能高分子材料制品32二、新功能化功能高分子材料：与常规高分子材料相比具有明显不同的物理化学性质，并具有某些特殊功能的高分子材料。物理功能材料化学功能材料物理化学功能材料生物功能材料特殊功能材料高分子材料科学的发展趋势33物理功能高分子材料具有传递、转换或储存物质、能力和信息作用的高分子材料。绝缘高分子材料（间位芳纶绝缘纸）导电高分子材料（聚苯胺、聚吡咯）高分子光学材料（荧光材料）相变储能材料液晶高分子材料磁性高分子材料……带导电纤维的宇航手套34化学功能高分子材料以高分子链为骨架连接具有化学活性大基团构成。离子交换树脂高分子催化剂高分子载体……35物理化学功能高分子材料高分子分离膜“形象地说，膜就是一道具有选择性渗透功能的壁障，将混合液体或者气体分隔为两相，以此达到特定成分分离的效果。”---高从堦院士36高分子分离膜用于海水淡化图渗透、渗透平衡和反渗透例：地中海中部的马耳他建有世界上最大的反渗透海水淡化厂。德国、英国用膜技术治理了莱茵河和泰晤士河。我国有一批应用膜技术的环保示范工程。37吸附功能材料高吸水、吸油、选择吸附等美国加州大学洛杉矶分校OmarM.Yaghi开发出一种能隔离并捕获二氧化碳分子的材料。图一种ZIF结构。（图片来源：UCLA）RahulBanerjee,AnhPhan,OmarM.Yagh.Science，2008,319(5865):939-94338图壳聚糖膜对Cu(2+)的吸附能力39生物功能材料人工器官用生物医学高分子材料人工器官主要指人工内脏器官，如包括人工肾、人工关节、人工血管、心脏起搏器等。人工肾透析器40人工肾透析原理将人体血液引出体外，利用透析膜两侧溶质浓度的差别，排出体内的代谢产物，然后将净化的血液引回体内。全世界人工肾透析器年产量超过7500万个，产值近22.5亿美元。我国肾衰竭患者约有130万人，每年需1360万只人工肾透析器。41人造心脏瓣膜times杂志评出2007年十大科学发现之一英国伦敦大学帝国学院心脏学研究中心马格迪·亚库布博士领导研究的人造心脏瓣膜。42•对人工器官的需求现状:美国和欧洲每年用于人体自然缺陷和损伤的修复植入材料有四五百万件.美国和德国每百万居民中有超过500人的心脏病患者要植入心脏起搏器，全球有大约60万人未来三年需要更换心脏瓣膜。美国每年有18万人植入人工血管、有12万人安装人工髋关节、10万人注射有机硅隆胸美容.世界上每年有100万病人进行手术时采用体外氧合器.人工脏器的主要问题是材料，生物医学高分子材料在人工脏器领域的用途日益扩大。43组织工程材料面临重大突破•关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体。PGA-PLA支架具有一定强力和弹性的软骨耳廓443D打印技术材料是基础！！！45三、复合化与杂化复合高分子材料高分子/金属、高分子/无机非金属、高分子/高分子材料复合成一体，而制得综合性能更显优异的新型材料。高分子材料科学的发展趋势例：Seung-MoLee对柔软蜘蛛丝进行金属涂层，使蜘蛛丝的抗断裂或变形能力变得更强，能制造超级坚韧织物、外科缝线或诸如骨头、韧带及动脉壁等人工组织。——Science,April24,200946纤维增强复合材料高强芳/杂环纤维纤维增强复合材料47间位芳纶绝缘纸涂胶叠合间位芳纶纸蜂窝飞机机舱隔板采用间位芳纶绝缘纸通过涂胶叠合、压制、切割、拉伸、定型、浸胶固化、片切成型为蜂窝材料，具有质量轻、强度高、刚性好及较高的阻燃性能，是预警飞机雷达罩的必备材料，可用于制造飞机、高速列车等的非受力部件。间位芳纶纸蜂窝材料造纸间位芳纶48有机无机杂化材料纳米粒子改性高强高模聚乙烯纤维纳米碳管/聚苯乙烯复合材料其他如全消光涤纶（TiO2/PET复合纤维）49四、低维化通常的材料，是在空间x、y和z三个方向均延展到一定宏观尺度的三维固体，为三维材料。低维材料——维数低于三维的材料，包括二维、一维和零维材料等。高分子材料科学的发展趋势50材料在任一维度(z)的尺寸缩小到纳米量级，则成为在x、y方向延展的二维材料，如石墨烯纳米片。材料除在z方向缩小外，同时在y方向也缩到纳米量级的尺度，为一维材料，如纳米棒、纳米碳管。材料从x、y、z三个方向都缩小到纳米量级，则成为零维材料，为纳米粒子。零维：石墨块一维：碳纳米管二维：石墨烯51例：GeorgiaInstituteofTechnol