高分子材料

高分子材料基础-第一讲王银杰[e-mail]教材：高分子材料基础。张留成，瞿雄伟，丁会利编著。北京-化学工业出版社，2002。•参考书：1）高分子材料。主编冯孝中，李亚东。哈尔滨-哈尔滨工业大学出版社，2007。2）高分子化学。潘祖仁主编。北京-化学工业出版社，2007。3）高分子物理。王槐三，寇晓康编著。北京-科学出版社，2008。考核及成绩评定期末成绩占70％，平时成绩占30％。内容提要•第一章绪论（2学时）•第二章高分子材料的制备（2学时）•第三章高分子材料的结构与性能（6学时）•第四章通用高分子材料（12学时）•第五章功能高分子材料（2学时）•第六章生物医用高分子（2学时）•第七章聚合物基复合材料（2学时）第一章绪论•1.1现代生活中的高分子材料•1.2高分子科学的发展概况1.1现代生活中的高分子材料人类的文明史=材料的发展史石器时代青铜时代铁器时代钢铁、水泥信息时代•自20世纪30年代以来，高分子科学与技术的发展极为迅猛。•高分子材料由于其自身具有的优异性能，已在信息、生命等新技术领域，以及工业、农业、国防、交通等部门中发挥着重要作用。•没有合成橡胶用于制备汽车轮胎，就没有现代汽车工业。•信息工业和微电子领域：•没有高分辨光刻胶和塑封树脂的发展就不可能有超大规模集成电路的成功，即今天的计算机技术；•没有有机光缆和光信息存储材料的出现也不可能有信息高速公路的发展。高分子材料的消耗率生活中的高分子-衣•蚕丝、棉、毛、麻•合成纤维中大量生产的“四纶”：由聚对苯二甲酸乙二醇酯纺制的涤纶，如:“的确良”；由聚酰胺制成的锦纶（尼龙），如:尼龙袜；由聚丙烯腈纺成的腈纶，腈纶棉质轻保暖，不蛀不霉，便于洗涤；由聚乙烯醇缩甲醛制得的维尼纶，维尼纶织物透气干爽，穿着舒适。厨房生活中的高分子-食客厅生活中的高分子-住电视、电脑、电话外壳；涂料、壁纸、复合地板、天花板等；墙壁、地面、窗户等装饰材料；墙内还有看不到的保温隔热泡沫塑料电源开关浴室牙刷、牙杯人造大理石梳妆台(由不饱和聚酯加石灰石和颜料制成)玻璃钢浴缸塑料凳、塑料盆生活中的高分子-住•活动房：由酚醛或脲醛树脂压制成板材制成，便于拆装运输。•整体式展览馆：以充气顶棚构成。•整体模塑住房：由玻璃增强纤维与树脂制成。•这些轻巧实用，便于快速拆装的房屋，为搭制临时展览场馆、施工现场用房、救灾及野外考察用房等提供了极大的方便。生活中的高分子-行塑料件、仪表盘、保险杠、油箱内饰件、坐垫等农业用塑料：①薄膜（透光性、强度、耐老化性）②灌溉用管应用领域塑料大棚PVC管建筑工业：给排水管PVC、HDPE；塑料门窗，涂料油漆，复合地板，家具（人造木材），壁纸，地板革，PVC（聚氯乙烯）天花板应用领域塑料门窗采用硬质聚氯乙烯（UPVC)型材，内插钢衬，四角用热熔焊机焊接而成。由于在塑料型材空腔中填充了用于增强强度的钢衬，因此俗称塑钢门窗。包装工业：塑料薄膜：PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PS（聚苯乙烯）、PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、PA（聚酰胺，俗称尼龙）等中空容器：PET、、PE、PP等泡沫塑料：PE、PU（聚氨酯）、PS等应用领域塑料盒塑料桶聚苯乙烯泡沫塑料PP（聚丙烯）:保险杆、仪表壳、挡泥板、空调系统制件等PUR（聚氨酯）:座椅、车内地板、减振器、护板PC/ABS：（聚碳酸脂/丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物):收音机壳、散热格板、变速箱壳、反射镜壳体PE（聚乙烯）：内护板、油箱、扶手骨架PA（聚酰胺）：散热器盖、齿轮、皮带轮、水泵叶轮PVC（聚氯乙烯）：电线电缆包材、地板垫POM（聚甲醛）：燃油泵、电气设备系统、各种轴承、衬套PC（聚碳酸酯）：车门把手、前灯PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，有机玻璃）：后挡板、遮阳罩、灯罩PPO（聚苯醚）：耐冲击格栅PF（酚醛树脂）：化油器PP、PUR、PC/ABS、PE、PA、PVC、POM、PMMA、PPO、PF汽车工业：塑料件、仪表盘、保险杠、油箱内饰件、坐垫等应用领域现代i-mode•现代推出的一款概念车。该车拥有前后挡风玻璃、侧玻璃在内的11块车窗，均采用聚碳酸酯热塑性材料。•这种新材料相比一般的车窗更轻薄、更坚固，而且还具有划痕修复功能。如果乘员在开启或搬运东西时不小心划伤玻璃的话，只要痕迹不是很深的话，都可以在阳光的照射下慢慢修复。•此外，该车窗还具有隔热功能，能吸收阳光热量并可有效地抵御紫外线辐射，夏天使车内更清凉。•碳纤维是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。•碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机等。军工工业：固体燃料、低聚物、复合纤维等（飞机和火箭）应用领域民用飞机•波音787飞机大幅增加了新型复合材料的使用，即环氧树脂中嵌入多层碳化纤维，形成更轻、更持久耐用的复合材料。•787飞机的构造中复合材料占50%，波音较早的777喷气式客机仅占12%。在商用飞机中，整个机身的构造使用单一的整片复合材料还是第一次，而且机翼和中央翼盒，也是第一次使用复合材料制造。人造心脏人造关节人工肾医疗卫生中的应用：人工心脏、人工脏器、人工肾、人工肌肉、（智能型凝胶）输液管、血袋、注射器、可溶缝合浅药物释放。应用领域电气工业：绝缘材料（导热性、电阻率）等电子：通讯光纤、电缆、电线等，光盘、手机、电话应用领域电子领域材料电气/电子应用丙烯酸树脂彩色电子显示滤光片，保形涂层氟塑料导线和电缆绝缘层，电气元件酮树脂导线绝缘层，电缆连接器液晶聚合物片式载体，插座，连接器，继电器壳体尼龙连接器，导线套管，导线箍，线圈电子领域材料电气/电子应用聚酰胺-酰亚胺连接器，电路板，天线屏蔽器，薄膜，导线涂层聚芳酯连接器，线圈，开关和熔断器盖，继电器壳体聚碳酸酯连接器，端子板，线圈聚醚酰亚胺连接器，低损耗天线屏蔽器，印制电路板，片式载体，插座，线圈，开关聚烯烃导线和电缆绝缘层电子领域材料电气/电子应用聚酰亚胺电动机绝缘层，磁导线，扁平电缆，集成电路应用聚苯醚连接器，熔线盒聚苯硫醚连接器聚邻苯二甲酰胺连接器，开关聚苯乙烯壳体电子领域材料电气/电子应用聚砜树脂电路板，连接器，TV元件乙烯基树脂导线绝缘层，配管，套管防腐工程：耐腐蚀性，防腐结构材料。（水管阀门）PTFE：230～260℃长期工作，适合温度高腐蚀严重的产品。2008奥运会的三座比赛场馆使用了PC板材。沈阳奥林匹克中心体育场使用了拜尔公司2万平米的PC板，天津奥林匹克中心使用了1.3万平米的PC板。天津奥林匹克体育场采用大量PC材料促成“水滴”效果。为了达到透明、轻量和节能等要求，“水滴”采用了聚碳酸酯板材智能化屋面系统，具有很高的透光率及重量轻、抗冲击、隔热、防结露、节能等特点，与相同厚度的传统板材相比，可节省25%的能源。2008奥运，蔚为壮观的国家游泳中心——水立方充分体现了绿色奥运的理念，由10多万平米（108万平方英尺）聚四氟乙烯（ETFE）膜构成的水立方是迄今“世界上规模最大、构造最复杂、技术最全面的ETFE建筑”。1.2高分子科学的发展概况1.2高分子科学的发展概况15世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品1839年美国人古德伊尔(CharlesGoodyear)发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹性、可塑性的材料。1869年美国的海厄特(JohnWesleyHyatt,1837-1920)把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料“赛璐珞”(cellulose)1887年CountHilairedeChardonnet用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。1909年美国人贝克兰德(LeoBaekeland)用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料--酚醛树酯。1920年施陶丁格(HermannStaudinger)发表了关于聚合反应(UberPolymerization)的论文提出：高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚合)，通过化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一词即源于此。1926年瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机，用它测量出蛋白质的分子量：证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。1926年美国化学家WaldoSemon合成了聚氯乙烯，并于1927年实现了工业化生产1930年聚苯乙烯(PS)发明1932年施陶丁格(HermannStaudinger)总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志1935年杜邦公司基础化学研究所有机化学部的卡罗瑟斯(WallaceH.Carothers，1896-1937)合成出聚酰胺66，即尼龙。尼龙在1938年实现工业化生产1936年德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶1940年英国人温费尔德(T.R.Whinfield,1901-1966)合成出聚酯纤维(PET)1940年PeterDebye发明了通过光散射测定高分子物质分子量的方法1948年PaulFlory建立了高分子长链结构的数学理论1950年德国人齐格勒(KarlZiegler)与意大利人纳塔(GiulioNatta)分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。1971年S.LWolek发明可耐300oC高温的Kevlar纤维。1955年美国人利用齐格勒-纳塔催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。20世纪20年代staudinger首次提出高分子概念40年代形成高分子物理理论50年代出现高分子工程：聚合反应工程、成型加工•60年代高分子工业大发展时期：通用塑料：.PE、PP、PVC、PS(80%)PFUF、PU、UP工程塑料：ABS、PA、PC、PPO、POM、PBT合成纤维：PET、PAN、PP、PVA、nylon合成橡胶：SBR、NR、顺丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶近十年高分子的发展方向：高性能化、高功能化、精细化、智能化、复合化在高分子科学的形成和发展的过程中，世界上许多科学家作出了巨大的贡献，我们不应忘记他们。施陶丁格(HermannStaudinger)是德国著名的化学家，1881年3月23日生于德国的沃尔姆斯(Worms)，1965年8月8日在弗赖堡(Freiburg)逝世，终年84岁。他是1953年诺贝尔化学奖的获得者。1947年，他编辑出版了《高分子化学》(DieakromolekulareChemie)杂志，形象地描绘了高分子(Macromolecules)存在的形式。从此，他把“高分子”这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系，创立了确定分子量的粘度的理论(后来被称为施陶丁格尔定律)。他的科研成就对当时的塑料、合成橡胶、合成纤维等工业的蓬勃发展起了积极作用。由于他对高分子科学的杰出贡献，1953年,他以72岁高龄，走上了诺贝尔奖金的领奖台。1953HermannStaudinger(1881-1965)ForhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistryH.Staudinger(1881-1965)德国人齐格勒(KarlZiegler)与意大利人纳塔(GiulioNatta)分别发明用三乙基铝和四氯化钛组成的金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法。这种催化剂被统称为齐格勒－纳塔型催化剂。1963年12月10日，他们共享诺贝尔化学奖的崇高荣誉。KarlZiegler(1903-1979)GiulioNatta(1898-1973)fortheirdiscoveriesinthefieldofthechemistryandtechnologyofhighpolymers1963KarlZiegler(1903-1979)GiulioNat