化学前沿——高分子材料

2020/11/81化学前沿——高分子材料2020/11/82一、高分子发展历史2020/11/83聚合物改性的发展历史高分子材料及其改性的发展历史:（1）天然高分子材料的利用（远古→19世纪中期）远古时代，不自觉地使用各种天然高分子材料，如食用的五谷(淀粉)、肉类（蛋白质），御寒的兽皮（蛋白质），用做工具的木材（纤维素）等。2020/11/84☛我国人民在几千年前就已经懂得种植棉麻，纺纱织布，养蚕缫丝，穿绸着缎。商朝的丝绸业和纺织业已非常发达。汉唐时代中国的丝绸远销中亚和欧洲，形成了著名的“丝绸之路”。2020/11/85☛广州发掘的2100多年前的南越王墓中就有大量丝绸随葬品，后来广州成为“海上丝绸之路”的起点之一。☛马王堆古墓中500多件精美的漆器和漆棺，表明中国两千多年前就已经熟练地利用天然高分子材料——生漆。2020/11/86☛中国在西汉时期发明的造纸术，是天然纤维素加工利用的典型实例，被誉为中国古代四大发明之一。2020/11/87（2）天然高分子的改性（19世纪中期→20世纪初期）：☛橡胶的硫化（1839，Goodyear）：标志天然高分子改性时代的开始。☛纤维素的硝化（1868）：赛璐珞—世界上第一个塑料。2020/11/88（3）高分子材料的合成（20世纪初→至今）☛20世纪初（1909）：世界第一个合成高分子材料—酚醛塑料投产，标志合成高分子时代的开始；☛20世纪50年代：石油化工大规模发展；☛20世纪70年代：所有大品种高分子材料均实现产业化；☛20世纪80年代以后：特种高分子材料合成2020/11/89☛20世纪80年代以来，新的工业化大品种聚合物几乎未再出现，为了满足各行各业对高分子材料提出的各种各样的性能要求，通过各种改性手段实现现有高分子材料及其制品的高性能化、功能化、复合化和环境友好化，成为当前高分子材料工业和科学的主要发展趋势之一。（4）合成高分子的改性（20世纪80年代至今）2020/11/810（1）高分子科学的创建☛20世纪20年代Stadinger提出高分子的链结构理论，高分子化学开始发展；☛20世纪50年代Flory奠定了高分子物理基础。高分子科学的发展历史2020/11/811（2）高分子科学的发展☛均聚—共聚—接枝与嵌段共聚；☛缩聚—自由基聚合—离子型聚合—配位聚合—活性离子型聚合……☛单组分聚合物—多组分聚合物—聚合物共混物与合金—聚合物复合材料；2020/11/812☛均聚物结构—聚合物的多尺度结构－形态学、界面理论；☛力学性能改进（增强、增韧等）－功能的改进。2020/11/813聚合物改性在当代科学技术中的作用（1）提高现有高分子材料性能或功能的主要手段☛增强，增韧，增塑，耐热，阻燃……☛导电，绝缘，光电，光导，磁性……（2）制备新型高性能高分子材料和功能高分子材料的重要方法。2020/11/814二、国内外高分子材料的发展概况与趋势2020/11/815概述材料是人类赖以生存和生产的物质基础；当代新材料是其他高新技术发展的物质基础和先导；新材料是我国优先发展的战略性新兴产业。2020/11/816（1）金属材料。（2）无机非金属材料（陶瓷、水泥、玻璃……)。（3）高分子材料(塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、油墨、高分子复合材料、功能高分子材料、天然高分子材料等）。（4）复合材料。材料2020/11/817❒高分子材料是当代新材料的后起之秀，但其发展速度与应用范围超过了传统的金属材料和无机材料，已成为工业、农业、国防、科技和日常生活等领域不可缺少的重要材料。❒世界合成高分子材料的总产量已仅4亿吨，其体积产量超过金属材料。2020/11/818❒我国是高分子材料生产和消费的大国，合成高分子材料产量达6000躲万吨左右，在全球排名第二。2020/11/8191.高分子材料与人类生活（1）衣：天然纤维、合成纤维、皮革；（2）食：天然高分子食品：淀粉、蛋白质等；❒高分子材料越来越普及和深入到人类生活的各个方面，给人类生活带来了翻天覆地的变化。2020/11/820（3）现代农业：农用薄膜与温室技术使北方人民冬天可以吃到新鲜蔬菜；（4）滴灌技术：显著提高缺水地区农作物产量，改造沙漠。2020/11/821（5）住：高分子建材——塑料管材、塑料门窗、塑料板材、建筑粘合剂、建筑防水材料、家具、涂料、装修材料（人造板、电线、开关等）、高性能混凝土外加剂等。用高分子建材代替金属和无机非金属材料符合节能减排和低碳原则。2020/11/8222020/11/823（6）行：汽车——含有轮胎和数以千计的高分子材料零部件，一辆小轿车要使用一百多公斤各种高分子材料，是汽车轻量化的关键。2020/11/824高速列车——减震降噪依赖于橡胶减震制品。大型客机——需要上万个高分子材料零件。机身使用碳纤维增强树脂复合材料（如A380占50%以上）。2020/11/825（7）用：各种家用电器、办公用品都离不开塑料、橡胶等高分子材料。如空调、冰箱、洗衣机、电视机、电脑、复印机、各种小家电……）。2020/11/8262020/11/827（1）电子信息印刷电路板（PCB，覆铜板）；光敏树脂；按键（导电硅橡胶）；复印机、打印机；（导电胶辊及墨水）。2.高分子材料与当代高新技术2020/11/828（2）生物技术人工脏器（人工肾，人工心脏瓣膜、人工关节、人造眼角膜，等等）;医用导管与介入疗法;高分子药物——长效、缓释、靶向；目前高分子材料在医学上的应用有90多个品种、1800余种制品。2020/11/829（3）航空航天卫星与飞船外壳（碳纤维/环氧树脂复合材料）。挑战者号航天飞机失事（火箭密封圈失效）2020/11/830（4）新能源新型电池（锂离子电池隔膜、燃料电池隔膜）；LED灯（封装材料）；风力发电（风翼）。2020/11/8313.1高性能化20世纪80年代以来，由于新的工业化大品种聚合物几乎未再出现，通过各种改性手段实现现有高分子材料及其制品的高性能化成为当前高分子材料的重要发展趋势。3.国内外高分子材料的发展动向2020/11/832（1）塑料的高性能化通用塑料的工程化和工程塑料的高性能化（“比铁还硬，比钢还强”）。塑料高性能化的方法（改性塑料）：①化学改性（茂金属催化聚合、间规聚合、超高分子量聚乙烯等）2020/11/833②共混与合金化（物理共混、接枝、嵌段、互穿聚合物网络、相容剂技术）；③填充（偶联剂技术、纳米复合技术等）；④纤维增强（高性能纤维增强塑料、自增强技术）。2020/11/834⑤塑料高性能化的成型加工新技术：☛反应挤出技术；☛微波技术；☛振动技术；☛挤出和注射自增强技术等。2020/11/835⑥无卤阻燃技术☛从上世纪90年代以来，国内改性塑料行业已成为发展最快的新兴产业（如金发科技）。2020/11/836（2）橡胶的高性能化☛子午线轮胎：是世界轮胎工业的发展方向。世界轮胎子午化率达90％以上，中国为80％左右。2020/11/837☛高性能轮胎是当前轮胎工业的发展方向——包括“绿色”轮胎、节能轮胎、安全轮胎、高里程轮胎、智能轮胎等，其特点是兼具低滚动阻力、高抗湿滑性、高耐磨、高寿命等优良综合性能。滚动阻力下降20～35％，节油3～5％。2020/11/838高性能轮胎是当前世界轮胎工业的重要发展趋势2020/11/839高性能轮胎的三个基本性能：(1)低滚动阻力;(2)高抗湿滑性；(3)高耐磨性•节能•环保•安全•耐用高性能轮胎是绿色、环保型轮胎2020/11/840☛汽车油耗的40%左右用于克服轮胎的滚动阻力，轮胎对汽车的节能具有关键作用。2020/11/841☛汽车尾气污染成为城市大气污染的罪魁祸首！高性能轮胎能减少汽车尾气污染，是一类绿色、环保型轮胎。2020/11/842☛按照高性能轮胎的节油率5％计算，如果在全国推广应用，每年可节省燃油500万吨，相当于节省人民币约500亿元！美国“大众机械”杂志把低滚阻轮胎评为2009年美国十大科技之一2020/11/843☛轮胎的抗湿滑性与行车安全密切相关。高速公路上汽车事故的50%以上与轮胎有关!☛兼具低滚动阻力和高抗湿滑性的新材料的研究是研制高性能轮胎的关键。2020/11/844☛汽车用非轮胎橡胶制品——汽车的轻量化对橡胶制品耐热、耐油和耐化学品性能要求提高，促进了丙烯酸酯橡胶、氯磺化聚乙烯、硅橡胶、氟橡胶、氢化丁腈橡胶、三元乙丙橡胶等的使用。2020/11/845☛减震隔震橡胶制品——应用于地震地区的房屋建筑橡胶隔震支座（如汶川地区重建）、汽车、桥梁、铁路、船舰（潜水艇减震）等领域。2020/11/846隔震橡胶支座2020/11/847新建的汶川第二小学采用了橡胶减震技术建筑隔震专家—周福霖院士（广州大学）2020/11/848（3）纤维的高性能化☞高性能纤维——高强度纤维、高模量纤维、耐高温纤维、阻燃耐火纤维耐腐蚀纤维……，☞主要品种——碳纤维、芳纶纤维、PBO纤维聚芳酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。2020/11/849☞特点①具有远优于普通纤维的物理机械性能、热性能和化学性能；②采用高技术制备，应用于高科技或特殊领域；③高附加值。2020/11/850碳纤维及其复合材料航天（火箭、卫星、飞船外壳、烧蚀材料）建筑（混凝土增强、建筑物加固、桥梁加固）航空（飞机机身、直升飞机叶片、刹车器，A350CFRP占62%，B787占50%）汽车（车身、传动轴，减重30%，节能20%）各种机械零件、武器高速列车车身（减少噪音、减震、隔热）体育、休闲器材新能源（风叶、采油、电极、核电、复合电缆）2020/11/851其他新型高性能纤维芳纶纤维——具有超高强度、高模量、高韧性、耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右。广泛应用于航天航空、轮胎及传送带骨架材料、防弹衣、头盔、高强绳索等方面。2020/11/852PBO纤维（Zylon）——聚对苯撑苯并双恶唑，是新世纪的超强纤维。其强度超过碳纤维、芳纶纤维，也超过不锈钢纤维。可用于航空航天、防弹材料、防护服、消防服、增强材料、耐热垫等。防彈背心厚度仅为3.5mm，可作为“月球天梯”材料。2020/11/853艺术家笔下的“月球电梯”想象图2020/11/8543.2功能化☞随着高新技术的发展，各种功能化高分子材料及其制品的应用越来越广泛，品种越来越多，要求越来越高，市场需求量越来越大，为高分子材料产业提供了许多新的发展机遇。2020/11/855☞功能高分子材料已经或正在形成新的产业，成为高分子材料产业中最有发展前景的新的增长点。2020/11/856①印刷线路板；②感光高分子材料——随着集成电路的集成化程度的不断提高，对印刷电路感光高分子材料的要求越来越高。（1）电子信息用高分子材料2020/11/857③硅橡胶按键；④磁性高分子材料——由高分子材料与磁性粉末复合而成。可记录声、光、电等信息，并有重放功能，广泛用于电子、电气、通讯、航空航天、汽车、家电、计算机、复印机等。2020/11/858⑤塑料光纤（PMMA，PS，PC)——具有大口径、高开口数、处理方便、加工简便、价廉、接续方便等优点，适用于短距离通信网络，将会成为未来信息社会的新兴产业。2020/11/859①导电聚合物——二十世纪高分子领域的重大发现，具有革命性影响。☞含大π键的的高分子材料，经化学或电化学掺杂而成。具有导电性、电致变色、电致发光、非线性光学等性能。包括聚乙炔及其衍生物、聚噻吩、聚苯胺、聚对苯乙烯撑（PPV）、聚噻吩等。（2）导电和光电高分子材料2020/11/860②高分子电致发光材料（OLED）☞新一代平板显示器——具有视角宽、能耗低、响应速度快、超薄、超轻、成型加工简便、可制备全固化薄膜器件和柔性显示等优点。☞平面光源——白光照明，成本低。2020/11/861☞聚合物太阳能电池——大面积，柔性、质轻、易制备、易修饰、开路电压高、成本低等优点，效