高分子材料基础知识及发展现状

1高分子材料基础知识及发展现状高分子发展历史高分子基础知识2高分子材料的发展历史20年代：高分子概念30年代：高分子合成40年代：自由基聚合50年代：工业化生产60年代：耐高温高分子70年代：导电高分子80年代：复合材料3高分子材料的发展历史20世纪初，人们已经确认了淀粉的分子式，并知道其水解后得到葡萄糖。但并不知道分子之间如何连接，所以认为淀粉是葡萄糖或它的环状二聚体的缔合体。同样，科学家了解天然橡胶裂解可得异戊二烯，但是不知它们之间如何连接以及它的末端结构，因为也认为是二聚环状结构的缔合体。科学技术的发展使科学家们有可能用物理化学和胶体化学的方法去研究天然和实验室合成的高分子物质的结构。德国物理化学家斯陶丁格经过近10年的研究认为，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）将化学键连接在一起的大分子化合物，即重复链结构，高分子或聚合物一词即源于此。1928年当斯陶丁格在德国物理和胶体化学年会上宣布这一观点时，却遭到多数同行反对而未被承认。但真理是在斯陶丁格这一边，经过两年的实验验证，1930年斯陶丁格再次在德国物理和胶体化学年会上阐明他的高分子概念观点时，他成功了。至此，历经10余载的争论，科学的高分子概念才得以确立。他进一步阐明了高分子的稀溶液粘度与分子量的定量关系，并在1932年出版了一部关于高分子有机物的论著，这后来被公认为是高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。为了表扬斯陶丁格的功绩，瑞典皇家科学院授予他1953年诺贝尔化学奖。4高分子材料的发展历史30年代，链式反应理论，高分子结构概念，有机自由基化学三者的结合实现了许多通用高分子品种并工业化生产。30年末,W.H.Carothers发现了缩聚合成高分子的方法。例：对大分子概念的一个有力证实就是1935年美国杜邦公司发表已二胺与已二酸缩聚而成高分子聚酰胺，即尼龙6－6，并于1938年工业化，这就是大家熟知的尼龙袜材料。另外，鲜为人知的是，二次大战后期美军使用的降落伞就是这种尼龙6－6材料制作的。40年代乙烯类单体的自由基引发聚合发展很快，实现工业化的包括氯乙烯、聚苯乙烯和有机玻璃等，这是合成高分子蓬勃发展的时期。进入50年代，从石油裂解而得的a－烯烃主要包括乙烯与丙烯，德国人齐格勒与意大利人纳塔分别发明用金属络合催化剂聚合而成聚乙烯即低压聚乙烯与聚丙烯，前者1952年工业化，后者1957年工业化，这是高分子化学的历史性发展，因为可以由石油为原料又能建立年产10万t的大厂，他们二人后来都获得了诺贝尔奖金。5高分子材料的发展历史60年代，由于要飞往月球而出现高温高分子的研究热。耐高温的定义是材料能够在氮气中、500℃环境中能使用一个月；在空气中，300℃环境下能使用一个月。其结果主要分为两大类，一类是芳香聚酰胺例如苯二胺与间苯二酰缩聚得到的高分子Nomex，这在当时曾被作为太空服的原料。还有对苯二胺与对苯二酰氯缩聚得到的高分子Kevlar，它属于耐高温的高分子液晶，现在用于超音速飞机的复合材料中。另一类是杂环高分子，例如聚芳亚酰胺和作为高温粘合剂的聚苯并咪唑为现在的宇航飞行所需的材料打下了基础。20世纪70年代中期，美国科学家Heeger,MacDiarmid和日本白川英树的一项发现，改变了高分子只能是绝缘体的观念，在塑料导电研究领域取得突破性的发现，具有光、电、磁活性的导电聚合物成为对物理学家和化学家都具有重要意义的研究领域。导电聚合物在发光二极管、太阳能电池、移动电话和微型电视显示装置等领域不断找到新的用武之地。例：美国1929年高分子产量2万多吨，1980年发展到2000多万吨，1979年合成高分子总产量体积算大大超过所有各种技术的总产量。2000年，金属材料：天然材料：合成材料=19：3：78（消耗量比值）6我国高分子材料的研究和开发我国的高分子材料的研究起步于20世纪50年代初，通过高分子化学、高分子物理、高分子成型加工和高分子反应工程等学科和产业部门的合作，开发出一批体现我国科研和产业化水平和能力的高分子材料及生产技术。这些材料有满足国防需要的离子交换树脂和高分子粘结剂，有已产业化的镰催化顺丁橡胶、辐照交联热收缩高分子材料及超细旦聚丙烯纤维，有已出口的SBS热塑弹性体工业化生产技术和聚丙烯工业化生产用Ｎ型催化剂，还有已在境外实施的稀土催化异戊橡胶等。我国是高分子材料的大国，年消费量超过3000万ｔ，但还不是强国。不仅产品的竞争力有待提高，产量也不能满足国内的需求，如合成塑料和合成橡胶的年产量只能满足一半左右的国内需求。尽快完成从高分子材料的生产和消费大国到强国的转变，发挥高分子材料对传统产业的改造、对新兴产业的兴起的支撑作用，需要开展高分子材料科学的创新研究，需要实现高分子材料产业的持续发展。7高分子材料优点及用途塑料：质轻，不腐，不蚀，色彩绚丽。•用于机械零件、车船材料、工业管道容器、农用薄膜、包装用品、板材、管材。•医疗器械、家用器具、文化体育娱乐用品、儿童玩具。纤维：轻柔、不皱、强韧、挺括、不霉一个工厂生产的合成纤维相当上百万亩农田生产的天然纤维。橡胶：不受地域限制例：最强韧的材料，不是钢、钛、铍，而是碳纤维和环氧树脂复合的塑料。8高分子材料迅速发展迅速发展的原因人类社会及国民经济对高分子新材料不断需求如：衣着服饰（棉、的确良、腈纶）促进聚酰胺、聚酯发展纳米纤维、高强度高模量纤维相关学科领域知识交叉、渗透、融合有机化学—高分子化学–高分子物理—高分子工程—功能高分子高分子材料具有优异性能资源丰富，原料价格低廉9高分子材料迅速发展高分子新技术、新材料电子功能聚合物光电磁功能高分子高分子液晶显示技术高密度纪录技术医药功能高分子控制药物释放材料医用材料人体组织修复材料10塑料之王—赛璐珞由“象牙问题”引发的研究最早的“天然塑料物质”毛发、蹄脚、角质物、羽毛等纤维蛋白都是含有高硫量的聚合物11纤维素硝酸酯—赛璐珞的合成纤维素分子中的羟基与硝酸生成酯，称之纤维素硝酸酯把硝比纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热使它于模型，然后在常压下硬化。他研制出第一个合成塑料是一种坚韧材料，具有很大的抗张强度，耐水，耐油、耐酸，能够低成本地生产各种颜色的产品，由牙科产品创出一条成功之路于1870年建立奥尔巴尼(Albany〕牙托公司生产赛璐珞假牙托，成功以后在1871年注册商标，命名为赛璐珞，塑料之王—赛璐珞海厄特12塑料之王—赛璐珞18世纪末和19世纪初，赛璐珞有很多方面的应用，如制造梳子、牙刷，衣领、薄膜玩具、汽车风挡、钢琴键及照相胶卷等消费品赛璐珞一度作为专利产品的还有眼镜框架、钢笔杆、安全(不碎）玻璃及弹子球等乒乓球，火棉易燃13塑料之王—赛璐珞14医用高分子材料医用高分子材料的重大需求现代医学的进步已经越来越依赖于生物材料和器械的发展生物医用材料可分为医用金属材料、医用陶瓷材料和医用高分子材料三大类（当然还可以由它们组合而成复合材料）高分子材料的物理化学性能与金属、陶瓷等材料相比，与人体组织更加匹配（骨密质等除外），因此适用面最广。15医用高分子材料的要求（1）生物功能性：因各种生物材料的用途而异，如：作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性。（2）生物相容性：可概括为材料和活体之间的相互关系，主要包括血液相容性和组织相容性（无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等）。（3）化学稳定性：耐生物老化性（特别稳定）或可生物降解性（可控降解）。（4）可加工性：能够成型、消毒（紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等）16医用高分子材料种类人工脏器人工肺（并不是对于人体肺的完全替代，而是体外执行血液氧交换功能的一种装置）；人工肾（透析型、过滤型、吸附型）；人工肝脏（透析等）人工组织牙科材料（蛀牙填补用树脂、假牙和人工牙根、人工齿冠材料和硅橡胶牙托软衬垫等）；（2）眼科材料（人工角膜、人工晶状体、人工玻璃体、人工眼球、人工视网膜、人工泪道、隐型眼镜）护理和医疗用具相关的医用材料高分子医疗用具及制品，如：一次性高分子用品（注射器、输血输液袋等）、高分子绷带材料（弹性绷带、高分子代用石膏绷带、防滑脱绷带）、医用缝合线等；17医用高分子材料种类药用高分子（1）高分子缓释药物载体：时间控制缓释体系（如康泰克等，理想情形为零级释放）、部位控制缓释体系（脉冲释放方式）；（2）高分子药物（带有高分子链的药物和具有药效的高分子）：抗癌高分子药物（非靶向、靶向）（3）药物制剂和包装用高分子材料液状制剂中的高分子增稠剂、稀释剂、分散剂和消泡剂；固体制剂中的高分子粘合剂、包衣剂、膏剂和涂膜剂）、微胶囊18医用高分子材料19白色污染20白色污染一、什么叫白色污染这要从塑料开始谈起。塑料是一类高分子材料。以石油为原料可以制得乙烯、丙烯、氯乙烯、苯乙烯等，这些物质的分子在一定条件下能相互反应生成分子量很大的化合物（即高分子）：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯。我们通常使用的塑料就是由上述四种高分子组成的材料（聚乙烯、聚丙烯薄膜抖动时声音发脆，而聚氯乙烯薄膜则较柔软，抖动时无发脆声音；发泡塑料一般是聚苯乙烯，燃烧时有浓烟）。从上世纪六十年代开始，塑料进入广泛实用阶段。由于塑料具有很多优点：它取材容易，价格低廉，加工方便，质地轻巧，因此塑料一问世，便深受世界欢迎，它迅速渗入到社会生活的方方面面，塑料被制成碗、杯、袋、盆、桶、管等。塑料被列为20世纪最伟大的发明之一，塑料的普及被誉为白色革命。随着塑料产量不断增大，成本越来越低，我们用过的大量农用薄膜、包装用的塑料袋和一次性塑料餐具在使用后被抛弃在环境中，给景观和环境带来很大破坏。由于塑料包装物大多呈白色，它们造成的环境污染被称为白色污染。21二、白色污染的危害白色污染存在两种危害：视觉污染和潜在危害。视觉污染指的是塑料袋、盒、杯、碗等散落在环境中，给人们的视觉带来不良刺激，影响环境的美感。前几年，有人戏称我国有两座万里长城，一为古长城，二为白色长城，指的是我国铁路沿线到处是白色的饭盒、塑料袋，这就是视觉污染。22二、白色污染的危害一次性发泡塑料饭盒和塑料袋盛装食物严重影响我们的身体健康使土壤环境恶化，严重影响农作物的生长填埋作业仍是我国处理城市垃圾的一个主要方法。由于塑料膜密度小、体积大，它能很快填满场地，降低填埋场地处理垃圾的能力；若把废塑料直接进行焚烧处理，将给环境造成严重的二次污染。23三、白色污染的防治1、停止使用一次性餐具及超薄塑料袋。由于一次性塑料餐具难降解，现在许多城市都推广使用绿色餐具——纸制餐具，因为纤维素能被微生物降解。2、回收废塑料并使之资源化是解决白色污染的根本途径。3、研究开发降解塑料。4、加强环保宣传，提高公民的环保意识，在社会上形成良好的环保氛围24白色污染25白色污染26白色污染27白色污染