高分子材料基本概念.doc

第一章 _ 绪论第一节 高分子材料基本概念高分子材料(Polymer materials)是以高分子化合物为基材的一大类材料的总称。高分子化合物（macromolecular compound）常简称高分子或大分子（macromolecule），又称聚合物（polymer），或高聚物（high polymer）。通常情况下，人们并不严格区分这些概念的微细差别，而认为是同一类材料的不同称谓。高分子化合物的最大特点是分子巨大。大分子由一种或多种小分子通过共价键相互连接而成（通过聚合反应），其形状主要为链状大分子或网状大分子。低分子化合物和高分子化合物之间并无严格界线，化学结构相同的化合物，分子量小者称低分子化合物，分子量大者（通常在10000以上）称高分子化合物。高分子材料的许多奇特和优异性能，如高弹性、粘弹性、物理松弛行为等都与大分子的巨大分子量相关。构成大分子的最小重复结构单元，简称结构单元，或称链节。构成结构单元的小分子称单体。例如聚乙烯大分子是由乙烯单体通过聚合反应首尾重复连接而成：- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-为简便计，可缩写成: -(- CH2- CH2-)n-上式为聚乙烯大分子的一种结构表示式。其中CH2CH2为结构单元（链节）。式中的下标n代表重复结构单元数，又称聚合度，它是衡量分子量大小的一个指标。严格地讲，高分子化合物与聚合物不完全等同，因为有些高分子化合物并非由简单的重复单元连接而成，而仅仅是分子量很高的物质。聚合物按重复结构单元的多少，或按聚合度的大小又分为低聚物（Oligomer）和高聚物（Polymer）。由一种单体聚合而成的聚合物称均聚物，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯等；由两种或两种以上单体共聚合而成的聚合物称共聚物，如丁二烯与苯乙烯共聚合而成的丁苯橡胶；乙烯与辛烯等共聚合而成的聚烯烃热塑性弹性体等。共聚物又可根据结构单元的排列方式不同而分成接枝共聚物、嵌段共聚物、交替共聚物、无规共聚物等。有一类聚合物是由两种单体通过缩聚反应连接而成的，其重复单元由两种结构单元合并组成。这类聚合物不称共聚物，而称缩聚物，如聚酰胺、环氧树脂、聚酯等。例如尼龙-66（属于一种聚酰胺）由单体己二胺和己二酸缩聚生成，其结构式为：-NH-(- CH2-)6-NH-CO-(- CH2-)4-CO-n-单体结构单元 单体结构单元 重复结构单元 可以看出，其重复结构单元由NH-(-CH2-)6-NH和CO-(-CH2-)4-CO两种单体结构单元组成，它是由两种单体通过缩水聚合反应生成的。相对分子量是标征高分子材料物性的最重要物理量。聚合物的相对分子量有两大特点，一是分子量很高，达几万至几百万，二是具有多分散性。也就是说，一种聚合物的大分子虽然化学结构相同，但分子链长度不等，聚合度大小各异，因此聚合物可看成是由分子量不等的同系列物组成的混合物。原则上，聚合物的分子量或聚合度只有统计平均的意义，根据统计平均的方法不同，有数均分子量、重均分子量、粘均分子量之别。根据分子量分布函数或分布曲线，还可定义分子量分布的宽度（molecular weight distribution），用以表征其多分散性的程度。第二节 高分子材料命名和分类一、高分子材料的命名迄今已有的高分子材料约几百万种，命名比较复杂，主要根据大分子链的化学组成与结构而确定。国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）1973年提出了以结构为基础的系统命名法。最简单的化学结构名称由构成聚合物的单体名称，再冠以“聚”字组成。大多数烯烃类单体聚合物均采用此法命名，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚丁二烯（PB）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。有些聚合物，以这类材料中所有品种共有的特征化学单元名称来命名。如环氧树脂（EP）是一大类材料的统称，该类材料都具有特征化学单元环氧基，故统称环氧树脂。另如聚酰胺（PA）、聚酯、聚氨酯（PU）等杂链聚合物也均以此法命名，它们分别含有特征化学单元酰胺基、酯基、氨基。各类材料中的某一具体品种往往还有更详细的名称以示区别，如聚酰胺（PA）中有尼龙6、尼龙66等品种；聚酯中的PETP称聚对苯二甲酸乙二醇酯，PBTP称聚对苯二甲酸丁二醇酯等。还有些聚合物，取生产该聚合物的原料名称来命名。如生产酚醛树脂的原材料为苯酚和甲醛，生产脲醛树脂的原料为尿素和甲醛，取其原料简称，后面再加上“树脂”二字，构成聚合物名称。共聚物的名称多从其共聚单体的名称中各取一字组成。有些共聚物为树脂，则再加“树脂”二字构成其新名。如ABS树脂，A、B、S三字母分别取自其共聚单体丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的英文名字头。有些共聚物为橡胶，则从共聚单体中各取一字，再加“橡胶”二字构成新名。如丁苯橡胶的丁、苯二字取自共聚单体“丁二烯”、“苯乙烯”；乙丙橡胶的乙、丙二字取自共聚单体“乙烯”、“丙烯”等。除化学结构名外，许多高分子材料还有商品名称、专利商标名称及习惯名称等。商品名称、专利商标名称多由材料制造商自行命名，许多厂家制订了形形色色的企业标准，由商品名不仅能了解到主要的聚合物基材品质，有些还包括了配方、添加剂、工艺及材料性能等信息。习惯名称是沿用已久的习惯叫法，如聚酯纤维习惯叫涤纶；聚丙烯腈纤维习惯叫腈纶等。聚合物化学名称的标准英文名缩写因其简捷方便而在国内外广泛被采用。英文名缩写采用印刷体、大写、不加标点。表1-1列举了最常见的聚合物缩写名称。表1-1 常见的聚合物缩写名称聚合物缩写聚合物缩写聚合物缩写聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯聚丙烯腈聚丙烯酸甲酯PEPPPSPVCPANPMA聚甲醛聚碳酸酯聚酰胺ABS树脂聚氨酯乙酸纤维素POMPCPAABSPUCA天然橡胶顺丁橡胶丁苯橡胶氯丁橡胶丁基橡胶乙丙橡胶NRBRSBRCRIIREPR二、高分子材料的分类聚合物有多种分类方法，主要可按化学结构、性能和用途分类。（一） 按大分子主链结构分类根据主链结构，高分子化合物可分为碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、无机高分子等几类。碳链高分子指主链完全由碳原子构成的大分子。这是最重要的一类高分子化合物，绝大多数烯烃类和二烯烃类聚合物都属于碳链高分子。根据主链上碳原子间化学键的类型，又分为饱和键和不饱和键碳链高分子。凡主链上只有饱和的键者为饱和链高分子；主链上含有不饱和的键者，称不饱和链高分子。表1-2列举了一些重要的碳链高分子及其重复结构单元形式。表1-2 一些重要的碳链高分子聚合物缩写符号重复结构单元单体结构式杂链高分子指大分子主链中既有碳原子，又有氧、氮、硫等其它原子。常见的这类聚合物有聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、聚砜、聚硫橡胶等。元素有机高分子是指大分子主链中没有碳原子，而由硅、硼、铝、氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机基团如甲基、乙基、芳基等组成。典型的例子是有机硅橡胶。表1-3给出一些常见杂链高分子和元素有机高分子的例子。若主链和侧基上均无碳原子，这类高分子称无机高分子。表1-3 一些常见的杂链高分子和元素有机高分子聚合物重复结构单元单体结构式（二） 按性能和用途分类按照材料凝聚态结构的不同及主要物理、力学性能的差异，按照材料制备方法和在国民经济建设中的主要用途，高分子材料大致可分为塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等不同类型。在使用条件下材料处于玻璃态或结晶态，主要利用其刚性、韧性作结构材料者称为塑料；使用条件下材料处于高弹态，主要利用其高弹性作缓冲或密封材料者称为橡胶。纤维、粘合剂、涂料主要根据其用途来区分。近年来，一批新型高分子材料被赋予新的功能，如导电、导磁、光学性能、阻尼性能、生物功能等，于是又划分出一类新的功能高分子材料。严格地讲，上述这种分类法不是很科学。因为一种高分子化合物，根据配方和加工方法、加工条件的不同，可能在一种条件下制作成塑料，在另一种条件下又制作成纤维或粘合剂。例如聚氯乙烯在多数情况下用作塑料，但也可纺丝而制成氯纶纤维；尼龙和涤纶是典型的纤维，但生产尼龙、涤纶的原料聚酰胺和聚酯又是非常好的工程塑料原料。正是由于高分子化合物在分子结构、凝聚态结构及分子运动形式上的复杂性、多重性，使高分子材料具有多种多样的品种和性能，用途十分广泛，没有必要对各类高分子材料严格加以区分。基于这种认识，人们还主动地采用各种化学改性和物理改性方法，改造高分子材料，扬长避短，不断开发出性能优异，用途各异的新型材料品种，满足国民经济建设的不同需求。第三节 高分子材料的战略地位和发展趋势高分子材料科学是材料科学中的一个分支学科。与现代材料科学的基本任务相仿，高分子材料科学的主要内容包括：1、从化学角度出发，研究高分子材料的化学组成、键性、结构与性能的关系，开发新材料，研究新聚合方法；2、从物理学角度出发，研究高分子材料的结构、分子运动形态、凝聚态变化规律及其与各种材料物性的内在联系，为正确合理使用高分子材料提供理论依据；3、从工程学角度出发，研究材料的合成工艺、加工方法以及由此造成的对材料结构、形态、性能、应用的影响规律，提高高分子材料品质。基于此，高分子材料科学是一门多学科性的综合性应用基础科学，它的发展和进步要求科学研究和工程技术的密切配合，需要跨学科、跨领域的参与和协调。在当前和今后一段时期内，高分子材料科学和工程的主要发展趋势是：研制、开发更高性能化、功能化、复合化、精细化和智能化的材料品种和制品。高性能高分子材料是高分子材料科学近年来发展的一个主要方向。为满足航空、航天、电子信息、汽车工业、家用电器等多方面技术领域的需要，要求材料在轻型化的同时，在力学性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等方面进一步提高。目前人们采用各种物理、化学改性技术、复合改性技术已经开发出一大批高性能高分子材料，使原有树脂的性能、品质和附加值大幅度提高。尤其值得一提的是通用大品种树脂和通用橡胶的高性能化已经成为我国高分子材料工业发展的战略重点，并已取得良好的经济和社会效益。功能高分子材料是当今世界各国十分广泛而活跃地进行研究、开发、创新的领域。主要研究热点有：电磁功能高分子材料，光学功能高分子材料，物质传输、分离功能高分子材料，催化功能高分子材料，生物和医用功能高分子材料，力学功能高分子材料等。功能高分子材料是高分子材料科学与生产领域最具活力的新领域，是高分子材料科学的希望所在。高分子材料工业发展到今天，已从“量”的稳定增长发展到“质”的提高深化时期，对高分子科学的进步也提出越来越高的要求和新的挑战。除了在材料本身尚有许多问题需要解决外，包括生产工艺技术的合理化、自动化、最优化；新技术、新设备、新方法采用和推广；能源和资源的节约；减少污染、防治公害、废料再生利用；天然高分子资源利用等诸方面都是高分子科学和工程亟待研究和创新发展的领域。我们学习高分子材料科学的目的，就是要掌握高分子科学基本知识和方法，了解当前高分子科学和工业发展的最新前沿和问题，学会科学的分析问题、解决问题的本领。高分子材料科学主要分为高分子化学、高分子物理、高分子工程三部分，三部分相互关联，密不可分。我们建议，在学习过程中，紧紧抓住材料的“组成（合成）结构形态性能（或功能）加工、使用”这条主线十分科学和重要。