第一章 绪论高分子材料课件.ppt

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1、谋近以致远 养根而俟实,湖南人文科技学院Hunan Institute of Humanities Science and Technology 化学与材料科学系,课程名称：高分子材料,教材：国家规划教材高分子材料黄丽主编授课对象：08级材料化学高分子方向学生课时：45考核方式：考试、作业主讲教师：刘益江Tell：15243822852 E-mail：,第一章 绪 论,prolegomenon,Content,1.1 高分子材料的发展史 1.2 高分子材料的类型与特征 1.3 高分子材料的成型加工,Know,什么是高分子材料高分子材料的发展历程高分子材料的分类和特点高分子材料的成型加工方法高分

2、子材料的应用高分子材料的未来,什么是高分子材料,高分子材料(Polymer materials)也称为聚合物材料，它是以高分子化合物（树脂）为基体，再配有其它添加剂（助剂）所构成的材料。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。,高分子材料的发展历程,H.Staudinger 于二十世纪二十年代后期建立了高分子学科,这据说是当 H.Staudinger第一次论证高分子概念时得到的

3、忠告,“亲爱的同事,放弃你那个大分子的概念吧!.因为世界上决不存在大分子那样的东西。”,高分子科学的开山祖师,创立高分子化学的施陶丁格(Hermann Staudinger 1881-1965)1953年,他以72岁高龄，走上了诺贝尔奖的领奖台。,在Staudinger的理论出现之前，科学界对塑料、橡胶和其他分子量很高的材料的本质认识一直是不清楚的。对19世纪的大多数研究学者来说，分子量超过10,000g/mol的物质似乎是难以置信的，他们把这类物质同由小分子稳定悬浮液构成的胶体系统混为一谈。Staudinger否定了这些物质是有机胶体的观点。,他假定那些高分子量的物质，即聚合物，是由共价键形

4、成的真实大分子，并在其大分子理论中阐明了聚合物由长链构成，链中单体（或结构单元）通过共价键彼此连接。较高的分子量和大分子长链特征决定了聚合物独特的性能。尽管一开始他的假设并不为大多数科学家所认可，但最终这种解释得到了合理的实验证实，为工业化学家们的工作提供了有力的指导，从而使得聚合物的种类迅猛地增长。1953年，Staudinger被授予诺贝尔奖。现在人们都已非常清楚：塑料以及橡胶、纤维素、DNA等很多物质都是大分子。,高分子材料的发展大致经历了三个时期，即：天然高分子的利用与加工 天然高分子的改性和合成 高分子的工业生产(高分子科学的建立),天然存在的高分子很多，例如动物体细胞内的蛋白质、毛

5、、角、革、胶，植物细胞壁的纤维素、淀粉，橡胶植物中的橡胶，凝结的桐油，某些昆虫分泌的虫胶，针叶树埋于地下数万年后形成的琥珀等，都是高分子化合物。人类很早就开始利用这些天然高分子了，特别是纤维、皮革和橡胶。例如我国商朝时蚕丝业就已极为发达，汉唐时代丝绸已行销国外，战国时代纺织业也很发达。公元 105 年(东汉)已发明造纸术。至于用皮革、毛裘作为衣着和利用淀粉发酵的历史就更为久远了。,由于工业的发展，天然高分子已远远不能满足需要，十九世纪中叶以后，人们发明了加工和改性天然高分子的方法，如用天然橡胶经过硫化制成橡皮和硬质橡胶；用化学方法使纤维素改性为硝酸纤维，并用樟脑作为增塑剂制成赛璐珞、假象牙等，

6、用乳酪蛋白经甲醛塑化制成酪素塑料。这些以天然高分子为基础的塑料在十九世纪末，已经具有一定的工业价值。本世纪初，又开始了醋酸纤维的生产。后来，合成纤维工业就在天然纤维改性的基础上建立和发展起来了。,高分子合成工业是在本世纪建立起来的。第一种工业合成的产品是酚醛树脂，它是 1872 年用苯酚和甲醛合成的，1907 年开始小型工业生产首先用作电绝缘材料，并随着电气工业的发展而迅速发展起来。三十年代开始进入合成高分子时期。第一种热塑性高分子聚氯乙烯及继而出现的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)等，都是在这个时期相继开始进行工业生产的。三十年代到四十年代，合成橡胶工业与合成纤维工业也发展起来了。五十

7、年代到六十年代高分子工业的发展突飞猛进，几乎所有被称为大品种的高分子(包括有机硅等)都陆续投入了生产。,塑料之父：L.H.贝克兰（L.H.Baekeland）,贝克兰深入研究了苯酚与甲醛的反应，于1907年首次工业化合成酚醛树脂，开创了塑料的时代，也揭开了高分子真正走进人类生活和发展史的序幕。贝克兰的研究完成了以催化剂类型和用量控制缩聚反应，树脂的三阶段固化机理，树脂中加入木粉以克服其脆性，以高温热压法缩短固化时间和消除释放挥发物在模塑制品中产生空隙等研究，使酚醛树脂成为工业生产的第一个合成高聚物。可以说，贝克兰在高分子发展史上的贡献远远大于他对高分子科学本身的学术贡献，正是因为他是高分子真正

8、从空中楼阁走向了人类文明的重要地位，使高分子学科逐渐成为新兴的、充满前途的学科，也间接促使了日后大量优秀的人才投身高分子事业，推动其高速发展。,华莱士H卡罗瑟斯（Wallace H.Carothers,18961937)支持施陶丁格的高分子学说，发现聚酯，发明尼龙，发明氯丁橡胶,30年代初，美国哈佛大学任有机化学教师，33岁时应聘到杜邦化学工业公司的研究所任基础部负责人。此后他用不到一年的时间就合成出了人工橡胶，商品名叫氯丁橡胶。,白川英树(Hideki Shirakawa)Alan G.MacDiarmid Alan J.Heeger因对导电聚合物的发现和发展而获得2000年度诺贝尔化学奖。

9、,导电高分子的发现无疑极大地冲击了人们对高分子材料的传统认识，可以说是一种革命性的进步。在高分子理论，甚至整个材料学理论的研究上，都具有极大的意义。同时，导电高分子的极大地拓展了高分子材料的应用范围，有机半导体材料、有机电子材料导电高分子材料构建了高分子和电子、生物等新兴学科的桥梁，为高分子学科的发展开辟了新的方向。,Whos next one?,高分子材料的分类及特点,1.按性能和用途分类：,塑料橡胶纤维涂料粘合剂功能高分子材料生物高分子材料其他(如合金、复合材料等),在一定条件下具有流动性、可塑性，并能加工成型，当恢复平常条件时(如除压和降温)则仍保持加工时形状的高分子材料称为塑料。,塑料

10、,2.根据塑料受热特性可分类,在室温下具有高弹性的高分子材料称为橡胶。在外力作用下，橡胶能产生很大的形变（可达 1000%），外力除去后又能迅速恢复原状。,橡胶,橡胶的分类,天然橡胶-顺-聚1，4-聚异戊二烯 按化学结构 巴西橡胶树（天然橡胶，NR）反-聚1，4-聚异戊二烯 杜仲胶、古塔波胶按来源 通用橡胶 顺丁橡胶、丁苯橡胶 合成橡胶-按用途 特种橡胶 乙丙橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶,按受热行为和是否具备反复成型加工性,热固性橡胶-化学交联后，不熔融也不能溶解在溶剂中，不能反复加工和成型 热塑性弹性体-高温下能塑化成型而在常温下能显示橡胶弹性-聚氨酯类热塑性弹性体-苯乙烯类热塑性弹性体-其它热塑

11、性弹性体,具备或保持其本身长度大于直径 1000 倍以上而又具有一定强度的线条或丝状高分子材料称为纤维。纤维的直径一般是很小的，受力后形变较小(一般为百分之几到百分之二十),在较宽的温度范围内(-50+150)机械性能变化不大。,纤维,聚酯纤维（PET，涤纶）聚酰胺纤维（锦纶）聚丙烯腈纤维（PAN，腈纶）聚丙烯纤维（PP，丙纶）聚氯乙烯纤维（氯纶）聚乙烯醇缩醛纤维（维纶）聚氨酯纤维（氨纶）,塑料、纤维和橡胶三大类聚合物之间并没有严格的界限。有的高分子可以作纤维，也可以作塑料，如聚氯乙烯是典型的塑料，又可做成纤维即氯纶；若将氯乙烯配入适量增塑剂，可制成类似橡胶的软制品。又如尼龙既可以用作纤维又可

12、做工程塑料；橡胶在较低温度下也可作塑料使用。,涂料,在中国传统称为油漆。指涂布于物体表面在一定的条件下能形成薄膜而起保护、装潢或其他特殊功能（绝缘、防锈、防霉、耐热等）的一类液体或固体材料。包括：醇酸树脂涂料、聚氨酯涂料、环氧树脂涂料丙烯酸树脂涂料、其他涂料,粘合剂,具有粘性的物质，借助其粘性能将两种分离的材料连接在一起。环氧树脂粘合剂聚氨酯粘合剂酚醛树脂粘合剂其他粘合剂,功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及

13、其复合材料。,功能高分子材料,导电高分子材料磁性高分子材料光功能高分子材料液晶高分子材料高分子分离膜材料高吸水性树脂化学（反应型）功能高分子材料离子交换树脂高分子催化剂高分子化学反应试剂,生物高分子材料,生物医用高分子材料药用高分子材料,其他高分子材料,2.根据高分子主链结构可分为,（1）碳链高分子：主链上全由碳原子组成的高分子。大部分烯类和二烯类聚合物属于此类，如聚氯乙烯、聚丁二烯、聚苯乙烯等。（2）杂链高分子：主链上除碳原子外,还有氧,氮,硫等其它元素的高分子。如聚甲醛、聚酰胺、聚酯等。,（3）元素有机高分子：大分子主链中没有碳原子，而由硅、氧、氮、铝、钛、硼等元素组成，侧基为有机基团，如

14、甲基、乙基、乙烯基、芳基等。如,（4）无机高分子:聚合物的主链及侧链均无碳原子。如,3.按应用功能可分为,（1）通用高分子(如塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等)；（2）功能高分子(指具有光、电、磁等物理功能的高分子、高分子药物等)；。（3）特殊功能高分子(如耐热、高强度的聚碳酸脂、聚砜等)；（4）仿生高分子:(如高分子催化剂、模拟酶等)。,高分子材料的成型加工方法,（1）模压成型（压缩模塑）,主要用于热固性塑料的成型这种成型方法是将粉状、碎屑状或纤维状的塑料加入成型温度下的模具型腔中，然后闭模加压而使其成型并固化，脱模后即得制品。模压成型的塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、有机硅树脂、不饱和

15、聚酯等,模压成型特点,生产过程控制较成熟，使用的设备及模具较注射成型简单，可模压较大平面的制品和利用多槽模进行大量生产。热固性塑料模压制品具有耐热性好、使用温度范围宽、变形小及高温下物理力学性能降低较小等特点，其缺点是生产周期长、效率低、较难实现自动化，不能成型形状复杂的制品，且制品的尺寸准确性较差。,（2）挤出成型,挤出成型又称挤出模塑，绝大多数热塑性塑料均可用此法成型特点是具有很高的生产率且能生产连续的型材，如管、棒、板、薄膜、丝、电线、电缆以及各种型材，还可用来混合、塑化、造粒和着色等。,物料的塑化和加压过程一般都是在挤出机内进行。挤出机按其加压方式可分为螺杆式和柱塞式两种,挤出成型过程

16、分两个阶段进行,第一阶段:将物料加热塑化，使呈粘流状态并在加压下通过一定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体第二阶段将这种连续体用适当的方法冷却、定型为所需产品。,（3）注射成型,注射成型，是热塑性塑料成型制品应用广泛的一种重要方法。除极少数几种热塑性塑料外，几乎所有的热塑性塑料及其共混改性塑料都可用此法成型。用注射成型可成型各种形状、精度、尺寸，满足各种要求的模制品。成型周期短，对成型各种塑料的适应性强；生产效率高，易于实现全自动化生产。是一种比较经济而先进的成型技术发展迅速。,注射机的类型,按机器的外形特征分为：立式注射机、卧式主使机、角式注射机和多模注射机按机器的传动方式分为：液压

17、式和机械式注射机按塑化和注射方式分为：柱塞式注射机、螺杆定位预塑注射机、移动螺杆式注射机等,基本作用均为两个：1.加热塑料，使其达到熔化状态；2.对熔融塑料施加高压，使其射出而充满模具型腔。,（4）反应注射成型,反应注射成型（简称RIM，即Reaction Injection Moulding)。此工艺是将两种具有高化学活性的低相对分子质量的液体原料，在高压（14-20MPa）下经撞击混合，然后注入密闭的模具内，完成聚合、交联、固化等化学反应并形成制品的工艺过程。这种将聚合反应与注射成型结合为一体的新工艺，具有物料混合效率高，节能、产品性能好，成本低等优点。RIM于1972年正式投入生产。目前

18、RIM制品大多为聚氨酯体系的产物，RIM适用的树脂有：聚氨酯、环氧树脂、聚酯、尼龙、甲基丙烯酸系共聚物、有机硅等树脂。,（5）热固性塑料的传递模塑成型,传递模塑是先将热固性塑料锭（可以先行预热）放在一加料室内加热，而后在加压下通过浇口、分流道而进入加热的闭合模内，经过塑料的硬化后，即可脱模而得制品。,（6）中空吹塑(BLOW MOLDING),中空吹塑是借助流体压力使闭合在模具中的热熔塑料型胚吹胀形成空心制品的工艺吹塑制品包括塑料瓶、塑料容器及各种形状的中空制品。广泛应用于食品、饮料、化妆品、药品、洗涤制品、儿童玩具等领域,（7）压延成型,压延成型是将熔融塑化的热塑性塑料通过两个以上的平行相异

19、旋转辊筒间隙（以旋转辊筒作为模具），使熔料挤压延展、拉伸而成为一定厚度和表面光洁的连续片状制品的成型方法压延成型的主要塑料是聚氯乙烯、ABS、聚乙烯醇、纤维素、改性聚苯乙烯、聚乙烯等塑料压延软质塑料薄膜，如在熔体通过压延机的最后一对辊筒时，将布或纸随同熔体一起压延，便可得到涂层布（人造革）或涂层纸（壁纸）,（8）泡沫塑料的成型,物理发泡法 用惰性气体发泡 用低沸点液体发泡化学发泡法 化学发泡剂 用原料组分间相互作用析出气体,（9）其他,层压浇铸热成型,高分子材料的应用,1高分子在工业上的应用 作为结构材料广泛地应用于工业中的塑料，称为“工程塑料”。工程塑料质轻，仅为钢的 18，但强度却可以与钢

20、材相媲美，它可代替金属制造各种齿轮、轴承等机械零件，如用酚醛塑料代替黄铜制成轧钢机的轴承，使用寿命大大提高,用玻璃钢作矿井支柱比金属和木材质轻且耐腐蚀。电气工业是最先使用高分子材料的,至今电气电子工业中大量采用高分子作绝缘材科、壳体零部件等,如电源开关、插头等电器零件是由酚醛模塑粉制成的，电线的覆盖层是用橡胶或聚氯乙烯制造的，用硅树脂作电机中的绝缘材料则可大大提高其工作温度(180)和使用功率，并且能延长使用寿命。,化学工业中采用高分子作稳定材料和防腐蚀材料，可涂于管道、反应器的表面，也可直接制成储槽、管道、罐、反应器等化工设备。在轻工业方面，塑料引起了包装革命。塑料除直接用于包装外，还可与纸

21、、纸板、玻璃纸、铝箔等材料复合使用，应用很广。合成纤维(涤纶、尼龙、腈纶等)和人造纤维等的出现为纺织工业提供了大量原料，使纺织品的花色品种大大增加，产品更加美观耐用。此外，塑料鞋、塑料雨衣、薄膜、人造革以及各种塑料日用品，都以其美观、耐用、轻便而深受人们的欢迎。,2高分子在农业上的应用,采用塑料薄膜育苗，塑料大棚种菜，能大大提高农田利用率和产量；用黑色薄膜覆盖田垄，可以抑制杂草生长并且保温，有利农作物生长；化肥用塑料袋包装利于运输和储存；农业机械的轮胎要使用橡胶，水利排灌管道、农用机械零部件等都大量使用塑料，可见高分子合成材料的发展对实现农业现代化起着重要作用。,3高分子在国防上的应用,为国防

22、工业现代化和尖端科学技术的发展，研制了各种特殊高分子材料和功能高分子材料，它们具有耐高温（或耐低温）、高强度(高模量)、高绝缘、耐辐射、耐腐蚀等优良性能，以及光、电、磁等特殊性能，所以在宇航、超音速飞机、原子能设备、大型集成电路和军事装备上采用高分子材料制作部件，在实现轻微型化上起着重要作用。例如，火箭外壳表层采用的高分子材料(短期耐 6 000甚至 10 000以上高温)，在军舰生产上使用的玻璃钢，人造卫星和宇宙飞船上使用的高分子烧蚀材料，飞机制造中代替金属使用的高分子材料，密封腻子等等，都是各种新型的高分子材料。,4高分子在交通、建筑、医药等方面的应用,在交通运输业中每年生产轮胎用的橡胶占

23、橡胶总用量的 60-70,车厢、车身外壳使用了增强塑料，其它如船舱隔板、车厢机舱装饰、门窗等也都使用塑料。在建筑业中，门窗、地板、房梁及流动房屋、上下水道、公路涵洞及各种涂料、粘合剂等都可以用高分子材料制成。建筑方面还大量使用塑料管材、板材、棒材和泡沫塑料，它们具有坚韧美观，隔音保温等优良性能。,在医药卫生方面，除制造医疗器械、医用器皿用具(如手套)使用高分子材料外，还有高分子药物,并且高分子材料还可用于制造人工眼球角膜、人工心脏瓣膜、人造心肺、人工肾、人工血管、人工皮肤、人工骨骼、人造血浆和组织粘合剂等。可以预见人工制造的生理器官的范围将会愈来愈大，医用高分子已成为一个重要的科学分支。,材料

24、、能源和信息构成现代文明的三大支柱。新世纪对材料不仅功能上提出更高的要求，而且必须考虑资源、能源、环境和安全等与可持续发展有关的问题。对未来材料的发展趋势大致可以概括为“六化”：即智能化、仿生化，复合化、精细化、轻量化和高功能化。,高分子材料的未来,智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而自动作出适时、灵敏和适当的响应，并能自动地调节、修饰和修复。例如，形状记忆合金便是一种智能材料。高分子属于软物质，其特点是对弱的外界影响作出相对显著的响应和变化。因此研究高分子的软物质特征，利用外场的变化来调节高分子功能的变化，发掘高分子的自适应性，寻找实现高分子功能材料智能化的途径，将是人们今后的努

25、力目标。,1智能化,通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，学习制造新材料的思路和方法，并在材料的设计和制造中加以模仿，称为仿生材料学。,2仿生化,汽车陶瓷发动机,科学家找到了贝壳硬而摔不破的原因，于是模仿贝壳的结构设计出一种摔不破的陶瓷。将涂有石墨层的SiC陶瓷片用热压法层层叠起来，抗冲击能力可提高100倍。英国科学家用其制造汽车陶瓷发动机，它耐高温，不需要水冷系统。,3复合化,复合材料可以克服单一材料的缺点，发挥各自组成材料的优点，扩大材料的应用范围，提高材料的经济效益。复合材料是材料的发展方向。复合材料与高分子材料紧密相关。高分子树脂是结构复合材料的最主要的基体材料，许多高性能的

26、增强材料也是由高分子材料所构成。玻璃纤维增强树脂复合材料，当前已大规模的生产和应用，占高聚物基复合材料的绝大部分，主要用于交通运输、建筑、船舶、家电等领域，而今后仍会有所发展。目前研究的重点正以汽车应用领域为中心，进行成型材料和加工技术的开发，提高生产率。,高性能结构复合材料是新材料革命的一个重要方向，目前主要应用于航空、宇航、军事、造船、海洋工程技术等方面。其中应用最多的是高聚物基高性能复合材料。当前复合材料中基体树脂以热固性树脂为主，但热塑性树脂作为基体材料，近年来研究开发也十分活跃。今后复合材料领域中的研究方向主要是：高强度、高模量的纤维增强材料的研究与开发；研制兼具有优良强度、成型加工

27、性和耐热性优良的新基体树脂；界面特性、粘接性提高及其评价技术的改进；确立无损检测技术，提高复合材料的可靠性；微观复合和宏观复合的综合利用；崭新成型加工技术的开发。,4.精细化,近年来电子信息技术迅猛发展，这就要求所用的原材料及采用的加工工艺技术，进一步向高纯化、超净化、精细化、功能化方向发展。例如超大规模集成电路用光致抗蚀剂，目前光刻工艺分辨率可达 12m，研究水平接近 0.1m。为了发展亚微米级（0.01m）和纳米级（0.001m）的超细光刻工艺，除了要发展适于波长更短的光源（紫外光、电子束、X射线等）曝光的新型光致抗蚀剂外，还必须改进光刻工艺。有机电子材料（例如有机导体和超导体、有机与高分

28、子非线性光学材料、有机铁磁体、有机半导体、光导体等）相继问世。这一研究领域非常活跃，属于高科技领域，目前基本上正处于探索阶段。,5高功能化,功能高分子是高分子材料科学中充满活力的新领域，目前虽处于发展的初期，但正十分广泛而活跃地进行研究、开发、创新，并且已在深度和广度上取得进展，出现了一大批各种各样的高功能高分子材料。主要包括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，生物功能高分子材料和力学功能高分子材料等。例如像金属那样导电的导电性高聚物，能吸收大量水分的吸水性树脂，用于制造大规模集成电路的光刻胶，作为人造血管和人造心脏等原料的医用高分子材料等等。,本章结束,希望认真复习,