材料科学与工程专业 《高分子材料学》绪论课件.ppt

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1、高分子材料学Polymers Science,材料科学与工程专业,简练而不失深度全面又不失重点,朱熹 训学斋规 读书,余尝谓，读书有三到，谓心到，眼到，口到。心不在此，则眼不看仔细，心眼既不专一，却只漫浪诵读，决不能记，记亦不能久也。三到之中，心到最急。心既到矣，眼口岂不到乎？,听课三到：心到、眼到、手到。,高分子材料学,第一章 绪论第二章 高分子材料性能特点第三章 塑料材料第四章 弹性体材料第五章 聚合物基复合材料第六章 功能高分子材料概论第七章 高分子材料的可持续性发展,张留成、瞿雄伟、丁会利,高分子材料基础,北京：化学工业出版社，2007.徐坚、瞿金平、薛忠民、姜振华，高分子材料与工程，

2、北京：科学出版社，2008.国家自然科学基金委员会工程与材料科学部，有机高分子材料科学，北京：科学出版社，2006.马建标，功能高分子材料（第二版），北京：化学工业出版社，2010.何曼君等，高分子物理（第三版），上海：复旦大学出版社，2007.Adisa Azapagic等，高分子材料-环境与可持续发展，北京：化学工业出版社，2006.William D.Callister,Jr.,“Fundamentals of Materials Science and Engineering”，北京：化学工业出版社，2009（影印版）丁会利等，高分子材料及应用，北京：化学工业出版社，2012.,主要参

3、考书目：,高分子学报 高分子材料科学与工程合成纤维塑料工业中国塑料合成橡胶工业Journal of Applied Polymer SciencePolymerPolymer Engineering and Science Macromolecules,相关杂志：,材料发展的历程示意图,什么是高分子材料？,区分：高分子、聚合物、高分子材料,定义：以聚合物或以聚合物为主，辅以各种添 加剂等物质经加工而成的材料。,1、绪论,高分子定义：高分子量的化合物(10000)。,别称：聚合物 Polymer 大分子Macromolecule,由许多相同的、简单的重复单元通过共价键重复连接而成。,不一定有规律

4、，并非由简单的重复单元连接而成，仅是分子量大。,1、绪论,IPUAC:Union Pure and Applied Chemistry,聚合物：由许多相同的、简单的重复单元通过共价键重复连接而成。,1、绪论,单体：通过反应能制备聚合物分子的物质。,聚合物按重复单元数划分：,低聚物Oligomer,高聚物High polymer,摩尔平均质量10000,高分子材料用基本成分。,1、绪论,聚合物按聚合单体种类数划分：,均聚物homopolymer,共聚物copolymer,一种单体聚合而成。,二种或二种以上单体聚合而成。,1、绪论,聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯,例：几个常用的聚合物的分子结构式：,1、

5、绪论,Figure1.1 Classification scheme of the methods of preparation of polymers,聚合反应,高分子反应,连锁聚合,逐步聚合,形成高分子的方法,复合材料,缩聚反应,加聚反应,1、绪论,缩聚反应,单体官能团之间的反应；,有低分子副产物生成;,1、绪论,Hexamethylene diamine,+,Adipic acid,Water,+,H2O,6,6-Nylon,Figure 1.2 The condensation reaction for 6,6-Nylon,1、绪论,尼龙（Nylon）,卡罗瑟斯（1896-1937）美

6、国有机化学家,1、绪论,单体具有不饱和键（双键或三键）；,加聚反应,反应分三步构成：链引发、链增长、链终止；,反应没有副产物生成。,引发剂,1、绪论,2.1.4 聚合反应简介,链引发：引发剂分解产生初级自由基,初级自由基激活单体，产生单体自由基,2.1.4 聚合反应简介,链增长（速度极快）：单体不断加成到自由基上，形成一条增长着的链自由基,2.1.4 聚合反应简介,链终止：链自由基稳定化。,You might say that an addition polymer is like a good friend who accepts everything about you,the pleas

7、ant and the unpleasant alike.,But a condensation polymer is more like a snotty social club that says,Sure you can join,but only if you ditch those friends of yours.,基本特点：大 多分散性,只具有统计意义,数均摩尔质量(按分子数统计平均)Mn,质均摩尔质量(按质量统计平均)Mw,聚合物摩尔平均质量（简称分子量）,1、绪论,分布的宽窄,Q Mw/Mn Xw/Xn 多分散性指数 质均聚合度 数均聚合度,*聚合度：高分子链中所含重复单元

8、的平均数目。,1、绪论,摩尔平均质量的多分散性,1、绪论,聚合物摩尔平均质量与其物理状态有关,聚合物摩尔平均质量与其力学性能、加工性能有关,1、绪论,利用天然高分子合成高分子问世奠定高分子化学学科理论基础高分子材料大发展功能材料、复合材料快速发展,1、绪论 高分子材料发展历程,天然高分子利用 7000多年前，天然油漆 我国已使用天然油漆涂饰船只。中国漆(大漆)1839年，天然橡胶硫化 美国人古德伊尔（Charlers Goodyear）。1869年，第一种人造塑料-赛璐珞（Celluloid，硝化纤维素）美国 人海厄特（Jhon Wesley Hyatt）。1887年，第一种人造丝 硝化纤维素

9、，Count Hilaire de Chardonnet.,1、绪论 高分子材料发展历程,合成高分子问世 1909年，第一种合成塑料-酚醛塑料（电木）（Leo Hendrik Baekeland）1935年，第一个合成纤维-尼龙-6,6（Wallace H.Carothers),奠定高分子化学学科基础（德国精英科学家 Hermann Staudinger）20世纪20年代，提出：高分子物质是由具有相 同化学结构的单体，经聚合反应通过 共价键连接在一起的长链分子。193040年代，聚合方法及理论发展。,1、绪论 高分子材料发展历程,高分子材料大发展 1950年代，配位聚合（Coordinatio

10、n Polymerization)齐格勒（Karl Ziegler），德国人。纳塔（Giulio Natta），意大利人。196070年代，高性能化，特种高分子合成 高强度、高模量、耐高温等。,功能、复合高分子材料快速发展 1980 功能高分子：导体和半导体高分子、磁性高分子、光敏高 分子、生物医用高分子、液晶高分子、高分子 催化剂 高分子合金：不同的高分子混合。复合高分子材料：与玻璃纤维、碳纤维等复合，如玻璃钢等。,1、绪论 高分子材料发展历程,高分子科学领域 Nobel 奖获得者：,H.Staudinger,for his discoveries in the field of macro

11、molecular chemistry,突破有机化学的传统观念，首先提出了高分子的概念，以大量先驱性工作为高分子化学奠基开创了高分子学科。,1953年，化学奖,Karl Ziegler Giulio Natta(德国)(意大利),for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers,1953年，Ziegler：Ziegler催化剂，低压聚乙烯合成方法；,1954年，Natta：改进Ziegler催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。,1963年，化学奖,1974年，化学奖,for hi

12、s fundamental achievements,both theoretical and experimental,in the physical chemistry of the macromolecules,利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高分子分子量分布，即最可几分布，并利用动力学实验证实了等活性假设；引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性分子，产生了凝胶理论；Flory-Huggins格子理论；1948年作出了最重要的贡献，即提出“排除体积”理论和温度概念；著作“Principles of polymer chemistry”（1953）是高分子学科中的Bible。,

13、1991 物理奖 对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论从临界现象认识分子，在物理-化学之间架设了桥梁提出“软物质”概念,“for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter,in particular to liquid crystals and polymers”,Pierre-Gilles de Gennes,2000年 化学奖,Hideki Shirakawa,Al

14、an J.Heeger Alan G.MacDiarmid,for the discovery and development of conductive polymers,l唐敖庆于1951年，发表了首篇高分子科学论文。l王佛松，沈之荃于长春应化所1950年开始合成橡胶工作。l 冯新德50年代在北京大学开设高分子化学专业。l 何炳林50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。l 钱人元于1952年在应化所建立了高分子物理研究组，开展了高分子溶液性质研究。l 钱保功50年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射化学的研究。l 徐僖50年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。l 王葆仁19

15、52年上海有机所建立了PMMA、PA6研究组,我国高分子科学与工程的发展-起步于1950,高分子领域的中科院院士：王葆仁 冯新德 何炳林 钱保功 钱人元 于同隐 徐 僖 王佛松 程镕时 黄葆同 卓仁禧 沈家骢 林尚安 沈之荃 周其凤 曹镛 杨玉良 阎德岳 吴奇 江明 张希 唐本忠 张俐娜,(一)按照聚合物的来源分类,天然高分子材料改性的天然高分子材料合成高分子材料改性合成高分子材料,如：纤维素 硝基纤维素,棉、毛 织物；木材、麻 纸,小分子原料经化学反应和聚合方法合成。如：PE、PVC、PP,聚合物经化学、物理方法改性。,1、绪论-高分子材料分类,(二)按照聚合物的主链结构分类,碳链聚合物材料

16、杂链聚合物材料元素有机聚合物材料,聚合物主链完全由碳原子组成。如：PVC、PS、PE、,聚合物主链中除碳外，还有氧、氮、硫等杂原子。如：PA,聚合物主链中没有碳原子，主要由硅、硼等原子组成，侧链为有机基团。如：有机硅、,1、绪论-高分子材料分类,塑料(Plastics)弹性体(Elastomer)纤维(Fiber)涂料(Coating)胶粘剂(Adhesive)复合材料(Composite),三大合成材料,(三)按照高分子材料用途分类,1、绪论 高分子材料分类,原料丰富;,1、绪论 高分子材料优势,用于淀粉基树脂制备的直链淀粉分子,聚乳酸弹性包装,原料丰富;,具有各种优异性能；密度小，比强度高

17、，易加工成型，耐腐蚀、电绝缘性高、具有渗透性、,生产能耗低，投资少，周期短，利润高,PS钢铝=11020（单位体积）,1、绪论 高分子材料优势,高分子材料无处不在 以塑代木、以塑代金属，且不仅“代”,尖端技术:航天飞行器，卫星、火箭等用材。工业：电子元器件、电缆、信息记录储存传输等。农业：地膜、大棚、滴灌设备、高吸水树脂（1000倍）等。衣：服装、防弹衣、消防服等。食：包装、不粘锅等。住：装饰、门窗、家电、家具等。行：飞机、汽车、自行车等交通工具用材。医：接触眼镜、一次性医疗用具、人工脏器等。,1、绪论 高分子材料优势,材料科学与工程 关于材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能、用途间相互关系

18、的知识产生及其运用的科学。,1、绪论 高分子科学与工程,材料科学与工程四要素图,合成/加工,成分/结构,使 用 性 能,性 质,1、绪论 高分子科学与工程,材料对外界环境作用（物理、化学、力学等）的反应。材料确定，性质不变。,材料性质在使用条件下的表现。可以通过加工或处理而改变。,材料科学与工程五要素图,1、绪论 高分子科学与工程,环境对材料性能的影响很大，性质与效能之间的连接线代表环境的影响。,每一要素或几个相关要素都有理论，根据理论建立模型，通过模型进行材料设计、工艺设计，以达到提高材料性质、使用效能、节约能源、节省资源、减少污染、降低成本的最佳状态。,高分子材料科学 研究高分子材料的组织结构与性能的关系,从而发展新型高分子材料，并合理有效地使用高分子材料。,高分子材料工程 高分子材料工程研究聚合物反应工程、高分子材料成型工艺及加工成型过程中的物理、化学变化及以此为基础而形成的高分子材料成型理论、成型方法等内容。,高分子材料工程研究为高分子材料科学和高分子材料工业间的衔接点。,1、绪论 高分子科学与工程,