高分子材料

材料－人类社会文明大厦的基石 金属材料－－长盛不衰 无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 年轻的高分子材料－－千姿百态 金属材料与人类文明 从神秘的形状记忆合金到未来能源材料之星－－储氢合金 无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 从一个古老的材料王国到现代无机材料的再度辉煌。 威力无比的先进结构陶瓷到奇妙无穷的功能陶瓷。 年轻的高分子材料－－千姿百态 20世纪新兴的材料王国－－现代生活的高分子材料 功能高分子各显神通 先进的复合材料－－巧夺天工 新型功能材料－－人类文明进步的阶梯 生物材料、信息材料、环境材料、纳米材料、能源材料和智能材料

高分子科学 高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。 研究聚合反应和高分子化学反应原理，选择原料、确定路线、寻找催化剂、制订合成工艺等。 高 分 子 化 学 研究聚合物的结构与性能的关系，为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。 高 分 子 科 学 高 分 子 物 理 高 分 子 加 工 研究聚合物加工成型的原理与工艺。

1.1高分子材料科学的发展 高分子材料种类的涌现 远古时期——天然高分子材料已得到应用 （皮毛、天然橡胶、 棉花、虫胶、蚕丝、木材等） 15世纪，美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。 19世纪中期到后期——天然高分子的改性和加工工艺得到开发 1839年美国人Goodyear发明了天然橡胶的硫化 1855年英国人Parks实现硝化纤维产业化 1870年Hyatt制得赛璐珞塑料（硝化纤维+樟脑+乙醇高压共热） 1887年，法国人Chardonnet用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。

高分子材料种类的涌现 20世纪初——合成高分子得到开发和应用 1907年，Baekeland为寻找虫胶的代用品，第一次用人工方法合成酚醛树脂 1926年，美国Semon合成了聚氯乙烯 1930年，合成聚苯乙烯 1933年，英国ICI公司高压聚乙烯问世 1935年，杜邦公司Carothers第一次用人工方法制成合成纤维——尼龙66 1953年，低压PE，PP被聚合…

通过控制苯酚和甲醛的摩尔比以及反应的pH值，可以合成出两种性能不同的酚醛树脂： （1）自固化热固性酚醛树脂：带羟甲基 （2）热塑性酚醛树脂：酚基与亚甲基连接，不带羟甲基 返回

尼龙66（聚己二酰己二胺） 1940年，英国的温费尔德 涤纶，聚对苯二甲酸乙二醇 酯（PET） 返回

高分子理论和聚合方法上的突破 高分子（Macromolecular，Polymer）概念的形成和高分子科学的出现始于20世纪20年代。 淀粉——水解产物葡萄糖——葡萄糖缔合体 天然橡胶——裂解产物异戊二烯——二聚环状结构缔合体 胶体理论 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）用化学键连接在一起的 聚合物

高分子理论和聚合方法上的突破 1920年德国Staudinger发表了“ 论聚合 ”的论文，提出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)，通过化学键连接在一起的大分子化合物。 1932年出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》，成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。 1953年诺贝尔奖

高分子理论和聚合方法上的突破 Paul J. Flory——建立了高分子长链结构的数学理论（1948年） 推出高分子溶液的热力学性质,使粘度、扩散、沉降等宏观性质与分子微观结构有了联系。 1974年诺贝尔奖

高分子理论和聚合方法上的突破 定位聚合的实现 Karl Ziegler 1898~1973 1953年德国人齐格勒 ——[ TiCl4+Al(C2H5)3]——低压聚乙烯； 意大利人纳塔 ——[ TiCl3+Al(C2H5)3]——等规立构聚丙烯 1963年齐格勒、纳塔获得诺贝尔化学奖。 石油裂解产物得到充分利用 Giulio Natta 1903~1979

Styrene-Butadiene-Styrene 高分子理论和聚合方法上的突破 活性聚合的实现 1956年，美国Szwarc提出活性聚合概念 ——高分子进入分子设计时代。 SBS弹性体 Styrene-Butadiene-Styrene Hard Soft Hard

高分子理论和聚合方法上的突破 接枝共聚（graft） ABS树脂 交替共聚（alternating）

高分子理论和聚合方法上的突破 导电聚合物的发现和发展 20世纪70年代中期发现的导电高分子，改变了长期以来人们对高分子只能是绝缘体的观念，进而开发出了具有光、电活性的被称之为“电子聚合物”的高分子材料，有可能为21世纪提供可进行信息传递的新功能材料。 Hideki Shirakawa, Alan G. MacDiarmid, Alan J. Heeger （2000年诺贝尔奖）

1.2 高分子材料的应用 以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。 塑 料 纤 维 1.2 高分子材料的应用 以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。 塑 料 纤 维 纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。 性 质 和 用 途 橡 胶 具有可逆形变的高弹性材料。 涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料 涂 料 能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料 胶粘剂 具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料 功能高分子

1.2.1塑料 1870年31岁的印刷工人约翰•海厄特发明赛璐珞（硝化纤维+樟脑） 1907年贝克兰德发明酚醛树脂 30、40年代——合成高分子蓬勃发展时期：特别是乙烯类单体的自由基聚合，如PVC、PS、PMMA、高压PE； 50年代——高分子化学的历史性发展时期：低压PE、PP； 60年代——由于航空航天的需要而出现高温高分子的研究热：工程塑料

塑料的分类 按受热行为分 按使用范围和用途分 线型结构，能重复进行熔融、加工，能溶于适当溶剂 热塑性塑料 立体网状结构，固化后受热不熔融，在溶剂中也不溶解 热固性塑料 按使用范围和用途分 通用塑料 PE、PP、PVC、PS、酚醛树脂、氨基树脂 通用工程塑料 PA、PC、POM、PPO等 工程塑料 （100~150℃ ） PI、PSF、PPS、PEEK、PTFE等 特种工程塑料 （>150℃ ）

现代生活中的高分子材料－塑料

现代生活中的高分子材料－工程塑料

1.2.2 橡胶 橡树之泪 天然橡胶 硫化橡胶 合成橡胶 18世纪法国人在南美发现野生橡胶树 19世纪中叶，英国人取橡胶树的种子在斯里兰卡种植成功 逐渐扩大到马来西亚与印尼等地 橡树之泪 天然橡胶 硫化橡胶 合成橡胶

Tg比室温低得多，在很宽的温度范围具有优异的弹性 橡胶的特性： 大分子链具有足够的柔性； Tg比室温低得多，在很宽的温度范围具有优异的弹性 橡胶的分类： 天然橡胶 丁苯、顺丁、乙丙、丁基、氯丁橡胶等 通用合成橡胶 合成橡胶 特种合成橡胶 丁腈、硅、氟、丙烯酸酯橡胶等

现代生活中的高分子材料－橡胶

1.2.3 纤维 动物纤维：蚕丝、羊毛等 植物纤维：棉花、麻等 天然纤维 矿物纤维：石棉等 再生蛋白质纤维 再生纤维素纤维：粘胶纤维、铜铵纤维 纤维素酯纤维：二乙酯、三乙酯纤维 人造纤维 尼龙 涤纶 氨纶 杂链纤维 合成纤维 腈纶 维伦 氯纶 丙纶 碳链纤维

按加工长度分： 按用途分： 单丝：一根连续纤维 长丝纤维 复丝：8~100单丝组成 (km) 合成纤维 棉型：25~38mm，主要用于与棉混纺 中长型：51~76mm 毛型：70~150mm，主要用于与羊毛混纺 短纤维 (几~十几cm) 按用途分： 尼龙（锦纶） 涤纶、维纶 丙纶 常规纤维 合成纤维 高功能纤维：医用功能纤维、光导纤维等 特种纤维 高性能纤维：氨纶、芳纶纤维、碳纤维等

纤维的特点： 长度比直径大很多 具有一定的柔韧性

1.2.4 涂料 涂布在物体表面而形成的具有保护和装饰作用的膜层材料 多组分体系：主要成膜物质、颜料、溶剂三种组分，此外还包括填充剂、增塑剂、增稠剂、稀释剂等； 作用： 保护作用：防腐、增加物体表面硬度； 装饰作用： 可赋予物体表面丰富的色彩，还可修饰物体表面缺陷； 标志作用： 利用不同色彩来标示警告、危险、安全、前进、停止等信号； 特殊功能：隔热、防污、阻燃、导电、隐身（吸收电磁波）、阻尼（吸收声波）、示温等。 发展方向：水性涂料、粉末涂料、电泳涂料、光固化涂料等

1.2.4 涂料 2005年涂料行业发展报告

1.2.5 胶粘剂 是一种把各种材料紧密粘合起来的物质 一般为多组分体系：聚合物、固化剂、增塑剂、填料和溶剂等。 按主要成分分： 天然胶粘剂 动物胶：骨胶、虫胶、鱼胶 植物胶：淀粉、松香、阿拉伯树胶 矿物胶：沥青、矿物腊 按主要成分分： 天然胶粘剂 有机胶粘剂 热塑性树脂：PVAc、PVA、PA 热固性树脂：酚醛、环氧 橡胶型：氯丁、丁腈、硅橡胶等 胶粘剂 合成胶粘剂 无机胶粘剂 按使用形式分： 单组分胶粘剂 双组分胶粘剂

1.2.5 胶粘剂 按形态分： 水溶液： 水性胶 水乳液： 溶剂型胶：氯丁、丙烯酸酯类等 无溶剂型胶：环氧 热熔胶：SBS、EVA 胶粘剂 压敏胶 胶粘剂 考虑点：被粘物、使用条件、环保、价格等

1.2.6 功能高分子材料

化学功能高分子材料 反应性高分子材料：高分子试剂、高分子催化剂 高吸水性高分子材料 离子交换树脂 高分子膜

光功能高分子材料 液晶高分子——固态向液态转换时形成的一种具有特殊性质的中间相态，既具有液体的流动性，又具有晶体的双折射等光学各向异性；分子中具有刚性棒状结构。 制造具有高强度、高模量的纤维材料 高分子液晶显示材料——光开关

发光高分子材料 在塑料中加入蓄光型发光材料经加工就可制成发光塑料。发光塑料是近年来兴起的一种高附加值新型功能材料。其产品如：交通领域通道标识、楼梯标识、标志线；发光涂料、发光开光、发光壁纸、工艺品、玩具、体育休闲用品。

电功能高分子材料 导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。目前，它已成为一门新型的多学科交叉的研究领域，并在世界范围内吸引了一大批材料设计专家。 在共轭聚合物中掺杂碘以后，其电导率在104S/m左右，可以满足实际应用需要。 太阳能电池 发光二极管

生物功能高分子材料 生物功能高分子材料：用于与生物体接触以形成特定功能并相互作用的无生命材料。 医用高分子材料 药用高分子（药物） 仿生高分子材料

医用高分子材料 骨骼-肌肉系统修复和替换材料：骨、牙、关节、肌腱等 软组织材料：皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等 心血管系统材料：人工心瓣膜、血管、心血管内插管等 医用膜材料：血液净化膜、分离膜、角膜接触镜等 组织粘合剂和缝线材料 临床诊断及生物传感器材料 齿科材料

药用高分子材料 药物载体： 50年代起，缓释型药物制剂 控释型药物制剂、 靶向型药物制剂、 智能型药物制剂

1.2.7 聚合物基复合材料 优点：优异的力学性能、明显的减重效果，另外还可赋予其它特殊功能。 热固性聚合物基复合材料 热塑性聚合物基复合材料 分类： 基体为聚合物； 分散相为无机物（粒料、纤维、片状材料等） 组成： 无机相的作用: 增强：PI、PBI的复合体系用于航空； PA、环氧复合体用于汽车制造 导电：PDFC/C 阻隔（气体等）：

1.2.8 聚合物合金 优点：集中不同聚合物的优点。 物理共混：机械、溶液、乳液共混 制备方法： 化学共混：溶液接枝、互穿网络 ABS、SBS、HIPS等