高分子材料及其应用课件.ppt

1、高分子材料高分子材料 什么是高分子什么是高分子 “高分子是什么？高分子是什么？” ，“比如塑料就是高分比如塑料就是高分子子”。而实际上，高分子所涵盖的材料范。而实际上，高分子所涵盖的材料范围远比塑料要大得多。所谓高分子就是由围远比塑料要大得多。所谓高分子就是由许多重复单元构成的分子量巨大的分子。许多重复单元构成的分子量巨大的分子。这样的分子很多，如生物体中的蛋白质，这样的分子很多，如生物体中的蛋白质，木材，丝绸，橡胶木材，丝绸，橡胶, 油漆等等。油漆等等。 分子量与性能（以分子量与性能（以PE为例）为例）聚合度聚合度 外观外观 熔点熔点 1 气体气体 183 5 液体液体 30 10 结晶结晶

2、 36 60 蜡状物蜡状物 100 100 脆性固体脆性固体 106 1000 韧性固体韧性固体 110104106 韧性固体韧性固体 140 高分子特点：1.由很大数目的结构单元组成，一个结构单元相当于一个小分子，其长链可由一种或几种结构单元组成（均聚物、共聚物）。2.链的柔性 由单键键合的高分子主链一般都具有一定的内旋转。3.多分散性 聚合反应是一个随机过程，反应产物由长短不一的高分子链组成。4.凝聚态结构的复杂性5.交联网结构，橡胶所特有6.各种添加剂主要研究内容合成结构性能应用高分子化学高分子物理成型加工高分子设计高分子材料科学与工程高分子材料的发展前景高分子材料的发展前景 近代科学技

3、术与工业的进步为高分子材料学科的近代科学技术与工业的进步为高分子材料学科的发展开拓了广泛的前景。高分子材料已由传统的有发展开拓了广泛的前景。高分子材料已由传统的有机材料向具有光、电、磁、生物和分离效应的功能机材料向具有光、电、磁、生物和分离效应的功能材料延伸、高分子结构材料正朝着高强度、高韧性、材料延伸、高分子结构材料正朝着高强度、高韧性、耐高温、耐极端条件的高性能材料发展，为航天航耐高温、耐极端条件的高性能材料发展，为航天航空、近代通讯、电子工程、生物工程、医疗卫生和空、近代通讯、电子工程、生物工程、医疗卫生和环境保护等方面提供各种新型材料，从而在新技术环境保护等方面提供各种新型材料，从而在

4、新技术革命中发挥重大作用。革命中发挥重大作用。 高分子材料的地位与现状高分子材料的地位与现状 高分子的历史不长，从上世纪高分子的历史不长，从上世纪30年代年代Staudinger的线型说被确立到现在不过的线型说被确立到现在不过70多年历史，但发展异常迅速，目前年多年历史，但发展异常迅速，目前年产量已超过产量已超过1.7亿吨，其体积已大大超过亿吨，其体积已大大超过钢铁。钢铁。 从材料科学角度来看，过去曾是金属和从材料科学角度来看，过去曾是金属和陶瓷的时代，现在可以说是高分子时代，陶瓷的时代，现在可以说是高分子时代，在历史上从没有一种材料象今天的高分在历史上从没有一种材料象今天的高分子一样具有这样

5、广的性能范围和各种各子一样具有这样广的性能范围和各种各样的功能。样的功能。 力学性能从橡胶般柔软，到钢铁般坚硬力学性能从橡胶般柔软，到钢铁般坚硬的，拉伸强度从三岁婴儿可随手拉长的的，拉伸强度从三岁婴儿可随手拉长的橡胶，到抗拉强度超过钢丝的橡胶，到抗拉强度超过钢丝的Kevelar纤纤维、维、Nomax纤维。功能从最简单的形状纤维。功能从最简单的形状记忆到温控开关，高吸水材料，光电信记忆到温控开关，高吸水材料，光电信息材料，及各种人造器官、半透膜等。息材料，及各种人造器官、半透膜等。它已渗透到我们生活的各个方面，航天它已渗透到我们生活的各个方面，航天飞机、汽车、建筑、家电、包装、医用、飞机、汽车、

6、建筑、家电、包装、医用、农用农用可以说我们已离不开高分子。可以说我们已离不开高分子。高分子材料的发展高分子材料的发展 从高分子材料产量的增长来看，在过去从高分子材料产量的增长来看，在过去的的50年中，全世界钢平均年增长年中，全世界钢平均年增长5.7%，木材木材1.6%，水泥，水泥6.4%，塑料，塑料13.6%。对。对于我国更是如此，建国初期年产量不到于我国更是如此，建国初期年产量不到200吨，吨，1982年达到年达到1003吨，吨，1989年年200万吨，现在年生产能力已达万吨，现在年生产能力已达3800万万吨。而从吨。而从80年代到现在，世界钢产量一年代到现在，世界钢产量一直在直在8亿吨左右

7、徘徊，塑料塑料为亿吨左右徘徊，塑料塑料为1.7亿亿吨，其体积产量已超过钢铁，是一个蓬吨，其体积产量已超过钢铁，是一个蓬勃发展的朝阳工业。勃发展的朝阳工业。 中国塑料制品每年以中国塑料制品每年以12的速度高速发的速度高速发展。展。 2005年我国塑料制品的消费量为年我国塑料制品的消费量为3813万万吨，产值吨，产值4998亿元。亿元。 目前是世界第一大加工国。目前是世界第一大加工国。高分子的分类由来历分高分子的分类由来历分 天然高分子：纤维素、淀粉、蛋白质、天天然高分子：纤维素、淀粉、蛋白质、天然橡胶、蚕丝、蜘蛛丝、木质素、甲壳素然橡胶、蚕丝、蜘蛛丝、木质素、甲壳素等等 合成高分子：从合成高分子

8、：从1907年酚醛树脂开始年酚醛树脂开始 五大通用树脂：五大通用树脂：LDPE、HDPE、PP、PS、PVC、ABS 工程塑料：工程塑料：PA、POM、PC、PBT、PPO 四大合成纤维：锦纶、涤纶、晴纶、丙纶四大合成纤维：锦纶、涤纶、晴纶、丙纶高分子的分类由结构分高分子的分类由结构分 链结构链结构 线型：线型：PE、共聚酯、酰胺、共聚酯、酰胺 枝型：枝型：LDPE a-梳型梳型 b-星型星型 网状：橡胶、热固性树脂网状：橡胶、热固性树脂由材料的性质、用途分类由材料的性质、用途分类 塑料（塑料（plastic） 热塑性热塑性 热固性（酚醛、环氧、不饱和聚酯）热固性（酚醛、环氧、不饱和聚酯） 橡

9、胶、热塑性弹性体（橡胶、热塑性弹性体（rubber、thermo elastomer） 纤维（纤维（fiber）锦纶、涤纶、晴纶、丙纶）锦纶、涤纶、晴纶、丙纶 涂料、胶粘剂（涂料、胶粘剂（paint、adhesive）环氧、）环氧、丙烯酸酯丙烯酸酯 功能高分子功能高分子 通用塑料 聚乙烯（PE），1939年工业化 聚丙烯（PP），1959年工业化 聚苯乙烯（PS），1938年工业化 聚氯乙稀（PVC），1935年工业化 ABS树脂五大工程塑料五大工程塑料PA66COCH2CONHCH2NH46nPOMCH2OnPCOCCH3CH3OCOnPBTCOCOOCH2On4PPOOCH3CH3n超级工

10、程塑料超级工程塑料PSFSO2OCCH3CH3OnSnPAROCOnOOCOCOnPEEKCOOOnPPS高分子材料的应用高分子材料的应用 包装包装 建筑建筑 日用品日用品 农业农业 体育体育 军事军事 汽车汽车 机械工业机械工业 化学工业化学工业 航空航天航空航天 电子、电器电子、电器 以塑代木、以塑代钢以塑代木、以塑代钢 各种功能高分子材料各种功能高分子材料 医药医药1. 包装包装目前包装行业几乎全被聚合物占领。水泥、目前包装行业几乎全被聚合物占领。水泥、化肥的包装多用聚丙烯编织袋，打包带。化肥的包装多用聚丙烯编织袋，打包带。食品的真空包装用多层复合膜（食品的真空包装用多层复合膜（PP、P

11、A、铝）。保鲜袋，铝）。保鲜袋，PP包装袋，以及各种塑料包装袋，以及各种塑料食品袋，购物袋，占塑料用量的食品袋，购物袋，占塑料用量的23左右。左右。各种证书的封装，各种证书的封装，IC卡的封装，不干胶，卡的封装，不干胶，彩虹膜等。彩虹膜等。食品包装：肠衣，牛奶，食品包装：肠衣，牛奶，我国我国2005年包装材料产量年包装材料产量700万吨，万吨，2. 建筑及室内装饰建筑及室内装饰施工中使用的塑料模壳可使施工周期缩短。施工中使用的塑料模壳可使施工周期缩短。广泛应用的广泛应用的PVC电线套管，电线套管，PS发泡隔热层，发泡隔热层，下水管，卫生间，地毯，地板，门窗，室下水管，卫生间，地毯，地板，门窗，

12、室内外涂料，玻璃钢，防水材料，铝塑复合内外涂料，玻璃钢，防水材料，铝塑复合管可耐管可耐20个大气压，巨型充气薄膜建筑，个大气压，巨型充气薄膜建筑，野战医院。橡胶拦水坝等。占塑料用量的野战医院。橡胶拦水坝等。占塑料用量的7微胶囊化制备方法微胶囊化制备方法物理法物理法化学法化学法物理化学法物理化学法制备方法制备方法界面聚合法界面聚合法原位聚合法原位聚合法锐孔锐孔-凝固浴法凝固浴法喷雾干燥法喷雾干燥法静电结合法静电结合法空气悬浮成膜法空气悬浮成膜法复凝聚法复凝聚法冷凝法冷凝法相分离法相分离法乳化乳化加入另一单体加入另一单体界面聚合界面聚合石蜡石蜡IPDI乳化剂乳化剂TEPA聚脲聚脲聚合过程聚合过程异

13、佛尔酮二异氰酸酯（异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI） 四乙撑五胺（四乙撑五胺（TEPA）相变材料的微胶囊化相变材料的微胶囊化相变材料的微胶囊化相变材料的微胶囊化对微胶囊分别作对微胶囊分别作180180与与8080热处理，表面无油状物出现，热处理，表面无油状物出现，微胶囊具有在高温下的不渗漏性。微胶囊具有在高温下的不渗漏性。3 农业上的应用农业上的应用塑料在农业上的应用为农业带来一场革命。塑料在农业上的应用为农业带来一场革命。农膜的使用可使作物成熟提前农膜的使用可使作物成熟提前1520天，天，产量提高产量提高2050，同时具有土壤保墒等，同时具有土壤保墒等作用，塑料大棚的应用，解决了北方地区作用，塑

14、料大棚的应用，解决了北方地区冬季的蔬菜供应问题。塑料管用于农业滴冬季的蔬菜供应问题。塑料管用于农业滴灌，节约水量在灌，节约水量在50以上。占塑料应用的以上。占塑料应用的16。种籽包衣，转光膜，网箱，养鸡、养猪棚，种籽包衣，转光膜，网箱，养鸡、养猪棚，鱼网等。鱼网等。使沙漠变良田的吸水树脂使沙漠变良田的吸水树脂 由淀粉制备高吸水树脂由淀粉制备高吸水树脂 由腐植酸制备高吸水树脂由腐植酸制备高吸水树脂 化学合成高吸水树脂。化学合成高吸水树脂。高吸水树脂通过其特定的分子结构，吸水储高吸水树脂通过其特定的分子结构，吸水储存水分，供植物生长需要。存水分，供植物生长需要。以植物为原料的塑料玉米-聚乳酸-磁盘

15、(一根玉米棒=10张磁盘)Green production process of PDO微生物法生产微生物法生产1,3-1,3-丙二醇和丙二醇和PTTPTT的产品开发受到国内外众多知名企业（如的产品开发受到国内外众多知名企业（如DupontDupont、ShellShell等）的高度重视，将成为等）的高度重视，将成为“绿色化工绿色化工”的新典范。的新典范。4. 体育体育由于塑料的应用，使原来的一些不可逾越由于塑料的应用，使原来的一些不可逾越的预言成为历史。的预言成为历史。疏水织物5. 军事军事Kevelar织成的防弹背心。头盔、隐形涂织成的防弹背心。头盔、隐形涂料、以及枪支、帐篷等。料、以及枪

16、支、帐篷等。改性PC/PAR合金 注射成型可以制造低成本、高性能无骨架透明件，是下一代飞机用透明件的主要成型方法。 PC与PAR相容性的理论分析与预测 PC与PAR的分子结构分析 COCOO3CH3CH()nCOCOO3CH3CH(n)OCPC/PAR的DMA曲线（损耗角正切tan）20406080100120140160180200220-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.6 PC/PAR=100/0 PC/PAR=80/20 PC/PAR=60/40 PC/PAR=50/50 PC/PAR=40/60 PC/PAR=20/80 PC/PAR=0/100tan温 度

17、/0204060801008081828384858687888990透 光 率 /%PAR含量 /%PAR含量对PC/PAR透光度与雾度的影响020406080100585960616263646566拉 伸 断 裂 强 度 /MPaPAR含量 /%PAR含量对PC/PAR拉伸断裂强度的影响6. 汽车工业汽车工业汽车工业是高分子应用最大的领域之一。汽车工业是高分子应用最大的领域之一。从汽车的轮胎到保险杠、内饰件等，都大从汽车的轮胎到保险杠、内饰件等，都大量应用高分子材料。保险杠为增韧量应用高分子材料。保险杠为增韧PP或或PPO材料，仪表板大多为滑石粉填充材料，仪表板大多为滑石粉填充PP，方向

18、盘为方向盘为PP材料，表面为聚氨酯发泡材料。材料，表面为聚氨酯发泡材料。风扇叶为玻纤增强尼龙。汽车安全玻璃。风扇叶为玻纤增强尼龙。汽车安全玻璃。可以说没有高分子材料就没有现代的汽车可以说没有高分子材料就没有现代的汽车工业。工业。2005年我国汽车产量年我国汽车产量570万辆，消费塑料万辆，消费塑料80多万吨。多万吨。汽车中聚丙烯材料零部件汽车中聚丙烯材料零部件汽车中聚丙烯材料零部件汽车中聚丙烯材料零部件汽车中聚丙烯材料零部件汽车中聚丙烯材料零部件7. 航空航天工业航空航天工业高分子材料的应用可减轻重量，节约成本。高分子材料的应用可减轻重量，节约成本。如飞机机翼油箱采用如飞机机翼油箱采用PA61

19、0，重量减轻，重量减轻20，PC风档玻璃，风档玻璃，F111战斗机采用战斗机采用PC坐舱减轻重量，在波音飞机上，有成千坐舱减轻重量，在波音飞机上，有成千上万个零部件为塑料制品，可大大减轻飞上万个零部件为塑料制品，可大大减轻飞机重量。机重量。X-33，2001年终止X-37，波音公司，2002年开始研发8. 电子电器电子电器印刷电路板，高分子绝缘材料，电子封装，印刷电路板，高分子绝缘材料，电子封装，电器外壳。电器外壳。2004年家电用年家电用ABS/HIPS为为75万万吨。塑料已经成为家电行业的第二大类材料吨。塑料已经成为家电行业的第二大类材料。主要家电中所含塑料的百分比主要家电中所含塑料的百分

20、比 电视机电视机 25 冰箱冰箱 40 空调空调 11 洗衣机洗衣机 36 台式电脑台式电脑 23 吸尘器吸尘器 60Microcup EPDRoll-to-roll Manufacturing Process 9.高分子材料的物料分离功能高分子材料的物料分离功能应用高分子分离膜具有节能和节约原材料应用高分子分离膜具有节能和节约原材料的特点的特点1)气体分离膜：氢分离膜和富氧膜。其分离机气体分离膜：氢分离膜和富氧膜。其分离机理为多孔膜的透过扩散型和无孔膜的熔解扩理为多孔膜的透过扩散型和无孔膜的熔解扩散型。如美国通用电气公司的富氧膜，在聚散型。如美国通用电气公司的富氧膜，在聚砜多孔膜上，用聚二甲

21、基硅氧烷和砜多孔膜上，用聚二甲基硅氧烷和PC组成组成共聚物，将其溶于三氯丙烷，在水面展开，共聚物，将其溶于三氯丙烷，在水面展开，制成薄膜。制成薄膜。2)液体分离膜：用于海水淡化，高纯物制备，液体分离膜：用于海水淡化，高纯物制备，有机物分离。多用复合膜，（反）渗透膜。有机物分离。多用复合膜，（反）渗透膜。3)生物功能模拟膜：生物功能模拟膜：50100 ，主要为磷脂，主要为磷脂和蛋白质。和蛋白质。4)燃料电池用质子交换膜，燃料电池用质子交换膜，nifion膜等。膜等。熔融挤出拉伸法制备聚合物微孔膜熔融挤出拉伸法制备聚合物微孔膜 研究内容：熔融挤出拉伸成孔研究内容：熔融挤出拉伸成孔法制备聚乙烯微孔膜

22、，用作锂离子法制备聚乙烯微孔膜，用作锂离子电池隔膜。电池隔膜。方法优点：方法优点： 工艺相对简单，无污染工艺相对简单，无污染 膜性能优异，无通孔问题膜性能优异，无通孔问题应用现状：应用现状： 国外：工业生产，国外：工业生产， 技术垄断技术垄断 国内：目前只有我们国内：目前只有我们 刚刚研制出来刚刚研制出来挤出成膜挤出成膜冷却收卷冷却收卷热退火热退火冷拉伸冷拉伸热拉伸热拉伸热定型热定型微孔膜微孔膜熔融挤出拉伸法制备聚合物微孔膜熔融挤出拉伸法制备聚合物微孔膜原始膜的拉伸曲线 聚丙烯拉伸膜聚丙烯拉伸膜10.医用高分子材料医用高分子材料PHB多孔支架在裸鼠体内多孔支架在裸鼠体内形成的人工骨形成的人工骨

23、 人造皮肤材料与可持续发展材料与可持续发展 石器时代、青铜器时代、铁器时代、高分子时代。石器时代、青铜器时代、铁器时代、高分子时代。 从上世纪从上世纪90年代开始进入信息材料、环境材料。年代开始进入信息材料、环境材料。 可持续发展的提出：自然资源的过度开发和消耗、可持续发展的提出：自然资源的过度开发和消耗、全球性的环境污染和生态破坏。全球性的环境污染和生态破坏。 不牺牲未来几代人需要的情况下，满足我们这代不牺牲未来几代人需要的情况下，满足我们这代人的需要和发展。人的需要和发展。聚乙烯袋的评价流程聚乙烯袋的评价流程原油运输原油运输原油提炼原油提炼油井开采油井开采乙烯气生产乙烯气生产聚乙烯生产聚乙

24、烯生产原料包装原料包装/运运输输塑料袋生产塑料袋生产包装包装运输运输使用使用丢弃丢弃废物废物LCA中将环境损害分为三类：资源消耗，人体健康和生态中将环境损害分为三类：资源消耗，人体健康和生态环境影响。然后再细分为许多具体的环境损害：如气候影环境影响。然后再细分为许多具体的环境损害：如气候影响，土壤影响，水资源影响等。响，土壤影响，水资源影响等。聚乙烯袋对于纸袋有更好的环境协调性聚乙烯袋对于纸袋有更好的环境协调性可完全生物降解材料微微生生物物发发酵酵加加工工可可再再生生资资源源淀淀粉粉、纤纤维维素素单单体体LA、CL聚聚合合物物PBS、PCLPLA、PHB最最终终产产品品CO2+H2O聚聚合合分

25、分解解光光合合作作用用单单体体SA、BD石石油油化化工工路路线线丁二酸衍生物的绿色生产工艺CornStarch/GlucoseCO2Succinic AcidButanediolAdipic AcidMethylene Succinic AcidMethyl Succinic Acid 直接酯化-脱二元醇反应 酯交换反应 以二元酸二甲酯或二乙酯与等当量的二元醇，经高温、高真空度脱甲醇或乙醇，得到聚酯 技术路线nHO CO(CH2)2COOH +HO(CH2)4OHmxHOyCO(CH2)2COO(CH2)4O(CH2)4OH +H2OTi(BuO)42nCO(CH2)2COO (CH2)4Ok+ lHO (CH2)4OHPBSAPBSA系列共聚物的研究系列共聚物的研究v偏光显微镜观察到的降解过程偏光显微镜观察到的降解过程未浸入未浸入 浸入浸入1周后周后 浸入浸入2周后周后 PBSAPBSA系列共聚物的研究系列共聚物的研究v偏光显微镜观察到的降解过程偏光显微镜观察到的降解过程浸入浸入4周后周后 浸入浸入6周后周后 浸入浸入10周后周后 实验平台 1.从目前自己对高分子材料的了解出发，综合讨论高分子在国民经济中的作用。 2.以自己的理解，讨论高分子材料的特点。 3.就你所熟悉的一个领域，介绍高分子材料的应用。