材料科学与工程专业 《高分子材料学》绪论课件.ppt

1、材料科学与工程专业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？高分子材料学高分子材料学第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 高分子材料性能特点高分子材料性能特点第三章第三章 塑料材料塑料材料第四章第四章 弹性体材料弹性体材料第五章第五章 聚合物基复合材料聚合物基复合材料第六章第六章 功能高分子材料概论功能高分子材料概论第七章第七章 高分子材料的可持续性发展高分子材料的可持续性发展o张留成张留成、瞿雄伟瞿雄伟、丁会利

2、丁会利,高分子材料基础高分子材料基础,北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，2007.o徐坚、瞿金平、薛忠民、姜振华，徐坚、瞿金平、薛忠民、姜振华，高分子材料与工程高分子材料与工程，北京：科学出版社，北京：科学出版社，2008.o国家自然科学基金委员会工程与材料科学部，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有机高分子材料科学，北北京：科学出版社，京：科学出版社，2006.o马建标，马建标，功能高分子材料功能高分子材料（第二版），（第二版），北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，2010.o何曼君等，何曼君等，高分子物理高分子物理（第三版），（第三版），上海：复旦

3、大学出版社，上海：复旦大学出版社，2007.oAdisa Azapagic等，等， 高分子材料高分子材料-环境与可持续发展环境与可持续发展，北京：北京： 化学工业出版社，化学工业出版社，2006.oWilliam D. Callister, Jr., “Fundamentals of Materials Science and Engineering”，北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，2009（影印版）（影印版）o丁会利等，丁会利等，高分子材料及应用高分子材料及应用，北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，2012.主要参考书目主要参考书目：高分子学报高分子学报 高分子材料科学

4、与工程高分子材料科学与工程合成纤维合成纤维塑料工业塑料工业中国塑料中国塑料合成橡胶工业合成橡胶工业Journal of Applied Polymer SciencePolymerPolymer Engineering and Science Macromolecules相关杂志相关杂志：材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图 什么是高分子材料？什么是高分子材料？ 区分：区分： 高高分子、分子、聚聚合物、高分子合物、高分子材料材料定义：定义：以以聚合物聚合物或以聚合物为主，辅以各种或以聚合物为主，辅以各种添添 加剂加剂等物质经加工而成的材料。等物质经加工而成的材料。1 1、绪论绪论 高分子定

5、义高分子定义：高分子量的化合物高分子量的化合物 (10000)。 别称别称：聚合物聚合物 Polymer 大分子大分子Macromolecule由许多由许多相同相同的、的、简单简单的的重复单元重复单元通过通过共价键共价键重复连接而成。重复连接而成。不一定有规律，并非由不一定有规律，并非由简单简单的的重重复单元复单元连接而成，仅是分子量大。连接而成，仅是分子量大。1 1、绪论绪论 IPUAC: Union Pure and Applied Chemistry聚合物聚合物：由许多：由许多相同相同的、的、简单简单的的重复单重复单元元通过通过共价键共价键重复连接而成。重复连接而成。 1 1、绪论、绪论

6、 单体单体：通过：通过反应反应能制备聚合物分子的能制备聚合物分子的物质物质。 聚合物按聚合物按重复单元数重复单元数划分：划分：低聚物低聚物Oligomer高聚物高聚物High polymer摩尔平均质量摩尔平均质量10000 高分子材料用基本成分。高分子材料用基本成分。 1 1、绪论、绪论 聚合物按聚合聚合物按聚合单体种类数单体种类数划分：划分：均聚物均聚物homopolymer共聚物共聚物copolymer 一种一种单体聚合而成。单体聚合而成。 二种或二种以上二种或二种以上单体聚单体聚合而成。合而成。 1 1、绪论、绪论 聚乙烯聚乙烯 聚氯乙烯聚氯乙烯 聚丙烯聚丙烯例：几个常用的聚合物的分子

7、结构式：例：几个常用的聚合物的分子结构式：HCCHHH乙烯乙烯HCCHHCl氯氯乙乙烯烯HCCHHCH3丙烯丙烯1 1、绪论、绪论 Figure1.1 Classification scheme of the methods of preparation of polymers聚合反应聚合反应高分子反应高分子反应连锁聚合连锁聚合逐步聚合逐步聚合形形成成高高分分子子的的方方法法复合材料复合材料缩聚缩聚反应反应加聚加聚反应反应1 1、绪论、绪论 缩聚反应缩聚反应 单体单体官能团之间官能团之间的反应；的反应； 有有低分子副产物低分子副产物生成生成;1 1、绪论、绪论 Hexamethylene di

8、amine+Adipic acidWater+H H O O C C C C C C C C C C C CO O H H H H H H H H O OO O H HH H H H H H H HN N C C C C C CH HH HH H H HC C C C C CH HH HH HH HH H H HH H H HN NH HC C C C C C C CO OH H H H H HC C C C O O H HO OH HH HH HH HH HH HH HN N C C C C C CH HH HH H H HC C C C C CH HH HH HH HH H H HH H

9、H HN NH HH HH HH HH2O6,6-NylonN NC C C CC CH HH HH H H HC C C CC CH HH HH HH HH HH HH HH HN NH HC CC CC C C CO OH HH H H HC CC CO OH HH HH HH HH HH Hn nFigure 1.2 The condensation reaction for 6,6-Nylon1 1、绪论、绪论 尼龙（尼龙（Nylon）卡罗瑟斯（卡罗瑟斯（1896-1937）美国有机化学家）美国有机化学家 1 1、绪论、绪论 单体具有单体具有不饱和键不饱和键（双键或三键）；（双键或三键

10、）； 加聚反应加聚反应 反应分三步构成：反应分三步构成： 链引发、链增长、链终止；链引发、链增长、链终止； 反应反应没有副产物没有副产物生成。生成。引发剂引发剂1 1、绪论、绪论 2.1.4 聚合反应简介聚合反应简介 链引发：链引发： 引发剂分解产生初级自由基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 聚合反应简介聚合反应简介 链链增长增长（速度极快）：（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 聚合反应简介聚合反应简介 链链终止终止： 链自由基稳定化。

11、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 pleasant 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：基本特点：大大 多分散性多分散

12、性 只具有只具有统计意义统计意义数均摩尔质量数均摩尔质量(按按分子数分子数统计平均统计平均) Mn质均摩尔质量质均摩尔质量(按按质量质量统计平均统计平均) Mw 聚合物聚合物摩尔平均质量（简称分子量）摩尔平均质量（简称分子量） 1 1、绪论、绪论 分布的宽窄分布的宽窄 Q Mw / Mn Xw / Xn 多分散性指数多分散性指数 质均聚合度质均聚合度 数均聚合度数均聚合度* 聚合度：高分子链中所含聚合度：高分子链中所含重复单元重复单元 的平均数目。的平均数目。1 1、绪论、绪论 摩尔平均质量的多分散性摩尔平均质量的多分散性1 1、绪论、绪论 聚合物摩尔平均质量与其聚合物摩尔平均质量与其物理状态

13、物理状态有关有关 聚合物摩尔平均质量与其聚合物摩尔平均质量与其力学性能力学性能、加工性能加工性能有关有关1 1、绪论、绪论 利用天然高分子利用天然高分子 合成高分子问世合成高分子问世 奠定高分子化学学科理论基础奠定高分子化学学科理论基础 高分子材料大发展高分子材料大发展 功能材料、复合材料快速发展功能材料、复合材料快速发展1 1、绪论、绪论 高分子材料发展历程高分子材料发展历程 天然高分子利用天然高分子利用 7000多年前，天然油漆多年前，天然油漆 我国已使用天然油漆涂饰船只。中国漆我国已使用天然油漆涂饰船只。中国漆( (大漆大漆) ) 1839年，年，天然橡胶硫化天然橡胶硫化 美国人古德伊尔

14、美国人古德伊尔（Charlers Goodyear）。）。 1869年，第一种人造塑料年，第一种人造塑料-赛璐珞（赛璐珞（ Celluloid，硝化纤维素），硝化纤维素） 美国美国 人海厄特（人海厄特（Jhon Wesley Hyatt）。）。 1887年，第一种人造丝年，第一种人造丝 硝化纤维素，硝化纤维素，Count Hilaire de Chardonnet.1 1、绪论、绪论 高分子材料发展历程高分子材料发展历程 合成高分子问世合成高分子问世 1909年，年，第一种合成塑料第一种合成塑料-酚醛塑料（电木）酚醛塑料（电木） （Leo Hendrik Baekeland） 1935年，年，

15、第一个合成纤维第一个合成纤维-尼龙尼龙-6,6 （Wallace H. Carothers) 奠定高分子化学学科基础奠定高分子化学学科基础 （德国精英科学家（德国精英科学家 Hermann Staudinger） 20世纪世纪20年代，提出：年代，提出：高分子物质是由具有相高分子物质是由具有相 同化学结构的单体，经聚合反应通同化学结构的单体，经聚合反应通过过 共价键连接在一起的长链分子共价键连接在一起的长链分子。 193040年代，年代，聚合方法及理论发展聚合方法及理论发展。 1 1、绪论、绪论 高分子材料发展历程高分子材料发展历程 高分子材料大发展高分子材料大发展 1950年代，年代，配位聚

16、合（配位聚合（Coordination Polymerization) 齐格勒（齐格勒（Karl Ziegler），）， 德国人。德国人。 纳塔（纳塔（Giulio Natta），意大利人。），意大利人。 196070年代，年代，高性能化，特种高分子合成高性能化，特种高分子合成 高强度、高模量、耐高温等。高强度、高模量、耐高温等。 功能、复合高分子材料快速发展功能、复合高分子材料快速发展 1980 功能高分子功能高分子： 导体和半导体高分子、导体和半导体高分子、 磁性高分子、光敏高磁性高分子、光敏高 分子、生物医用高分子、液晶高分子、高分子分子、生物医用高分子、液晶高分子、高分子 催化剂催化剂

17、 高分子合金高分子合金： 不同的高分子混合。不同的高分子混合。 复合高分子材料复合高分子材料： 与玻璃纤维、碳纤维等复合，如玻璃钢等。与玻璃纤维、碳纤维等复合，如玻璃钢等。1 1、绪论、绪论 高分子材料发展历程高分子材料发展历程 高分子科学领域高分子科学领域 Nobel 奖获得者奖获得者： H. Staudinger for his discoveries in the field of macromolecular chemistry 突破有机化学的传统观念，首突破有机化学的传统观念，首先提出了高分子的概念，以先提出了高分子的概念，以大量先驱性工作为高分子化大量先驱性工作为高分子化学奠基开创

18、了高分子学科。学奠基开创了高分子学科。1953年，化学奖年，化学奖 Karl Ziegler Giulio Natta (德国德国) (意大利意大利)for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers 1953年，年， Ziegler： Ziegler催催化剂，低压聚乙烯合成方法；化剂，低压聚乙烯合成方法；1954年，年， Natta：改进改进Ziegler催化剂，提出有规立构聚丙烯催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。的概念。1963年，化学奖年，化学奖1974年，化学奖年，化学奖

19、for his fundamental achievements, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of the macromoleculesl利用等活性假设及直接的统计方法，他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布，并利用动力学实验证实了等活性假设；设；l引入链转移概念，将聚合物统计理论用引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性分子，产生了凝胶理论；于非线性分子，产生了凝胶理论；lFlory-Huggi

20、ns格子理论；格子理论；l1948年作出了最重要的贡献，即提出年作出了最重要的贡献，即提出“排除体积排除体积”理论和理论和温度概念；温度概念； l著作著作“Principles of polymer chemistry” （1953）是高分子学科中的）是高分子学科中的Bible。1991 物理奖物理奖 l 对液晶和高分子物质有序现象提出了标对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论度理论l 从临界现象认识分子，在物理从临界现象认识分子，在物理- -化学之间化学之间架设了桥梁架设了桥梁l 提出提出“软物质软物质”概念概念“for discovering that methods developed

21、 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 Gennes2000年年 化学奖化学奖Hideki Shirakawa , Alan J. Heeger Alan G. MacDiarmid for the discovery and development of conductive polymersl l唐敖庆唐敖

22、庆于于1951年，发表了首篇高分子科学论文。年，发表了首篇高分子科学论文。 l l王佛松王佛松，沈之荃沈之荃于长春应化所于长春应化所1950年开始合成橡胶工作。年开始合成橡胶工作。l l 冯新德冯新德50年代在北京大学开设高分子化学专业。年代在北京大学开设高分子化学专业。l l 何炳林何炳林50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。l l 钱人元钱人元于于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。性质研究。l l 钱保功钱保功50年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射化

23、学的研究。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 l 徐僖徐僖50年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。l l 王葆仁王葆仁1952年上海有机所建立了年上海有机所建立了PMMA、PA6研究组研究组我国高分子科学与工程的发展我国高分子科学与工程的发展-起步于起步于1950高分子领域的中科院院士：高分子领域的中科院院士： 王葆仁王葆仁 冯新德冯新德 何炳林何炳林 钱保功钱保功 钱人元钱人元 于同隐于同隐 徐徐 僖僖 王佛王佛松松 程镕时程镕时 黄葆同黄葆同 卓仁禧卓仁禧 沈家骢沈家骢 林尚安林尚安 沈之荃沈之荃 周其凤周其凤 曹镛

24、曹镛 杨玉良杨玉良 阎德岳阎德岳 吴奇吴奇 江明江明 张希张希 唐本忠唐本忠 张俐娜张俐娜 ( (一一) ) 按照聚合物的按照聚合物的来源来源分类分类天然高分子材料天然高分子材料改性的天然高分子材料改性的天然高分子材料合成高分子材料合成高分子材料改性合成高分子材料改性合成高分子材料如：纤维素如：纤维素 硝基纤维素硝基纤维素 棉、毛棉、毛 织物；木材、麻织物；木材、麻 纸纸 小分子原料经化学反应和聚合方法合成。小分子原料经化学反应和聚合方法合成。 如：如：PE、PVC、PP 聚合物经化学、物理方法改性。聚合物经化学、物理方法改性。1 1、绪论、绪论 - - 高分子材料分类高分子材料分类 ( (二

25、二) ) 按照聚合物的按照聚合物的主链结构主链结构分类分类碳链聚合物材料碳链聚合物材料杂链聚合物材料杂链聚合物材料元素有机聚合物材料元素有机聚合物材料 聚合物主链完全由聚合物主链完全由碳碳原子组成。原子组成。 如：如：PVC、PS、PE、 聚合物主链中除聚合物主链中除碳碳外，还有外，还有氧、氮、硫氧、氮、硫等杂原子。等杂原子。 如：如：PA 聚合物主链中聚合物主链中没有没有碳原子，主要由碳原子，主要由硅、硼硅、硼等原子等原子组成，侧链为有机基团。如：有机硅、组成，侧链为有机基团。如：有机硅、1 1、绪论、绪论 - - 高分子材料分类高分子材料分类 塑料塑料 (Plastics) 弹性体弹性体

26、(Elastomer) 纤维纤维 (Fiber) 涂料涂料 (Coating) 胶粘剂胶粘剂 (Adhesive) 复合材料复合材料 (Composite) 三大合成材料三大合成材料( (三三) ) 按照高分子材料按照高分子材料用途用途分类分类1 1、绪论、绪论 高分子材料分类高分子材料分类 原料丰富原料丰富;1 1、绪论、绪论 高分子材料优势高分子材料优势 用于淀粉基树脂制备的直链淀粉分子用于淀粉基树脂制备的直链淀粉分子聚乳酸弹性包装聚乳酸弹性包装 原料丰富原料丰富; 具有各种优异性能；具有各种优异性能； 密度小，密度小， 比强度高，比强度高， 易加工成型，易加工成型， 耐腐蚀、电绝缘性高、

27、具有渗透性、耐腐蚀、电绝缘性高、具有渗透性、 生产能耗低，投资少，周期短，利润高生产能耗低，投资少，周期短，利润高 PS钢钢铝铝 = 11020（单位体积）（单位体积）1 1、绪论、绪论 高分子材料优势高分子材料优势 高分子材料无处不在高分子材料无处不在 以塑代木、以塑代金属，且不仅以塑代木、以塑代金属，且不仅“代代” 尖端技术尖端技术: 航天飞行器，卫星、火箭等用材。航天飞行器，卫星、火箭等用材。 工业：工业：电子元器件、电缆、信息记录储存传输等。电子元器件、电缆、信息记录储存传输等。 农业：农业：地膜、大棚、滴灌设备、地膜、大棚、滴灌设备、高吸水树脂高吸水树脂（10001000倍倍）等。等

28、。 衣：衣：服装、防弹衣、消防服等。服装、防弹衣、消防服等。 食：食：包装、不粘锅等。包装、不粘锅等。 住：住：装饰、门窗、家电、家具等。装饰、门窗、家电、家具等。 行：行：飞机、汽车、自行车等交通工具用材。飞机、汽车、自行车等交通工具用材。 医：医：接触眼镜、一次性医疗用具、人工脏器等。接触眼镜、一次性医疗用具、人工脏器等。 1 1、绪论、绪论 高分子材料优势高分子材料优势 材料科学与工程材料科学与工程 关于材料组成、结构、制备工艺流程关于材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能、用途间相互关系的知识产与材料性能、用途间相互关系的知识产生及其运用的科学。生及其运用的科学。1 1、绪论、绪论 高

29、分子科学与工程高分子科学与工程 材料科学与工程四要素图材料科学与工程四要素图合成合成/加工加工成分成分/ /结构结构 使使 用用 性性 能能 性性 质质1 1、绪论、绪论 高分子科学与工程高分子科学与工程 材料对外界环境作用（物理、材料对外界环境作用（物理、化学、力学等）的反应。材料确定，化学、力学等）的反应。材料确定，性质不变。性质不变。 材料性质在使用条件下的表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现。可以通过加工或处理而改变。 材料科学与工程五要素图材料科学与工程五要素图1 1、绪论、绪论 高分子科学与工程高分子科学与工程 环境对材料性能的影响很大，环境对材料性能的影响很大

30、，性质与效能之间的连接线代表环境性质与效能之间的连接线代表环境的影响的影响。 每一要素或几个相关要素都有理论，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、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。污染、降低成本的最佳状态。 高分子材料科学高分子材料科学 研究高分子材料的研究高分子材料的组织结构组织结构与与性能性能的关系的关系, ,从而从而发展新发展新型型高分子材料，并高分子材料，并合理有效地合理有效地使用高分子材料。使用高分子材料。 高分子材料工程高分子材料工程 高分子材料工程研究聚合物高分子材料工程研究聚合物反应工程反应工程、高分子材料、高分子材料成型成型工艺工艺及加工成型过程中的及加工成型过程中的物理物理、化学化学变化及以此为基础而变化及以此为基础而形成的高分子材料形成的高分子材料成型理论成型理论、成型方法成型方法等内容。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料工业间的衔接点衔接点。1 1、绪论、绪论 高分子科学与工程高分子科学与工程