1、非金属材料及应用非金属材料及应用主讲：司家勇主讲：司家勇中南林业科技大学机电学院中南林业科技大学机电学院课程简介课程简介主要参考书目主要参考书目 绪 论INTRODUCTION材料材料人类社会进步的里程碑人类社会进步的里程碑人类、材料和技术的演变史人类、材料和技术的演变史石器时代石器时代用于碾磨谷物的石盘用于碾磨谷物的石盘原始人打制的石器原始人打制的石器瓷器-純淨的黏土（又叫瓷土、高嶺土）和石英、長石等原料配成泥漿，作成毛坯-燒好粗坯，再上釉-在一千三百度左右高溫下，經過複雜的化學變化，同釉密切的結合而成-質地細緻，半透明，不吸水从陶器到瓷器从陶器到瓷器青铜器时代青铜器时代温文尔雅的四羊方尊温
2、文尔雅的四羊方尊青铜乐器青铜乐器锋披天下的秦国青铜兵器锋披天下的秦国青铜兵器秦剑秦剑秦剑的佩戴方式秦剑的佩戴方式越王勾践剑的主要的成份是越王勾践剑的主要的成份是青铜和锡，还含有少量的铅青铜和锡，还含有少量的铅、铁、镍和硫等，剑身的黑、铁、镍和硫等，剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同的，剑刃精磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产品相现在精密磨床生产的产品相媲美，充分显示了当时越国媲美，充分显示了当时越国铸剑工匠的高超的技艺。铸剑工匠的高超的技艺。 举世闻名的越王勾践青铜剑，举世闻名的越王勾践青铜剑，19651965年年1212月出土于湖北省江陵望山的一
3、号楚国贵族墓（距春秋月出土于湖北省江陵望山的一号楚国贵族墓（距春秋时代楚国别都纪南城故址七公里）。考古工作者在墓主人身体的左手边，发现一柄装在黑色时代楚国别都纪南城故址七公里）。考古工作者在墓主人身体的左手边，发现一柄装在黑色漆木箱鞘内的名贵青铜剑。青铜剑与剑鞘吻合得十分紧密。拔剑出鞘寒光耀目，而且毫无锈漆木箱鞘内的名贵青铜剑。青铜剑与剑鞘吻合得十分紧密。拔剑出鞘寒光耀目，而且毫无锈蚀，刃薄锋利。试之以纸，蚀，刃薄锋利。试之以纸，2020余层一划而破。剑全长为余层一划而破。剑全长为55.655.6厘米，其中剑身长厘米，其中剑身长45.645.6厘米，剑厘米，剑格宽格宽5 5厘米。剑身满饰黑色菱
4、形几何暗花纹，剑格正面和反面还分别用蓝色琉璃和绿松石镶厘米。剑身满饰黑色菱形几何暗花纹，剑格正面和反面还分别用蓝色琉璃和绿松石镶嵌成美丽的纹饰，剑柄以丝绳缠缚，剑首向外形翻作圆箍，内铸有极其精细的嵌成美丽的纹饰，剑柄以丝绳缠缚，剑首向外形翻作圆箍，内铸有极其精细的1111道同心圆圈道同心圆圈 四川三星堆青铜器四川三星堆青铜器铁器时代铁器时代战国铁犁头战国铁犁头战国铁锄战国铁锄氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦多元材料时代多元材料时代硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件美国美国B-2B-2隐形轰炸机
5、表面为具有良好吸波性能的隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料碳纤维复合材料由光导纤维构成的光缆由光导纤维构成的光缆先进橡胶轮胎使汽车成为先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰交通主宰一级方程式赛车上使用的一级方程式赛车上使用的特殊轮胎特殊轮胎人工合成的金刚石人工合成的金刚石高分子分离膜已被用来制造高高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器效家庭净水器人工肾脏人工肾脏生物陶瓷人造关节生物陶瓷人造关节可调节的太阳镜可调节的太阳镜耐高温纤维制成的消防人员的服装耐高温纤维制成的消防人员的服装METALPOLYMERINORGANIC非金属材料物理化学的科学内涵非金属材料物理化学的科学内涵 性能性能使
6、用效能使用效能合成与合成与制备制备组成与结构组成与结构非金属材料科学与工程典型轿车构造图典型轿车构造图一一. .汽车的结构组成（三大部分）汽车的结构组成（三大部分）发动机：发动机：内燃机（动力、原动部分）内燃机（动力、原动部分）底盘底盘： 传动系、转向系、制动系、传动系、转向系、制动系、 行驶系（传动、控制部分）行驶系（传动、控制部分）车身车身: : （工作部分）（工作部分）发动机发动机底盘底盘车身车身汽车结构组成 通常，一辆汽车由约通常，一辆汽车由约3 3万个零部件组装而成。万个零部件组装而成。汽车上每个汽车零件的生产制造都涉及到材料汽车上每个汽车零件的生产制造都涉及到材料问题。问题。 据统
7、计，汽车上的零部件采用了据统计，汽车上的零部件采用了4 4千余种千余种不同的材料加工制造。从汽车的不同的材料加工制造。从汽车的设计、选材、设计、选材、加工制造加工制造，到汽车的，到汽车的使用、维修和养护使用、维修和养护无一不无一不涉及到材料。涉及到材料。 二二. .汽车应用材料的组成汽车应用材料的组成现代汽车要满足现代汽车要满足: : 安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格低等要求低等要求. .材料是首要考虑方面。材料是首要考虑方面。 1.1.汽车工程材料汽车工程材料: : ( (包括分类包括分类, ,性能性能, ,牌号牌号, ,热处理工艺及应
8、用热处理工艺及应用) )2.2.汽车运行材料汽车运行材料: : ( (包括燃料，润滑油脂包括燃料，润滑油脂, ,工作液，轮胎等工作液，轮胎等) )二二. .汽车应用材料的组成汽车应用材料的组成1.1.汽车工程材料的分类汽车工程材料的分类 金属材料金属材料（ 纯金属及合金纯金属及合金 ） 黑色金属（黑色金属（ 钢铁钢铁 ) ) 有色金属有色金属 (Cu(Cu、AlAl、TiTi、Mg Mg ) ) 有机高分子材料（主要成分、）有机高分子材料（主要成分、） 塑料、橡胶、塑料、橡胶、合成纤维等合成纤维等 无机材料无机材料 玻璃、水泥、陶瓷等玻璃、水泥、陶瓷等 复合材料复合材料玻璃纤维增强塑料等玻璃纤
9、维增强塑料等以现代轿车用材为例，按照重量来换算，以现代轿车用材为例，按照重量来换算，钢材占汽车自重的钢材占汽车自重的55%-60%55%-60%，铸铁占铸铁占12%-5%12%-5%，有色金属占有色金属占6% -10%6% -10%，塑料占塑料占8%-12%8%-12%，橡胶占，橡胶占4%4%，玻璃占，玻璃占3%3%，其他材料（油漆、各种液体等）占其他材料（油漆、各种液体等）占12%-16%12%-16%。2.2.汽车材料的应用汽车材料的应用 车用汽油 燃料 轻柴油 其它代用燃料 发动机油 车辆齿轮油 润滑油 液力传动油 液压油 润滑脂 制动液 工作液 减振器液 发动机冷却液 制冷剂 轮胎汽车
10、运行材料汽车运行材料3.3.汽车运行材料汽车运行材料三三. .汽车材料的展望汽车材料的展望l汽车工业发展的方向汽车工业发展的方向: :汽车轻量化和减少污染汽车轻量化和减少污染l汽车材料总的发展趋势是：汽车材料总的发展趋势是： 结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降，有色结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降，有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材料的用量有所上升。在性能可靠的条件下，将尽可料的用量有所上升。在性能可靠的条件下，将尽可能多地采用非金属材料、复合材料等轻型、新型材能多地采用非金属材料、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料。料取代钢铁
11、材料。 1.1.镁合金镁合金 magnesiummagnesium 密度低、比强度和比刚度较高。密度低、比强度和比刚度较高。镁铝钛铁密度1.742.74.57.8 镁、铝合金和复合材料镁、铝合金和复合材料 汽车轻量化的材料汽车轻量化的材料 减少油耗减少油耗镁合金方向盘骨架镁合金汽车轮镁合金汽车轮毂毂镁合金汽缸盖镁合金汽缸盖塑性 变形塑性 变形加热加热形状记忆合金普通材料2( 2 1 )形状记忆效应示意图直升飞机的旋翼直升飞机的旋翼 抓好基本学习环节抓好基本学习环节注重理论知识的实际应用注重理论知识的实际应用总结归纳总结归纳非金属材料的特点非金属材料的特点1高高 分分 子子 科科 学学高高 分分
12、 子子 化化 学学研究聚合反应和高分子化学反应原理，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、选择原料、确定路线、寻找催化剂、制订合成工艺等。制订合成工艺等。研究聚合物的结构与性能的关系，为设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，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。是沟通合成与应用的桥梁。高高 分分 子子 物物 理理高高 分分 子子 加加 工工研究聚合物加工成型的原理与工艺。研究聚合物加工成型的原理与工艺。 高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是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
13、机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科建立在有机化学、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。的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。高高 分分 子子 科科 学学 简简 史史1838-利用光化学第一次使氯乙烯聚合。利用光化学第一次使氯乙烯聚合。1839-合成了聚苯乙烯，同年英国的合成了聚苯乙烯，同年英国的 Macintosh 和和 Hancock 和美国的和美国的 Goodyear 发现了天然橡胶用硫磺进行硫化，发现了天然橡胶用硫磺进行硫化， 这能制备出橡皮产品，用作轮胎和防雨布。这能制备出橡皮产品，用作轮胎和防雨布。1868-Hyatt 发明了硝基纤维素
14、发明了硝基纤维素1870-商业化生产赛璐珞的商品。商业化生产赛璐珞的商品。189398-英国开始生产人造丝，英国开始生产人造丝，20世纪初世纪初-合成了苯乙烯和双烯类共聚物，合成了苯乙烯和双烯类共聚物，高高 分分 子子 科科 学学 简简 史史1907-德国开发了酚醛树脂。德国开发了酚醛树脂。1930-高分子概念已被承认。高分子概念已被承认。1929-Dupont 公司的公司的 Carothers 系统研究系统研究 缩聚缩聚, 并发展了大分子理论。开发了聚酰胺并发展了大分子理论。开发了聚酰胺 和聚酯的合成和聚酯的合成1931-出现了聚甲基丙烯酸甲酯，出现了聚甲基丙烯酸甲酯，1936-聚醋酸乙烯酯
15、和聚丁酸乙烯酯做安全聚醋酸乙烯酯和聚丁酸乙烯酯做安全 玻璃，玻璃，1937-德国开始了工业生产聚苯乙烯，德国开始了工业生产聚苯乙烯，1938-出现了商业生产尼龙出现了商业生产尼龙66。高高 分分 子子 科科 学学 简简 史史1939-开发聚氯乙烯和脲醛树脂，开发聚氯乙烯和脲醛树脂， 美国开始了聚硫橡胶和氯丁橡胶的生产。美国开始了聚硫橡胶和氯丁橡胶的生产。1930-40-近代高分子化学蓬勃发展。近代高分子化学蓬勃发展。1939-聚丁二烯橡胶，丁腈橡胶，聚氨酯。聚丁二烯橡胶，丁腈橡胶，聚氨酯。1941-丁苯橡胶，丁基橡胶，丁钠橡胶，丁苯橡胶，丁基橡胶，丁钠橡胶， 含氟聚合物。含氟聚合物。1945-
16、60，高分子化学和工程快速发展。，高分子化学和工程快速发展。194748-环氧树脂和环氧树脂和ABS塑料。塑料。1950-聚酯和聚丙烯腈纤维聚酯和聚丙烯腈纤维, 聚硅氧烷。聚硅氧烷。高高 分分 子子 科科 学学 简简 史史50年代年代-Ziegler和和Natta的定向聚合，的定向聚合， 高密度线型聚乙烯、等规立构聚丙烯等。高密度线型聚乙烯、等规立构聚丙烯等。 Szwar负离子活性聚合。丁苯嵌段共聚物负离子活性聚合。丁苯嵌段共聚物聚甲醛、聚碳酸酯、聚氨酯泡沫塑料，顺式聚异聚甲醛、聚碳酸酯、聚氨酯泡沫塑料，顺式聚异戊二烯，顺式聚丁二烯，乙丙橡胶，聚酰亚胺，戊二烯，顺式聚丁二烯，乙丙橡胶，聚酰亚胺
17、，聚苯醚，聚砜等。聚苯醚，聚砜等。近年来，合成高分子化学向结构更精细、性能更近年来，合成高分子化学向结构更精细、性能更高级的方向发展。如超高模量、超高强度、难燃高级的方向发展。如超高模量、超高强度、难燃性、耐高温性，耐油性等材料，生物医学材料，性、耐高温性，耐油性等材料，生物医学材料，半导体或超导体材料，低温柔性材料等及具有多半导体或超导体材料，低温柔性材料等及具有多功能性的材料。功能性的材料。 高高 分分 子子 科科 学学 简简 史史 Hermann Staudinger : 把把“高分子高分子”这个概念引进科学领域，这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系（并确立了
18、高分子溶液的粘度与分子量之间的关系（19531953年诺年诺贝尔奖）。贝尔奖）。Carothers : 建立缩聚反应理论。建立缩聚反应理论。Karl Ziegler, Giulio Natta : 乙烯、丙烯配位聚合乙烯、丙烯配位聚合 （1963年诺年诺贝尔奖）贝尔奖）Paul J. Flory : 聚合聚合反应反应原理、高分子物理性质与结构的关系原理、高分子物理性质与结构的关系（1974年诺贝尔奖）。年诺贝尔奖）。Hideki Shirakawa, Alan G. MacDiarmid, Alan J. Heeger ：对：对导电聚合物的发现和发展（导电聚合物的发现和发展（2000年诺贝尔奖
19、）。年诺贝尔奖）。高高 分分 子子 科科 学学 简简 史史制制 约约 因因 素素解解 决决 途途 径径（1）延长使用寿命：减少废弃）延长使用寿命：减少废弃（2）回收利用：低性能应用；降解）回收利用：低性能应用；降解（3）自然降解：自然分解回归自然）自然降解：自然分解回归自然：高分子制品废弃后对：高分子制品废弃后对环境的污染环境的污染“在人类历史上在人类历史上, ,几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献人类社会做出如此巨大的贡献.”.”高高 分分 子子 科科 学学 简简 史史天天 然然 高高 分分 子子的的 直直 接接 利利 用用天
20、天 然然 高高 分分 子子的的 化化 学学 改改 性性天然橡胶的硫化天然橡胶的硫化, , 硝化纤维的合成等硝化纤维的合成等淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等高高 分分 子子 合合 成成高高 分分 子子 时时 代代高高 分分 子子 科科 学学 简简 史史日常生活中常见的高分子化合物日常生活中常见的高分子化合物有机高分子有机高分子 天然高分子：天然高分子：淀粉、纤维素和蛋白质、天然橡胶等。淀粉、纤维素和蛋白质、天然橡胶等。 合成高分子：合成高分子： 合成纤维、合成树脂、合成橡胶等。合成纤维、合成树脂、合成
21、橡胶等。高分子高分子也叫也叫高分子化合高分子化合物物，是指分，是指分子量很高并子量很高并由共价键连由共价键连接的一类化接的一类化合物合物 Macromolecule,HighPolymer,Polymer高高 分分 子子也叫也叫聚合物分子聚合物分子或或大分子大分子，具有，具有高的相对分子量高的相对分子量，其结，其结构必须是由多个构必须是由多个重复单元重复单元所组成，并且这些重复单元实所组成，并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。Polymer molecule, Macromolecule根据根据IUPAC1996年之建议：年之建议：Ex
22、cerpt from Pure Appl. Chem. 1996, 68, 2287 - 2311CH2-CH CH2-CH CH2-CHClClCl高高 分分 子子 基基 本本 概概 念念CH2CHOH聚氯乙烯聚氯乙烯聚乙烯醇聚乙烯醇H2CCHClCH2CHOH实际上概念上高高 分分 子子小小 分分 子子聚聚 合合 反反 应应Polymerization单单 体体能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。的小分子。高分子化合物高分子化合物Polymeric SubstanceMonomer或称或称聚合物聚合物，是由许多单个高分子（聚
23、合物分子）组成的，是由许多单个高分子（聚合物分子）组成的物质。物质。高高 分分 子子 基基 本本 概概 念念聚合聚合1.1.CH2 CHCH2-CH-CH2-CH-CH2-CHnCH2 CHnnxDP：00nMDPMxM nDPxnn H2N-(-CH2-)-COOH-NH-(-CH2-)-CO-nn H2O+55H-NH(CH2)6NH-CO(CH2)4CO-OHnH2N(CH2)6NH2 + HOOC(CH2)4COOH2.2.(2n-1) H2O+3. nDPxn22002MDPMxMn 但但, M1M2M1M1M2M1M2M2M2 -( CH2-CH=CH-CH2 -)-(-CH2-C
24、H-)-xynu难溶，甚至不溶，溶解过程往往要经过溶胀阶段难溶，甚至不溶，溶解过程往往要经过溶胀阶段; ;u溶液粘度比同浓度的小分子高得多溶液粘度比同浓度的小分子高得多; ;u分子之间的作用力大分子之间的作用力大, ,只有液态和固态只有液态和固态, ,不能汽化不能汽化; ;u固体聚合物具有一定的力学强度固体聚合物具有一定的力学强度, ,可抽丝、能制膜可抽丝、能制膜。AC聚合度聚合度BA A B尼龙尼龙 40 15040 150纤维素纤维素 60 25060 250乙烯基乙烯基 100 400100 400聚合物聚合物 NiMiMWWNMNNWMiiiiiiin)(iiiiiiiiiwMWMNM
25、NWMWM2 一般，一般， 值在值在0.50.9之间，故之间，故 MKMark-Houwink方程方程K, 方程方程K, 是与聚合物、溶剂有关的常数是与聚合物、溶剂有关的常数1iiii1iiivMNMNWMWM1nvMM iiiMWZ 232iiiiiiiiiiiMNMNMWMWZMZMz1qqiiiiMNMNM3q2q1qZwnMMM 40000510105101054NiNiMiMn850001051010)10(5)10(105425242NiMiNiMiMw800001051010)10(5)10(106 . 015416 . 0516 . 04vM98000)10(5)10(10)1
26、0(5)10(10MNMNM25243534iiiiz23 逐步沉淀分级逐步沉淀分级 逐步溶解分级逐步溶解分级 GPC(凝胶渗透色谱凝胶渗透色谱 p CH2-CH-CH2-CHClClCH2-CH-CH-CH2-CH2-CHCl ClCl头头- -尾结构尾结构头头- -头、尾头、尾- -尾结构尾结构 a C bdcHHHHRRRRHHHHRRRRRRRRHHHHRHH 顺式（天然橡胶）顺式（天然橡胶）反式（古塔波胶）反式（古塔波胶）CH2CH2CH2HCH3HCH3CCCH2CC聚合反应聚合反应 1.3.1 高分子化合物的合成反应缩合聚合反应（缩合聚合反应（缩聚反应缩聚反应） 聚合反应聚合反应
27、由低分子单体合成聚合物的化学反应由低分子单体合成聚合物的化学反应加成聚合反应（加成聚合反应（加聚反应加聚反应）1.3 高分子化合物的合成与改性高分子化合物的合成与改性加聚反应加聚反应仅由一种单体聚合而成的，仅由一种单体聚合而成的，分子分子链中只包含一种单体构成的链节链中只包含一种单体构成的链节的聚合反应的聚合反应由两种或两种以上单体同时进行由两种或两种以上单体同时进行聚合，聚合，生成的聚合物含有多种单生成的聚合物含有多种单体构成的链节的聚合反应体构成的链节的聚合反应共聚物往往可兼具两种或两种以上均聚物的一些优异性能，因共聚物往往可兼具两种或两种以上均聚物的一些优异性能，因此此通过共聚方法可以改
28、善产品的性能通过共聚方法可以改善产品的性能。加聚反应加聚反应由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开环相互结合成聚合物的反应。环相互结合成聚合物的反应。均聚反应均聚反应共聚反应共聚反应缩聚反应缩聚反应由一种或多种单体相互缩合生成高聚物，同时有由一种或多种单体相互缩合生成高聚物，同时有低分子物质低分子物质（如水、卤化氢、氮、醇等）析出的反应。（如水、卤化氢、氮、醇等）析出的反应。例如己二胺和癸二酸合成为尼龙例如己二胺和癸二酸合成为尼龙-610的反应：的反应： n H2N (CH2)6 NHH+n C (CH2)8 COOHHOONH (CH2)6 NH
29、 C (CH2)8 COO+ 2n H2On高分子材料的改性高分子材料的改性 通过各种方法改变已有材料的组成、通过各种方法改变已有材料的组成、 结构，以达结构，以达到改善性能、扩大品种和应用范围的目的。到改善性能、扩大品种和应用范围的目的。 通常采用的改性方法大体上可分为通常采用的改性方法大体上可分为化学法化学法与与物理化学法物理化学法两大类：两大类： 1.3.2 高分子化合物的改性1 1高聚物的化学改性高聚物的化学改性 借化学反应改变高聚物本身的组成、结构，以达到材料改性的借化学反应改变高聚物本身的组成、结构，以达到材料改性的目的。目的。 常用的反应常用的反应交联反应交联反应共聚反应共聚反应
30、 官能团反应官能团反应经经部分交联部分交联后的橡胶，既提高了强度和韧性，又同时保留了较后的橡胶，既提高了强度和韧性，又同时保留了较好的弹性。硫化后的橡胶只发生溶胀，具有耐溶剂性。好的弹性。硫化后的橡胶只发生溶胀，具有耐溶剂性。例例 橡胶的硫化：橡胶的硫化： 借化学键的形成，使线型高聚物连接成为体型高聚物的反应。借化学键的形成，使线型高聚物连接成为体型高聚物的反应。（1）交联反应CH2 C = CH CH2CH3+ S8CH2 C = CH CH2CH3CH2 C CH CH2CH3CH2 C CH CH2CH3SxSyABSABS工程塑料工程塑料具有聚苯乙烯优良的电性能和易加工成型性，具有聚苯
31、乙烯优良的电性能和易加工成型性，丁二丁二烯烯提高弹性和冲击强度，提高弹性和冲击强度，丙烯腈丙烯腈可增加耐热、耐油、耐腐蚀性和可增加耐热、耐油、耐腐蚀性和表面硬度，使之成为综合性能优良的工程材料。表面硬度，使之成为综合性能优良的工程材料。( CH2CH )x ( CH2CH = CHCH2 )y ( CH2CH )zCNn由两种或两种以上不同单体通过共聚所生成的由两种或两种以上不同单体通过共聚所生成的共聚物共聚物，往往在性，往往在性能上有取长补短的效果。能上有取长补短的效果。 nx CH2= CH CN + ny CH2= CH CH=CH2 + nz CH2=CH（2）共聚反应如如离子交换树脂
32、离子交换树脂就是利用官能团反应，在高聚物结构中引入可就是利用官能团反应，在高聚物结构中引入可供离子交换的基团，使之具有离子交换功能，且应具备不溶性供离子交换的基团，使之具有离子交换功能，且应具备不溶性和一定的机械强度。和一定的机械强度。 先要制备高聚物母体（即骨架）如苯乙烯先要制备高聚物母体（即骨架）如苯乙烯- -二乙烯苯共聚物（体二乙烯苯共聚物（体型高聚物），然后再通过官能团反应，在高聚物骨架上引入活型高聚物），然后再通过官能团反应，在高聚物骨架上引入活性基团。性基团。例如例如，制取磺酸型，制取磺酸型阳离子交换树脂阳离子交换树脂，可利用上述共聚，可利用上述共聚物与物与H H2 2SOSO4
33、4的磺化反应，引入磺酸基的磺化反应，引入磺酸基SOSO3 3H H。由此所得离子交换。由此所得离子交换树脂（简称为聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂）的结构（简）树脂（简称为聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂）的结构（简）式可表示如下：式可表示如下： 利用官能团反应，在高分子结构中引入适当的利用官能团反应，在高分子结构中引入适当的功能基功能基，使高分，使高分子具有特定的功能。子具有特定的功能。（3）官能团反应CHCH2CHCH2SO3HCHCH2CHCH2SO3H通常可简写为通常可简写为R-SOR-SO3 3H H（R R代代表树脂母体），磺酸基表树脂母体），磺酸基- -SOSO3 3H H中的氢离子能与
34、溶液中中的氢离子能与溶液中的阳离子进行离子交换。的阳离子进行离子交换。同理，若利用官能团反应在高聚物母体中引入可与溶液中同理，若利用官能团反应在高聚物母体中引入可与溶液中阴阴离子离子进行离子交换的基团，即可得进行离子交换的基团，即可得阴离子交换树脂阴离子交换树脂。例如，。例如，季铵型阴离子交换树脂季铵型阴离子交换树脂R-NR-N（CHCH3 3）3 3ClCl。在高聚物中掺和各种在高聚物中掺和各种助剂（又称添加剂）助剂（又称添加剂）、将不同高聚物、将不同高聚物共混共混、或用其他材料与高分子材料或用其他材料与高分子材料复合复合而完成的改性。而完成的改性。（1）掺和改性）掺和改性 聚合物中通常要加
35、入填料、增塑剂、防老剂（抗氧剂、热稳定聚合物中通常要加入填料、增塑剂、防老剂（抗氧剂、热稳定剂、紫外光稳定剂）、着色剂、发泡剂、固化剂、润滑剂、阻剂、紫外光稳定剂）、着色剂、发泡剂、固化剂、润滑剂、阻燃剂等燃剂等添加剂添加剂，以提高产品质量和使用效果。，以提高产品质量和使用效果。 其中填料和增塑剂是添加剂中用量最大的。其中填料和增塑剂是添加剂中用量最大的。 填料填料降低成本降低成本类型类型 有机填料有机填料 木粉、纤维、棉布等木粉、纤维、棉布等 作用作用改善性能改善性能 机械性能、耐热性、电性能、加工性能机械性能、耐热性、电性能、加工性能无机填料无机填料 碳酸钙、硅藻土、炭黑、滑石粉、金属碳酸
36、钙、硅藻土、炭黑、滑石粉、金属粉、金属氧化物、白炭黑（粉、金属氧化物、白炭黑（SiO2）等）等2 2高聚物的物理化学改性高聚物的物理化学改性通常都选用一些高沸点（一般大于通常都选用一些高沸点（一般大于300）的液体或低熔点）的液体或低熔点的固体有机化合物（如邻苯二甲酸酯类、磷酸酯类、脂肪族的固体有机化合物（如邻苯二甲酸酯类、磷酸酯类、脂肪族二元酸酯类、环氧化合物等）作为增塑剂。二元酸酯类、环氧化合物等）作为增塑剂。如聚氯乙烯中加入质量分数为如聚氯乙烯中加入质量分数为30%70%的增塑剂就成为软的增塑剂就成为软质聚氯乙烯塑料。质聚氯乙烯塑料。增塑剂的加入能增大高聚物分子链间的距离，减弱分子链之增
37、塑剂的加入能增大高聚物分子链间的距离，减弱分子链之间的作用力，从而使其间的作用力，从而使其Tg和和Tf值降低，材料的脆性和加工性能值降低，材料的脆性和加工性能得以改善。得以改善。一些能增进高聚物柔韧性和熔融流动性的物质。一些能增进高聚物柔韧性和熔融流动性的物质。 增塑剂增塑剂将两种或两种以上不同的高聚物混合形成具有纯组分所没有的综将两种或两种以上不同的高聚物混合形成具有纯组分所没有的综合性能的高聚物的方法。形成的高聚物称为合性能的高聚物的方法。形成的高聚物称为共混高聚物共混高聚物(又称为又称为高分子合金高分子合金)。 聚合物聚合物共混物共混物塑料塑料共混。如塑料塑料共混。如ABS-PVC共混，
38、可改善耐燃性共混，可改善耐燃性橡胶橡胶共混。橡胶橡胶共混。丁腈橡胶与天然橡胶共混，可提丁腈橡胶与天然橡胶共混，可提高天然橡胶的耐油性和耐热性高天然橡胶的耐油性和耐热性橡胶塑料共混。橡胶塑料共混。PVC-天然氯丁胶共混，可改善抗天然氯丁胶共混，可改善抗冲击性能冲击性能共混的作用：共混的作用： 改变单一聚合物的弱点，性能互补，获得优良综合性能；改变单一聚合物的弱点，性能互补，获得优良综合性能； 赋予特别性能或功能，如赋予粘结性能、减震、导电、阻燃、赋予特别性能或功能，如赋予粘结性能、减震、导电、阻燃、 耐水等；耐水等； 改善加工功能。改善加工功能。（2）共混改性）共混改性由两种或两种以上性质不同的
39、材料组合制得一种由两种或两种以上性质不同的材料组合制得一种多相材料的过程。多相材料的过程。 与共混相比，复合包含的范围更广；共混改性的组与共混相比，复合包含的范围更广；共混改性的组分材料仅限于高聚物，而复合改性的对象除高聚物分材料仅限于高聚物，而复合改性的对象除高聚物外，还可包括外，还可包括金属材料金属材料与与无机非金属材料无机非金属材料。 （3）复合改性）复合改性聚合物中结晶聚合物中结晶区区和非结晶区和非结晶区1 高聚物的聚集态高聚物的聚集态2 无定形聚合物的结构无定形聚合物的结构 无定形聚合物的结构一直被认为是杂乱无序的，无定形聚合物的结构一直被认为是杂乱无序的，其高分子链的排列尤如一团乱
40、蔴，互相穿插纠缠其高分子链的排列尤如一团乱蔴，互相穿插纠缠（无规线团状）。（无规线团状）。 但用电子显微镜观察，发现无定形聚合物的质但用电子显微镜观察，发现无定形聚合物的质点排列不是完全无序，而是大距离范围内无序，小点排列不是完全无序，而是大距离范围内无序，小距离范围内有序的，即距离范围内有序的，即“远程无序，近程有序远程无序，近程有序”。 3 影响聚合物结晶度的因素影响聚合物结晶度的因素（1）分子链结构）分子链结构 聚合物的结晶能力与分子链结构密切相关，聚合物的结晶能力与分子链结构密切相关，凡凡分子结构对称分子结构对称（如聚乙烯）、（如聚乙烯）、规整性好规整性好（如有规（如有规立构聚丙烯）、
41、立构聚丙烯）、分子链相互作用强分子链相互作用强（如能产生氢键（如能产生氢键或带强极性基团，如聚酰胺等）的聚合物易结晶。或带强极性基团，如聚酰胺等）的聚合物易结晶。 分子链的结构还会影响结晶速度，一般分子分子链的结构还会影响结晶速度，一般分子链结构越简单、对称性越高、取代基空间位阻越小、链结构越简单、对称性越高、取代基空间位阻越小、立体规整性越好，结晶速度越快。立体规整性越好，结晶速度越快。（2）温度）温度：温度对结晶速度的影响极大，有时温：温度对结晶速度的影响极大，有时温度相差甚微，但结晶速度常数可相差上千倍度相差甚微，但结晶速度常数可相差上千倍（3）应力）应力：应力能使分子链沿外力方向有序排
42、列，：应力能使分子链沿外力方向有序排列，可提高结晶速度。可提高结晶速度。（4）分子量）分子量：对：对同一聚合物同一聚合物而言，分子量对结晶而言，分子量对结晶速度有显著影响。在相同条件下，一般分子量低结速度有显著影响。在相同条件下，一般分子量低结晶速度快，晶速度快，（5）杂质）杂质：杂质影响较复杂，有的可阻碍结晶的：杂质影响较复杂，有的可阻碍结晶的进行，有的则能加速结晶。能促进结晶的物质在结进行，有的则能加速结晶。能促进结晶的物质在结晶过程中往往起成核作用（晶核），称为成核剂。晶过程中往往起成核作用（晶核），称为成核剂。 结晶使高分子链规整排列，堆砌紧密，因而增结晶使高分子链规整排列，堆砌紧密，
43、因而增强了分子链间的作用力，使聚合物的密度、强度、强了分子链间的作用力，使聚合物的密度、强度、硬度、耐热性、耐溶剂性、耐化学腐蚀性等性能得硬度、耐热性、耐溶剂性、耐化学腐蚀性等性能得以提高，从而改善塑料的使用性能。以提高，从而改善塑料的使用性能。 但结晶使高弹性、断裂伸长率、抗冲击强度等但结晶使高弹性、断裂伸长率、抗冲击强度等性能下降，对以弹性、韧性为主要使用性能的材料性能下降，对以弹性、韧性为主要使用性能的材料是不利的。如结晶会使橡胶失去弹性，发生爆裂。是不利的。如结晶会使橡胶失去弹性，发生爆裂。4 4 结晶对聚合物性能的影响结晶对聚合物性能的影响5 聚合物的力学状态及其转变聚合物的力学状态
44、及其转变 聚合物的物理状态从热力学和动力学不同角度可分为聚合物的物理状态从热力学和动力学不同角度可分为相态相态和和聚集态聚集态。 相态是热力学概念相态是热力学概念，由自由焓、温度、压力和体积等热力，由自由焓、温度、压力和体积等热力学参数决定。相态转变伴随着热力学参数的突变。相态的转变学参数决定。相态转变伴随着热力学参数的突变。相态的转变仅与热力学参数有关，而与过程无关，也称仅与热力学参数有关，而与过程无关，也称热力学状态热力学状态。 聚集态是动力学概念聚集态是动力学概念，是根据物体对外场（外部作用）特，是根据物体对外场（外部作用）特别是外力场的响应特性进行划分，所以也常称为别是外力场的响应特性
45、进行划分，所以也常称为力学状态力学状态。力。力学状态涉及松弛过程，与时间因素密切相关。学状态涉及松弛过程，与时间因素密切相关。 聚合物在不同外力条件下所处的力学状态不同，表现出的聚合物在不同外力条件下所处的力学状态不同，表现出的力学性能也不同。力学性能也不同。6 非晶态聚合物的三种力学状态非晶态聚合物的三种力学状态 若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力，观察试若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力，观察试样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该聚合物试样的聚合物试样的（或称（或称）。）。 非晶态聚合物典型的热机械曲线如下图，存在两个
46、斜率非晶态聚合物典型的热机械曲线如下图，存在两个斜率突变区，这两个突变区把热机械曲线分为三个区域，分别突变区，这两个突变区把热机械曲线分为三个区域，分别对应于三种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动对应于三种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动特征各有不同。特征各有不同。形变形变温度温度IIIIII 在区域在区域I，温度低，链段运动被冻结，温度低，链段运动被冻结，只有侧基、链节、只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动链长、键角等的局部运动，因此聚合物在外力作用下的形，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有变小，具有虎克弹性行为：虎克弹性行为：形变在瞬间完成，当外力除去形变在瞬间完成，当外
47、力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为无机玻璃相似，称为玻璃态玻璃态。玻璃态玻璃态温度温度形变形变IIIIII 随着温度的升高，链段运动逐渐随着温度的升高，链段运动逐渐“解冻解冻”，形变逐渐增大，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，当温度升高到某一程度时，链段运动得以充分发展链段运动得以充分发展，形变发，形变发生突变，进入区域生突变，进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又
48、可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称性能称高弹性高弹性，相应的力学状态称，相应的力学状态称高弹态高弹态。温度温度形变形变IIIIII玻璃态玻璃态高弹态高弹态 由玻璃态向高弹态由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫发生突变的区域叫玻璃玻璃化转变区化转变区，玻璃态开始玻璃态开始向高弹态转变的温度称向高弹态转变的温度称为为玻璃化转变温度玻璃化转变温度（glass temperature)，以以Tg表示。表示。形变形变温度温度IIIIII玻璃态玻璃态高弹态高弹态玻璃化转变区玻璃化转变区Tg粘流态粘流态粘弹态转变区粘弹态转变区T
49、f交联聚合物交联聚合物MaMbMb Ma 当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致导致整个分子链质量中心发生相对位移整个分子链质量中心发生相对位移，聚合物完全变为粘性，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态粘流态。高弹态开始向。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流态转变的温度称为粘流温度粘流温度，以，以Tf表示，其间的形变突变表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，区域称为粘弹态转变区。分子量越大，Tf越高。交联聚合物由越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接
50、，不能发生相对位移，不出现粘流态。于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。l分为一般分子量和很大分子量两种情况。一般分子量的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，在 Tm 以下与非晶态的玻璃相似，高于Tm 则进入粘流态。分子量很大的晶态高聚物存在高弹态。 线型晶态高聚物线型晶态高聚物的温度的温度-变形曲线变形曲线 7 晶态聚合物的力学状态晶态聚合物的力学状态8 力学状态的分子运动特点力学状态的分子运动特点9 聚合物的液晶态聚合物的液晶态 液晶态是晶态向液态转化的中间态，既具有晶液晶态是晶态向液态转化的中间态，既具有晶态的有序性（导致态的有序性（导致各向异性各向异性），又具有液态
