材料学概论4高分子材料.docx
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材料学概论4高分子材料
4.高分子材料
材料与化学学院
4.1概述
4.1.1聚合物材料的基本概念
⏹聚合物：
也称高分子，是由成百上千个原
子组成的大分子构成的。
⏹大分子是由一种或多种小分子通过主价键
一个接一个地连接而成的链状或网状分子。
2014/2/203
4.1.1聚合物材料的基本概念
⏹高分子化合物的分子式：
⏹A—M—M······M—B
⏹高分子的通式：
[M]n
⏹[M]：
结构单元或重复单元，又称为链节。
⏹n：
聚合度（常以DP表示）。
2014/2/204
4.1.1聚合物材料的基本概念
⏹聚合物的分子量：
M=n·M
0
⏹低分子化合物分子量：
<500
⏹高分子化合物分子量：
>104
⏹聚合物分子量：
104~106
2014/2/205
4.1.2聚合物材料的命名
⏹①化学名称根据大分子链的化学结构而
确定的。
⏹以单体或假想单体名称为基础，前面冠
以“聚”字，就成为聚合物名称。
⏹由两种单体缩聚而成的聚合物，如果结
构比较复杂或不太明确，则往往在单体
名称后面加上“树脂”二字来命名。
2014/2/206
4.1.2聚合物材料的命名
⏹聚合物的结构特征来命名，它是以该类
材料中所有品种所共有的特征化学单元
为基础的。
如聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、
聚砜等。
—NHCO——COO—
⏹许多合成橡胶是由两种或两种以上单体
聚合的共聚物，常从共聚单体中各取一
字，后附“橡胶”二字来命名。
2014/2/207
4.1.2聚合物材料的命名
⏹②商品名称或专利商标名称是由材
料制造商命名的，突出所指的是商
品或品种。
⏹③习惯名称是沿用已久的习惯叫法。
如聚酰胺类的习惯名称为尼龙，聚
对苯二甲酸乙醇酯的习惯名称为涤
纶等。
2014/2/208
4.1.3聚合物的分类
①按大分子主链结构分类：
碳链、杂链和元素有机高分子
⏹举例：
碳链杂链元素有机高分子
⏹
⏹（CH2—CH）n（CH2—O）nCH3
⏹CH3（Si—O）n
⏹CH
3
⏹
2014/2/209
4.1.3聚合物的分类
⏹②按聚合物的热行为分类：
⏹热塑性聚合物、热固性聚合物
⏹③按性能和用途分类：
⏹橡胶、纤维、塑料、粘合剂、涂料、
功能高分子
2014/2/2010
4.1.4聚合反应
⏹加成聚合：
⏹nM（M）
n
⏹缩合聚合反应：
⏹nMN+nPQ（MP）n+nNQ
2014/2/2011
4.1.5高分子材料的成型加工
高分子材料的成型加工是将高分子材料
转变成所需形状和性质的实用材料或制
品的工程技术。
通常是使固体状态（粉状或粒状）、糊
状或溶液状态的高分子化合物熔融或变
形，经过模具形成所需的形状，并保持
其已经取得的形状，最终得到制品的工
艺过程。
2014/2/2012
4.1.6高分子材料的的发展趋势
⏹高分子材料工业：
高分子化工工业、
高分子加工工业。
⏹高分子化工工业占石油化工工业的比
重：
60%~70%
2014/2/2013
高分子材料科学发展趋势
高性能化：
要求材料的机械性能和耐热性、耐久
性、耐腐蚀性能进一步提高。
高功能化：
各种功能高分子的开发、研究，已经
取得了很大的进展。
复合化：
聚合物基复合材料。
精细化：
电子信息技术要求所用的原材料及的加
工技术，向高纯、精细、功能化方向发展。
智能化：
智能材料是使材料本身带有生物所具有
的高级功能。
2014/2/2014
高分子材料生产技术（合成）发展趋势
综合利用原料，节省资源、能源，降低污染；
强化生产，简化工艺，实现连续化、自动化和
最佳化；
降低成本，提高产品质量。
高分子合成已开始进入分子设计阶段，即根据
高分子的性能要求，研究聚合原理，选择合适
的原料，对传统聚合方法进行改进，研究新的
合成方法，探索合成工艺条件，合成出预定结
构的聚合物。
2014/2/2015
高分子材料生产技术（加工）发展趋势
研究在加工工程中材料结构的演变，通过反应性
加工实现预期的材料结构；
与辐照、力化学、电磁振荡等物理技术结合，建
立高效、清洁的聚合物加工新方法；
聚合物纳米材料的制备和加工新技术；
加工过程中定量化，计算机模拟、工程优化、结
构预测的研究；
加工过程和材料结构变化的在线检测，可视化研
究；
废弃高分子材料回收利用技术等。
2014/2/2016
高分子材料环境要求方面
绿色化技术：
制备易于解聚、降解、可循环再生
利用的高分子材料。
发展热塑性、无毒高分子材料：
采用物理交联替
代化学交联，改善材料的热塑性、加工流变性，
为材料使用后的回收加工创造条件。
2014/2/2017
4.2聚合物的结构与性能
4.2.1高分子的结构
⏹高分子的结构：
包括高分子链的结构和聚集态结
构这两方面。
⏹高分子链的结构：
分子链的近程结构和远程结构，
近程结构主要指高分子链的化学结构，远程结构
主要是指高分子链的构象、形态和分子量。
⏹聚集态结构：
大分子之间的几何排列。
2014/2/2019
大分子链的近程结构
（1）大分子链的化学组成
按照主链的化学组成，可分为碳链大分子、
杂链大分子、元素有机大分子等。
（2）结构单元的连接方式
[CH2—CH]n
R
2014/2/2020
大分子链的近程结构
⏹（3）结构单元的空间排列方式
⏹①几何异构
CH==CHCH
2CH2
CH2CH2CH==CH
顺式
CHCH2CHCH2
CH
2CHCH2CH
反式
2014/2/2021
大分子链的近程结构
⏹②旋光异构
2014/2/2022
大分子链的近程结构
⏹（4）大分子链骨架的几何形状
2014/2/2023
大分子链的远程结构
（1）分子内旋转
C－C，C－N，
C－O，Si－O
σ电子组成的σ键
同σ键连接的两个原子可以
相对旋转
大分子的内旋转
2014/2/2024
大分子链的远程结构
⏹
（2）构象
⏹在分子内旋转作用下，大分子链具有很大
的柔曲性，可采取各种可能的形态，每种
形态所对应原子及链的空间排列称为构象。
⏹构象是由分子内部热运动而产生的，是一
种物理结构。
2014/2/2025
大分子链的远程结构
⏹（3）大分子链的柔顺性
⏹由于分子的内旋转，在自然状态下，大分
子链以卷曲状态存在，这时相应的构象数
最多。
⏹在外力作用下，大分子链可以伸展开来，
构象数减少，当外力除去后，大分子链又
回复到原来的卷曲状态，这就是大分子链
的柔顺性。
2014/2/2026
聚合物聚集态结构
⏹
（1）非晶态结构
⏹聚合物的非晶态结构是指玻璃态、
橡胶态、粘流态（或熔融态）及结晶高聚物中非晶区的结构。
⏹
（2）晶态结构
⏹与一般低分子晶体相比，聚合物晶
体具有不完善、无完全确定的熔点及结晶速度较慢（有例外，如聚乙烯）的特
点。
2014/2/2027
聚合物聚集态结构
⏹（3）聚合物液晶态
⏹液晶是介于液相（非晶态）和晶相之
间的中介相。
其物理学状态为液体，而具
有与晶体类似的有序性。
⏹（4）聚合物取向态结构
⏹链段、整个大分子链以及晶粒在外力
场作用下沿一定方向排列的现象称为聚合
物的取向。
2014/2/2028
4.2.2高分子的物理状态
非晶态聚合物温度—形变曲线
2014/2/2029
4.2.2高分子的物理状态
分子量较低，Tm>Tf
分子量较高，Tm结晶聚合物的温度－形变曲线
2014/2/2030
4.2.3高分子基本性能及特点
高分子材料的力学性能
⏹强度：
大分子链的主价力、分子间的力、大分子
的柔韧性、聚合度、结晶度、取向情况、添加填
料等。
⏹高弹性：
处于高弹态的聚合物表现出高弹性能。
⏹粘弹性：
聚合物的粘弹性是指聚合物既有粘性又
有弹性的性质。
2014/2/2031
4.2.3高分子基本性能及特点
高分子材料的电性能
⏹电阻率：
聚合物是电阻率非常高的绝缘体。
⏹介电常数：
聚合物的介电常数一般1～10之间。
⏹介电强度：
聚合物处于高电压下，每单位厚度能
承受到被击穿时的电压称为介电强度。
⏹静电现象：
聚合物的高电阻率容易积累大量静电
荷。
形成较高的静电压,造成灰尘及其他污物吸
附、产生静电放电与电击现象。
2014/2/2032
4.2.3高分子基本性能及特点
高分子材料的热性能
耐热性：
高聚物的软化，高聚物的热裂解
热导率：
聚合物的热导率范围较窄，一般在0.22W/（m·K）左右，比金属材料低得多。
热膨胀：
聚合物的热膨胀比金属和陶瓷大，线膨胀系数一般在4×10-5～3×10-4K-1之间。
2014/2/2033
4.2.3高分子基本性能及特点
高分子材料的老化性能
聚合物及其制品在使用或贮存过程中由
于环境（光、热、氧、潮湿、应力、化
学侵蚀等）的影响，性能（强度、弹性、
硬度、颜色等）逐渐变坏的现象称为老
化。
2014/2/2034
4.2.3高分子基本性能及特点
高分子材料的燃烧性能
燃烧：
通常是指在较高温度下物质与空气中的
氧剧烈反应并发出热和光的现象。
聚合物燃烧特性：
大多数聚合物容易燃烧。
氧指数：
氧指数在22以下的属于易燃材料，氧指
数在22～27之间的属于难燃材料，具有自熄性，
氧指数在27以上属于高难燃材料。
阻燃的方法：
改变聚合物或原料的组成和结构；
加入阻燃剂。
2014/2/2035
4.3常用的高分子材料
4.3.1塑料
⏹
（1）定义
⏹塑料是以聚合物为主要成分，在一定条件（温度、
压力等）下可塑成一定形状并且在常温下保持其
形状不变的材料，习惯上也包括塑料的半成品。
⏹
（2）分类
⏹①根据受热后形态性能表现的不同，可将塑料分
为：
热塑性塑料和热固性塑料两大类。
⏹②按塑料的使用范围可分为：
通用塑料和工程塑
料两大类。
2014/2/2037
4.3.1塑料
⏹（3）特点
⏹塑料是一类重要的高分子材料，具有质
轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成型加
工等特点。
⏹塑料的突出缺点是力学性能比金属差，
表面硬度亦低，大多数品种易燃，耐热
性较差。
2014/2/2038
4.3.1.1塑料的组成
⏹树脂、填料、增塑剂、稳定剂、着色剂、
润滑剂、固化剂、抗静电剂、其它添加剂。
2014/2/2040
4.3.1.2塑料的成型加工
①挤出成型
2014/2/2041
4.3.1.2塑料的成型加工
②注塑成型法
注塑成型机
2014/2/2042
4.3.1.2塑料的成型加工
③吹塑成型
2014/2/2043
4.3.1.2塑料的成型加工
⏹④模压成型
⏹⑤浇铸成型法
⏹⑥压延成型
2014/2/2044
4.3.1.3通用塑料
（1）聚乙烯
口服固体药用聚乙烯瓶
聚乙烯胶带
聚乙烯共挤吹塑薄膜
一次成型聚乙烯储罐
2014/2/20
4.3.1.3通用塑料
（2）聚氯乙烯
PVC管PVC防静电地板
pvc线槽及配件
PVC保鲜膜
PVC卷材地板2014/2/2046
4.3.1.3通用塑料
（3）聚苯乙烯
聚苯乙烯电容器
CD盒
聚苯乙烯保温板
2014/2/2047
4.3.1.3通用塑料
（4）聚丙烯
聚丙烯多功能废气净化塔
聚丙烯薄膜
玻纤增强聚丙烯管材
PP电子元器件
2014/2/2048
4.3.1.4工程塑料
⏹
（1）聚酰胺
⏹
（2）聚碳酸酯
⏹（3）聚甲醛
⏹（4）聚砜
⏹（5）ABS树脂
2014/2/2049
4.3.2橡胶
⏹
（1）定义
⏹橡胶是有机高分子弹性化合物。
在很宽的
温度（-50~150℃）范围内具有优异的弹性，所以又称为弹性体。
2014/2/2050
4.3.2橡胶
⏹
（2）橡胶的分类
⏹按来源分
天然橡胶
合成橡胶：
丁苯橡胶、顺丁橡胶、
氯丁橡胶、丁腈橡胶、
硅橡胶等
2014/2/2051
4.3.2橡胶
⏹按橡胶制品分
轮胎：
橡胶制品主要品种，
占橡胶总量的50％～60％
胶带：
运输胶带和传动胶带
胶管
胶鞋
橡胶工业制品：
密封圈、衬套、橡皮船
2014/2/2052
轮胎
橡胶带、传动输送带
平型传动带
2014/2/2053
o型橡胶密封圈
各类橡胶管
各类橡胶杂件系列橡胶手套
2014/2/2054
4.3.2.1橡胶制品的配方
⏹生胶和再生胶:
天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈
橡胶、氯丁橡胶
⏹硫化体系：
硫化剂、促进剂、活性剂
⏹防护体系：
防老剂
⏹补强填充体系：
补强剂、填充剂
⏹其它助剂:
2014/2/2055
4.3.2.2橡胶制品的生产工艺
塑炼混炼压延
硫化压出
成型
2014/2/2056
开炼机
密炼机
2014/2/2057
XYL-635四辊压延机XYL-5C635五辊压延机
橡胶平板硫化机
橡胶注压成型机
2014/2/2058
4.3.3胶粘剂
4.3.3.1分类及组成
⏹
（1）定义
⏹胶粘剂又称为粘合剂、粘接剂，简称为
胶。
是一种能把各种材料紧密地结合在
一起的物质。
2014/2/2059
4.3.3胶粘剂
⏹
（2）胶粘剂的分类
⏹a.按主要组分分类
动物胶无机胶粘剂
胶
粘
天然胶粘剂
植物胶
剂
树脂胶
有机胶粘剂
合成胶粘剂橡胶胶
混合胶2014/2/2060
4.3.3胶粘剂
b.按胶接强度分类
结构型胶粘剂、非结构型胶粘剂和次结构
型胶粘剂
c.按固化形式分类
溶剂型、反应型和热熔型
2014/2/2061
4.3.3胶粘剂
（3）胶粘剂的组成
胶粘剂一般是以聚合物为基本组分的多组
分体系。
聚合物、固化剂、溶剂、增塑剂、稳定性、
偶联剂、增粘剂、防老剂、填料等。
2014/2/2062
4.3.3.2粘接机理
（1）粘接过程的两个阶段：
第一：
胶粘剂向被粘物扩散，逐渐润湿被
粘物表面并渗入表面微孔中，取代并解吸
被粘物表面吸附的气体，使被粘物表面间
的点接触变为与胶粘剂之间的面接触。
第二阶段：
产生吸附作用形成次价键或主
价键，粘合剂本身经物理或化学的变化由
液体变为固体，使胶接作用固定下来。
2014/2/2063
4.3.3.2粘接机理
⏹
（2）胶粘剂与被粘物之间的结合力⏹①由于吸附以及相互扩散而形成的次
价结合。
⏹②由于化学吸附或表面化学反应而形
成的化学键。
2014/2/2064
4.3.3.2粘接机理
⏹③配价键，如金属原子与胶粘剂分子
中的N、O等原子所生成的配价键。
⏹④被粘物表面与胶粘剂由于带有异种
电荷而产生的静电吸引力。
⏹⑤由于胶粘剂分子渗进被粘物表面微
孔中以及凸凹不平而形成的机械啮合
力。
2014/2/2065
4.3.3.2粘接机理
⏹粘合力的大小由内聚力和粘附力所决定。
⏹破坏有四种基本情况：
⏹①胶粘剂本身被破坏，称为内聚破坏；
⏹②被粘物的破坏，称为材料破坏；
⏹③胶层与被粘物分离，称为粘附破坏。
⏹④既有在胶层内部的破坏，又有胶粘的界面上
的破坏，称为混合破坏。
2014/2/2066
4.3.3.3常见胶粘剂
（1）环氧树脂胶粘剂
以环氧树脂为基料的胶粘剂，简称为环氧
胶。
也称“万能胶”。
羟基和醚键具有强极性，产生吸引力。
环氧基和含活泼氢的物质反应形成化学键。
2014/2/2067
4.3.3.3常见胶粘剂
⏹
（2）酚醛树脂胶粘剂
⏹酚醛树脂含有极性羟基，粘接力强，且耐
高温，优良配方胶可以在300℃以下使用。
⏹缺点是性脆、剥离强度差。
2014/2/2068
4.3.3.3常见胶粘剂
⏹（3）丙烯酸酯类胶粘剂
⏹①α-氰基丙烯酸酯胶粘剂
⏹CNO
⏹CH2=C—C—OR
⏹胶接原理：
单体通过阴离子聚合反应而固
化。
⏹基本组分：
α-氰基丙烯酸酯类单体，稳定
剂、增塑剂、增稠剂、阻聚剂等。
2014/2/2069
4.3.3.3常见胶粘剂
⏹②厌氧性胶粘剂
⏹厌氧胶贮存时与空气接触，一直保持液态，
不固化，但一旦与空气隔绝就很快固化而
起到粘接或密封作用。
⏹厌氧胶主要用于螺栓紧固防松、密封防漏、
固定轴承以及各种机器零件的胶接。
2014/2/2070
4.3.3.3常见胶粘剂
⏹③第二代丙烯酸酯胶粘剂
⏹由丙烯酸酯类单体或低聚物、引发剂、
弹性体、促进剂等组成。
⏹可将单体、弹性体、引发剂装在一起，
促进剂另装。
2014/2/2071
4.4功能高分子
4.4功能高分子
结构材料
塑料、橡胶、纤维等
主要制造构件和日用品
功能高分子
高分子催化剂、电子磁性材料、
信息记录材料、光功能材料、
分离功能材料、生物医用高分子
主要用于高新技术领域。
2014/2/2073
4.4.1离子交换树脂
⏹
（1）定义
⏹离子交换树脂是由交联结构的高分子骨架
与可电离的基团两个部分组成的不溶性高
分子电解质。
⏹它能与液相中带相同电荷的离子进行交换
反应。
2014/2/2074
4.4.1离子交换树脂
⏹P－H＋＋Na＋P－Na＋＋H＋
⏹P+OH－＋Cl－P＋Cl－＋OH—
⏹P－H＋＋P+OH－＋NaClP－Na＋＋P＋Cl－＋H2O
75
4.4.1离子交换树脂
⏹
（2）离子交换树脂的用途
⏹①水的软化和纯化
⏹②铀和稀土元素的提取与分离
⏹③抗菌素的提取与分离
⏹④作催化剂
⏹⑤医药
2014/2/2076
4.4.2高分子吸水树脂
⏹高分子吸水树脂是一类高分子电解质。
其结构含有亲水
性强的羧基、羰基、羧酸根、亚氨基等极性基团
水分子进入网状结构后与
吸水树脂离子形成氢键而
牢固吸附在网状内。
吸水树脂是电解质，在水
和溶剂中电离后产生的离
子间的相互作用使聚合物
膨胀。
随离子浓度的增加，产生
反渗透。
使水进入聚合物内部。
2014/2/20
4.4.2高分子吸水树脂
⏹个人卫生用品、医用材料、化妆品的添加
剂、土壤保水剂、除臭剂、杀菌剂、吸
水材料
2014/2/2078
4.4.3感光性高分子
⏹
（1）定义
⏹感光性高分子又称为感光性树脂，是在
光的作用下能迅速发生化学反应，引起
物理和化学变化的高分子。
2014/2/2079
4.4.3感光性高分子
⏹根据聚合物的形态或组成分为以下类型。
⏹
（1）感光性化合物+高分子型
⏹
（2）带有感光基团的高分子型
⏹（3）光聚合组成型
2014/2/2080
4.4.3感光性高分子
⏹目前感光性高分子作为光致抗蚀材料最重
要的和最有前途的应用是制造大规模集成
电路，工业上称为光刻胶。
⏹在光的作用下，光刻胶发生化学反应（交
联或降解），使溶解度降低（负性光刻胶）
或提高（正性光刻胶）。
2014/2/2081
4.4.3感光性高分子
负性光刻胶
2014/2/2082
4.4.3感光性高分子
溶解度降低
溶解度
增加
集成电路光刻工艺示意图
2014/2/2083
4.4.4导电高分子
（1）导电高分子分类
结构型导电高分子、复合型导电高分子材
料。
2014/2/2084
4.4.4导电高分子
⏹
（2）应用
⏹a.对电子仪器、设备进行电磁屏蔽：
导电塑料目
前在国外广泛用在电子仪器和计算机的外壳上，
吸收或反射电磁辐射的能量，防止电磁干扰。
⏹b.抗静电：
⏹c.电极材料：
掺杂的聚乙炔作为蓄电池的电极，
如用Ｐ型掺杂的聚乙炔为阳级、Ｎ型掺杂的聚乙
炔为阴级组成一个全塑电池。
2014/2/2085
4.4.4导电高分子
⏹d.高分子传感器导电高分子的薄膜会对特定
的离子造成一定的浓度差，通过测定由此产
生的电动势，可以将导电高分子用作传感器。
温湿度记录计，高分子
传感器高分子薄膜
2014/2/2086
4.4.5生物医用高分子
⏹生物医用高分子是以生命现象为对象和基
础的高分子科学，是用在人体上以医疗
为目的的高分子材料。
2014/2/2087
4.4.5生物医用高分子
⏹
（1）与血液接触的高分子材料
⏹人工血管、人工心脏血囊、人工心瓣膜、
人工肺等等生物医用材料。
2014/2/2088
4.4.5生物医用高分子
⏹
（2）组织工程用高分子材料
⏹通过细胞培养而直接获得新组织和器官
的新技术，对组织器官缺损和功能障碍
治疗。
2014/2/2089
4.4.5生物医用高分子
⏹组织工程中的生物材料主要起提供组织再生的
支架或三维结构、调节细胞生理功能和免疫保
护的作用。
当完成自己的使命后，作为组织生
长骨架的生物高分子材料则降解为无毒的小分
子被机体吸收。
⏹组织工程化表皮、真皮和软骨已在体外获得了
重建成功.
⏹作为这种材料使用的聚合物主要有聚乳酸、聚
羟基乙酸等。
2014/2/2090
4.4.5生物医用高分子
⏹（3）药用高分子材料
⏹①具有药理活性的高分子药物
⏹②低分子药物的高分子化
⏹③药用高分子微胶囊
2014/2/2091
4.4.5生物医用高分子
⏹（4）医药包装用高分子材料
⏹硬型材料常用来代替玻璃容器和金属容
器，制造饮片和胶囊等固体制剂的包装。
⏹软型材料加工成复合薄膜，主要用来包
装固体冲剂、片剂等药物。
⏹半硬质聚氯乙烯片材则被用作片剂、胶
囊的铝塑泡罩包装的泡罩材料。
2014/2/2092
4.4.5生物医用高分子
⏹（5）医用粘合剂与缝合线
⏹生物医用粘合剂是指将组织粘合起来的
组织粘合剂，医用粘合剂可粘合各种组
织，例如可进行牙齿粘合，血管、组织、
肌肉粘合，脑动脉瘤表面补强、防止破
裂粘合，及骨粘合等。
⏹手术用缝合线可分为非吸收型和可吸收
型两大类。
2014/2/2093
4.4.5生物医用高分子
⏹（6）医疗器件用高分子材料
⏹高分子材料制的医疗器件：
一次性医疗用
品（注射器、输液器、检查器具、护理用具、
麻醉及手术室用具等）、血袋、尿袋及矫形
材料等。
⏹一次性医疗用品多采用常见高分子材料如
聚丙烯和聚4-甲基-1-戊烯制造。
硅橡胶、
聚酯、聚四氟乙烯、聚酸酐及聚乙烯醇等
都是性能良好的矫形材料，已广泛用于假
肢制造及整形外科等领域。
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