材料学概论4高分子材料.docx

1、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。2014/2/20 34.1.1聚合物材料的基本概念 高分子化合物的分子式： AMMMB 高分子的通式： Mn M：结构单元或重复单元，又称为链节。 n：聚合度（常以DP表示）。2014/2/20 44.1.1聚合物材料的基本概念聚合物的分子量：M=nM0低分子化合物分子量： 104聚合物分子量：104 1062014/2/20 54.1.2聚合物材料的命名 化学名称

2、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。2014/2/20 64.1.2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。2014/2/20 74.1.2聚合物材料的命名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。习惯名

3、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。2014/2/20 84.1.3聚合物的分类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 (CH2CH)n (CH2O)n CH3 CH3 (SiO)n CH32014/2/20 94.1.3聚合物的分类按聚合物的热行为分类：热塑性聚合物、热固性聚合物按性能和用途分类：橡胶、纤维、塑料、粘合剂、涂料、功能高分子2014/2/20 104.1.4聚合反应加成聚合： nM （M）n缩合聚合反应： nMN+nPQ （MP）n+nNQ2014/2/20 114.1.5 高分子

4、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。2014/2/20 124.1.6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%2014/2/20 13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：

5、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。2014/2/20 14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。2014/2/20 15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、

6、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。2014/2/20 16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。2014/2/20 174.2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：

7、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。2014/2/20 19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CH2CHnR2014/2/20 20大分子链的近程结构（3）结构单元的空间排列方式几何异构CH=CH CH2 CH2CH2 CH2 CH=CH顺式CH CH2 CH CH2CH2 CH CH2 CH反式2014/2/20 21大分子链的近程结构旋光异构2014/2/20 22大分子链的近程结构

8、 （4）大分子链骨架的几何形状2014/2/20 23大分子链的远程结构（1）分子内旋转CC，CN，CO，SiO 电子组成的键同键连接的两个原子可以相对旋转大分子的内旋转2014/2/20 24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 。2014/2/20 25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

9、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 。2014/2/20 26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。2014/2/20 27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。2014/2/20

10、284.2.2高分子的物理状态非晶态聚合物温度形变曲线2014/2/20 294.2.2高分子的物理状态分子量较低， Tm Tf分子量较高， Tm Tf结晶聚合物的温度形变曲线2014/2/20 304.2.3 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。2014/2/20 314.2.3 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110之

11、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。2014/2/20 324.2.3 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/(mK)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410-5310-4K-1之间。2014/2/20 334.2.3 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

12、（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。2014/2/20 344.2.3 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2227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。2014/2/20 354.3 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

13、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 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。 按塑料的使用范围可分为：通用塑料和工程塑料两大类。2014/2/20 374.3.1 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。2014/2/20 384.3.1 .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。2014/2/20 404.3.1.2塑料的成型加

14、工挤出成型2014/2/20 414.3.1.2塑料的成型加工注塑成型法注塑成型机2014/2/20 424.3.1.2塑料的成型加工吹塑成型2014/2/20 434.3.1.2塑料的成型加工 模压成型 浇铸成型法 压延成型2014/2/20 444.3.1.3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2014/2/204.3.1.3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 2014/2/20 464.3.1.3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2014/2/20 474.3

15、.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2014/2/20 484.3.1.4工程塑料（1）聚酰胺（2）聚碳酸酯（3）聚甲醛（4）聚砜（5）ABS树脂2014/2/20 494.3.2 橡胶（1）定义 橡胶是有机高分子弹性化合物。在很宽的温度（-50150）范围内具有优异的弹性， 所以又称为弹性体。2014/2/20 504.3.2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2014/2/20 514.3.2橡胶 按橡胶制品分轮胎：橡胶制品主要品种，占橡胶总量的 5060胶带：运输胶带和传

16、动胶带胶管胶鞋橡胶工业制品：密封圈、衬套、橡皮船2014/2/20 52轮胎橡胶带、传动输送带平型传动带2014/2/20 53o型橡胶密封圈各类橡胶管各类橡胶杂件系列 橡胶手套2014/2/20 544.3.2.1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:2014/2/20 554.3.2.2橡胶制品的生产工艺塑炼 混炼 压延硫化 压出 成型2014/2/20 56开炼机密炼机2014/2/20 57XYL-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

17、型机2014/2/20 584.3.3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。2014/2/20 594.3.3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 2014/2/20 604.3.3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2014/2/20 614.3.3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、

18、稳定性、偶联剂、增粘剂、防老剂、填料等。2014/2/20 624.3.3.2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。2014/2/20 634.3.3.2粘接机理（2）胶粘剂与被粘物之间的结合力 由于吸附以及相互扩散而形成的次价结合。由于化学吸附或表面化学反应而形成的化学键。2014/2/20 644.3.3.2粘接机理配价键，如金属原子与胶粘剂分子中的

19、N、O等原子所生成的配价键。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。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。2014/2/20 654.3.3.2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： 胶粘剂本身被破坏，称为内聚破坏； 被粘物的破坏，称为材料破坏； 胶层与被粘物分离，称为粘附破坏。 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。2014/2/20 664.3.3.3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

20、成化学键。2014/2/20 674.3.3.3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。2014/2/20 684.3.3.3常见胶粘剂 （3）丙烯酸酯类胶粘剂 -氰基丙烯酸酯胶粘剂 CN O CH2=CCOR 胶接原理：单体通过阴离子聚合反应而固化。 基本组分：-氰基丙烯酸酯类单体，稳定剂、增塑剂、增稠剂、阻聚剂等。2014/2/20 694.3.3.3常见胶粘剂 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

21、、密封防漏、固定轴承以及各种机器零件的胶接。2014/2/20 704.3.3.3常见胶粘剂 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。2014/2/20 714.4 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。2014/2/20 734.4.1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

22、中带相同电荷的离子进行交换反应 。2014/2/20 744.4.1离子交换树脂 PHNa PNaH P+OHCl PClOH PHP+OHNaCl PNaPClH2O754.4.1离子交换树脂 （2）离子交换树脂的用途 水的软化和纯化 铀和稀土元素的提取与分离 抗菌素的提取与分离 作催化剂 医药2014/2/20 764.4.2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

23、透。使水进入聚合物 内部。2014/2/204.4.2 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2014/2/20 784.4.3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。2014/2/20 794.4.3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2014/2/20 804.4.3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

24、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）。2014/2/20 814.4.3感光性高分子负性光刻胶2014/2/20 824.4.3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2014/2/20 834.4.4 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。2014/2/20 844.4.4 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

25、电极，如用型掺杂的聚乙炔为阳级、型掺杂的聚乙炔为阴级组成一个全塑电池。2014/2/20 854.4.4 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2014/2/20 864.4.5 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。2014/2/20 874.4.5 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。2014/2/20 884.4.5 生物

26、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。2014/2/20 894.4.5 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。2014/2/20 904.4.5 生物医用高分子 （3）药用高分子材料 具有药理活性的高分子药物 低分子药物的高分子化 药用高分子微胶囊2014/2/2

27、0 914.4.5 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。2014/2/20 924.4.5 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。2014/2/20 934.4.5 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。2014/2/20 94