高分子科学与工程.pptx

2004.11,Zhaoqun WANG,#,/66,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2004.11,Zhaoqun WANG,#,/66,高分子科学与工程导论,大连理工大学化工与环境生命学部,高分子材料系,李 杨,liyang,Polymer Science and Engineering,无处不在的高分子,服装、面料,玩具、生活用品,电气产品外壳、绝缘体,包装、装饰材料,涂料、粘合剂,隐形眼镜,衣食住行，无处不在！,何为高分子？,分子量大,（,10,000,）,由重复单元链接而成,长径比：,10,3,10,5,Polyamideimide/,聚酰胺酰亚胺的立体示意图,高分子,Polymer,单体,Monomer,Polymerization,C,C,H,H,H,H,C,C,H,H,H,H,n,聚合,结构单元,Structure unit,聚合度,Degree of polymerization,烯类单体,两种由单体衍生而来的结构单元构成一个重复结构单元,结构单元,重复结构单元,双官能团类单体,NH,2,(CH,2,),6,NH,2,+HOOC(CH,2,),4,COOH,H HN(CH,2,),6,NH,2,OC(CH,2,),4,CO,n,OH,+(2n-1)H,2,O,结构单元,支柱,生物技术,先进材料,信息技术,能源环境,结构材料,军事,航空、航天,三大材料,金属,陶瓷,高分子,材料是人类进化史的里程碑，现代文明的重要支柱，发展高新技术的基础和先导。高分子材料扮演着极为重要的角色,基础,先导,应用前景,历史的划分,人类发展的历史证明，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步,历史的划分,材料,人类文明,旧石器,数百万年前,新石器,数十万年前,青,铜器,数千年前,铁器,数千年前,高分子时代,（,20,世纪下半叶）,三大合成材料：塑料、橡胶、纤维,其他合成材料：涂料、胶粘剂,复合材料,功能高分子材料,200,年不到）,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人类社会做出如此巨大的贡献。在二十世纪初，可靠的聚合方法的发现，加上有关高分子理论，物理和工程的巨大进展，导致并推动了一场材料革命，这场材料革命至今仍在继续地进行着,。,O.Vogl,G.D.Jaycox,“,Trends in Polymer Scinece,”,价廉,轻便,强度高,易于加工成型,性能易于控制,使用安全,废弃物易于处理,食品的生产和储存,健康、医疗,建筑,能源开发和利用,娱乐、体育,军事、航空、航天,以塑代钢,在一定程度上，工程塑料的强度已经超过了钢铁,可应用于各个领域,有机化学,高分子化学,物理化学,物理学,数学,电子学,各种工程学,生物学,医药学,其它化学,化工,机械,高分子科学,基础科学,技术科学,交叉,渗透,融合,高分子物理,高分子工程,链结构,溶液性质,聚集态结构,性能,成型,加工,合成、改性、分子设计,结构,物性,合成与改性,分子设计,高分子科学的,更高、更新阶段,高分子化学的重任,通过建立结构与性能、功能之间的关系，合成具有指定结构及性能与功能的聚合物，或者通过改性提高性能，通过修饰等手段赋予聚合物新的功能。,实现聚合物的分子设计和材料设计的目标,应用需求,高分子,/,Polymer,单体,/,Monomer,合成高分子,由单体聚合而成,通过不同的聚合反应,分类,树脂,橡胶,纤维,涂料,胶粘剂,功能高分子,产量最大，与国民经济、人民生活关系密切，故称为“,三大合成材料,”,涂料,是涂布于物体表面能结成坚韧保护膜的涂装材料,胶粘剂,是指具有良好的粘合性能，可将两种相同或不相同的物体粘接在一起的连接材料,根据材料的性能和用途分类,功能高分子,是指在高分子主链和侧枝上带有反应性功能基团，并具有可逆或不可逆的物理功能或化学活性的一类高分子,塑料,根据高分子的主链结构分类,碳链聚合物,大分子主链完全由碳原子组成绝大部分烯类、二烯类聚合物属于这一类,如：,PE,，,PP,，,PS,，,PVC,杂链聚合物,大分子主链中除碳原子外，还有,O,、,N,、,S,等杂原子,如：聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚醚,元素有机聚合物,大分子主链中没有碳原子，主要由,Si,、,B,、,Al,、,O,、,N,、,S,、,P,等原子组成，侧基则由有机基团组成,如：硅橡胶,命名,以单体名称为基础，在前面加,“,聚,”,字,乙烯 丙烯 氯乙烯 甲基丙烯酸甲酯,聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯,取单体简名，在后面加,“,树脂,”,、,“,橡胶,”,二字,如 苯酚 甲醛 酚醛树脂,尿素 甲醛 脲醛树脂,甘油 邻苯二甲酸酐 醇酸树脂,丁二烯 苯乙烯 丁苯橡胶,商品名,合成纤维最普遍，我国以,“,纶,”,作为合成纤维的后缀,涤纶 聚对苯二甲酸乙二醇酯（聚酯）,丙纶 聚丙烯,锦纶 聚酰胺（尼龙），后面加,数字,区别,聚酰胺 聚酯 聚氨酯 聚醚,第一个数字表示二元胺的碳原子数,第二个数字表示二元酸的碳原子数,只附一个数字表示内酰胺或氨基酸的碳原子数,数字含义,以高分子链的结构特征命名,C,-,O,O,=,O,N,-,C,H,-,O,=,N,-,C,O,H,-,O,=,C,2,H,4,Ethylene,Polyethylene,PE,聚合,/,Polymerization,（,1,）,通过键的打开,C,C,H,H,H,H,连锁聚合,自由基聚合,C,C,H,H,H,H,n,阴离子聚合,阳离子聚合,带双键的烯类化合物,合成方法,H,2,C,CH,2,O,M,+,A,-,CH,2,CH,2,O,nn,(CH,2,),m,C,O,NH,H,+,NH(CH,2,),m,CO,n,n,开环聚合,成环状的化合物,合成方法,逐步聚合,C,O,O,C,OH,O,C,OH,C,H,H,H,H,n,聚酯化反应,（,2,）,通过官能团间的反应,C,OH,O,C,OH,O,C,OH,C,HO,H,H,H,H,+,带双官能团的化合物,合成方法,木材,棉,麻,丝,毛,漆,橡胶,皮革,各种树脂,各种天然的高分子材料,皮革的鞣制,棉麻的丝光处理,改性,日常生活和生产,创建前,蒙昧期,(,不知道其化学组成和结构,),高分子科学的历史,(,时间短却发展迅猛,),合成树脂：,德国开发出酚醛树脂,（,1907,年）作为绝缘材料：俗称电木,醋酸纤维和塑料、醇酸树脂、聚乙烯醇,学科创建：,本阶段的末期，高分子科学作为一个独立的学科初步建成,天然高分子的改性：,橡胶的硫化（,1839,年），使天然橡胶实用化,硝基纤维素发明推动塑料工业的发展,（,1868,年）,P,OH+HNO,3,P,ONO,2,+H,2,O,火药,(,N%:,13%,),赛璐珞塑料,(,11%,),涂料,(,12%,),胶片,(,12%,),第一阶段,高分子科学的创建,(19,世纪,30,年代,-1930,年,),高分子和聚合的概念得到普遍的接受,第二阶段,重要发展阶段,（,1930-1960,年）,1936,年，以纤维素乙酰化前后分子量变化极小的实验事实再次证实,“,链式大分子,”,观点的正确性，终于得到化学界普遍认可,H.Staudinger(1881-1965)Germany,1926,年，依据测定聚茚氢化前后分子量变化极小的实验事实，提出了,“,链式大分子,”,概念（茚：一种烃类液体,indene C,9,H,8,，很易聚合）,高分子的链式结构，最终被确立,Nobel Prize,1953,Staudinger,十年间两次提出,1920,年，发表了他划时代意义的文献,论聚合,提出了大分子是由大量的小分子聚合起来的概念,塑料和,工程塑料：,尼龙,-66,的工业化生产（,1938,年）,有机玻璃（合成聚甲基丙烯酸甲酯）,聚苯乙烯的工业化,环氧树脂,ABS,树脂,合成橡胶：,丁二烯及其共聚类,(,如聚丁二烯、丁氰、丁苯、丁基等,),聚氨酯,在材料开发及其应用方面都得到了很大的发展,聚酯纤维,腈纶,合成纤维：,二次世界大战客观上刺激了科学技术和工业的发展，因此，高分子科学的全面发展不仅在基础研究方面，而且在应用方面,Wallace H.Carothers(1896,1937),USA,1935,年,2,月,28,日 聚酰胺,66(polyamide66),1938,年,10,月,27,日,Nylon66,du Pont,第一种合成纤维,聚氯乙烯,聚苯乙烯,聚醋酸乙烯酯,聚甲基丙烯酸甲酯,高压聚乙烯,丁苯橡胶,丁腈橡胶,氯丁橡胶,聚四氟乙烯,ABS,树脂,科学研究,链式自由基聚合反应理论,工业化,缩聚反应理论,聚酰胺,聚酯,缩聚反应理论,链式自由基聚合反应理论,30,到,40,年代,工业合成,可以实现分子链立体构象的控制,制备出高密度线型,PE,和等规,PP,Karl Ziegler(1898-1973)Germany,烯烃聚合中的有机金属混合物催化剂,高密度聚乙烯,(High density Polyethylene,HDPE),Giulio Natta(1903-1979)Italy,立构规整聚合物,等规聚丙烯,(Polypropylene,PP),Nobel Prize,1974,Ziegler-Natta,催化剂及其配位聚合,（,1963,）,活性阴离子聚合,可以实现分子链结构和形状的控制，开发了聚甲醛、聚氨酯等,50,年代，美国化学家,P.J.Flory,提出了高分子溶液的格子模型，创建了高分子溶液的统计热力学和高分子构象的统计力学方面的基础理论，大大促进了高分子物理以至整个高分子科学的发展,Paul J.Flory(1910-1985),USA,Principles of Polymer Chemistry,高分子化学原理,1953;Statistical Mechanics of Chain Molecules,长链分子的统计力学,1979,Nobel Prize,1974,高分子物理,Pierre-Gilles de Gennes(1932-),France,Scaling Concepts in Polymer Physics,高分子物理学的标度概念,1985,Nobel Prize,1991,第三阶段,全面发展阶段,（,20,世纪,60,年代以后）,材料：新的材料不断涌现，得到全面应用,科学研究：各种聚合理论趋于成熟，体系完善,高性能化,聚甲醛、聚碳酸酯、聚醚、聚酰亚胺等工程塑料大批量投向市场，各种耐高温的高强度聚合物材料层出不穷。各种通用高分子材料走向成熟、并不断涌现出新的高分子材料,光敏性高分子、高分子半导体和导体、光导体、高分子分离膜、高分子试剂和催化剂、高分子药物等方面的研究与应用都取得巨大进展。这是功能高分子和生物医用高分子理论和材料大发展时期,多功能化,(1),分子量大,-,1000,-,10000 10,2,(,cm),-1,电导率,10,-10,(,cm),-1,半导体,优良的绝缘材料,导电高分子,掺杂,Poly,pyrrole,/,聚吡咯,酚醛树脂,第一个合成高分子,从苯酚和甲醛聚合而成，最初的主要应用就是制备电器和仪表的绝缘件,导电高分子,最高达,10,3,(,cm),-1,（,上升了,12,个数量级,）,聚乙炔,(,室温电导率,),10,-9,（顺式）,10,-5,(,cm),-1,（反式）,日本的白川,1970,年代初,MacDiarmid,1977,年,Nobel Prize,2000,碘掺杂,Alan J.Heeger,导电高分子,聚乙炔,的四种结构式,聚乙炔,(PA,1977,Shirakawa),聚苯胺,(PAn,1983,MacDiarmid),聚吡咯,(PPy),聚噻吩,(PTh),聚对苯,(PPP),聚苯亚乙烯,(PPV),特点：长程共轭、无机掺杂,导电高分子,除具有导电性外，还具备,高分子的特性,低比重,可挠性,成膜性,透明性,粘着性,（金属材料不具备）,便于加工成型,制成各种所需形状,广泛应用,导电涂料,粘合剂,导电薄膜,电气部件,导电高分子可以作为结构材料，进一步改变已有的一些产品的制造方式,硅是重要的半导体材料，在电子产品领域一直以来扮演着几乎不可替代的角色,替代,硅,塑料芯片,成,本,比硅芯片更加便宜,加工性,具有可溶解的特性而更易于加工处理,随着高分子在,发光,、,导电性能,方面的研究不断取得进步，塑料在电子产品领域的应用范围将越来越广,芯片的制造微电子技术的关键,柔性显示器,采用有机发光二极管,(,Organic light-emitting diode,OLED),又称有机电激发光显示技术,(,Organic Electro Luminescence,OEL),高分子发光二极管,(PLED),是有机发光二极管,(OLED),中的一种,在基板上,P,型和,N,型半导体材料为有机物和高分子材料,柔性,超,薄,节省能源,总体特点,飞利浦公开的,13,英寸高分子有机,EL,面板,厚度只有,1,m,亮度高,视角大,如古典的建筑物，既有飞檐，又有圆柱，倘若照明设施能做到取势造型、依形布局，对于保持古建筑的风格尤为重要；,家庭居所的灯光可以发自天花板或墙上的壁纸，既节省了空间，又能美化居室环境，可谓两全其美,应用前景广泛,照明,穿在身上,塑料军用地图,像变色龙一样的迷彩服,塑料光纤,石英、玻璃光纤,直径一旦小于,0.1,毫米时，因其耐冲击性能差及不易连接，使用便比较困难，而且生产成本较高,使直线传播的,光,实现了像,电流,一样的传导,塑料光纤：,在弯曲状态传光，柔韧性好，耐冲击，重量轻，加工容易，数值孔径大，耦合容易，寿命长，使用方便。,聚甲基丙烯酸甲酯,(PMMA),聚合物电池,电池的三要素,负极,正极,电解质,聚合物电池,高分子,无漏液、安全问题,使用胶态的固体，不含液态电解液，,不产生漏液和燃烧爆炸，仅由碳、氢、氮构成，对环境的影响较小,薄、体积小,以,3.6V,、,400mAh,的容量，其厚度可薄至,0.5mm,形状可变,可设计成多种形状，且可弯曲变形，最大可弯曲,90,度左右,重量轻、容量大,体积能量密度在,470Wh/L,以上，重量能量密度在,190Wh/kg,以上,单颗高电压,由于无液体，可在单颗内作成多层组合达到高电压无需通过数颗电池的串联得到高电压,高分子与环境保护和生态平衡,塑料垃圾状况,重量,体积,分类,白色污染！？,塑料不会腐烂也不会生锈，原本是相对于金属材料而言的一个优点。但是，这一性质也给人类带来一个严重的问题：由于塑料不易腐烂，大量的塑料废弃无法被自然界吸收、分解，从而造成一定程度的环境污染,废弃物处理,不腐烂、不生锈,随着科学技术的进步，人类生活水平的提高，特别是由于世界人口的迅速增加，资源的加速枯竭，生态环境的不断恶化，,21,世纪对材料科学技术提出更高的要求,资源问题,逐渐枯竭,天然材料,应用,废 弃 物,再生,加工,微生物降解,基质,自然界,生态大循环,合成高分子,生物技术,合成便于降解、生物降解而可循环使用或再生利用的材料,原料方面,利用植物和微生物进行高分子合成，可生物降解，实现环境同化,合成过程,生物合成方法，如酶促合成法。或在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行合成，如，采用乳液聚合、悬浮聚合,材料降解,用于环保,利用高分子材料处理污水和毒物等，如吸油性树脂、絮凝剂,相关研究方向,英国专家最近培育成功了一种能生产塑料的油菜。利用基因遗传技术成功地把各种能产生聚合物的生物基因移植到油菜籽中，用这种油菜籽长出的油菜，其种子和叶片中都含有大量的聚合物。,可生产塑料的油菜,基因遗传技术,把这种聚合物提炼后，就可用来加工成各种家用塑料制品以及塑料管道等。这种天然塑料的特点是不会对生态环境产生污染，将其埋在地下，,6,个月后就可分解为水和二氧化碳,创造新的天然高分子,THANK YOU,