第一章 绪论 - 2012哈工大高分子材料课件.ppt

1、高分子材料基础高分子材料基础 主讲：黄龙男主讲：黄龙男 E-mail:电话：电话：5687479u 学习高分子材料的意义学习高分子材料的意义应用广泛：应用广泛：无处不在、无所不有；无处不在、无所不有；l工业：占飞机总重量的工业：占飞机总重量的65%，占汽车总重的，占汽车总重的18%，信息产业中如没有感光树脂用于集成电，信息产业中如没有感光树脂用于集成电路的制造，就不可能有今天的计算机技术。路的制造，就不可能有今天的计算机技术。l衣食住行：服装、容器、涂料、食物等衣食住行：服装、容器、涂料、食物等l 我被高分子包围了我被高分子包围了!l人：肌体除人：肌体除60%的水分外，剩下的水分外，剩下40%

2、的一半以的一半以上是蛋白质、核酸等天然高分子。上是蛋白质、核酸等天然高分子。材料科学的重要组成部分材料科学的重要组成部分：金属材料、高分子：金属材料、高分子材料、无机非金属材料组成最重要的三个领域。材料、无机非金属材料组成最重要的三个领域。高分子材料与专业的联系高分子材料与专业的联系：l材料学：材料学：高分子材料方向、陶瓷方向、复合材高分子材料方向、陶瓷方向、复合材料方向的主干课程之一；料方向的主干课程之一；先驱体转化法制备陶瓷：先驱体转化法制备陶瓷：又称聚合物浸渍裂解法又称聚合物浸渍裂解法（PIPPIP），可制备陶瓷纤维、），可制备陶瓷纤维、薄膜、块体陶瓷及陶瓷基薄膜、块体陶瓷及陶瓷基复合材

3、料。该法一般采用复合材料。该法一般采用有机硅聚合物作为先驱体，有机硅聚合物作为先驱体，在一定条件下固化，然后在一定条件下固化，然后在一定温度和气氛下裂解在一定温度和气氛下裂解转化为无机陶瓷。转化为无机陶瓷。l材料加工：材料加工：塑料成型与加工模具、金属粉末注塑料成型与加工模具、金属粉末注射成型、密封材料、金属材料的防腐蚀、润滑射成型、密封材料、金属材料的防腐蚀、润滑等；等；l焊接：焊接：高分子材料的焊接、高分子材料与金属高分子材料的焊接、高分子材料与金属高分子材料与陶瓷的焊接技术（冷焊、激光焊、高分子材料与陶瓷的焊接技术（冷焊、激光焊、扩散焊等），点焊密封胶和焊接胶带；扩散焊等），点焊密封胶和

4、焊接胶带； l电子封装：电子封装：集成电路基板、封装材料、导电高集成电路基板、封装材料、导电高分子、感光材料、液晶材料等分子、感光材料、液晶材料等液晶显示器液晶显示器导电高分子：导电高分子：一类具有导电功能一类具有导电功能, ,电导率在电导率在10S10Sm m以上的聚合物材料。高分子导电材料具有密度以上的聚合物材料。高分子导电材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，不可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而

5、且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。可缺少的一类材料。 l 具有良好的导电性和电化学可逆性，充电电池具有良好的导电性和电化学可逆性，充电电池的电极材料的电极材料 , ,l 是制作超级电容器的理想材料。如采用掺杂后是制作超级电容器的理想材料。如采用掺杂后的聚吡咯，电导率高达的聚吡咯，电导率高达100 S/cm100 S/cm，频率特征非常，频率特征非常出色，尤其在高频区的特性与以前电容器相比有出色，尤其在高频区的特性与以前电容器相比有很大改善。很大改善。感光性高分子：感光性高分子：指在吸收了光能后，能在分子内指在吸收了光能后，能在分

6、子内或分子间产生化学、物理变化的一类功能高分子或分子间产生化学、物理变化的一类功能高分子材料。而且这种变化发生后，材料将输出其特有材料。而且这种变化发生后，材料将输出其特有的功能。的功能。l 光导电材料、光导电材料、l 光电转换材料、光电转换材料、l 光能储存材料、光能储存材料、l 光记录材料、光记录材料、l 光致变色材料和光致抗蚀材料光致变色材料和光致抗蚀材料聚酰亚胺：聚酰亚胺：l高集成柔性高集成柔性l线路板线路板l光刻胶光刻胶l封装材料封装材料参考书参考书1. 1. 王槐三，寇晓康王槐三，寇晓康. . 高分子化学教程高分子化学教程，科，科学出版社；学出版社；2. 2. 张兴英，程珏，赵京波

7、张兴英，程珏，赵京波. . 高分子化学高分子化学，化学工业出版社。化学工业出版社。3.3.王槐三，寇晓康王槐三，寇晓康. . 高分子物理教程高分子物理教程，科学，科学出版社；出版社；第一章第一章 绪论绪论 学习目的学习目的 掌握高分子材料的定义、特点、分类、命掌握高分子材料的定义、特点、分类、命名方法和发展现状名方法和发展现状1.1 高分子材料科学概述高分子材料科学概述 高分子化合物的定义高分子化合物的定义 高分子化合物的基本特点高分子化合物的基本特点 高分子合成的基本概念高分子合成的基本概念 1.1.1 高分子材料的定义高分子材料的定义高分子化合物（也称聚合物、高聚物）高分子化合物（也称聚合

8、物、高聚物）：是指那些是指那些众多原子或原子团众多原子或原子团主要以主要以共价键共价键结合结合而成的而成的相对分子质量在一万以上相对分子质量在一万以上的化的化合物。合物。高分子材料高分子材料：高分子化合物作为材料应用：高分子化合物作为材料应用时。时。1.1.2 高分子化合物的结构特点高分子化合物的结构特点1）化学组成简单，分子结构有规律性化学组成简单，分子结构有规律性：组成大分子：组成大分子的原子数目成千上万，但以的原子数目成千上万，但以C、H、O、N最为普遍，最为普遍，也有也有S、Cl、P、Si、F。 2）主要为共价键：主要为共价键：l主链的元素大都以主链的元素大都以共价键共价键相互连结；相

9、互连结；l极少数聚合物的主链含有极少数聚合物的主链含有配位键配位键；l一些聚合物的分子侧基或侧链上有一些聚合物的分子侧基或侧链上有离子键离子键或配位键。或配位键。3）分子量较大分子量较大：不同聚合物，具备高分子特性所必：不同聚合物，具备高分子特性所必需的分子量下限相去甚远。例如一般缩聚物在需的分子量下限相去甚远。例如一般缩聚物在1万万左右；而一般加聚物左右；而一般加聚物1万、有些万、有些100万，万，表表1-1。1.1.2 高分子化合物的结构特点高分子化合物的结构特点4）分子量的分子量的多分散性多分散性：一般聚合物实际上是由：一般聚合物实际上是由分子量大小不等的分子量大小不等的组成的组成的。5

10、）分子形态多样化分子形态多样化：绝大多数合成聚合物的大：绝大多数合成聚合物的大分子均为长链线型的分子均为长链线型的 ，还有支链型、体型结，还有支链型、体型结构、星形等，同分异构体。构、星形等，同分异构体。1.1.3 高分子化合物的性能特点高分子化合物的性能特点高性能：高性能：聚合物分子量很大，因而具有与低分子聚合物分子量很大，因而具有与低分子同系物完全不同的物理性能。同系物完全不同的物理性能。l如聚合物具有高软化点、高强度、高弹性、其溶如聚合物具有高软化点、高强度、高弹性、其溶液和熔体具有高粘度等性质。液和熔体具有高粘度等性质。l乙烯与乙烯与PE比较比较：气体气体&固体固体性能与结构相关：性能

11、与结构相关：相同组成和分子量的高分子，相同组成和分子量的高分子，如果结构形态不同，其性能有很大差异，如：如果结构形态不同，其性能有很大差异，如：l全同立构全同立构PP：结晶度高，熔点为：结晶度高，熔点为160l无规立构无规立构PP：结晶度低，熔点为：结晶度低，熔点为75 1.1.4 高分子合成的基本概念高分子合成的基本概念 高分子的合成是通过聚合反应完成高分子的合成是通过聚合反应完成 聚合反应：聚合反应：由某些符合特定条件的低分子化合由某些符合特定条件的低分子化合物（单体）合成高聚物的化学反应。物（单体）合成高聚物的化学反应。 缩聚反应缩聚反应加聚反应加聚反应聚合反应聚合反应 1）加聚反应和加

12、聚物）加聚反应和加聚物定义：定义：生成的聚合物生成的聚合物与其单体相比与其单体相比较除电子结构有改变外，所含原子的种类、较除电子结构有改变外，所含原子的种类、数目均未发生变化的聚合反应和产物。数目均未发生变化的聚合反应和产物。l如：由乙烯加聚合成如：由乙烯加聚合成PE 2）缩聚反应和缩聚物）缩聚反应和缩聚物定义定义：生成的聚合物在组成上比原料单体少了：生成的聚合物在组成上比原料单体少了一些原子的聚合反应。一些原子的聚合反应。反应特点反应特点：缩聚反应均伴随着小分子的生成。：缩聚反应均伴随着小分子的生成。l例：己二酸与己二胺的缩聚反应生成尼龙例：己二酸与己二胺的缩聚反应生成尼龙66：l 缩聚反应

13、和缩聚物的重要概念缩聚反应和缩聚物的重要概念重复结构单元（链接）重复结构单元（链接）：大分子链上可重复的最：大分子链上可重复的最小单元。如尼龙小单元。如尼龙66中的中的-OC(CH2)4COHN(CH2)6NH-结构单元：结构单元：与单体组成相同，只是电子结构不同与单体组成相同，只是电子结构不同的重复单元。如尼龙的重复单元。如尼龙6666中的中的-OC(CH2)4CO- 和和 -HN(CH2)6NH-聚合度：聚合度：衡量高分子大小的指标，表示方法衡量高分子大小的指标，表示方法 1 1）以重复结构单元数表示，记作）以重复结构单元数表示，记作 2 2）以结构单元数表示，记作）以结构单元数表示，记作

14、1.2 高分子材料的分类高分子材料的分类 合成高分子合成高分子 从结构和分子量都从结构和分子量都已知的小分子已知的小分子原料出发，原料出发，通过一定的化学反应和聚合方法合成的聚合物通过一定的化学反应和聚合方法合成的聚合物按性能和用途分为按性能和用途分为橡胶、纤维、塑料、涂料、橡胶、纤维、塑料、涂料、胶粘剂和功能高分子胶粘剂和功能高分子等六大类。等六大类。l有机高分子：主链以有机高分子：主链以C-CC-C为主，偶有为主，偶有O O、N N、S S等；等；l无机高分子：主链上没有无机高分子：主链上没有C C，如硅橡胶、聚二硫化，如硅橡胶、聚二硫化硅。硅。天然高分子天然高分子 石棉、石墨、金刚石、云

15、母石棉、石墨、金刚石、云母如动物的毛、皮、骨、爪和植物的纤如动物的毛、皮、骨、爪和植物的纤维素，天然橡胶、蛋白质、糖等。维素，天然橡胶、蛋白质、糖等。 1.2 高分子材料的分类高分子材料的分类合成高分子合成高分子 从从已知的小分子已知的小分子原料出发，通过一定的聚原料出发，通过一定的聚合反应方法合成的聚合物合反应方法合成的聚合物按性能和用途分为按性能和用途分为橡胶、纤维、塑料、涂橡胶、纤维、塑料、涂料、胶粘剂和功能高分子料、胶粘剂和功能高分子等六大类。等六大类。l有机高分子：有机高分子：主链以主链以C-CC-C为主，偶有为主，偶有O O、N N、S S等；等；l无机高分子：无机高分子：主链上没

16、有主链上没有C C，如硅橡胶、聚二硫化，如硅橡胶、聚二硫化硅、聚氟磷氮。硅、聚氟磷氮。天然高分子天然高分子 石棉、石墨、金刚石、云母石棉、石墨、金刚石、云母如动物的毛、皮、骨、爪和植物的如动物的毛、皮、骨、爪和植物的纤维素，天然橡胶、蛋白质、糖等。纤维素，天然橡胶、蛋白质、糖等。1.3 高分子材料的命名高分子材料的命名 通俗命名法：通俗命名法：l“聚聚”+“单体名称单体名称”命名法命名法 l “单体名称单体名称”+“共聚物共聚物”命名法命名法 l 单体简称单体简称+聚合物用途或物性类别命名法聚合物用途或物性类别命名法 “IUPAC”系统命名法系统命名法 1.3.1 “聚聚”+“单体名称单体名称

17、”命名法命名法最简单最常用的命名法。最简单最常用的命名法。适用范围：适用范围：仅限于由烯类单体合成的仅限于由烯类单体合成的加成聚加成聚合物合物，以及个别特殊的缩聚物。，以及个别特殊的缩聚物。例如：例如： 1.3.2 “单体名称单体名称”+“共聚物共聚物”命名法命名法适用范围适用范围：适用于：适用于两种或两种以上烯类单两种或两种以上烯类单体体制备的制备的加聚共聚物加聚共聚物的命名，通常情况下的命名，通常情况下不得用于缩聚物的命名。不得用于缩聚物的命名。例如：例如：l将苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯的共聚物命名将苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯的共聚物命名为为“苯乙烯苯乙烯- -甲基丙烯酸甲酯共聚物甲基丙烯酸甲酯共

18、聚物”；l但己二酸与己二胺进行但己二酸与己二胺进行缩聚反应缩聚反应得到的聚得到的聚合物不得命名为合物不得命名为“己二酸己二胺共聚物己二酸己二胺共聚物”。1.3.3 单体简称单体简称+聚合物用途或物性类别命名法聚合物用途或物性类别命名法命名规则：命名规则：三大合成材料，分别以三大合成材料，分别以“树脂树脂”、“橡胶橡胶”或或“纶纶”作为后缀，在前面加上单体或作为后缀，在前面加上单体或聚合物的全名或简称。如：聚合物的全名或简称。如：PE树脂、丁苯橡胶、树脂、丁苯橡胶、丙纶等。丙纶等。类型：类型： 1）树脂类命名法）树脂类命名法 2）橡胶类命名法）橡胶类命名法 3）纤维类命名法）纤维类命名法 4）化

19、学结构类别命名法）化学结构类别命名法 1 1）树脂类命名法）树脂类命名法命名规则：命名规则：一些由两种或两种以上单体合成一些由两种或两种以上单体合成的混缩聚物，取单体简称再加的混缩聚物，取单体简称再加“树脂树脂”，如，如l（苯）酚（苯）酚+ +（甲）醛（甲）醛 酚醛树脂酚醛树脂l 尿（素）尿（素）+ +（甲）醛（甲）醛 脲醛树脂脲醛树脂l（丙三）醇（丙三）醇+ +（邻苯二甲）酸（酐）（邻苯二甲）酸（酐） 醇酸醇酸树脂树脂 2 2）橡胶类命名法）橡胶类命名法 命名规则：命名规则：多数合成橡胶是由一种或两种烯类单多数合成橡胶是由一种或两种烯类单体合成的加聚物，通常在体合成的加聚物，通常在“橡胶橡胶

20、”二字加上单体二字加上单体的简称二字。的简称二字。l共聚物：共聚物：两种单体的名称两种单体的名称再加再加“橡胶橡胶”；l均聚物：均聚物：两个字可能均取自该单体名称，也可能两个字可能均取自该单体名称，也可能一个字取自单体名称，另一个字取自聚合反应的一个字取自单体名称，另一个字取自聚合反应的引发剂或催化剂名称。例：引发剂或催化剂名称。例： 丁（二烯）丁（二烯）+ +苯（乙烯）苯（乙烯） 丁苯橡胶丁苯橡胶 丁（二烯）丁（二烯）+ +（丙烯）腈（丙烯）腈 丁腈橡胶丁腈橡胶 （2-2-）氯（代）丁（二烯）氯（代）丁（二烯） 氯丁橡胶氯丁橡胶 丁（二烯）丁（二烯）+ +金属钠（催化剂）金属钠（催化剂） 丁

21、钠橡胶丁钠橡胶 3 3）纤维类命名法）纤维类命名法 命名规则命名规则：英文后缀的音译字：英文后缀的音译字“纶（纶（lonlon）”命名具有命名具有的合成聚合物或说明其制成品的合成聚合物或说明其制成品的原料材质。例如：的原料材质。例如：l聚对苯二甲酸乙二（醇）酯（原料树脂）聚对苯二甲酸乙二（醇）酯（原料树脂） 涤纶（纤维）涤纶（纤维） l聚丙烯腈（原料树脂）聚丙烯腈（原料树脂） 腈纶（纤维）腈纶（纤维） 熔融纺丝法纺制熔融纺丝法纺制溶液纺丝纺制溶液纺丝纺制 4 4）结构特征命名法）结构特征命名法规则：规则：按聚合物的按聚合物的将其冠以将其冠以“聚聚”字，例如字，例如“聚酯聚酯”、“聚酰胺聚酰胺”

22、、“聚氨酯聚氨酯”等。等。如：如：l对苯二甲酸对苯二甲酸+ +乙二醇乙二醇 聚对苯二甲酸乙二（醇）聚对苯二甲酸乙二（醇）酯（酯（PETPET聚酯聚酯）l己二酸己二酸+ +己二胺己二胺 聚己二酰己二胺（尼龙聚己二酰己二胺（尼龙-66-66，一，一种种聚酰胺聚酰胺）l甲苯甲苯-2-2，4-4-二异氰酸酯二异氰酸酯+ +丁二醇丁二醇 聚甲苯聚甲苯-2-2，4-4-二氨基甲酸丁二（醇）酯（一种聚氨酯）二氨基甲酸丁二（醇）酯（一种聚氨酯） 聚酰胺类特殊命名法聚酰胺类特殊命名法 商业上以尼龙（商业上以尼龙（nylonnylon）作为聚酰胺的统称）作为聚酰胺的统称命名规则命名规则：为了体现聚合物与单体之间的

23、关系，：为了体现聚合物与单体之间的关系，在尼龙之后按照在尼龙之后按照“胺前酸后胺前酸后”的次序依次加上的次序依次加上原原料单体二元胺和二元酸的碳原子数料单体二元胺和二元酸的碳原子数。如：。如：l尼龙尼龙-610-610：己二胺和葵二酸的聚合物；：己二胺和葵二酸的聚合物；l尼龙尼龙-1010-1010：葵二胺和葵二酸的聚合物；：葵二胺和葵二酸的聚合物；l尼龙尼龙-6-6：原料可以是己内酰胺，也可以是：原料可以是己内酰胺，也可以是6-6-氨基氨基己酸。己酸。1.3.4 “IUPAC”系统命名法系统命名法是纯化学及应用化学国际联合会于是纯化学及应用化学国际联合会于19721972年提出的年提出的以大

24、分子结构为基础的系统命名法。并建议在国以大分子结构为基础的系统命名法。并建议在国际学术交流中应尽量采用此命名法。际学术交流中应尽量采用此命名法。命名规则：命名规则：l确定聚合物的重复结构单元；确定聚合物的重复结构单元；l将重复结构单元中的取代基按由小到大、由简单将重复结构单元中的取代基按由小到大、由简单到复杂的顺序进行书写；到复杂的顺序进行书写；l命名重复结构单元，并在前面加命名重复结构单元，并在前面加“聚聚”字。字。例：例：l聚丙烯腈聚丙烯腈聚（聚（1-1-腈基亚乙基）；腈基亚乙基）；l聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯聚（聚（1-1-甲氧基酰基甲氧基酰基-1-1-1-1-甲基甲基亚乙基）亚乙

25、基）1.4 1.4 高分子科学高分子科学高分子化合物合成高分子化合物合成原理、反应条件、原理、反应条件、改性方法。改性方法。高分子组成、结构与高分子组成、结构与性能关系，表征方法。性能关系，表征方法。聚合物的成型工艺条聚合物的成型工艺条件、影响因素、设备。件、影响因素、设备。1.5 高分子材料科学发展简史高分子材料科学发展简史获得诺贝尔化学奖的重要成果：获得诺贝尔化学奖的重要成果：l1920年史道丁格首次提出以年史道丁格首次提出以，公认为高分子科学的的奠基人。，公认为高分子科学的的奠基人。l1953年齐格勒和纳塔各自独立采用络合催化剂成年齐格勒和纳塔各自独立采用络合催化剂成功地合成出功地合成出

26、，并并于于1955年实现工业化。这是高分子科学史上又一年实现工业化。这是高分子科学史上又一个里程碑。个里程碑。l 20世纪世纪40-70年代弗洛里提出了聚合反应的年代弗洛里提出了聚合反应的。l白川英树、艾伦白川英树、艾伦.黑格、艾伦黑格、艾伦.马克迪尔米德在有关马克迪尔米德在有关导电高分子导电高分子材料方面的成就。材料方面的成就。u 现状现状产量产量l2010年世界合成高分子材料总产量年世界合成高分子材料总产量2.5亿吨，其亿吨，其中塑料中塑料1.93亿吨、合成橡胶亿吨、合成橡胶0.21亿吨、合成纤亿吨、合成纤维维0.38亿吨。亿吨。l目前我国三大合成材料年产量在世界的排名为：目前我国三大合成

27、材料年产量在世界的排名为：合成纤维第一，塑料第二，合成橡胶第四。合成纤维第一，塑料第二，合成橡胶第四。研究水平研究水平：在基础研究、专业技术人才培养、：在基础研究、专业技术人才培养、工程技术水平等，与发达国家的差距不断缩小。工程技术水平等，与发达国家的差距不断缩小。1.6 高分子材料的应用高分子材料的应用以塑料、纤维、橡胶、胶粘剂、涂料等形态广泛应以塑料、纤维、橡胶、胶粘剂、涂料等形态广泛应用于日常生活、航空航天、医学、建筑、纺织等各用于日常生活、航空航天、医学、建筑、纺织等各领域。领域。l日常生活：日常生活：塑料袋、容器、农膜；塑料袋、容器、农膜；l建筑：建筑：胶粘剂、涂料、洁具、给排水管、

28、门窗；胶粘剂、涂料、洁具、给排水管、门窗；l航空航天：航空航天：FRPFRP零件、内饰、智能高聚物、隐身涂零件、内饰、智能高聚物、隐身涂料料l汽车工业：汽车工业：零件、内饰、轮胎、油漆；零件、内饰、轮胎、油漆；l医用：医用：医疗、医药；医疗、医药；l纺织工业：纺织工业：化学纤维；化学纤维；l体育娱乐：体育娱乐：球、拍、艇、渔具、娱乐设施、赛车；球、拍、艇、渔具、娱乐设施、赛车；l电子信息：电子信息：计算机、集成线路板、液晶显示器、锂计算机、集成线路板、液晶显示器、锂离子电池膜离子电池膜本章小结本章小结 重点掌握以下内容：重点掌握以下内容： 1 1高分子材料的基本特点；高分子材料的基本特点； 2

29、 2高分子的分类方法；高分子的分类方法； 3 3高分子的命名方法；高分子的命名方法； 4 4高分子科学的范畴；高分子科学的范畴； 5 5了解高分子材料科学发展历程；了解高分子材料科学发展历程； 6 6重要概念：重要概念：聚合反应、缩聚反应、加聚反应、聚合反应、缩聚反应、加聚反应、重复结构单元、结构单元、线型聚合物、体型结构重复结构单元、结构单元、线型聚合物、体型结构 本课程主要学习内容：本课程主要学习内容：l高聚物合成的基本反应机理高聚物合成的基本反应机理 高分子化学；高分子化学；l高分子结构、高分子性能与表征高分子结构、高分子性能与表征高分子物理；高分子物理；l常用高聚物的成型方法常用高聚物的成型方法高分子工艺与工程。高分子工艺与工程。