功能高分子材料第1章绪论课件.ppt
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1、功能高分子材料Functional polymers第一章第一章 绪论绪论高分子材料科学的历史回顾高分子材料科学的历史回顾高分子的概念始于高分子的概念始于20世纪世纪20年代,但应用更早。年代,但应用更早。 1839年,美国人年,美国人Goodyear发明硫化橡胶。发明硫化橡胶。 1855年,英国人年,英国人Parks用硝化纤维素与樟脑混合制用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。得赛璐珞。 1889年,法国人年,法国人De Chardonnet(夏尔多内)发明(夏尔多内)发明人造丝人造丝。 1907年,酚醛树脂诞生。年,酚醛树脂诞生。第一章第一章 绪论绪论 1920年,德国人年,德国人Staudi
2、nger发表了发表了“论聚合论聚合”的的论文,提出了高分子的概念,并预测了聚氯乙烯论文,提出了高分子的概念,并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。 1935年,年,Carothes发明尼龙发明尼龙66,1938年工业化。年工业化。 30年代,一系列烯烃类加聚物被合成出来并工业年代,一系列烯烃类加聚物被合成出来并工业化,化,PVC(19271937),),PVAc(1936),),PMMA(19271931),),PS(19341937),),LDPE(1939)。自由基聚合发展。)。自由基聚合发展。第一章第一章 绪论绪论 高分子溶液理论在高分子溶液
3、理论在30年代建立,并成功测定了聚年代建立,并成功测定了聚合物的分子量。合物的分子量。Flory为此获得诺贝尔奖。为此获得诺贝尔奖。 40年代,二次大战促进了高分子材料的发展,一年代,二次大战促进了高分子材料的发展,一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶(1937),丁腈橡胶(),丁腈橡胶(1937),丁基橡胶),丁基橡胶(1940),有机氟材料(),有机氟材料(1943),),ABS(1947),),涤纶树脂(涤纶树脂(19401950)。)。 50年代,年代,Ziegler和和Natta发明配位聚合催化剂,制发明配位聚合催化剂,制得高密度得高密度
4、PE和有规和有规PP,低级烯烃得到利用,低级烯烃得到利用。第一章第一章 绪论绪论 1956年,美国人年,美国人Szwarc发明活性阴离子聚合,开发明活性阴离子聚合,开创了高分子结构设计的先河。创了高分子结构设计的先河。 50年后期至年后期至60年代,大量高分子工程材料问世。年代,大量高分子工程材料问世。聚甲醛(聚甲醛(1956),聚碳酸酯(),聚碳酸酯(1957),聚砜),聚砜(1965),聚苯醚(),聚苯醚(1964),聚酰亚胺(),聚酰亚胺(1962)。)。 60年代以后,特种高分子和功能高分子得到发展。年代以后,特种高分子和功能高分子得到发展。 特种高分子:高强度、耐高温、耐辐射、高绝缘
5、、特种高分子:高强度、耐高温、耐辐射、高绝缘、导体等。导体等。第一章第一章 绪论绪论 80年代以后,新的聚合方法和新结构的聚合物不断年代以后,新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现和发展。出现和发展。 新的聚合方法:阳离子活性聚合、基团转移聚合、新的聚合方法:阳离子活性聚合、基团转移聚合、活性自由基聚合、等离子聚合等等;活性自由基聚合、等离子聚合等等; 新结构的聚合物:新型嵌段共聚物、新型接枝共聚新结构的聚合物:新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含含C60聚合物等等。聚合物等等。 这些新的合成方法以及新结构的聚合物
6、出现,为高这些新的合成方法以及新结构的聚合物出现,为高分子的功能化提供契机,使材料突破了传统的结构分子的功能化提供契机,使材料突破了传统的结构材料的概念,向功能化和结构材料的概念,向功能化和结构-功能一体化发展。功能一体化发展。第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论1.1 基本概念及研究内容基本概念及研究内容 结构高分子材料与功能高分子材料结构高分子材料与功能高分子材料 性能性能:材料对外部作用的表征与抵抗特性。例如,:材料对外部作用的表征与抵抗特性。例如,对外力的抵抗表现为材料的强度、模量等;对热的对外力的抵抗表现为材料的强度、模量等;对热的
7、抵抗表现为耐热性;对光、电、化学药品的抵抗,抵抗表现为耐热性;对光、电、化学药品的抵抗,则表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。则表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。 这一类高分子材料通常具有高的刚度、强度和韧性,这一类高分子材料通常具有高的刚度、强度和韧性,如我们所熟知的工程塑料和纤维增强树脂基复合材如我们所熟知的工程塑料和纤维增强树脂基复合材料(即纤维增强塑料),此外它们还具有良好的防料(即纤维增强塑料),此外它们还具有良好的防腐、隔热、消音、减震、绝缘等性能。腐、隔热、消音、减震、绝缘等性能。 第一章第一章 绪论绪论 功能功能:指向材料输入某种能量和信息,经过材料的:指向材料输入某
8、种能量和信息,经过材料的贮存、传输或转换等过程,再向外输出的一种特性。贮存、传输或转换等过程,再向外输出的一种特性。例如,材料在受到外部光的输入时,材料可以输出例如,材料在受到外部光的输入时,材料可以输出电性能,称为材料的光电功能;材料在受到多种介电性能,称为材料的光电功能;材料在受到多种介质作用时,能有选择地分离出其中某些介质,称为质作用时,能有选择地分离出其中某些介质,称为材料的选择分离性。此外,如压电性、药物缓释放材料的选择分离性。此外,如压电性、药物缓释放性等,都属于功能的范畴。性等,都属于功能的范畴。 材料的功能和性能之间存在着一定的区别,但材料材料的功能和性能之间存在着一定的区别,
9、但材料在具备功能的同时,必须具有一定的性能。在具备功能的同时,必须具有一定的性能。 第一章第一章 绪论绪论 功能高分子材料与高性能高分子材料均属于特种高功能高分子材料与高性能高分子材料均属于特种高分子材料,这是相对于通用高分子材料而言的。分子材料,这是相对于通用高分子材料而言的。 通用高分子材料通用高分子材料:应用面广量大,价格较低。:应用面广量大,价格较低。 根据其性质和用途可分为五个大类:化学纤维、塑根据其性质和用途可分为五个大类:化学纤维、塑料、橡胶、油漆涂料、粘合剂。料、橡胶、油漆涂料、粘合剂。 特种高分子材料特种高分子材料:带有特殊物理、力学、化学性质:带有特殊物理、力学、化学性质和
10、功能的高分子材料,其性能和特征都大大超出了和功能的高分子材料,其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料的范畴。原有通用高分子材料的范畴。 从实用的角度看,对功能材料来说,人们着眼于它从实用的角度看,对功能材料来说,人们着眼于它们所具有的独特的功能;而对高性能材料,人们关们所具有的独特的功能;而对高性能材料,人们关心的是它与通用材料在性能上的差异。心的是它与通用材料在性能上的差异。第一章第一章 绪论绪论 功能高分子的一次功能和二次功能功能高分子的一次功能和二次功能 一次功能:一次功能:向材料输入的能量和信息与从材料输出的向材料输入的能量和信息与从材料输出的能量和信息属于同一形式,即材料仅起能量
11、和信息传能量和信息属于同一形式,即材料仅起能量和信息传递作用。它包括:递作用。它包括: 声学功能。如吸音性、隔音性等;声学功能。如吸音性、隔音性等; 热学功能。如隔热性、传热性、吸热性等;热学功能。如隔热性、传热性、吸热性等; 电磁学功能。如导电性、磁性;电磁学功能。如导电性、磁性; 光学功能。如透光性、遮光性、反射和折射光性、偏光学功能。如透光性、遮光性、反射和折射光性、偏振光性、聚光性、分光性等;振光性、聚光性、分光性等; 化学功能。如催化作用、吸附作用、生化反应、酶反化学功能。如催化作用、吸附作用、生化反应、酶反应、气体吸收等;应、气体吸收等; 其它功能。如电磁波特性、放射特性等。其它功
12、能。如电磁波特性、放射特性等。第一章第一章 绪论绪论 二次功能:二次功能:当向材料输入的和输出的能量不同形式时,当向材料输入的和输出的能量不同形式时,材料起能量转换作用,这种功能称为二次功能。包括:材料起能量转换作用,这种功能称为二次功能。包括: 机械能与其它形式能量的交换。如压电效应、反机械能与其它形式能量的交换。如压电效应、反压电效应、磁致伸缩效应、反磁致伸缩效应、磨擦发压电效应、磁致伸缩效应、反磁致伸缩效应、磨擦发热效应、热弹性效应、形状记忆效应、磨擦发光效应、热效应、热弹性效应、形状记忆效应、磨擦发光效应、机械化学效应、声光效应、光弹性效应等;机械化学效应、声光效应、光弹性效应等; 电
13、能和其它能量的转换。如电磁效应、电阻发热电能和其它能量的转换。如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、电化学效应等;效应、热电效应、光电效应、电化学效应等;第一章第一章 绪论绪论 磁能和其它形式能量的转换。如热磁效应、磁磁能和其它形式能量的转换。如热磁效应、磁冷冻效应、光磁效应等;冷冻效应、光磁效应等; 热能和其它形式能量的转换。如激光加热、热热能和其它形式能量的转换。如激光加热、热刺激发光、热化学反应等;刺激发光、热化学反应等; 光能和其它形式能量的转换。如光化学反应、光能和其它形式能量的转换。如光化学反应、光致抗蚀、光合成反应、光分解反应、化学发光、光致抗蚀、光合成反应、光分解反应、
14、化学发光、光电效应等。光电效应等。第一章第一章 绪论绪论 功能高分子材料的研究内容:功能高分子材料的研究内容: 功能高分子的分子结构、二次结构及高次结构功能高分子的分子结构、二次结构及高次结构的设计,以及这些层次的结构与聚合物的功能与性的设计,以及这些层次的结构与聚合物的功能与性能之间的关系。能之间的关系。 功能高分子材料的合成原理与制备方法,多种功能高分子材料的合成原理与制备方法,多种功能结构的复合及加工工艺。功能结构的复合及加工工艺。 功能高分子材料的应用,各种功能及性能的表功能高分子材料的应用,各种功能及性能的表征及研究方法。征及研究方法。 第一章第一章 绪论绪论 按照材料的组成与结构分
15、为按照材料的组成与结构分为:结构型功能高分子和复结构型功能高分子和复合型功能高分子材料。合型功能高分子材料。 结构型功能高分子材料结构型功能高分子材料是指在大分子链中具有特定是指在大分子链中具有特定的功能基团的高分子材料,它们的功能性是由分子的功能基团的高分子材料,它们的功能性是由分子中所含的特定的功能基团来体现的。中所含的特定的功能基团来体现的。 复合型功能高分子材料复合型功能高分子材料通常指以普通高分子材料为通常指以普通高分子材料为基体或载体,与具有某些特定功能(如导电、电磁)基体或载体,与具有某些特定功能(如导电、电磁)的其它材料以一定的方式复合而成的,它们的功能的其它材料以一定的方式复
16、合而成的,它们的功能性是由高分子材料以外的添加组份得到的。性是由高分子材料以外的添加组份得到的。 第一章第一章 绪论绪论 按照功能高分子材料的来源按照功能高分子材料的来源分为天然、半合成以及合分为天然、半合成以及合成功能高分子材料。成功能高分子材料。 天然高分子材料天然高分子材料的突出代表是一些生物高分子,如酶、的突出代表是一些生物高分子,如酶、蛋白质、核酸、多肽等。蛋白质、核酸、多肽等。 半合成功能高分子材料半合成功能高分子材料是指以天然高分子材料为主体,是指以天然高分子材料为主体,通过对它们的改性而制备的功能高分子材料。如淀粉、通过对它们的改性而制备的功能高分子材料。如淀粉、纤维素的化学改
17、性产物以及固定化酶等。这种改性可纤维素的化学改性产物以及固定化酶等。这种改性可以是通过物理方法或化学过程来实现。以是通过物理方法或化学过程来实现。第一章第一章 绪论绪论 上述两类功能高分子材料通常具备生物降解性,因上述两类功能高分子材料通常具备生物降解性,因此有良好的环境亲和性,但由于其原料来源的问题,此有良好的环境亲和性,但由于其原料来源的问题,使其功能性的发挥受到一定的限制。使其功能性的发挥受到一定的限制。 目前应用最多的是目前应用最多的是合成功能性高分子材料合成功能性高分子材料。 可以根据功能性的需求,对其化学结构、凝聚态结可以根据功能性的需求,对其化学结构、凝聚态结构、复合结构以及宏观
18、形态进行设计,从而充分发构、复合结构以及宏观形态进行设计,从而充分发挥其功能性。如各种高分子药物,导电高分子材料,挥其功能性。如各种高分子药物,导电高分子材料,高分子膜材料,生物组织工程材料等。其结构设计高分子膜材料,生物组织工程材料等。其结构设计的灵活性为其应用带来了广阔的前景。的灵活性为其应用带来了广阔的前景。 通常是将功能高分子材料按其功能和应用特点进行通常是将功能高分子材料按其功能和应用特点进行分类,但分类,但许多功能材料可能兼具多种功能许多功能材料可能兼具多种功能。第一章第一章 绪论绪论按功能高分子材料的功能和应用特点进行分类:按功能高分子材料的功能和应用特点进行分类:功能特性种类应
19、用化学反应性高分子试剂、可降解高分子高分子反应、环保塑料制品吸附和分离离子交换树脂螯合树脂、絮凝剂水净化、分离混合物高吸水树脂保水和吸水用品光光传导塑料光纤通讯、显示、医疗器械透光接触眼镜片、阳光选择膜医疗、农用膜偏光液晶高分子显示、记录光化学反应光刻胶、感光树脂电极、电池材料光色光致变色高分子、发光高分子防静电、屏蔽材料、接点材料电导电高分子半导体、高分子导体、高分子超导体、导电塑料、透明导电薄膜、高分子聚电解质透明电极、固体电解质材料光电光电导高分子、电致变色高分子电子照相、光电池介电高分子驻极体释电热电热电高分子显示、测量第一章第一章 绪论绪论磁导磁塑料磁石、磁性橡胶、光磁材料显示、记录
20、、储存、中子吸收热热变形热收缩塑料、形状记忆高分子医疗、玩具绝热耐烧蚀塑料火箭、宇宙飞船热光热释光塑料测量声吸音吸音防震材料建筑声电声电换能材料、超声波发振材料音响设备机械传质分离膜、高分子减阻剂化工、输油力电压电高分子、压敏导电橡胶开关材料、机器人触感材料生物身体适应性医用高分子外科材料、人工脏器药性高分子药物医疗卫生仿生仿生高分子、智能高分子生物医学工程第一章第一章 绪论绪论 功能高分子材料的特点:功能高分子材料的特点: 功能高分子材料具有技术密集、品种多,产品少,专功能高分子材料具有技术密集、品种多,产品少,专用性强和附加值高的特点,此外还具有如下特点:用性强和附加值高的特点,此外还具有
21、如下特点: (1)质量轻,通过不同的加工方法可以成型各种形)质量轻,通过不同的加工方法可以成型各种形状和宏观形态的制品。状和宏观形态的制品。 (2)可以很方便地与其它的高分子材料以化学或物)可以很方便地与其它的高分子材料以化学或物理的方式复合,结构和配方的可设计性强。理的方式复合,结构和配方的可设计性强。 (3)某些功能高分子材料同时具有很高的力学性能)某些功能高分子材料同时具有很高的力学性能和尺寸稳定性,可广泛应用于制作结构件,从而实现和尺寸稳定性,可广泛应用于制作结构件,从而实现结构结构/功能一体化。功能一体化。第一章第一章 绪论绪论 1.3 功能高分子材料的功能与结构的关系功能高分子材料
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