高分子材料科学论述模版(PPT62张)
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交联聚合物无粘流态存在
玻璃化转变
聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之 间的转变。从分子运动的角度看，玻璃化温度 Tg是大分子链段开始运动的温度。
玻璃化转变是一个松弛过程。 在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的
因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力 减小等结构因素，都使Tg下降。
高分子材料发展简史
材料科学与工Hale Waihona Puke Baidu导论
——高分子材料科学
2000年，世界合成高分子材料的年总产 量已达到2亿吨。其中塑料1.63亿吨， 合成橡胶0.11亿吨，合成纤维0.28亿吨。
高分子科学既是一门基础学科，又是一 门应用科学，主要由高分子化学、高分 子物理、高分子材料和高分子工艺四个 学科分支组成。
多种多样的高分子材料
高比强度的降洛伞绳索
防弹衣
什么是高分子？
高分子的含义
分子量很大（104~107，甚至更大）。 分子似“一条链”，由许多相同的结构单元
组成。 以共价键的形式重复连接而成。
与小分子比较
分子量不确定，只有一定的范围，是分 子量不等的同系物的混合物；
没有固定熔点，只有一段宽的温度范围；
聚合物分子运动特点
聚合物分子运动具有多重性。
运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子 等。
运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链 或链节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的 重心位移等。
聚合物分子运动具有明显的松弛特性。
具有时间依赖性的过程称为松弛过程。 分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，
The Nobel Prize in Chemistry 1953
“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”
2000年化学奖授予了黑格(A. J. Heeger，美国)、 马克迪尔米德(A. G. MacDiarmid，美国)和白 川英树(H. ShiraKawa，日本) 三人，他们发现 了导电聚合物。
表 三大高分子材料的比较
分子量 加工方法 机械性能
纤维
塑料
橡胶
一 般 1~ 7 万 熔融纺丝
一 般 6~ 30 万 一 般 15~ 30 万
挤出、注塑、 硫化交联
高强度 （ > 3 5 0 0 0 N / c m 2）
高模量 ( > 3 5 0 0 0 N / c m 2) 低 伸 长 率（ <5~ 50%）
A.J.Heeger(美国) A.G.Macdiarmid H.ShiraKawa
天然高分子的利用 天然高分子改性
天然橡胶硫化（1839年） 硝化纤维赛璐珞（1868年） 粘胶纤维（1893~1898年）
合成高分子
20世纪初，出现了酚醛树脂 1920年，Staudinger提出高分子概念 30年代、40年代，飞速发展 70年代，特种性能的高分子
创立高分子化学的施陶丁格 Hermann Staudinger 1881一1965
分子间力很大，没有沸点，加热到 2000C~3000C以上，材料破坏（降解或 交联）。
高分子材料分类
按材料来源分类
天然高分子
合成高分子
按材料性能和用途分类
塑料
橡胶
（称为三大合成材料）
纤维
涂料
粘合剂
功能高分子
通用高分子材料
塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料
全世界产量1亿多吨 塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙
聚二氯一氮化磷
主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元 素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子 量不高，并易水解。
高分子材料形成过程
简单流程如下：
石油、天然气、煤炭等 裂解 单体
聚合
加工
高分子聚合物
高分子材料
热塑性与热固性
热塑性塑料：受热后软化，冷却后又变硬，可重复
循环。
热固性塑料：由单体直接形成网状聚合物或通过交
联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后 不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。
优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形 加工等；
缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低， 大多数品种易燃，耐热性差。
图 热塑性a、b和热固性c聚合物的形态特征
在室温下，为什么有些高分子材 料柔软而另外一些刚硬？
吹塑成型等 介于两者之
间
初始模量 很 低 ，高 弹
性形变 （ 500-100
0%）
材料应力—应变曲线
应力
纤维 硬塑料
软塑料 橡胶
应变
按结构单元的化学组成分类
1. 碳链高分子
H
H
│
│
C─ C
│
│
H
H
聚乙烯
主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得
如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲 酯，聚丙烯
烯、聚苯乙烯等 合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占%60 合成纤维主要品种有：涤纶（PET）、尼龙、
聚丙烯腈、聚丙烯等 合成纤维、天然纤维、人造纤维比例为 ׃2 3
1׃
工程塑料
性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸 气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性 好。
主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯 （PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛 （POM）、饱和聚酯（PET、PBT）等
2. 杂链高分子
O C─
O
HH
││
─C ─O ─C ─C ─O
│
││
HH
涤纶
主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价 键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤 纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等
3. 元素有机高分子
CH3
│
Si ─ O
│
CH 3
提高温度和延长时间具有相同的效果，这称为时温等效原理，或时-温转化效应。
力学状态
玻璃态
链段运动处于“冻结”状态，模量高形变小。具有 虎克弹性行为，质硬而脆。
高弹态
链段运动已充分发展。在较小应力下，即可迅速发 生很大的形变，除去外力后，形变可迅速恢复。
粘流态
由于链段的剧烈运动，整个大分子链重心发生相对 位移，产生不可逆位移即粘性流动。
硅橡胶
主链中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As 等元素与O组成，其侧链为有机基团；
兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热 和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。
4. 无机高分子
S
S
S
\
/
\
/
Si
Si
/
\
/
\
S
S
S
Cl
Cl
│
│
P N─ P N
│
│
Cl
Cl
二硫化硅
玻璃化转变
聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之 间的转变。从分子运动的角度看，玻璃化温度 Tg是大分子链段开始运动的温度。
玻璃化转变是一个松弛过程。 在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的
因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力 减小等结构因素，都使Tg下降。
高分子材料发展简史
材料科学与工Hale Waihona Puke Baidu导论
——高分子材料科学
2000年，世界合成高分子材料的年总产 量已达到2亿吨。其中塑料1.63亿吨， 合成橡胶0.11亿吨，合成纤维0.28亿吨。
高分子科学既是一门基础学科，又是一 门应用科学，主要由高分子化学、高分 子物理、高分子材料和高分子工艺四个 学科分支组成。
多种多样的高分子材料
高比强度的降洛伞绳索
防弹衣
什么是高分子？
高分子的含义
分子量很大（104~107，甚至更大）。 分子似“一条链”，由许多相同的结构单元
组成。 以共价键的形式重复连接而成。
与小分子比较
分子量不确定，只有一定的范围，是分 子量不等的同系物的混合物；
没有固定熔点，只有一段宽的温度范围；
聚合物分子运动特点
聚合物分子运动具有多重性。
运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子 等。
运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链 或链节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的 重心位移等。
聚合物分子运动具有明显的松弛特性。
具有时间依赖性的过程称为松弛过程。 分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，
The Nobel Prize in Chemistry 1953
“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”
2000年化学奖授予了黑格(A. J. Heeger，美国)、 马克迪尔米德(A. G. MacDiarmid，美国)和白 川英树(H. ShiraKawa，日本) 三人，他们发现 了导电聚合物。
表 三大高分子材料的比较
分子量 加工方法 机械性能
纤维
塑料
橡胶
一 般 1~ 7 万 熔融纺丝
一 般 6~ 30 万 一 般 15~ 30 万
挤出、注塑、 硫化交联
高强度 （ > 3 5 0 0 0 N / c m 2）
高模量 ( > 3 5 0 0 0 N / c m 2) 低 伸 长 率（ <5~ 50%）
A.J.Heeger(美国) A.G.Macdiarmid H.ShiraKawa
天然高分子的利用 天然高分子改性
天然橡胶硫化（1839年） 硝化纤维赛璐珞（1868年） 粘胶纤维（1893~1898年）
合成高分子
20世纪初，出现了酚醛树脂 1920年，Staudinger提出高分子概念 30年代、40年代，飞速发展 70年代，特种性能的高分子
创立高分子化学的施陶丁格 Hermann Staudinger 1881一1965
分子间力很大，没有沸点，加热到 2000C~3000C以上，材料破坏（降解或 交联）。
高分子材料分类
按材料来源分类
天然高分子
合成高分子
按材料性能和用途分类
塑料
橡胶
（称为三大合成材料）
纤维
涂料
粘合剂
功能高分子
通用高分子材料
塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料
全世界产量1亿多吨 塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙
聚二氯一氮化磷
主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元 素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子 量不高，并易水解。
高分子材料形成过程
简单流程如下：
石油、天然气、煤炭等 裂解 单体
聚合
加工
高分子聚合物
高分子材料
热塑性与热固性
热塑性塑料：受热后软化，冷却后又变硬，可重复
循环。
热固性塑料：由单体直接形成网状聚合物或通过交
联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后 不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。
优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形 加工等；
缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低， 大多数品种易燃，耐热性差。
图 热塑性a、b和热固性c聚合物的形态特征
在室温下，为什么有些高分子材 料柔软而另外一些刚硬？
吹塑成型等 介于两者之
间
初始模量 很 低 ，高 弹
性形变 （ 500-100
0%）
材料应力—应变曲线
应力
纤维 硬塑料
软塑料 橡胶
应变
按结构单元的化学组成分类
1. 碳链高分子
H
H
│
│
C─ C
│
│
H
H
聚乙烯
主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得
如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲 酯，聚丙烯
烯、聚苯乙烯等 合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占%60 合成纤维主要品种有：涤纶（PET）、尼龙、
聚丙烯腈、聚丙烯等 合成纤维、天然纤维、人造纤维比例为 ׃2 3
1׃
工程塑料
性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸 气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性 好。
主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯 （PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛 （POM）、饱和聚酯（PET、PBT）等
2. 杂链高分子
O C─
O
HH
││
─C ─O ─C ─C ─O
│
││
HH
涤纶
主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价 键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤 纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等
3. 元素有机高分子
CH3
│
Si ─ O
│
CH 3
提高温度和延长时间具有相同的效果，这称为时温等效原理，或时-温转化效应。
力学状态
玻璃态
链段运动处于“冻结”状态，模量高形变小。具有 虎克弹性行为，质硬而脆。
高弹态
链段运动已充分发展。在较小应力下，即可迅速发 生很大的形变，除去外力后，形变可迅速恢复。
粘流态
由于链段的剧烈运动，整个大分子链重心发生相对 位移，产生不可逆位移即粘性流动。
硅橡胶
主链中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As 等元素与O组成，其侧链为有机基团；
兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热 和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。
4. 无机高分子
S
S
S
\
/
\
/
Si
Si
/
\
/
\
S
S
S
Cl
Cl
│
│
P N─ P N
│
│
Cl
Cl
二硫化硅