神奇的高分子材料
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Pierre-Gilles de Gennes 德热纳(法国)
高分子诺贝尔奖获得者
5. The Nobel Prize in chemistry 2000
A.G. Macdiarmid(U.S.), H.Shirakawa(Japan), A.J.Heeger (U.S.)因发现和发展了导电高分子共同获得2000年诺贝尔化 学奖。
21世纪我国高分子材料产业已完成由产业 大国到产业强国的跨越式转变
人类需求是推动科学发展的动力
•高分子材料正向高性能化、高功能化， 复合化，精细化，智能化和环境友好 化方向发展。
高分子材料发展——新型隐形眼镜
新型智能化 普通
聚甲基丙烯酸羟乙酯
新型隐形眼镜由传感器、半导体电路、发光二极管等部件融入 高分子材料基底中，可以将任何重要的可视数据，如枪支瞄准 镜的范围，甚至还有文字信息，立即显示到使用者的眼睛里。
聚合物基复合材料
树脂基复合材料：以有机合成树脂为基 体 （连续体），以粉粒状或长的纤维状 的其他物质（非有机合成树脂）为填充 物、增强剂复合而成的高分子材料。
美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料
复合材料－玻璃钢-纤维强化塑料
复合材料在国防、航空航天、军用 设施中应用较多，大多为高性能材 料
2. The Nobel Prize in chemistry 1963
In 1950s’ ，德国的Ziegler 和意大利的 Natt 发明了 齐格勒-纳塔催化剂，乙烯、丙烯配位聚合，共获 1963年诺贝尔化学奖 。
Ziegler齐格勒
Natta纳塔
高分子诺贝尔奖获得者
3. The Nobel Prize in chemistry 1974
功能高分子材料
功能高分子材料的涵义：
在高分子结构上引入某种功能基团，使其 显示出光、电、磁、声、热、生物、医学 等特殊功能的高分子材料
塑料晶体管
Si
•
与硅晶体管相比，塑料晶体管的好处在于成本低廉，生产便捷，不需 要专门化的昂贵制造设备和高度洁净的真空环境。
聚合物薄膜太阳能电池 Polymeric solar cell
马克迪尔米德
白川英树
黑格
聚酯纤维装饰板
超高分子量聚乙烯纤维（分子量：100-500万）
当今世界三大高性能纤维之一，比强度是钢丝的十多倍，具有突出的 抗冲击性、抗切割性、抗辐射,耐化学腐蚀和耐磨性
用于防弹衣,防弹头盔,防弹装甲,航空航天等军事领域
纤维的用途
塑料
• 塑料是高分子材料中品种最多，产量最大的一 种（年产量：塑料1.08亿吨，合成纤维0.2亿吨，橡胶
绝缘橡胶
吸音橡胶
耐高温橡胶
减震橡胶
橡胶-建筑装饰、楼梯
纤维的分类及应用
定义：长度比直径大上百倍的线状或丝状的 高分子材料 特点：具有高的抗拉断裂强度，聚合物的玻璃化 转化温度最高，结晶度高，分子间有强相互作用
分类：
天然纤维：棉，麻，蚕丝，羊毛， 化学纤维： 人造纤维（人造棉或人丝) 合成纤维:现代合成的高分子 纤维，也即：化纤
• 相对分子质量大，一般在1万以上 • 化学组成比较简单，由重复单元链接而成长链分子 • 质量轻，易加工 • 耐酸碱，耐腐蚀，绝缘性，可塑性，弹性 • 韧性好，不易脆裂
例如：聚氯乙稀(PVC) －全能的塑料
基本结构单元
CH2 CH Cl
n
分子量 ≥10,000
由重复单元链接而成
Polyamide 聚酰胺的立体示意图
使用温度在150℃以上， 特种工程塑 有机硅塑料，氟塑料， 消费量在万吨以下，具 料 不溶性聚酰亚胺 有某种特殊功能
塑料的用途-日常用品
衣架、椅子、盆类、书架、玩具、文具、办公用 品、家具
衣 住
食 行
日常生活
箱体外壳
塑料器械与零部件
建筑材料
工程塑料
高密度聚乙烯管材
工程塑料
聚偏氟乙烯
工程塑料
日常用品,包装材料,农业生产材料 结构材料：电器壳体、轴承、机械、机械零件 绝缘材料：电缆、电线、绝缘版、电器零件 建筑材料：橡胶坝，桥底支座，贴面板、塑胶门窗、 上下水管 交通运输：道路交通设施、轮胎，汽车内饰，汽车各种 部件 高科技领域：航空航天，国防，电子，信息，能源
橡
胶
橡胶：在外力作用 下会产生较大的可 逆形变，弹性较大， 玻璃化转化温度在 室温以下。如聚： 顺式异戊二烯，丁 苯橡胶，丁腈橡胶 等
聚甲醛塑料棒材
聚砜塑料棒材
特种工程塑料- 聚酰亚胺棒
是一种新型耐高温热固性工程塑料，由于其在-270－400℃的大范围温 度内能保持较高的物理机械性能，具有优异的电绝缘性、耐磨性、抗 高温辐射性能和物理机械性能，在航空、航天、电器、机械、化工、 微电子、仪表、石油化工、计量等高技术领域广泛使用，并已在全球 火箭、宇航等尖端科技领域得到广泛应用。
例
聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯结合而成： 聚合物
CH2 CH Cl CH2 CH Cl CH2 CH Cl
单体
n CH2 = CHC l
简写：
CH2 CH Cl
n
聚氯乙烯
二、高分子材料的分类及应用
（一） 高分子材料的分类 塑料
橡胶 纤维
涂料 粘合剂
高分子基复合材料 功能高分子材料
（二）高分子材料的广泛应用
按性能功用分类
1.耐高温纤维，阻燃纤维，如聚苯咪唑纤维
2.耐高温腐蚀纤维，如聚四氟乙烯
3.高强度纤维如芳纶纤维，超高分子量聚乙烯 4.耐辐射纤维，如聚酰亚胺纤维
耐高温阻燃芳纶纤维
使用耐高温阻燃芳纶纤维制作汽车的外饰和内饰
阻燃纤维布料
耐辐射纤维-聚酰亚胺纤维
吸音聚酯纤维板-建筑装修材料
吸音聚酯纤维棉和无纺布
超薄显示器，超薄电视
高分子材料发展—绿色可生物降解制品
（地膜）
生物降解聚乳酸母粒
淀粉基生物降解母粒
至今高分子科学诺贝尔奖获得者
1. The Nobel Prize in chemistry 1953
H. Staudinger （德国）: （1953年诺贝尔奖） 创立高分子科学
施陶丁格
高分子诺贝尔奖获得者
高分子材料发展——人造皮肤
普通人造皮肤 智能化人造皮肤
智能化人造皮肤：使用了柔韧、细腻的橡胶、纳 米线以及电极，用于伤口治疗，超敏感人类假肢， 或是机器人手臂
高分子材料发展—超疏水高分子涂层
塑料光导纤维
塑料光纤是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作 为皮层材料的一类光导纤维，可用于接入网的最后100～1000米，也 可以用于各种汽车、飞机、等运载工具上，是优异的短距离数据传输 介质。
高分子材料的快速发展 及应用
材料科学与工程学院
内容提要
一、高分子材料简介 二、高分子材料的分类及广泛应用 三、高分子材料快速发展与人才需求 四、高分子材料相关企业 五、高分子材料与化学系教学团队介绍
一、高分子材料简介
1、什么是高分子材料？
以高分子化合物（高聚物或聚合物）为基础的材料
2、高分子材料的特点
橡胶的分类
天然橡胶：橡胶树的 “眼泪” 聚异戊二烯 合成橡胶： 通用橡胶：室温，一般条件下应用
特种橡胶：抗高温，耐油，阻燃，绝缘， 减震。
橡胶的应用
• 制作轮胎，轮胎内胎 •电线电缆的绝缘层和护套 •橡胶坝,拦水坝 •桥梁机器支座的底座，混凝土施工用防水带 •扭振消除器、发动机减震器 •胶鞋、胶管、胶带，橡皮圈
现实生活中的橡胶
汽车轮胎
橡胶的用途-桥梁和机器设备底座
桥梁的底座
工程橡胶-橡胶坝
工程橡胶-各种电线电缆、传送带
内胎
传送带
工程橡胶
混凝土建筑施工用止水带
丁基橡胶防水卷材
大型货轮、机械缓冲圈
橡胶的用途-可曲挠橡胶接头
适用于与泵、阀门的连接，消防器材，震动较大的管道、冷热变化频繁的管道
特种工程橡胶
高分子材料的发展阶段
•20世纪30～ 50年代— 高分子材料合成及逐步工业化 •50～60年代齐格勒-那塔催化剂使高分子材料合成 早 与应用进入划时代意义的发展时期
期
•60～70年代—先进高分子材料崛起的时代
80～90年代—高性能和高功能的聚合物 材料快速发展
• 1993年-聚丙烯体系中发现室温超导体，这是迄 今为止唯一报道的超导性有机高分子。 • 20世纪80年代，人工脏器等技术得到快速发展。 • 1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性 太阳能电池研制成功， •1997年发现聚乙炔，聚苯胺、聚吡咯等一系列导 电高分子 • 高分子材料在能源、信息、电子和生命科学等 领域得到广泛应用
1994年，全世界三大合成高分子材料的产量 超过1亿4千万吨，已经超过钢铁的生产总量。
高分子材料在汽车工业中发展迅速
汽车工业
汽车的内饰、座椅、仪表盘
航空航天
火箭
卫星
导电高分子材料
பைடு நூலகம்
导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。 目前，它已成为一门新型的多学科交叉的研究领域， 并在世界范围内吸引了一大批材料设计专家。
0.09亿吨。）
•年产量在四大工业材料（塑料，钢铁，水泥， 木材）中居于首位 •我国塑料生产、消费和出口居世界第二
（2011年中国塑料树脂消费量将突破4000万吨）
•其力学性能和行为在橡胶和纤维之间
塑料的主要品种
分类 通用塑料 通用工程塑 料 特点 综合性能优良，生产量 大，价格低廉 综合性能优良，使用温 度在150℃以下，消费 量在万吨以上 品种 聚乙烯，聚丙烯，聚苯 乙烯，聚氯乙稀，酚醛 树脂 聚酰胺，聚甲醛，热塑 性聚酯，聚碳酸酯，聚 苯醚，聚砜
高分子材料发展--超吸水性的聚丙烯酸钠
神5、神6三位航天员都使用了超吸水性的“尿不湿”网 状结构的聚丙烯酸钠，1克能吸收约1000克水
高分子材料发展—液体防弹衣
复合液体材料的防弹性能超过传统的钢材料和陶瓷材料 的防弹衣，在近距离和中距离的各式型号子弹射击测试 中，液体防弹衣均表现不错。
高分子材料发展——新型电子显示材料
P. J. Flory (美国）: 高分子 物理性质与结构的关系 （1974年诺贝尔奖）。
Flory弗洛里 （U.S.）
高分子诺贝尔奖获得者
4. The Nobel Prize in Physics 1991
软物质、普适性、标度、 魔梯概念引入聚合物产生
液晶材料，获1991年诺贝
尔物理奖。
医用功能高分子材料
人造骨骼和外科植入物
医用功能高分子材料
人造血管
人造心脏
人造膝关节
三、高分子材料的快速发展 与人才需求
高分子材料是当今世界发展最迅速的产 业之一，其年产量已经超过钢铁、水泥。 进入21世纪我国高分子材料产业已完成 由产业大国到产业强国的跨越式转变。二十 一世纪是高分子的世纪，对专业人才和高层 次人才的需求量急增。
特种工程塑料
透明
耐高温，阻燃
隔热
吸音
涂料
一、合成树脂漆 二、乳胶涂料
优点：
漆膜质量好，耐磨，涂饰性好 保光保色性好 施工方便 涂膜干燥快，成本低
功能涂料
防火涂料
防霉涂料
伪装，隐身涂料
导电涂料 航空航天特种涂料
厚膜型低温固化环氧防锈漆
胶粘剂
聚氨酯胶粘剂
单组分环氧树脂胶粘剂
高分子诺贝尔奖获得者
5. The Nobel Prize in chemistry 2000
A.G. Macdiarmid(U.S.), H.Shirakawa(Japan), A.J.Heeger (U.S.)因发现和发展了导电高分子共同获得2000年诺贝尔化 学奖。
21世纪我国高分子材料产业已完成由产业 大国到产业强国的跨越式转变
人类需求是推动科学发展的动力
•高分子材料正向高性能化、高功能化， 复合化，精细化，智能化和环境友好 化方向发展。
高分子材料发展——新型隐形眼镜
新型智能化 普通
聚甲基丙烯酸羟乙酯
新型隐形眼镜由传感器、半导体电路、发光二极管等部件融入 高分子材料基底中，可以将任何重要的可视数据，如枪支瞄准 镜的范围，甚至还有文字信息，立即显示到使用者的眼睛里。
聚合物基复合材料
树脂基复合材料：以有机合成树脂为基 体 （连续体），以粉粒状或长的纤维状 的其他物质（非有机合成树脂）为填充 物、增强剂复合而成的高分子材料。
美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料
复合材料－玻璃钢-纤维强化塑料
复合材料在国防、航空航天、军用 设施中应用较多，大多为高性能材 料
2. The Nobel Prize in chemistry 1963
In 1950s’ ，德国的Ziegler 和意大利的 Natt 发明了 齐格勒-纳塔催化剂，乙烯、丙烯配位聚合，共获 1963年诺贝尔化学奖 。
Ziegler齐格勒
Natta纳塔
高分子诺贝尔奖获得者
3. The Nobel Prize in chemistry 1974
功能高分子材料
功能高分子材料的涵义：
在高分子结构上引入某种功能基团，使其 显示出光、电、磁、声、热、生物、医学 等特殊功能的高分子材料
塑料晶体管
Si
•
与硅晶体管相比，塑料晶体管的好处在于成本低廉，生产便捷，不需 要专门化的昂贵制造设备和高度洁净的真空环境。
聚合物薄膜太阳能电池 Polymeric solar cell
马克迪尔米德
白川英树
黑格
聚酯纤维装饰板
超高分子量聚乙烯纤维（分子量：100-500万）
当今世界三大高性能纤维之一，比强度是钢丝的十多倍，具有突出的 抗冲击性、抗切割性、抗辐射,耐化学腐蚀和耐磨性
用于防弹衣,防弹头盔,防弹装甲,航空航天等军事领域
纤维的用途
塑料
• 塑料是高分子材料中品种最多，产量最大的一 种（年产量：塑料1.08亿吨，合成纤维0.2亿吨，橡胶
绝缘橡胶
吸音橡胶
耐高温橡胶
减震橡胶
橡胶-建筑装饰、楼梯
纤维的分类及应用
定义：长度比直径大上百倍的线状或丝状的 高分子材料 特点：具有高的抗拉断裂强度，聚合物的玻璃化 转化温度最高，结晶度高，分子间有强相互作用
分类：
天然纤维：棉，麻，蚕丝，羊毛， 化学纤维： 人造纤维（人造棉或人丝) 合成纤维:现代合成的高分子 纤维，也即：化纤
• 相对分子质量大，一般在1万以上 • 化学组成比较简单，由重复单元链接而成长链分子 • 质量轻，易加工 • 耐酸碱，耐腐蚀，绝缘性，可塑性，弹性 • 韧性好，不易脆裂
例如：聚氯乙稀(PVC) －全能的塑料
基本结构单元
CH2 CH Cl
n
分子量 ≥10,000
由重复单元链接而成
Polyamide 聚酰胺的立体示意图
使用温度在150℃以上， 特种工程塑 有机硅塑料，氟塑料， 消费量在万吨以下，具 料 不溶性聚酰亚胺 有某种特殊功能
塑料的用途-日常用品
衣架、椅子、盆类、书架、玩具、文具、办公用 品、家具
衣 住
食 行
日常生活
箱体外壳
塑料器械与零部件
建筑材料
工程塑料
高密度聚乙烯管材
工程塑料
聚偏氟乙烯
工程塑料
日常用品,包装材料,农业生产材料 结构材料：电器壳体、轴承、机械、机械零件 绝缘材料：电缆、电线、绝缘版、电器零件 建筑材料：橡胶坝，桥底支座，贴面板、塑胶门窗、 上下水管 交通运输：道路交通设施、轮胎，汽车内饰，汽车各种 部件 高科技领域：航空航天，国防，电子，信息，能源
橡
胶
橡胶：在外力作用 下会产生较大的可 逆形变，弹性较大， 玻璃化转化温度在 室温以下。如聚： 顺式异戊二烯，丁 苯橡胶，丁腈橡胶 等
聚甲醛塑料棒材
聚砜塑料棒材
特种工程塑料- 聚酰亚胺棒
是一种新型耐高温热固性工程塑料，由于其在-270－400℃的大范围温 度内能保持较高的物理机械性能，具有优异的电绝缘性、耐磨性、抗 高温辐射性能和物理机械性能，在航空、航天、电器、机械、化工、 微电子、仪表、石油化工、计量等高技术领域广泛使用，并已在全球 火箭、宇航等尖端科技领域得到广泛应用。
例
聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯结合而成： 聚合物
CH2 CH Cl CH2 CH Cl CH2 CH Cl
单体
n CH2 = CHC l
简写：
CH2 CH Cl
n
聚氯乙烯
二、高分子材料的分类及应用
（一） 高分子材料的分类 塑料
橡胶 纤维
涂料 粘合剂
高分子基复合材料 功能高分子材料
（二）高分子材料的广泛应用
按性能功用分类
1.耐高温纤维，阻燃纤维，如聚苯咪唑纤维
2.耐高温腐蚀纤维，如聚四氟乙烯
3.高强度纤维如芳纶纤维，超高分子量聚乙烯 4.耐辐射纤维，如聚酰亚胺纤维
耐高温阻燃芳纶纤维
使用耐高温阻燃芳纶纤维制作汽车的外饰和内饰
阻燃纤维布料
耐辐射纤维-聚酰亚胺纤维
吸音聚酯纤维板-建筑装修材料
吸音聚酯纤维棉和无纺布
超薄显示器，超薄电视
高分子材料发展—绿色可生物降解制品
（地膜）
生物降解聚乳酸母粒
淀粉基生物降解母粒
至今高分子科学诺贝尔奖获得者
1. The Nobel Prize in chemistry 1953
H. Staudinger （德国）: （1953年诺贝尔奖） 创立高分子科学
施陶丁格
高分子诺贝尔奖获得者
高分子材料发展——人造皮肤
普通人造皮肤 智能化人造皮肤
智能化人造皮肤：使用了柔韧、细腻的橡胶、纳 米线以及电极，用于伤口治疗，超敏感人类假肢， 或是机器人手臂
高分子材料发展—超疏水高分子涂层
塑料光导纤维
塑料光纤是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作 为皮层材料的一类光导纤维，可用于接入网的最后100～1000米，也 可以用于各种汽车、飞机、等运载工具上，是优异的短距离数据传输 介质。
高分子材料的快速发展 及应用
材料科学与工程学院
内容提要
一、高分子材料简介 二、高分子材料的分类及广泛应用 三、高分子材料快速发展与人才需求 四、高分子材料相关企业 五、高分子材料与化学系教学团队介绍
一、高分子材料简介
1、什么是高分子材料？
以高分子化合物（高聚物或聚合物）为基础的材料
2、高分子材料的特点
橡胶的分类
天然橡胶：橡胶树的 “眼泪” 聚异戊二烯 合成橡胶： 通用橡胶：室温，一般条件下应用
特种橡胶：抗高温，耐油，阻燃，绝缘， 减震。
橡胶的应用
• 制作轮胎，轮胎内胎 •电线电缆的绝缘层和护套 •橡胶坝,拦水坝 •桥梁机器支座的底座，混凝土施工用防水带 •扭振消除器、发动机减震器 •胶鞋、胶管、胶带，橡皮圈
现实生活中的橡胶
汽车轮胎
橡胶的用途-桥梁和机器设备底座
桥梁的底座
工程橡胶-橡胶坝
工程橡胶-各种电线电缆、传送带
内胎
传送带
工程橡胶
混凝土建筑施工用止水带
丁基橡胶防水卷材
大型货轮、机械缓冲圈
橡胶的用途-可曲挠橡胶接头
适用于与泵、阀门的连接，消防器材，震动较大的管道、冷热变化频繁的管道
特种工程橡胶
高分子材料的发展阶段
•20世纪30～ 50年代— 高分子材料合成及逐步工业化 •50～60年代齐格勒-那塔催化剂使高分子材料合成 早 与应用进入划时代意义的发展时期
期
•60～70年代—先进高分子材料崛起的时代
80～90年代—高性能和高功能的聚合物 材料快速发展
• 1993年-聚丙烯体系中发现室温超导体，这是迄 今为止唯一报道的超导性有机高分子。 • 20世纪80年代，人工脏器等技术得到快速发展。 • 1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性 太阳能电池研制成功， •1997年发现聚乙炔，聚苯胺、聚吡咯等一系列导 电高分子 • 高分子材料在能源、信息、电子和生命科学等 领域得到广泛应用
1994年，全世界三大合成高分子材料的产量 超过1亿4千万吨，已经超过钢铁的生产总量。
高分子材料在汽车工业中发展迅速
汽车工业
汽车的内饰、座椅、仪表盘
航空航天
火箭
卫星
导电高分子材料
பைடு நூலகம்
导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。 目前，它已成为一门新型的多学科交叉的研究领域， 并在世界范围内吸引了一大批材料设计专家。
0.09亿吨。）
•年产量在四大工业材料（塑料，钢铁，水泥， 木材）中居于首位 •我国塑料生产、消费和出口居世界第二
（2011年中国塑料树脂消费量将突破4000万吨）
•其力学性能和行为在橡胶和纤维之间
塑料的主要品种
分类 通用塑料 通用工程塑 料 特点 综合性能优良，生产量 大，价格低廉 综合性能优良，使用温 度在150℃以下，消费 量在万吨以上 品种 聚乙烯，聚丙烯，聚苯 乙烯，聚氯乙稀，酚醛 树脂 聚酰胺，聚甲醛，热塑 性聚酯，聚碳酸酯，聚 苯醚，聚砜
高分子材料发展--超吸水性的聚丙烯酸钠
神5、神6三位航天员都使用了超吸水性的“尿不湿”网 状结构的聚丙烯酸钠，1克能吸收约1000克水
高分子材料发展—液体防弹衣
复合液体材料的防弹性能超过传统的钢材料和陶瓷材料 的防弹衣，在近距离和中距离的各式型号子弹射击测试 中，液体防弹衣均表现不错。
高分子材料发展——新型电子显示材料
P. J. Flory (美国）: 高分子 物理性质与结构的关系 （1974年诺贝尔奖）。
Flory弗洛里 （U.S.）
高分子诺贝尔奖获得者
4. The Nobel Prize in Physics 1991
软物质、普适性、标度、 魔梯概念引入聚合物产生
液晶材料，获1991年诺贝
尔物理奖。
医用功能高分子材料
人造骨骼和外科植入物
医用功能高分子材料
人造血管
人造心脏
人造膝关节
三、高分子材料的快速发展 与人才需求
高分子材料是当今世界发展最迅速的产 业之一，其年产量已经超过钢铁、水泥。 进入21世纪我国高分子材料产业已完成 由产业大国到产业强国的跨越式转变。二十 一世纪是高分子的世纪，对专业人才和高层 次人才的需求量急增。
特种工程塑料
透明
耐高温，阻燃
隔热
吸音
涂料
一、合成树脂漆 二、乳胶涂料
优点：
漆膜质量好，耐磨，涂饰性好 保光保色性好 施工方便 涂膜干燥快，成本低
功能涂料
防火涂料
防霉涂料
伪装，隐身涂料
导电涂料 航空航天特种涂料
厚膜型低温固化环氧防锈漆
胶粘剂
聚氨酯胶粘剂
单组分环氧树脂胶粘剂