高分子世界polymerworld-高分子科學(xué)與工程系

1、“高分子概論”課程介紹,目的及要求：介紹高分子學(xué)科與材料的概貌，希望對(duì) 高分子學(xué)科有初步的了解。學(xué)時(shí)及學(xué)分：40學(xué)時(shí)，2學(xué)分。學(xué)時(shí)分配：上課30學(xué)時(shí)，作業(yè)10學(xué)時(shí)(寫論文）?？己顺煽?jī)：寫一篇論文，不少于3500字，6月14日前交。,課件下載：高分子科學(xué)與工程系網(wǎng)頁(yè) “教育培養(yǎng)” “本科生教育” “高分子概論”課件,,,,高分子科學(xué)與材料

2、概論課程上課時(shí)間表,高分子科學(xué)與材料概論第一章 緒 論神奇的高 分 子 世 界 Magic Polymer World,人類從起源以來(lái)就與高分子結(jié)下了不解之緣,生命體系其根本 都是由高分子組成 衣食住行 離不開(kāi)高分子材料,,,,,,,,,,,,一、高分子基本概念,什么是高分子？ 定義：高分子量的化合物 (>10000

3、) 別稱：聚合物 － Polymer 高聚物－High polymer 大分子－Macromolecule 對(duì)應(yīng)：低聚物(<10000)－Oligomer 或齊聚物，寡聚物。,什么是聚合反應(yīng)？,聚合反應(yīng)－Polymerization 小分子化合物 聚合物,聚合物 (Polym

4、er): 聚乙烯（Polyethylene，PE）單體 (Monomer): 乙烯（Ethylene）,,聚合物聚合度與分子量,結(jié)構(gòu)式：,,,,,,,聚合度：大分子中的重復(fù)單元數(shù)或結(jié)構(gòu)單元數(shù)，n。,分子量：數(shù)均分子量 、重均分子量 。,數(shù)均聚合度 、重均聚合度 。,聚合物結(jié)構(gòu)類型,線型 Linear Polymer支化型 Branched P

5、olymer交聯(lián)型 Crosslinked Polymer星型及樹(shù)狀 Star Polymer Dendrimer,,,,碳納米管,石 墨,石墨烯,單壁碳納米管,多壁碳納米管,金剛石,二、高分子科學(xué)與材料,高分子學(xué)科 高分子化學(xué)（Polymer chemistry) 合成機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制方法。 高分子物理（Polymer physics)

6、 物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。 高分子工藝學(xué)（Polymer technology） 合成工藝、加工工藝。后起之秀，生氣勃勃,,石器時(shí)代 (Stone age)新石器時(shí)代 (Neolithic age)青銅時(shí)代 (Bronze age)鐵器時(shí)代 (Iron age)高分子時(shí)代 (Polymer age),材料與時(shí)代,高分子材料,,,,,高分子材料 60％,陶

7、瓷10％,金屬30％,三分天下有其一,地位與關(guān)聯(lián),,高分子材料Polymer Materials,信息Information,生物Biology,能源Energy,環(huán)境Environment,,,,,左右逢源,,化 學(xué),高分子材料分類,天然高分子材料 (Natural polymer) 纖維素(Cellulose)、淀粉(Starch)、天然橡膠(Natural rubber)等。

8、 人造高分子材料 (Artificial polymer) 硝化纖維素（塑料、電影膠片、炸藥）、粘膠纖維等。 合成高分子材料 (Synthetic polymer) 有機(jī)玻璃、滌綸、尼龍等。,從來(lái)源,高分子材料分類,塑料 (Plastics) 橡膠 (Rubber) 纖維 (Fi

9、ber) 涂料 (Coating) 粘合劑 (Adhesive),從用途,高分子材料分類,有機(jī)高分子 (Organic Polymer) 主鏈以碳?xì)錇橹?，如聚乙烯、聚丙烯等。無(wú)機(jī)高分子 (Inorganic Polymer) 主鏈由雜原子構(gòu)成, 如SiO2等。復(fù)合高分子材料 (Polymer Composite) 聚合物

10、與無(wú)機(jī)材料復(fù)合，如玻璃鋼，輪胎。生物高分子 (Biopolymer) 具有生物功能, 如蛋白質(zhì)(Protein)、核酸 (Nucleic acid)等。,從組成及功能,高分子材料的特點(diǎn),質(zhì)輕：常用塑料的密度為1g/cm3，是鋼鐵的1/10。耐溫范圍寬：硅橡膠(－80℃) 聚苯并咪唑（600℃) 碳纖維（4000℃）性能優(yōu)異：高強(qiáng)度（Kevl

11、ar，比強(qiáng)度為鋼的8倍） 高模量 高彈性（伸長(zhǎng)率1000％） 透明性好 抗腐蝕好 光、電、磁等功能 種類多：滿足不同的需求。易加工：節(jié)能、低成本。,Angew. Chem. Int. Ed., 2013，52，9422-

12、9441.,PU 或 PVC,三、發(fā)展歷程,天然高分子利用 7000多年前，天然油漆 我國(guó)已使用天然油漆涂飾船只。中國(guó)漆(大漆) 1839年，天然橡膠硫化 美國(guó)人古德伊爾（Charlers Goodyear）。 1869年，第一種人工塑料 賽璐珞（ Celluloid，硝化纖維素）

13、 美國(guó) 人海厄特（Jhon Wesley Hyatt）。 1887年，第一種人造絲 硝化纖維素，Count Hilaire de Chardonnet.,合成高分子問(wèn)世 1909年，第一種合成塑料 酚醛樹(shù)脂，美國(guó)人 貝克蘭德（Leo Baekeland）。大分子概念提出 1920年，提出聚合反應(yīng)生成高分子。

14、施陶丁格（Hermann Staudinger）。奠定基礎(chǔ) 1930－40年代，聚合方法及理論發(fā)展。 卡羅瑟斯（Carothers），美國(guó)人。 弗洛里（Paul Flory），美國(guó)人。,大發(fā)展 1950年代，配位聚合（Coordination Polymerization) 齊格勒（Karl Ziegler）， 德國(guó)人。

15、 納塔（Giulio Natta），意大利人。 1960－70年代，高性能化，特種高分子合成 高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等。功能、復(fù)合高分子材料 1980－90年代， 功能高分子： 導(dǎo)體和半導(dǎo)體高分子、 磁性高分子、光敏高分子、 光導(dǎo)高分子、生物醫(yī)用高分子、液晶高分子、

16、 高分子催化劑等等。 高分子合金： 不同的高分子混合。 復(fù)合高分子材料： 與玻璃纖維、碳纖維等復(fù)合，如玻璃鋼等。,四、輝煌的成就,起步晚：20世紀(jì)初 發(fā)展迅猛 成就卓著 舉世矚目,高分子材料的工業(yè)生產(chǎn),塑料 2億噸（2003年）纖維

17、 3790萬(wàn)噸（天然 2410萬(wàn)噸）橡膠 1136萬(wàn)噸（天然 775萬(wàn)噸）塑料增產(chǎn)迅猛，過(guò)去40年，美國(guó)增長(zhǎng)100倍。全世界塑料產(chǎn)量上世紀(jì)90年代初超過(guò)鋼鐵(體積)。,主要國(guó)家生產(chǎn)及消費(fèi)量,國(guó)家 產(chǎn)量（千萬(wàn)噸） 消量（千萬(wàn)噸）美國(guó) 4．8 5．1中國(guó) 1．8

18、4．0德國(guó) 1．6 1．2日本 1．4 1．0 韓國(guó) 1．0 0．5,高分子材料的應(yīng)用,高分子材料無(wú)處不在, 以塑代木、以塑代金屬。 尖端技術(shù): 航天飛行器，衛(wèi)星、火箭等用材。 工業(yè)：電子元器件、電纜、信息記錄

19、儲(chǔ)存?zhèn)鬏數(shù)取?農(nóng)業(yè)：地膜、大棚、滴灌設(shè)備、高吸水樹(shù)脂（1000倍）等。 衣：服裝、防彈衣、消防服等。 食：包裝、不粘鍋等。 ?。貉b飾、門窗、家電、家具等。 行：飛機(jī)、汽車、自行車等交通工具用材。 醫(yī)：接觸眼鏡、一次性醫(yī)療用具、人工臟器等。,塑料 Plastics,通用塑料： 聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、

20、聚氯乙烯等。工程塑料： 尼龍、聚甲醛、聚酯、聚碳酸酯等。特種塑料： 聚四氟乙烯、Kevlar等。,塑料 Plastics,熱塑性塑料 (Thermoplastics) 聚乙烯, Polyethylene： 產(chǎn)量最大，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。 聚丙烯,Polypropylene：最輕的塑料。 聚氯乙烯，Polyvinyl chloride：全能的塑料，價(jià)格低廉。 聚

21、甲基丙烯酸甲酯，Poly(methyl methacylate)：最透明的 塑料，不會(huì)碎的玻璃。,塑料 Plastics,熱固性塑料( Thermosetts) 環(huán)氧樹(shù)脂 (Epoxy resins )：復(fù)合材料，粘合劑等。酚醛樹(shù)脂 (Phenolic resins)：電器絕緣材料等。聚酯樹(shù)脂 (Polyester resins )：玻璃鋼等。,家庭中的

22、聚乙烯制品,聚丙烯制品,含氟聚合物,ABS樹(shù)脂,纖 維 Fibers,天然纖維：棉、麻、絲人造纖維：粘膠纖維 (Viscose fiber)： 醋酸纖維 (Acetate fiber) 硝酸纖維 合成纖維：尼龍（Nylon）：結(jié)實(shí)耐磨 滌綸（Polyester

23、fiber）:最挺括纖維 腈綸：最耐曬的纖維 氯綸：保暖性最好的纖維 丙綸：最輕的纖維特種纖維：碳纖維,,航天飛機(jī)降落傘,,碳纖維復(fù)合材料,Kevlar纖維,,大飛機(jī)制造,碳纖維復(fù)合材料,法拉利F1車隊(duì),賽車底盤由碳纖維和鋁合金制成,天然橡膠 (Natural rubber) ：

24、 綜合性能最好，生產(chǎn)受地域限制。合成橡膠 (Synthetic rubber) 丁苯橡膠 ：產(chǎn)量最大（占80％）。 氯丁橡膠 ：用途廣泛，價(jià)廉物美。 丁腈橡膠 ：耐油性好。 乙丙橡膠 ：比重最輕。 順丁橡膠 ：彈性最好。 丁基橡膠 ：氣密性最好。

25、 硅橡膠 ： 低溫性能最好。 氟橡膠：全能橡膠，在最惡劣條件下使用。,橡 膠 Rubber,橡膠園,輪胎,高彈性—熵彈性,建立了理論體系和實(shí)驗(yàn)方法 高分子化學(xué) 高分子物理 高分子工藝學(xué) 涉及多個(gè)領(lǐng)域 生物、材料、信息、醫(yī)學(xué)、能源等。諾貝爾獎(jiǎng) 高分子領(lǐng)域有數(shù)位科學(xué)家獲獎(jiǎng)。,高分子科學(xué)研究,,高分子科學(xué)與諾貝爾獎(jiǎng)

26、,1953 施陶丁格(Hermann Staudinger)1963 齊格勒(Karl Ziegler)和納塔(Giulio Natta)1974 弗洛里(Paul J. Flory)1991:德讓納(Pierre-Gilles de Gennes) 2000:黑格(Alan J. Hegger)、馬克迪爾米德(Alan G. MacDiarmid)和白川英樹(shù)(Hideki Shirakawa),,高分

27、子科學(xué)Nobel獎(jiǎng)獲得者,突破有機(jī)化學(xué)的傳統(tǒng)觀念，首先提出了高分子的概念，以大量先驅(qū)性工作為高 分子化學(xué)奠基開(kāi)創(chuàng)了高分子 學(xué)科。,“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”,H. Staudinger(德) 1953年化學(xué)獎(jiǎng),,高分子科學(xué)Nobel獎(jiǎng)獲得者,K. Ziegler (德)、G.Natta(意) 1963 化學(xué)獎(jiǎng)

28、 1953年， Ziegler： Ziegler催化劑，低壓聚乙烯合成方法； 1954年， Natta：改進(jìn)Ziegler催化劑，提出有規(guī)立構(gòu)聚丙烯的概念。,,Karl Ziegler,Giulio Natta,“for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers ”,,,I

29、sotactic polymer （全同立構(gòu)聚合物）,Syndiotactic polymer （間同立構(gòu)聚合物）,Stereoregular Polymers,,高分子科學(xué)Nobel獎(jiǎng)獲得者,P.J.Flory（美) 1974 化學(xué)獎(jiǎng) 利用等活性假設(shè)及直接的統(tǒng)計(jì)方法，他計(jì)算了高分子分子量分布，即最可幾分布，并利用動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了等活性假設(shè)；引入鏈轉(zhuǎn)移概念，將聚合物統(tǒng)計(jì)理論用于非線性分子，產(chǎn)生了凝膠理論；Flory-

30、Huggins格子理論；1948年作出了最重要的貢獻(xiàn)，即提出“排除體積” 理論和θ溫度概念；他的著作“Principles of polymer chemistry” （1953）是高分子學(xué)科中的Bible。,“For his fundamental achievements, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of th

31、e macromolecules”,Paul J. Flory,,高分子科學(xué)Nobel獎(jiǎng)獲得者,De Gennes（法) 1991 物理獎(jiǎng) 對(duì)液晶和高分子物質(zhì)有序現(xiàn)象提出了標(biāo)度理論從臨界現(xiàn)象認(rèn)識(shí)分子，在物理-化學(xué)之間架設(shè)了橋梁提出“軟物質(zhì)”概念,“for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems c

32、an be generalized to more complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers ”,De Gennes,,高分子科學(xué)Nobel獎(jiǎng)獲得者,Heeger、 MacDiarmid(美)、 白川英樹(shù)(日) 2000 化學(xué)獎(jiǎng)導(dǎo)電高分子研究，聚乙炔摻雜后，電導(dǎo)率從 3.2x10-6Ω-1cm-1增加到38Ω-1cm-1，提

33、高了1000萬(wàn)倍（接近鋁、銅）提出孤子概念,Alan J. Heeger,1936,Alan G. MacDiarmid,b. 1936,b. 1927,Hideki Shirakawa,白川英樹(shù)（Shirakawa）從事聚乙炔聚合機(jī)理研究 韓國(guó)研修生出現(xiàn)幸運(yùn)的失誤，使白川得到膜狀聚乙炔 偶然的機(jī)遇，麥克迪爾米德（MacDiarmid）首先注意 到白川的聚乙炔膜。三人在美國(guó)合作

34、研究。黑格（Heeger）為了說(shuō)明聚乙炔的導(dǎo)電性，提出孤子的 概念，才有了薄膜顯示材料的誕生。,,,,,,高分子科學(xué)Nobel獎(jiǎng)獲得者,,“For the discovery and development of conductive polymers”,五、發(fā)展前景,可持續(xù)發(fā)展 高分子材料再利用 天然高分子的利用發(fā)展新的高分子合成方法功能、智能高分子超分子高分子及納米結(jié)

35、構(gòu)軟物質(zhì)與 軟物理,可持續(xù)發(fā)展,高分子材料再利用,聚合物的再利用 例如,聚烯烴－柴油 輪胎－瀝青 可降解聚合物的循環(huán)利用 例如，滌綸、有機(jī)玻璃降解為單體。,天然高分子的利用,利用天然高分子生產(chǎn)塑料 淀粉生成塑料。 乳酸生產(chǎn)聚乳酸。 纖維素、甲殼素的利用 功能化，可加工化。天然高分子－生物質(zhì)能

36、源 氣化、液化作為生物質(zhì)油； 利用玉米生成乙醇汽油燃料等。,聚乳酸,,發(fā)展新的高分子合成方法,利用生物方法 如，通過(guò)微生物或酶催化合成聚合物。合成具有生物功能的高分子 如多糖，蛋白質(zhì)，核糖核酸等。人工仿生方法 在環(huán)境友好條件下生成 聚合物。 精確控制組成與結(jié)構(gòu)，如多肽等,功能、智能高分子,電致發(fā)光高分子 聚合物發(fā)光

37、二極管（Polymer light emitting diodes, PLED) 可折疊彩色顯示屏。,40 inch full colour display prototype,PLEDs can be used to provide light of almost any visible hue and beyond,功能、智能高分子,智能高分子（對(duì)環(huán)境有相應(yīng)特性） 高分子凝膠－ 人工肌肉

38、 形狀記憶高分子－ 免熨襯衣、高分子繃帶。 隱身高分子醫(yī)用高分子： 靶向藥物、藥物緩釋 生物活性高分子 生物組織工程，人造器官等。光能轉(zhuǎn)換高分子 聚合物太陽(yáng)能電池: 光電轉(zhuǎn)換率再刷新達(dá)到10.6% （硅：17-20%） 2010年光電轉(zhuǎn)換率最高可達(dá)100

39、% 新型太陽(yáng)能電池研發(fā)成功(98%聚合物，2%硅）,,超分子高分子及納米結(jié)構(gòu),超分子化學(xué)（Supramolecular Chemistry) 利用非共價(jià)鍵(氫鍵、離子建、配位鍵)構(gòu)建高分子材料。高分子自組裝(Polymer Self-assembly) 聚合物空心球（Hollow polymer sphere) 聚合物管（Polymer tube) 分子導(dǎo)線（Mole

40、cular wire)等。 分子器件（Molecular device)納米結(jié)構(gòu)(Nano Structure) 超疏水材料（荷葉的疏水原理）,荷葉托珠,,模擬壁虎腿 (Gecko feet)Dry adhesive based on Van Der Waals interaction,SEM of microfabricated polyimide pillars (diameter 0.5μm