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材料科学与工程导论 ——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 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； 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 按结构单元的化学组成分类 1. 碳链高分子 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 2. 杂链高分子 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 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 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： 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。 在室温下，为什么有些高分子材料柔软而另外一些刚硬？ 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，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。 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 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 几种典型的高分子材料 聚乙烯（PE） 聚乙烯从1939年开始工业化生产，是目前产量最大，应用最广泛的品种。 低密度聚乙烯（LDPE） 在各种聚乙烯中产量最大，主要用于生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大鹏膜等）；约10%用于生产注塑用品。 线型低密度聚乙烯（LLDPE） 主要用于生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。还用于生产扁丝，制造编织