高分子世界polymerworld-高分子科學與工程系

1、“高分子概論”課程介紹,目的及要求：介紹高分子學科與材料的概貌，希望對 高分子學科有初步的了解。學時及學分：40學時，2學分。學時分配：上課30學時，作業(yè)10學時(寫論文）?？己顺煽儯簩懸黄撐?，不少于3500字，6月14日前交。,課件下載：高分子科學與工程系網頁 “教育培養(yǎng)” “本科生教育” “高分子概論”課件,,,,高分子科學與材料

2、概論課程上課時間表,高分子科學與材料概論第一章 緒 論神奇的高 分 子 世 界 Magic Polymer World,人類從起源以來就與高分子結下了不解之緣,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 對應：低聚物(<10000)－Oligomer 或齊聚物，寡聚物。,什么是聚合反應？,聚合反應－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,結構式：,,,,,,,聚合度：大分子中的重復單元數或結構單元數，n。,分子量：數均分子量 、重均分子量 。,數均聚合度 、重均聚合度 。,聚合物結構類型,線型 Linear Polymer支化型 Branched P

5、olymer交聯型 Crosslinked Polymer星型及樹狀 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、高分子科學與材料,高分子學科 高分子化學（Polymer chemistry) 合成機理、結構設計、控制方法。 高分子物理（Polymer physics)

6、 物理性質、結構與性能的關系。 高分子工藝學（Polymer technology） 合成工藝、加工工藝。后起之秀，生氣勃勃,,石器時代 (Stone age)新石器時代 (Neolithic age)青銅時代 (Bronze age)鐵器時代 (Iron age)高分子時代 (Polymer age),材料與時代,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,地位與關聯,,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,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) 有機玻璃、滌綸、尼龍等。,從來源,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,有機高分子 (Organic Polymer) 主鏈以碳氫為主，如聚乙烯、聚丙烯等。無機高分子 (Inorganic Polymer) 主鏈由雜原子構成, 如SiO2等。復合高分子材料 (Polymer Composite) 聚合物

10、與無機材料復合，如玻璃鋼，輪胎。生物高分子 (Biopolymer) 具有生物功能, 如蛋白質(Protein)、核酸 (Nucleic acid)等。,從組成及功能,高分子材料的特點,質輕：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：高強度（Kevl

11、ar，比強度為鋼的8倍） 高模量 高彈性（伸長率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 我國已使用天然油漆涂飾船只。中國漆(大漆) 1839年，天然橡膠硫化 美國人古德伊爾（Charlers Goodyear）。 1869年，第一種人工塑料 賽璐珞（ Celluloid，硝化纖維素）

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

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

15、 納塔（Giulio Natta），意大利人。 1960－70年代，高性能化，特種高分子合成 高強度、高模量、耐高溫等。功能、復合高分子材料 1980－90年代， 功能高分子： 導體和半導體高分子、 磁性高分子、光敏高分子、 光導高分子、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。 復合高分子材料： 與玻璃纖維、碳纖維等復合，如玻璃鋼等。,四、輝煌的成就,起步晚：20世紀初 發(fā)展迅猛 成就卓著 舉世矚目,高分子材料的工業(yè)生產,塑料 2億噸（2003年）纖維

17、 3790萬噸（天然 2410萬噸）橡膠 1136萬噸（天然 775萬噸）塑料增產迅猛，過去40年，美國增長100倍。全世界塑料產量上世紀90年代初超過鋼鐵(體積)。,主要國家生產及消費量,國家 產量（千萬噸） 消量（千萬噸）美國 4．8 5．1中國 1．8

18、4．0德國 1．6 1．2日本 1．4 1．0 韓國 1．0 0．5,高分子材料的應用,高分子材料無處不在, 以塑代木、以塑代金屬。 尖端技術: 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、儲存?zhèn)鬏數取?農業(yè)：地膜、大棚、滴灌設備、高吸水樹脂（1000倍）等。 衣：服裝、防彈衣、消防服等。 食：包裝、不粘鍋等。 住：裝飾、門窗、家電、家具等。 行：飛機、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： 產量最大，結構最簡單。 聚丙烯,Polypropylene：最輕的塑料。 聚氯乙烯，Polyvinyl chloride：全能的塑料，價格低廉。 聚

21、甲基丙烯酸甲酯，Poly(methyl methacylate)：最透明的 塑料，不會碎的玻璃。,塑料 Plastics,熱固性塑料( Thermosetts) 環(huán)氧樹脂 (Epoxy resins )：復合材料，粘合劑等。酚醛樹脂 (Phenolic resins)：電器絕緣材料等。聚酯樹脂 (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）：結實耐磨 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,,航天飛機降落傘,,碳纖維復合材料,Kevlar纖維,,大飛機制造,碳纖維復合材料,法拉利F1車隊,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，生產受地域限制。合成橡膠 (Synthetic rubber) 丁苯橡膠 ：產量最大（占80％）。 氯丁橡膠 ：用途廣泛，價廉物美。 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驗方法 高分子化學 高分子物理 高分子工藝學 涉及多個領域 生物、材料、信息、醫(yī)學、能源等。諾貝爾獎 高分子領域有數位科學家獲獎。,高分子科學研究,,高分子科學與諾貝爾獎

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(Hideki Shirakawa),,高分

27、子科學Nobel獎獲得者,突破有機化學的傳統觀念，首先提出了高分子的概念，以大量先驅性工作為高 分子化學奠基開創(chuàng)了高分子 學科。,“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”,H. Staudinger(德) 1953年化學獎,,高分子科學Nobel獎獲得者,K. Ziegler (德)、G.Natta(意) 1963 化學獎

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

29、sotactic polymer （全同立構聚合物）,Syndiotactic polymer （間同立構聚合物）,Stereoregular Polymers,,高分子科學Nobel獎獲得者,P.J.Flory（美) 1974 化學獎 利用等活性假設及直接的統計方法，他計算了高分子分子量分布，即最可幾分布，并利用動力學實驗證實了等活性假設；引入鏈轉移概念，將聚合物統計理論用于非線性分子，產生了凝膠理論；Flory-

30、Huggins格子理論；1948年作出了最重要的貢獻，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Nobel獎獲得者,De Gennes（法) 1991 物理獎 對液晶和高分子物質有序現象提出了標度理論從臨界現象認識分子，在物理-化學之間架設了橋梁提出“軟物質”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Nobel獎獲得者,Heeger、 MacDiarmid(美)、 白川英樹(日) 2000 化學獎導電高分子研究，聚乙炔摻雜后，電導率從 3.2x10-6Ω-1cm-1增加到38Ω-1cm-1，提

33、高了1000萬倍（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（Shirakawa）從事聚乙炔聚合機理研究 韓國研修生出現幸運的失誤，使白川得到膜狀聚乙炔 偶然的機遇，麥克迪爾米德（MacDiarmid）首先注意 到白川的聚乙炔膜。三人在美國合作

34、研究。黑格（Heeger）為了說明聚乙炔的導電性，提出孤子的 概念，才有了薄膜顯示材料的誕生。,,,,,,高分子科學Nobel獎獲得者,,“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

35、構軟物質與 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、有機玻璃降解為單體。,天然高分子的利用,利用天然高分子生產塑料 淀粉生成塑料。 乳酸生產聚乳酸。 纖維素、甲殼素的利用 功能化，可加工化。天然高分子－生物質能

36、源 氣化、液化作為生物質油； 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，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。 精確控制組成與結構，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（對環(huán)境有相應特性） 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。光能轉換高分子 聚合物太陽能電池: 光電轉換率再刷新達到10.6% （硅：17-20%） 2010年光電轉換率最高可達100

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

40、cular wire)等。 分子器件（Molecular device)納米結構(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