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1、广东生益科技集团公司四川大学高分子科学与工程学院高分子材料与工程系列学术技术讲座 高分子材料与工程的历史、现状和未来 左手征材料发现与研究和对我们的启发 大自然的启示仿生材料四川大学高分子科学与工程学院四川大学高分子科学与工程学院 高分子材料科学与工程高分子材料科学与工程四川大学高分子科学与工程学院四川大学高分子科学与工程学院上天、入地、下海上天、入地、下海高分子科学的由来？高分子科学的由来？第一种高分子材料是什么？第一种高分子材料是什么？高分子科学是如何发展的？高分子科学是如何发展的？高分子科学的现状？高分子科学的现状？高分子科学的未来？高分子科学的未来？问题问题高分子科学的起源“亲爱的同事
2、，放弃你那个大分子的概念吧！亲爱的同事，放弃你那个大分子的概念吧！因为世界上决不存在大分子那样的东西。因为世界上决不存在大分子那样的东西。”H.Staudinger 于十九世纪二十年代后期建立了高分子学科于十九世纪二十年代后期建立了高分子学科这据说是当这据说是当H.Staudinger第一次论证大分子概念时所得到的忠告第一次论证大分子概念时所得到的忠告在Staudinger的理论出现之前，科学界对塑料、橡胶和其他分子量很高的材料的本质认识一直是不清楚的。对19世纪的大多数研究学者来说，分子量超过10,000g/mol的物质似乎是难以置信的，他们把这类物质同由小分子稳定悬浮液构成的胶体系统混为一
3、谈。Staudinger否定了这些物质是有机胶体的观点。他假定那些高分子量的物质，即聚合物，是由共价键形成的真实大分子，并在其大分子理论中阐明了聚合物由长链构成，链中单体（或结构单元）通过共价键彼此连接。较高的分子量和大分子长链特征决定了聚合物独特的性能。尽管一开始他的假设并不为大多数科学家所认可，但最终这种解释得到了合理的实验证实，为工业化学家们的工作提供了有力的指导，从而使得聚合物的种类迅猛地增长。1953年，Staudinger被授予诺贝尔奖。现在人们都已非常清楚：塑料以及橡胶、纤维素、DNA等很多物质都是大分子。高分子就是分子量特别大的物质。通常的分子成为小分子，一般由几个或几十个原子
4、组成，分子量也在几十到几百之间。高分子则不同，它的分子量至少要大于一万，分子一般由几千、几万甚至几十万个原子组成，分子量可到几万、几十万，甚至更高。什么是高分子？1838年，AParker制备出了第一种人造塑料硝酸纤维素，并在1862年伦敦的国际展览会上展出。当时，人们希望该材料能替代象牙一类的天然材料，被称为Parkesine。1840年，Goodyear和Hancock针对天然橡胶开发了“硫化”工序，达到消除粘性增加弹性的目的。通过加入硫磺粉末在橡胶本体中产生了额外的化学键，从而使得天然橡胶性能发生改变。1851年，硬质橡胶实现商品化。1870年，纽约的J.Hyatt在高温高压下制备了低硝
5、酸含量的硝酸纤维素，俗称赛璐珞，并申请了专利。它是第一种具有商业价值的塑料，也是在1907年Bakeland开发出酚醛塑料前唯一的商品塑料。而由苯酚和甲醛反应制得酚醛塑料则是最古老的真正意义上的合成塑料。塑料材料发展的历史回顾一些通用塑料的大致开发时间一些通用塑料的大致开发时间时间时间聚合物名称聚合物名称时间时间聚合物名称聚合物名称1907酚醛树脂1944PET1927聚氯乙烯1947环氧树脂1927醋酸纤维素1948ABS树脂1930丁苯橡胶1955线型聚乙烯1936聚甲基丙烯酸甲酯1957聚丙烯1936聚醋酸乙烯酯1957聚碳酸酯1938聚苯乙烯1960线型低密度聚乙烯1938尼龙6619
6、64离聚物树脂1939聚偏氯乙烯1965聚酰亚胺1941聚四氟乙烯1970热塑性弹性体1942不饱和聚酯1972丙烯腈共聚物1942支化聚乙烯1972乙烯-乙烯醇聚合物1943丁基橡胶1974聚芳酰胺1943尼龙61992茂金属聚合物1943含氟聚合物1994聚萘二甲酸乙二酯高分子材料的特点 质量轻 比强度高 耐腐蚀 电绝缘 易加工 低温韧性好钢铁 金属材料水泥 无机非金属材料木材 天然材料塑料 有机高分子材料四大材料创立高分子化学的施陶丁格创立高分子化学的施陶丁格(Hermann Staudinger 1881-1965)1953年,他以72岁高龄，走上了诺贝尔奖的领奖台。华莱士华莱士H卡罗
7、瑟斯（卡罗瑟斯（Wallace H.Carothers,18961937)支持施陶丁格的高分子学说，发现聚酯，发明尼龙Paul J.Flory(1910-1985)1974年荣获瑞典皇家科学院授予的诺贝尔化学奖。Karl Ziegler(1898-1973)Giulio Natta(1903-1979)1963年12月10日，他们共享诺贝尔化学奖的崇高荣誉。Pierre-Gilles de Gennes1991年被授予诺贝尔物理学奖白川英树白川英树(Hideki Shirakawa)Alan G.MacDiarmidAlan J.Heeger因对导电聚合物的发现和发展而获得2000年度诺贝尔化
8、学奖。Whos next one?高分子材料现状现状和和未来未来高分子材料高分子材料是由分子量很大的物质组成，是由分子量很大的物质组成，高分子材料高分子材料是人类文明活动使用的四大材料（木材、水泥、钢铁、聚合物）之一，是人类文明活动使用的四大材料（木材、水泥、钢铁、聚合物）之一，高分子材料高分子材料是各国高技术发展规划中新材料领域不可缺少的部分。是各国高技术发展规划中新材料领域不可缺少的部分。产量：产量：2.0 亿吨亿吨/年年钢的体积产量的钢的体积产量的1.7倍倍现状：现状：一秒钟世界发生了什么变化？人口增加速度29 人/秒塑料的生产速度6.2 吨/秒（2002）塑料的消费速度5.2 吨/秒（
9、2002）粗钢的生产速度26.8 吨/秒（2002）汽车的生产速度1.77 台/秒（2002）电视的生产速度4 台/秒（1996）释放CO2的速度7.33 吨/秒（2000）冰的融解速度1.6 吨/秒在化学工业创造的产值中有在化学工业创造的产值中有70%来源于高分子相关的产业来源于高分子相关的产业在化学工业的从业人员中有在化学工业的从业人员中有65%左右从事高分子相关的工作左右从事高分子相关的工作高分子正逐渐成为一个独立的学科门类，并正迎接其第三个发展高峰高分子正逐渐成为一个独立的学科门类，并正迎接其第三个发展高峰高分子材料作为一种新型材料正越来越多地应用在国民经济的各个领域，在世界各国的高技
10、术发展规划中都毫不例外地把高分子材料作为重点发展的项目。第一代高分子材料第一代高分子材料：通用高分子材料：通用高分子材料第二代高分子材料第二代高分子材料：工程塑料：工程塑料第三代高分子材料第三代高分子材料：特种工程塑料：特种工程塑料第四代高分子材料第四代高分子材料：导电高分子材料：导电高分子材料第五代高分子材料第五代高分子材料：生物高分子材料：生物高分子材料塑料材料的基本分类：通用高分子材料 工程高分子材料 特种工程高分子材料 高性能高分子材料 功能高分子材料 光电高分子材料 生物高分子材料 天然高分子材料 通用高分子材料 工程高分子材料 特种工程高分子材料 高性能高分子材料 功能高分子材料
11、光电高分子材料 生物高分子材料 天然高分子材料经过短短七十余年的发展，塑料材料已深入到人类社会活动的每一个领域，现在塑料材料已进入更新的阶段：经过短短七十余年的发展，塑料材料已深入到人类社会活动的每一个领域，现在塑料材料已进入更新的阶段：结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件绝缘材料：电缆、绝缘版、电器零件建筑材料：贴面板、地贴、塑料门窗、上下水管包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料日常用品：衣架、盆类、玩具、办公用品、家具交通运输：道路交通设施、车辆部件广泛的用途塑料通用塑料工程塑料特种工程塑料低密度聚乙烯（LDPE)高密度聚乙烯（HDPE)聚丙烯（PP）聚氯乙稀（PVC)聚苯乙烯（PS
12、)聚碳酸酯（PC)聚对苯二酸酯乙二酯（PET)聚对苯二酸酯丁二酯（PBT)聚酰胺（尼龙，PA）聚甲醛（POM）苯乙烯-丁二烯-丙稀腈共聚物（ABS)聚酰亚胺（PI）聚苯硫醚（PPS）聚醚醚酮（PEEK）聚砜（PSU）聚苯醚（PPO）聚苯砜（PPSU)热塑性塑料的基本分类和主要品种项目通用塑料工程塑料极性基本无极性极性强度低高模量低高耐化学性高低耐热温度通常100C低温韧性较高通常较低加 工 性易加工难加工通用塑料与工程塑料的共性比较11.061.081.161.231.311.431.491.5722.12.10.00.51.01.52.02.5199119921993199419951996
13、199719981999200120022003总产量总产量世界塑料原料产量（亿吨）0.250.290.30.320.340.390.460.470.490.540.550.570.00.10.20.30.40.50.6199119921993199419951996199719981999200120022003总产量总产量中国塑料原料产量（亿吨）0.1090.1090.4210.4210.1150.1150.050.050.290.290.1730.1730.00.10.20.30.40.50.00.10.20.30.40.5日本美国德国法国加拿大中国日本美国德国法国加拿大中国国内消费量国
14、内消费量各国塑料的国内消费量（亿吨）8787155155140140828297971515020406080100120140160020406080100120140160日本美国德国法国加拿大中国日本美国德国法国加拿大中国各国塑料的人均消费量（公斤）2.92.94.44.46 66.16.16.56.57.77.79.39.310.810.812.112.114.414.4151515.515.5161617.317.30246810121416180246810121416181990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
15、2001 2002 20031990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003中国历年人均塑料消费量（kg/人）0123456789100123456789101985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 20031985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 2003中国历年塑料在建材领域使用量变化（%）024681012141602468101214161985 1990 199
16、1 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 20031985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 2003中国历年塑料在农业领域使用量变化（%）048121620242804812162024281985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 20031985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 2003中国历年塑料在包装领域使用量变化（%）0246810121416
17、02468101214161985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 20031985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 2003中国历年塑料在电工领域使用量变化（%）包括：电线、电缆、电器、电子行业包括：电线、电缆、电器、电子行业012345601234561985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 20031985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000
18、2001 2002 2003中国历年塑料在交通领域使用量变化（%）0510152025300510152025301985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 20031985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 2003中国历年塑料在日用领域使用量变化（%）02468101214161820024681012141618201985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 20031985 1990 199
19、1 1992 1993 1994 1995 1998 2000 2001 2002 2003中国历年塑料在其它领域使用量变化（%）0510152025303540建材包装电工交通农用日用其它中国中国日本日本德国德国美国美国各国塑料使用的分布情况（%）塑料在汽车中应用的变化情况（%）02468101214161802468101214161870年代80年代90年代00年代70年代80年代90年代00年代各国塑料在汽车上的平均使用量（Kg）050100150200250300050100150200250300德国法国日本美国德国法国日本美国精细的分子构造技术tailortailor不确定不确定度身定做度身定做过去*树枝状聚合物树枝状聚合物DendremerSHOOOOOOOOOOOOOO特点：特点：D 1 自组装性能自组装性能分子自组装模板可能的组装结构可能的组装结构Templates for NanostructuresTemplates for NanostructuresA AB BC C StarblockStarblock CopolymerCopolymer111&111211&111221&111