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1、金属材料金属材料长盛不衰长盛不衰 金属材料与人类文明金属材料与人类文明 从神秘的形状记忆合金到未来能源材料之星储氢合金从神秘的形状记忆合金到未来能源材料之星储氢合金无机非金属材料无机非金属材料陶瓷、玻璃、水泥陶瓷、玻璃、水泥 从一个古老的材料王国到现代无机材料的再度辉煌。从一个古老的材料王国到现代无机材料的再度辉煌。威力无比的先进结构陶瓷到奇妙无穷的功能陶瓷。威力无比的先进结构陶瓷到奇妙无穷的功能陶瓷。年轻的高分子材料年轻的高分子材料千姿百态千姿百态 20世纪新兴的材料王国现代生活的高分子材料世纪新兴的材料王国现代生活的高分子材料 功能高分子各显神通功能高分子各显神通先进的复合材料先进的复合材
2、料巧夺天工巧夺天工新型功能材料新型功能材料人类文明进步的阶梯人类文明进步的阶梯 生物材料、信息材料、环境材料、纳米材料、能源材料和智能材料生物材料、信息材料、环境材料、纳米材料、能源材料和智能材料材料人类社会文明大厦的基石材料人类社会文明大厦的基石 高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是建立高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。础上逐渐发展而成的一门新兴学科。高高 分分 子子 科科 学学高高 分分 子子 化化 学学研究聚合反应和
3、高分子化学反应原理，研究聚合反应和高分子化学反应原理，选择原料、确定路线、寻找催化剂、制选择原料、确定路线、寻找催化剂、制订合成工艺等。订合成工艺等。研究聚合物的结构与性能的关系，为设研究聚合物的结构与性能的关系，为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。是沟通合成与应用的桥梁。高高 分分 子子 物物 理理高高 分分 子子 加加 工工研究聚合物加工成型的原理与工艺。研究聚合物加工成型的原理与工艺。高分子科学高分子科学 1.1高分子材料科学的发展高分子材料科学的发展 远古时期远古时期天然高分子材料已得到应用天然高分子材料已得到应用 （皮毛
4、、天然橡胶、皮毛、天然橡胶、棉花、虫胶、蚕丝、木材等）棉花、虫胶、蚕丝、木材等）15世纪，美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。世纪，美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。19世纪中期到后期世纪中期到后期天然高分子的改性和加工工艺得到天然高分子的改性和加工工艺得到开发开发 1839年美国人年美国人Goodyear发明了天然橡胶的硫化发明了天然橡胶的硫化 1855年英国人年英国人Parks实现硝化纤维产业化实现硝化纤维产业化 1870年年Hyatt制得赛璐珞塑料（硝化纤维制得赛璐珞塑料（硝化纤维+樟脑樟脑+乙醇高压共热）乙醇高压共热）1887年，法国人年，法国人Chardonnet用
5、硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。第一种人造丝。高分子材料种类的涌现高分子材料种类的涌现 20世纪初世纪初合成高分子得到开发和应用合成高分子得到开发和应用 1907年，年，Baekeland为寻找虫胶的代用品，第一次用人工方法合成为寻找虫胶的代用品，第一次用人工方法合成酚醛树脂酚醛树脂 1926年，美国年，美国Semon合成了聚氯乙烯合成了聚氯乙烯 1930年，合成聚苯乙烯年，合成聚苯乙烯 1933年，英国年，英国ICI公司高压聚乙烯问世公司高压聚乙烯问世 1935年，年，杜邦公司杜邦公司CarothersCarothers第一次用人工方法制成合成
6、纤维第一次用人工方法制成合成纤维尼龙尼龙6666 1953年，低压年，低压PE，PP被聚合被聚合 高分子材料种类的涌现高分子材料种类的涌现 通过控制苯酚和甲醛的摩尔比通过控制苯酚和甲醛的摩尔比以及反应的以及反应的pHpH值，可以合成出两种值，可以合成出两种性能不同的酚醛树脂：性能不同的酚醛树脂：（1 1）自固化热固性酚醛树脂：）自固化热固性酚醛树脂：带羟甲基带羟甲基 （2 2）热塑性酚醛树脂：酚基与）热塑性酚醛树脂：酚基与亚甲基连接，不带羟甲基亚甲基连接，不带羟甲基返回返回涤纶，聚对苯二甲酸乙二醇涤纶，聚对苯二甲酸乙二醇 酯（酯（PETPET）尼龙尼龙6666（聚己二酰己二胺）（聚己二酰己二胺
7、）返返回回19401940年，英国的温费尔德年，英国的温费尔德高分子（高分子（Macromolecular，Polymer）概念的形成和高分子科概念的形成和高分子科学的出现始于学的出现始于20世纪世纪20年代。年代。高分子理论和聚合方法上的突破高分子理论和聚合方法上的突破胶体理论胶体理论聚合物聚合物淀粉淀粉水解产物葡萄糖水解产物葡萄糖葡萄糖缔合体葡萄糖缔合体天然橡胶天然橡胶裂解产物异戊二烯裂解产物异戊二烯二聚环状结构缔合体二聚环状结构缔合体 高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应（聚合）用化学键连接在一起的（聚合）用化学键连接在一起的
8、高分子理论和聚合方法上的突破高分子理论和聚合方法上的突破p1920年德国年德国Staudinger发表了发表了“论聚合论聚合”的论文，提出高分子物质是由具有相同化学的论文，提出高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应结构的单体经过化学反应(聚合聚合)，通过化学，通过化学键连接在一起的大分子化合物。键连接在一起的大分子化合物。p1932年出版了划时代的巨著年出版了划时代的巨著高分子高分子有机化合物有机化合物，成为高分子化学作为一，成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。门新兴学科建立的标志。p1953年诺贝尔奖年诺贝尔奖 Paul J.Flory建立了高分子长链结建立了高分子长链结构的
9、数学理论（构的数学理论（1948年）年）推出高分子溶液的热力学性质推出高分子溶液的热力学性质,使使粘度、扩散、沉降等宏观性质与分子粘度、扩散、沉降等宏观性质与分子微观结构有了联系。微观结构有了联系。高分子理论和聚合方法上的突破高分子理论和聚合方法上的突破1974年诺贝尔奖年诺贝尔奖p19531953年年德国人德国人齐格勒齐格勒 TiCl4+Al(C2H5)3低压聚乙烯；低压聚乙烯；p意大利人意大利人纳塔纳塔 TiCl3+Al(C2H5)3等规立构聚丙等规立构聚丙烯烯p19631963年齐格勒、纳塔获得年齐格勒、纳塔获得诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖。高分子理论和聚合方法上的突破高分子理论和聚合方法上
10、的突破Karl Ziegler 18981973Giulio Natta 19031979石油裂解产物得石油裂解产物得到充分利用到充分利用定位聚合的实现定位聚合的实现p19561956年，美国年，美国SzwarcSzwarc提出活性聚合概念提出活性聚合概念 高分子进入分子设计时代。高分子进入分子设计时代。高分子理论和聚合方法上的突破高分子理论和聚合方法上的突破活性聚合的实现活性聚合的实现Styrene-Butadiene-StyreneSBS弹性体弹性体HardHardSoft 高分子理论和聚合方法上的突破高分子理论和聚合方法上的突破接枝共聚（接枝共聚（graft）ABS树脂树脂交替共聚（交替
11、共聚（alternating）高分子理论和聚合方法上的突破高分子理论和聚合方法上的突破导电聚合物的发现和发展导电聚合物的发现和发展 20世纪世纪70年代中期发现的导电高分子，改变了长期以来人们对高分子只能年代中期发现的导电高分子，改变了长期以来人们对高分子只能是绝缘体的观念，进而开发出了具有光、电活性的被称之为是绝缘体的观念，进而开发出了具有光、电活性的被称之为“电子聚合物电子聚合物”的的高分子材料，有可能为高分子材料，有可能为21世纪提供可进行信息传递的新功能材料。世纪提供可进行信息传递的新功能材料。Hideki Shirakawa,Alan G.MacDiarmid,Alan J.Heeg
12、er（2000年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）性性 质质 和和 用用 途途塑塑 料料纤纤 维维橡橡 胶胶涂涂 料料胶粘剂胶粘剂功能高分子功能高分子以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。具有可逆形变的高弹性材料。具有可逆形变的高弹性材料。纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。倍。涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料保护作用的聚合物材料能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在能通过粘合的方
13、法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料一起的聚合物材料具有特殊功能与用途但用量不大的精细具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料高分子材料1.2 高分子材料的应用高分子材料的应用1.2.11.2.1塑料塑料18701870年年3131岁的印刷工人约翰岁的印刷工人约翰 海厄海厄特发明特发明赛璐珞赛璐珞（硝化纤维（硝化纤维+樟脑）樟脑）19071907年贝克兰德年贝克兰德发明发明酚醛树脂酚醛树脂30、40年代年代合成高分子蓬勃发展时期：特别是乙烯类单体的自由基聚合成高分子蓬勃发展时期：特别是乙烯类单体的自由基聚合，如合，如PVC、PS、PMMA、高压高压PE；50年代年代高分子化学的历史性发
14、展时期：低压高分子化学的历史性发展时期：低压PE、PP；60年代年代由于航空航天的需要而出现高温高分子的研究热：工程塑料由于航空航天的需要而出现高温高分子的研究热：工程塑料 塑料的分类塑料的分类按受热行为分按受热行为分热塑性塑料热塑性塑料按使用范围和用途分按使用范围和用途分通用塑料通用塑料线型结构，线型结构，能能重复进行重复进行熔熔融、加工，融、加工，能能溶于适当溶于适当溶溶剂剂热固性塑料热固性塑料立体网状结构，固化后受热立体网状结构，固化后受热不熔不熔融，在溶剂中也融，在溶剂中也不不溶溶解解工程塑料工程塑料通用工程塑料通用工程塑料特种工程塑料特种工程塑料PE、PP、PVC、PS、酚醛树脂、氨
15、基树脂酚醛树脂、氨基树脂PA、PC、POM、PPO等等PI、PSF、PPS、PEEK、PTFE等等（100150）（150）现代生活中的高分子材料塑料现代生活中的高分子材料塑料现代生活中的高分子材料工程塑料现代生活中的高分子材料工程塑料1.2.2 1.2.2 橡胶橡胶橡橡树树之之泪泪天然橡胶天然橡胶硫化橡胶硫化橡胶合成橡胶合成橡胶1818世纪法国人在南世纪法国人在南美发现野生橡胶树美发现野生橡胶树1919世纪中叶，英国世纪中叶，英国人取橡胶树的种子人取橡胶树的种子在斯里兰卡种植成在斯里兰卡种植成功功逐渐扩大到马来西逐渐扩大到马来西亚与印尼等地亚与印尼等地 橡胶的特性：橡胶的特性：大分子链具有足
16、够的柔性；大分子链具有足够的柔性；Tg比室温低得多，在很宽的温度范围具有优异的弹性比室温低得多，在很宽的温度范围具有优异的弹性 橡胶的分类：橡胶的分类：天然橡胶天然橡胶特种合成橡胶特种合成橡胶通用合成橡胶通用合成橡胶合成橡胶合成橡胶丁苯、顺丁、乙丙、丁基、丁苯、顺丁、乙丙、丁基、氯丁橡胶等氯丁橡胶等丁腈、硅、氟、丙烯酸酯橡胶等丁腈、硅、氟、丙烯酸酯橡胶等现代生活中的高分子材料橡胶现代生活中的高分子材料橡胶1.2.3 1.2.3 纤维纤维天然纤维天然纤维人造纤维人造纤维合成纤维合成纤维动物纤维：蚕丝、羊毛等动物纤维：蚕丝、羊毛等植物纤维：棉花、麻等植物纤维：棉花、麻等矿物纤维：石棉等矿物纤维：石
17、棉等再生蛋白质纤维再生蛋白质纤维再生纤维素纤维：粘胶纤维、铜铵纤维再生纤维素纤维：粘胶纤维、铜铵纤维纤维素酯纤维：二乙酯、三乙酯纤维纤维素酯纤维：二乙酯、三乙酯纤维杂链纤维杂链纤维碳链纤维碳链纤维尼龙尼龙涤纶涤纶氨纶氨纶腈纶腈纶维伦维伦氯纶氯纶丙纶丙纶合成纤维合成纤维长丝纤维长丝纤维短纤维短纤维单丝：一根连续纤维单丝：一根连续纤维复丝：复丝：8100单丝组成单丝组成棉型：棉型：2538mm，主要用于与棉混纺主要用于与棉混纺中长型：中长型：5176mm毛型：毛型：70150mm，主要用于与羊毛混纺主要用于与羊毛混纺(km)(几几十几十几cm)按加工长度分：按加工长度分：合成纤维合成纤维常规纤维常
18、规纤维特种纤维特种纤维按按用途分：用途分：尼龙（锦纶）尼龙（锦纶）涤纶、维纶涤纶、维纶丙纶丙纶高功能纤维：医用功能纤维、光导纤维等高功能纤维：医用功能纤维、光导纤维等高性能纤维：氨纶、芳纶纤维、碳纤维等高性能纤维：氨纶、芳纶纤维、碳纤维等纤维的特点：纤维的特点：长度比直径大很多长度比直径大很多 具有一定的柔韧性具有一定的柔韧性1.2.4 涂料涂料涂布在物体表面而形成的具有保护和装饰作用的膜层材料涂布在物体表面而形成的具有保护和装饰作用的膜层材料多组分体系：多组分体系：主要成膜物质、颜料、溶剂三种组分，此外还包括主要成膜物质、颜料、溶剂三种组分，此外还包括填充剂、增塑剂、增稠剂、稀释剂等；填充剂
19、、增塑剂、增稠剂、稀释剂等；发展方向发展方向：水性涂料、粉末涂料、电泳涂料、光固化涂料等：水性涂料、粉末涂料、电泳涂料、光固化涂料等 保护作用保护作用：防腐、增加物体表面硬度；防腐、增加物体表面硬度；装饰作用装饰作用：可赋予物体表面丰富的色彩，还可修饰物体表面缺陷；可赋予物体表面丰富的色彩，还可修饰物体表面缺陷；标志作用标志作用：利用不同色彩来标示警告、危险、安全、前进、停止等利用不同色彩来标示警告、危险、安全、前进、停止等信号；信号；特殊功能特殊功能：隔热、防污、阻燃、导电、隐身（吸收电磁波）、阻尼隔热、防污、阻燃、导电、隐身（吸收电磁波）、阻尼（吸收声波）、示温等。（吸收声波）、示温等。作
20、用：作用：1.2.4 涂料涂料2005年涂料行业发展报告年涂料行业发展报告1.2.5 胶粘剂胶粘剂是一种把各种材料紧密粘合起来的物质是一种把各种材料紧密粘合起来的物质一般为多组分体系：聚合物、固化剂、增塑剂、填料和溶剂等。一般为多组分体系：聚合物、固化剂、增塑剂、填料和溶剂等。按主要成分分：按主要成分分：胶粘剂胶粘剂合成胶粘剂合成胶粘剂天然胶粘剂天然胶粘剂无机胶粘剂无机胶粘剂有机胶粘剂有机胶粘剂动物胶：骨胶、虫胶、鱼胶动物胶：骨胶、虫胶、鱼胶植物胶：淀粉、松香、阿拉伯树胶植物胶：淀粉、松香、阿拉伯树胶矿物胶：沥青、矿物腊矿物胶：沥青、矿物腊热塑性树脂：热塑性树脂：PVAc、PVA、PA热固性树
21、脂：酚醛、环氧热固性树脂：酚醛、环氧橡胶型：氯丁、丁腈、硅橡胶等橡胶型：氯丁、丁腈、硅橡胶等按使用形式分：按使用形式分：单组分胶粘剂单组分胶粘剂 双组分胶粘剂双组分胶粘剂1.2.5 胶粘剂胶粘剂按按形态分：形态分：胶粘剂胶粘剂水性胶水性胶溶剂型胶：氯丁、丙烯酸酯类等溶剂型胶：氯丁、丙烯酸酯类等无溶剂型胶：环氧无溶剂型胶：环氧热熔胶：热熔胶：SBS、EVA压敏胶压敏胶水溶液：水溶液：水乳液水乳液：考虑点：被粘物、使用条件、环保、价格等考虑点：被粘物、使用条件、环保、价格等1.2.6 1.2.6 功能高分子材料功能高分子材料化学功能高分子材料化学功能高分子材料 反应性高分子材料：高分子试剂、高分子
22、催化剂反应性高分子材料：高分子试剂、高分子催化剂 高吸水性高分子材料高吸水性高分子材料 离子交换树脂离子交换树脂 高分子膜高分子膜光光功能高分子材料功能高分子材料液晶高分子液晶高分子固态向液态转换时形成的一种具有特殊性质固态向液态转换时形成的一种具有特殊性质的中间相态，既具有液体的流动性，又具有晶体的双折射等的中间相态，既具有液体的流动性，又具有晶体的双折射等光学各向异性；光学各向异性；分子中具有刚性棒状结构。分子中具有刚性棒状结构。制造具有高强度、高模量的纤维材料制造具有高强度、高模量的纤维材料高分子液晶显示材料高分子液晶显示材料光开关光开关 在塑料中加入蓄在塑料中加入蓄光型发光材料经加工光
23、型发光材料经加工就可制成发光塑料。就可制成发光塑料。发光塑料是近年来兴发光塑料是近年来兴起的一种高附加值新起的一种高附加值新型功能材料。其产品型功能材料。其产品如：交通领域通道标如：交通领域通道标识、楼梯标识、标志识、楼梯标识、标志线；发光涂料、发光线；发光涂料、发光开光、发光壁纸、工开光、发光壁纸、工艺品、玩具、体育休艺品、玩具、体育休闲用品。闲用品。发光高分子材料发光高分子材料发光高分子材料发光高分子材料导电高分子导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。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，并目前，它已成为一门新型的多学科交叉的研究领域
24、，并在世界范围内吸引了一大批材料设计专家。在世界范围内吸引了一大批材料设计专家。电电功能高分子材料功能高分子材料 在共轭聚合物中掺杂碘以后，其电导率在104S/m左右，可以满足实际应用需要。发光二极管发光二极管太阳能电池太阳能电池生物功能高分子材料生物功能高分子材料生物功能高分子材料：用于与生物体接触以形成特定功能生物功能高分子材料：用于与生物体接触以形成特定功能并相互作用的无生命材料。并相互作用的无生命材料。生物功能高分子材料生物功能高分子材料医用高分子材料医用高分子材料药用高分子（药物）药用高分子（药物）仿生高分子材料仿生高分子材料l骨骼骨骼-肌肉系统修复和替换材料：肌肉系统修复和替换材料
25、：骨、牙、关节、肌腱骨、牙、关节、肌腱等等l软组织材料：软组织材料：皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等等l心血管系统材料：心血管系统材料：人工心瓣膜、血管、心血管内插管等人工心瓣膜、血管、心血管内插管等l医用膜材料：医用膜材料：血液净化膜、分离膜、角膜接触镜等血液净化膜、分离膜、角膜接触镜等l组织粘合剂和缝线材料组织粘合剂和缝线材料l临床诊断及生物传感器材料临床诊断及生物传感器材料l齿科材料齿科材料医用高分子材料医用高分子材料5050年代起，缓释型药物制剂年代起，缓释型药物制剂 药用高分子材料药用高分子材料控释型药物制剂、控释型药物制剂、靶向型药物制剂、靶向型药物制
26、剂、智能型药物制剂智能型药物制剂药物载体：药物载体：1.2.7 聚合物基复合材料聚合物基复合材料热固性聚合物基复合材料热固性聚合物基复合材料热塑性聚合物基复合材料热塑性聚合物基复合材料基体为聚合物；基体为聚合物；分散相为无机物分散相为无机物（粒料、纤维、片状材料等）（粒料、纤维、片状材料等）无机相的作用无机相的作用:增强：增强：PI、PBI的的复合体系用于航空；复合体系用于航空；PA、环氧复合体用于汽车制造环氧复合体用于汽车制造 导电：导电：PDFC/C 阻隔（气体等）：阻隔（气体等）：优点：优点：优异的力学性能、明显的减重效果，另外还可赋予其优异的力学性能、明显的减重效果，另外还可赋予其它特殊功能。它特殊功能。分类：分类：组成：组成：1.2.8 聚合物合金聚合物合金物理共混：机械、溶液、乳液共混物理共混：机械、溶液、乳液共混化学共混：溶液接枝、互穿网络化学共混：溶液接枝、互穿网络优点：优点：集中不同聚合物的优点。集中不同聚合物的优点。制备方法制备方法：ABS、SBS、HIPS等等