中北大学研究生材料物理化学教案

材料物理化学（非金属材料部分）材料物理化学：材料本身、材料制备过程、制品加工过程、制品使用过程中，材料的物理化学性能和物理化学变化。第一章材料电化学与光化学（1学时）1．电解、电镀、腐蚀、电铸、电化学抛光、放电腐蚀、蒸汽镀；电解：容器，电解液（导电溶液），电极，直流电回路。电镀：容器，电镀液（导电溶液），金属电极，金属镀件，直流电回路。电铸：电镀原理，腐蚀：原电池原理。利用：如船底阳极保护、金属电镀前酸洗、大孔海绵、大孔金属、纳米注塑。电化学抛光：本质上是腐蚀电化学磨削：腐蚀基础上的磨削放电腐蚀（电蚀）：高频，电火花放电。用于橡塑制品印刷和电镀前表面处理蒸汽镀：高真空环境，金属蒸汽。主要用于高分子材料表面复合一层金属2．压电材料、光电材料（光致发电、电致发光、光/电致变色）；压电材料：特种高分子材料，压力下产生电荷（正电或负电），对外显示正负极，两极接通会放电；原理是电荷暂时转移，压力移除电荷恢复原位；光电材料：光电能量转换光致发电电致发光、光/电致变色3．光化学的应用；聚合物的合成与化学改性反应第二章陶瓷、水泥、玻璃、石膏的基本特性（0.5学时）1、陶瓷：狭义，广义2、水泥：无机高分子硅酸盐3、石膏：硫酸钙，（无水、半水、含水）4、玻璃：无机小分子熔结而成的材料，主要成分二氧化硅，结晶、透明。第三章材料表面物理化学（0.5学时）1．表面自由能、表面相；表面自由能：增大表面积的能力。被变形的能力，即加工容易程度。表面相：热力学严格的定义上将一般用吉布斯分界表面模型来描述。吉布斯把有一定厚度的某个实际表面相换成没有厚度的几何学表面，将这种情况下的各种热力学参量定义成表面过剩量。2．材料表面和内部受外界影响的难易程度温度（湿度、水气中各种成分）影响、压力影响、光线影响、高频波影响、其它物质影响（如水、溶剂等）3．材料表面和内部受发生化学反应的难易程度；与外部环境角度；升温过程；降温过程。第四章材料激发化学（1学时）1．等离子体；核物理学范畴，称为物质第四态2．等离子体化学；特征：反应过程低温化、高效率；易于转化为基团；等离子体固体表面的相互作用应用：制备无机粉末，金属板切割，等离子体蚀刻;溅射成膜和离子镀;等离子体化学气相沉积，金属表面改性;等离子体聚合等离子体聚合是指有机单聚物的单种气体，或者单聚物与其它气体的混合气体感应辉光放电后，由生成的激发单体在基板上制备聚合膜的方法3．核辐射对非金属材料的影响及应用影响：对无机物、有机物（植物、动物、高分子材料），在不同辐射等级情况4．光化学的应用；1）短波光源、2）学气相沉积、3）光激发蚀刻、4）激光制备超细粉、5）烧蚀5．紫外光对聚合物的影响第五章聚合反应的特征与分类（2学时）1．逐步聚合的特征：（1）、相对分子质量随转化率的增高而逐步增大；（2）、在高转化率下才能生成高相对分子质量的聚合物。；逐步缩聚反应分类：按反应机理逐步加聚反应线型逐步聚合反应按聚合物链结构支化、交联聚合反应逐步均聚反应按参加反应的单体逐步共聚反应2．自由基加聚反应；自由基加聚反应主要包括链引发、链增长、链转移和链终止3．离子加聚反应；离子加聚反应与自由基加聚反应类似。根据离子所带电荷的不同可以分为阳离子加聚反应和阴离子加聚反应。4．缩聚反应；缩聚反应又叫逐步增长反应，它是由一种或多种具有可反应的官能团之间的相互作用，缩聚成较大的分子，同时析出水等低分子物质的反应。5．共聚反应；共聚反应是由二种或两种以上的单体参加聚合，生成含有两种或两种以上单体单元的高聚物6．环化与线型聚合反应；环化反应的可能性，环化反应的热力学与动力学条件;线型聚合反应的相对分子质量控制;线型聚合反应中的相对分子质量分布7．支化聚合与交联；支化聚合反应;支化聚合物的相对分子质量分布;交联聚合反应8．自由基聚合反应；9．开环聚合；开环聚合反应是把环醚、环酯等环状单体通过环打开形成线型聚合物的聚合反应。第六章聚合物的化学反应（4学时）1．聚合物的化学反应特性；基团的孤立效应、结晶性、溶解性变化、交联、空间位阻效应、邻近基团效应；2．聚合物侧基的化学反应；纤维素的化学反应;聚醋酸乙烯酯的化学反应;聚烯烃的氯化磺化和氯磺化;PS的磺化、芳环取代反应;环化反应.3．接枝聚合；接枝共聚物的分子键具有支化结构，其主链是由某种单体单元构成的，支链则是由另外一种单体单元构成的较长链段。其合成方法如下：1）、在主链高分子存在下接枝共聚;2）、主链-支链预聚物相互反应法;3）、大分子单体法4．嵌段聚合；嵌段共聚物分子链具有线型结构，是由两种或两种以上不同单体单元各自形成的长链段组成，合成方法有：“活”的聚合物法、预聚物相互反应法、预聚物单体法。5．化学交联；聚合物的化学交联形成体型网状结构常可提高材料的性能。聚合物形成体型交联结构有三种方式：1）交联反应与聚合反应存在;2）天然或合成线型高聚物与小分子交联剂进行交联反应;3）预先合成的低聚物，在主链、侧基或端基含有各种可反应的官能团与小分子化合物反应生成体型网状结构.6．聚合物的降解；降解反应通常指高分子的主链发生断裂的化学过程及侧基的消除反应:1）、聚合物的热降解;2）、聚合物的化学降解;3）、氧化降解;4）、光降解.5）力降解7．聚合物的力化学降解8．聚合物的老化与防老化；高聚物的老化及其特征高聚物的老化高聚物老化的原因高聚物老化的机理防止高聚物老化的途径高聚物的防老化防老剂极其作用机理9．聚合物的燃烧：热固性、热塑性塑料，橡胶第七章聚合物反应挤出及化学改性（4学时）1．反应挤出目前可用于那些材料的制备（由单体到树脂）？反应挤出目前可用于1）、控制流变学，控制聚丙烯的自由基降解以得到相当窄的分子量分布;2）、将马来酸酐、丙烯酸以及其它单体的自由基接枝到聚烯烃上;3）、聚烯烃的低温卤化;4）、聚丙烯的过氧化物控制降解2．挤出聚合目前有哪些聚合反应？尼龙6的阴离子聚合挤出聚合目前的聚合反应PU弹性体3．通过反应挤出过程进行的反应类型；通过反应挤出过程所完成的化学反应类型1）、本体聚合;2）、接枝反应;3）、链间共聚物的形成;4）、交联反应;5）、可控降解;6）、官能团改性;4．接枝反应；在挤出机反应器中发生的接枝包括熔融聚合物与一种或多种能够在聚合物主链上生成接枝链的单体进行的接枝反应。接枝反应的引发主要有：自由基引发剂、电离辐射或使用空气；挤出反应器要求：具有强力混合段，以及能够使聚合物基体以最大的表面积与接枝试剂接触而专门设计的螺杆元件。5．链间共聚物的形成链间共聚物的形成可以定义为两种或两种以上的聚合形成共聚物的反应。在挤出反应器中形成链间共聚物的化学反应方式有：1）、链断裂-再结合；2）、第一种聚合物的端基+第二种聚合物的端基；3）、第一种聚合物的端基+第二种聚合物链上的侧官能团；4）、共价交联；5）、形成离子键；6．偶联/交联反应；偶联/交联反应主要包括：1）、利用缩合剂的交联反应；2）、利用多官能团偶联剂的偶联反应；3）、利用交联剂的交联反应；4）、离子交联作用；7．可控降解；在挤出反应器中，聚合物的可控降解通常涉及到分子量的降低，以满足某些特殊的产品性能标准，或者对生物聚合物而言，大分子的降解以便于释放有价值的低分子量物质。目前可控降解的应用：1）、聚丙烯和其它聚烯烃；2）、聚酯；3）、聚酰胺；4）、生物聚合物（如植物纤维素）；8．聚合物的官能化与官能团改性；反应挤出已被用于将各种各样的官能团引入聚合物大分子，或使已存在于聚合物大分子上的官能团发生改性。包括：1）卤化，2）磺化，3）引入氢过氧化物基团，4）羧酸基团的端基封闭，5）侧链上的羧基或酯基的环化，6）羧酸的中和，7）酯的皂化和酯基转移作用，8)酸酐向醇或胺的转化，9）稳定剂在聚合物大分子上的结合，10）在PVC大分子上的置换反应。9．反应挤出设备与工艺条件；第八章聚合物的基本物理性能（4）1、玻璃态、粘流态、熔融态2、熔体粘弹性3、熔体流动方式与变化4、橡胶塑料的加工温度5、熔体粘度受温度、压力、速度的影响6、结晶与收缩高聚物从熔体开始的结晶过程分三个阶段：1）一级成核：以熔融状态形成晶核的过程；2）二级成核：晶体的生成；3）已生成的片晶的结晶度和厚度增加。7、取向8、拉伸与大拉伸9、塑料的刚性和柔韧性10、橡胶的弹性11、液晶聚合物12、溶解性、渗透性、阻隔性13、记忆性14、热收缩第九章典型塑料------普遍性与特殊性（3）1、PE1）种类聚合：均聚、共聚；分子量：PE蜡、LDPE、MDPE、HDPE、HMWDPE、UHMWDPE特殊：茂金属PE（m-PE）、双峰PE、LLDPE2）分子链结构、支链、基团3）熔化（熔融）：熔点、熔化特征、压力敏感、结晶型4）熔体：粘弹性、温度敏感、弹性、出口膨胀、制品密实程度、热降解；5）熔体流动：流动方式、剪切敏感程度、取向、熔体破裂；6）取向及其后续影响：性能、收缩率、记忆效应、记忆效应的典型应用：热收缩薄膜PE管道快速开裂7）凝固结晶：A、从熔体到125℃无成核；B、125℃~100℃，异相成核；C、100℃~85℃，二级异相成核；D、85℃以下均相成核。晶体结构类型、结晶对性能的影响8）后收缩现象与原因收缩率大且范围宽9）耐光性差10）原料储存稳定性差，交联，11）对热敏感，对氧敏感12）燃烧特点与阻燃2、PP1）种类2）分子链结构、支链、基团3）熔化特性：熔点、压力敏感、温度敏感4）熔体特性：粘弹性、温度敏感、出口膨胀5）熔体流动特性：剪切敏感、剪切变稀、取向6）凝固结晶晶体结构类型结晶对性能的影响7）原料储存稳定性差氧化8）耐光性差9)对氧敏感，与过氧化物作用现象10）热降解11）燃烧特点与阻燃3、ABS教材名称：张留成主编，《高分子材料导论》，化学工业出版社，1993.5参考资料：[美]马里诺.赞索斯编著,瞿金平等译,《反应挤出—原理与实践》，化学工业出版社，1999.7