广工大《高分子材料基础》讲稿(1,2章)-14学时

高分子材料基础第一、二章1主讲:陈绮丽高分子材料基础第一、二章2参考书材料加工原理（高分子材料加工部分）1.材料科学基础刘智恩主编西北工业大学§2.5分子相§3.5陶瓷、聚合物的凝固§6.6聚合物的变形2.材料加工原理第五章高分子材料加工原理3.高分子材料基础张留成瞿雄伟丁会利编著化学工业出版社教材出版中心第一章，第二章§2.1，第三章，第四章§4.14.高分子材料流变学吴其晔巫静安高等教育出版社第一章，§2.4，§2.5，§2.6，第五章；§6.2，§7.2；§8.1，§9.1；§9.2高分子材料基础第一、二章3建议复印《高分子材料基础》资料《高分子材料基础》张留成瞿雄伟丁会利编著化学工业出版社教材出版中心第一章材料科学概述第二章高分子材料的制备反应§2.1高分子与高分子材料（复印P26-30）第三章高分子材料的结构与性能§3.1聚合物结构（复印P94-110）第四章通用高分子材料§4.1塑料（复印P160-186）高分子材料流变学（借用）吴其晔巫静安高等教育出版社高分子材料基础第一、二章4建议复印《流变学》资料《高分子材料流变学》吴其晔巫静安编高等教育出版社第一章：绪论（P1-14）第二章基本物理量和高分子液体的基本流变性质（P36-65）[备注：第二章可以只复印（P36-39）或（P36-65）]4.非牛顿流体的分类（P36-39）5.关于剪切粘度的深入讨论第五章输送过程的基本方程及基本流动形式（P158-172）第七章高分子材料典型加工过程的流变分析2.挤出过程（P222-232）第八章注塑成型过程及注塑模具计算机辅助设计中的流变学问题1．注塑成型过程的流变分析（P255-262）第九章高分子熔体流动不稳定性及滑壁现象1.挤出成型过程中的熔体破裂行为（P286-292）高分子材料基础第一、二章5第一章材料科学概论1.1材料与材料科学1.2材料结构简述高分子材料基础第一、二章61.1材料与材料科学1.1.1材料及材料化过程(材料工艺过程)材料——具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质称为材料。材料总是和一定的用场相联系。材料可由一种物质或若干种物质构成。同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用场各异的不同类型的材料。例如：聚丙烯——聚合反应聚丙烯塑料——纺丝加工腈纶（聚酯纤维——涤纶，聚酰胺纤维——锦纶）材料是物质，但不是所有的物质都是材料，如燃料、化学原料、工业化学品、食品和药品，一般都不算材料，金属、陶瓷、聚合物、玻璃、木材、石头、半导体等都是材料。由化学物质或原料转变成适应于一定用场的材料，其转变过程称为材料化过程或材料工艺过程。高分子材料基础第一、二章71.1.2材料的类别材料分类化学组成分类状态分类作用分类金属材料无机材料有机材料气态液态固态单晶材料多晶材料非晶材料复合材料使用领域结构材料功能材料建筑材料耐火材料研磨材料电子材料耐蚀材料医用材料黑色金属有色金属高分子材料基础第一、二章8金属材料黑色金属——主要以铁—碳为基的合金，包括碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁。钢的性能主要由渗碳体的数量、尺寸、形状及分布决定的。有色金属——除铁之外的纯金属或以其为基的合金。如铝合金、铜合金、镁合金、钛合金等无机材料——是由无机化合物构成的材料，其中包括如锗、硅、碳之类的单质所构成的料。有机材料（高分子材料）——是由脂肪族和芳香族的C—C共价键为基本结构的高分子构成的，也称为有机材料。高分子材料可分为天然有机材料和人工合成有机材料。复合材料——是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，用适当的工艺方法组合起来，而得到的具有复合效应的多相固体材料称之为复合材料。复合效应——是指通过复合所得的产物性能优于组成它的材料或具有新的性能特点。如玻璃纤维增强塑料、钢筋混凝土等。根据构成原料在复合材料中的形态，可分成基体材料和分散材料。1.1.2材料的类别高分子材料基础第一、二章91.1.3材料科学的范畴及任务材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学。其研究内容：1、从化学的角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系规律；2、从物理学角度出发，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系。在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学依据。高分子材料基础第一、二章101.2.3非晶体结构和晶体结构原子排列无序排列短程有序而长程无序长程有序材料一般以固体状态使用。按固体中原子排列的有序程度，固体有非晶态结构、结晶态结构。非晶态结构：原子排列近程有序而长程无序的结构。晶态结构：原子在三维空间呈周期性的无限有序排列结构。高分子材料基础第一、二章11高分子材料基础第一、二章12高分子材料基础第一、二章13晶体结构与非晶体结构的不同点相关性质晶体结构非晶体结构（无定型结构）（玻璃态结构）构成物质的微粒（离子、原子、分子）排列有规则不规则排列熔点有固定熔点无固定熔点某些物理性能各向异性各向同性（塑性变形较大，导热率和热膨胀性较小）高分子材料基础第一、二章141.3材料性能的材料的性能特征性能功能物性热学性能力学性能电学性能磁学性能光学性能化学性能热-电转换性能光-热转换性能光-电转换性能力-电转换性能磁-光转换性能电-光转换性能声-光转换性能高分子材料基础第一、二章151.4材料工艺及其与结构和性能的关系高分子材料工艺过程材料的制备工艺过程材料加工工艺过程注射工艺挤出工艺压缩成型聚合工艺缩聚工艺吹塑成型压延加工纺丝工艺高分子材料基础第一、二章16第2章高分子材料的制备反应2.1高分子与高分子材料2.1.1基本概念2.1.2命名2.1.3分类2.1.4高分子材料的组成和成型加工2.1.5聚合反映2.2连锁聚合反应高分子材料基础第一、二章172.1.1基本概念高分子化合物常简称高分子，是由成百上千个原子组成的大分子构成的。大分子是由一种或多种小分子通过主价键一个接一个地连接而成的链状或网状分子。一般分子量在10000以上者常称为高分子化合物（亦称聚合物）。例聚氯乙烯大分子是由氯乙烯结构单元重复连接而成的…—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—…∣∣∣ClClCl为方便起见，可缩写成--(-CH2—CH--)n--∣Cl—CH2—CH—是结构单元，也是重复结构单元（简称重复单元）亦链节。∣Cl形成结构单元的分子称作单体，n表示重复单元数，又称聚合度，它是衡量分子量大小的一个指标。高分子材料基础第一、二章18高聚物的基本特性1.相对分子量很大，一般在一万以上甚至更高。2.合成高聚物的化学组成比较简单，分子结构有规律性。3.合成聚合物的分子形态是多种多样的。4.一般高分子化合物实际上是由相对分子质量大小不等的同系物组成的混合物，其相对分子质量只具有统计平均的意义。5.由于高分子化合物相对分子质量很大，因而具有与低分子同系物完全不同的物理性能。高分子材料基础第一、二章19聚合物高分子化合物一般又称聚合物，包括高聚物和低聚物。高聚物——它是由大分子构成，构成大分子的重复单元很多，增减几个单元并不影响其物理性能，一般称此种聚合物为高聚物。低聚物——构成大分子的结构单元较少，增减几个单元对聚合物的物理性能有明显的影响，则成为低聚物。均聚物——由一种单体聚合而成的聚合物称均聚物。如聚乙烯、聚氯乙烯等；共聚物——由两种或两种以上单体共聚而成的聚合物称共聚物。如聚丙烯有均聚PP和共聚PP，共聚PP由丙烯单体加入少量PE单体共聚而成，具有较高的抗冲击强度。例如：氯乙烯+醋酸乙烯共聚氯乙烯-醋酸乙烯共聚物--(-CH2—CH—CH2—CH--)n--∣∣ClOCOCH3高分子材料基础第一、二章202.1.2命名化学名称:根据大分子链的化学结构而确定的名称。1、以单体或假想单体名称为基础，前面冠以“聚”字，就成为聚合物的名称如：聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯2、重要的杂链聚合物，通常采用化学分类名称，它是以该材料中所有品种所共有的特征化学单元为基础的。如:苯酚和甲醛——的反应产物称为——酚醛树脂3、合成橡胶一般是共聚物，常从共聚单体中各取一字，后附“橡胶”，如：丁二烯、苯乙烯共聚丁苯橡胶；乙烯、丙烯共聚乙丙橡胶聚合物的三组独立名称化学名称保护商品名称专利商标名称习惯名称高分子材料基础第一、二章212.1.2命名商品名称（专利名称）——是由材料制造商命名的，突出所指的是商品或品种，一般是按商号章程设计。习惯名称——是人们沿用已久的习惯叫法。如：聚酰胺类——称：尼龙聚对苯二甲酸乙二醇酯——称：涤纶聚合物缩写聚合物缩写聚合物缩写丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS聚氯乙烯PVC聚丙烯PP聚酰胺PA聚乙烯PE聚苯乙烯PS高分子材料基础第一、二章222.1.3分类2.1.3.1按大分子链结构分类碳链聚合物：是指大分子链完全由碳原子组成。例：聚乙烯━CH2━CH2━聚丙烯━CH2━CH━│CH3杂链聚合物：是指大分子链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂质。例：聚甲醛━O━CH2━尼龙6━NH━(CH2)5━CO━元素有机聚合物：是指大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝、氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机团如甲基、乙基、芳基等组成。CH3│例：硅橡胶━O━Si━│CH3高分子材料基础第一、二章232．1．3．2按性能和用途分类根据以聚合物为基础组分的高分子材料的性能和用途分类：可分为橡胶、纤维、塑料:产量最大，与国民经济、人民生活关系密切故称为“三大合成材料”黏合剂:是指具有良好的粘合性能，可将两种相同或不相同的物体粘接在一起的连接材料涂料:是涂布于物体表面能结成坚韧保护膜的涂装材料功能高分子:是指在高分子主链和侧枝上带有反应性功能基团，并具有可逆或不可逆的物理功能或化学活性的一类高分子高分子材料基础第一、二章24聚合物的分类分类原则类型特征或举例按聚合物来源天然高聚物如天然胶、纤维等人造及合成高聚物如聚乙烯、聚酰胺等按聚合反应的类型加聚高聚物如聚烯烃等缩聚高聚物如酚醛、环氧等高聚物按聚合物的工艺性塑料有固定形状、热稳定性与机械强度橡胶具有高弹性、可作弹性及密封材料纤维单丝强度高、多用作纺织材料涂料涂布于物体表面，可形成坚固的防护膜胶粘剂能将两种材料粘接在一起，形成很牢固的物质按高分子的几何结构线性高聚物高分子为线型或支链型结构体形高聚物高分子为网状或体型结构按高聚物的热行为热塑性高聚物线型（或支链）分子结构，可熔可溶热固性高聚物体型（或网状）分子结构，不熔不溶按高聚物的主链结构碳链高聚物—C—C—C—C—C—C—杂链高聚物—C—C—O—C--;--C—C—N—元素有机高聚物--O—Si—O—Si—O--高分子材料基础第一、二章252.1.5聚合反应聚合反应——由低分子单体合成的反应称为聚合反应。1．根据聚合物和单体元素组成和结构的变化可将聚合反分为：加聚反应——单体加成而聚合起来的反应。加聚反应生成的聚合物称为加聚物。其分子量是单体分子量与聚合度的乘积。如氯乙烯聚合成聚氯乙烯的反应：nCH2═CH—(CH2—CH—)n∣∣ClCl缩聚反应——在聚合反应过程中，除形成聚合物外，同时还有低分子副产物形成，则此种反应称为缩聚反应，其产物称为缩聚物。己二胺与己二酸缩聚反应得聚酰胺-66,表示为:nH2N-(-CH2-)6-NH2+nHOOC-(-CH2-)4-COOHH-[-NH-(-CH2-)6-NH-CO-(-CH2-)4-CO-]n-OH+(2n-1)H2O2.按反应机理分类聚合反应可分为：连锁聚合反应逐步聚合反应缩聚反应逐步加聚反应高分子材料基础第一、二章262.2连锁聚合反应连锁聚合反应——（也称链式聚合反应）其特征是整个反应过程可划分成相继的几步基本反应.如链引发、链增长、链终止等.如烯类单体的加聚反应大部分属于连锁聚合反应，总反应式可表示为：nM－[－M－]n－若以R*表示活性中心，M表示单体，则连锁聚合反应可表示为；链引发R*+MRM*链增长RM*+MRM2*MRM3*…链终止RMx*+RMy*RMx+yR偶合终止或RMx+RMy歧化终