高分子材料与项目工程专业导论课程论文资料.doc

.* 课程论文 学院： 材料与能源学院 专业： 高分子材料与工程 课程： 专业导论 学号： xxxxxxxxxxxxxx 姓名： 丁逸 任课老师： xxxxxxxxxxx 2017 年 12 月 1 号 .* 1. 高分子的定义高分子的定义 高分子又称作聚合物，由小分子相互反应而形成，高分子与低分子的区别在于前者分 子量很高。通俗地说，高分子是一种许许多多原子由共价键连接而组成的相对分子质量很 大的化合物。更精确的描述是，高分子是指其分子主链上的原子都直接以共价键连接，且 链上的成键原子都共享成键电子的化合物，这样组成的高分子链的键的类型，除了共价键 外，还可以包括某些配位键和缺电子键，而金属键和离子键是被排除在外的。 我对高分子的分类总结如下： 其中合成高分子，又可分为橡胶、纤维和塑料三大类，常称为三大合成材料，合成橡 胶的主要品种有丁苯橡胶、顺丁橡胶和异戊橡胶等。合成纤维的主要品种有涤纶、腈纶、 锦纶、维纶和丙纶。塑料还可分为热塑性塑料和热固性塑料，前者为线性聚合物，受热可 熔融流动，可多次重复加工成型，主要品种有聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯；后者是网状聚 合物，通常由线性聚合物或低聚物经交联得到，以后不能加热融化重复成型，主要品种有 酚醛树脂、不饱和聚酯、环氧树脂等。此外，聚合物还可作为涂料和粘合剂来使用，而且 使用越来越广泛，也有人将他们单独列为两类，所以聚合物按应用分类，也应包括上述五 大合成材料。最近，着眼于聚合物所具有的特定的物理、化学、生物功能的功能高分子， 也已成为新的重要一类。 天然高分子，也有有机高分子和无机高分子之分。天然高分子，如人们所熟悉的石棉、石 墨、金刚石、云母等，天然有机高分子，都是在生物体内制造出来的，储存能量的肝糖、 .* 淀粉，生物体外分泌物如蚕丝、蛛丝、植物的橡胶，还有储存遗传信息的核酸。 2. 高分子材料科学的发展简史（以塑料的发展为例）高分子材料科学的发展简史（以塑料的发展为例） 从第一个塑料产品赛璐珞诞生算起，塑料工业迄今已有 120 年的历史。其发展历史可 分为三个阶段。 1.天然高分子加工阶段 这个时期以天然高分子，主要是纤维素的改性和加工为特征。1869 年美国人 J.W.海厄 特发现在硝酸纤维素中加入樟脑和少量酒精可制成一种可塑性物质，热压下可成型为塑料 制品，命名为赛璐珞。1872 年在美国纽瓦克建厂生产。当时除用作象牙代用品外，还加工 成马车和汽车的风挡和电影胶片等，从此开创了塑料工业，相应地也发展了模压成型技术。 1903 年德国人 A.艾兴格林发明了不易燃烧的醋酸纤维素和注射成型方法。1905 年德 国拜耳股份公司进行工业生产。在此期间，一些化学家在实验室里合成了多种聚合物，如 线型酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯等，为后来塑料工业的发展奠定了基础。 1904 年世界塑料产量仅有 10kt，还没有形成独立的工业部门。 2.合成树脂阶段 这个时期是以合成树脂为基础原料生产塑料为特征。1909 年美国人 L.H.贝克兰在用苯 酚和甲醛来合成树脂方面，获得了突破性的进展，取得 l 第一个热固性树脂──酚醛树脂 的专利权。在酚醛树脂中加入填料后，热压制成模压制品、层压板、涂料和胶粘剂等，这 是第一个完全合成的塑料。1910 年在柏林吕格斯工厂建立通用酚醛树脂公司进行生产。在 40 年代以前，酚醛塑料是最主要的塑料品种，约占塑料产量的 2/3。主要用于电器、仪表、 机械和汽车工业。 1920 年以后塑料工业获得了迅速发展，其主要原因首先是德国化学家 Н.施陶丁格提 出高分子链是由结构相同的重复单元以共价键连接而成的理论和不熔不溶性热固性树脂的 交联网状结构理论，1929 年美国化学家 W.H.卡罗瑟斯提出了缩聚理论，均为高分子化学和 塑料工业的发展奠定了基础。同时，由于当时化学工业总体发展十分迅速，为塑料工业提 供了多种聚合单体和其他原料。 塑料的世界总产量从 1904 年的 10kt，猛增至 1944 年的 600kt，1956 年达到 3.4Mt。 随着聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等通用塑料的发展，原料也从煤转向了以石油为主，这 不仅保证了高分子化工原料的充分供应，也促进了石油化工的发展，使原料得以多层次利 用，创造了更高的经济价值。 3.大发展阶段 在这一时期通用塑料的产量迅速增大，聚烯烃塑料在 70 年代又有聚 1－丁烯和聚 4- 甲基-1-戊烯投入生产，形成了世界上产量最大的聚烯烃塑料系列，同时出现了多品种高性 能的工程塑料。1958～1973 年的 16 年中，塑料工业处于飞速发展时期，1970 年产量为 30Mt。 3. 高分子材料科学实验高分子材料科学实验 1.对高分子材料结构与性质的总结 .* 2.高聚物四大聚合方法 聚合机理不同所采用的聚合方法也不同。根据机理不同，聚合分为连锁聚合和逐步聚 合，连锁聚合（又称为连锁聚合反应或链式聚合） ，采用的聚合方法有本体聚合、悬浮聚合、 溶液聚合和乳液聚合；逐步聚合采用的聚合方法有熔融缩聚、溶液缩聚、界面缩聚和固相 缩聚。 本体聚合 单体本身在引发剂或光、热、辐照等作用下的聚合，它的特点是组分简单，通常只含单体 和少量引发剂，所以操作简便，产物纯净，缺点是聚合热不易排除。工业上应用自由基本 体聚合生产的聚合物品种主要有聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃、见聚甲基丙烯酸酯） 、高压 聚乙烯和聚苯乙烯。 溶液聚合 单体、引发剂（或催化剂）溶于适当溶剂中进行的聚合，其优点是体系粘度低，传热快， 聚合温度容易控制。缺点是聚合物的聚合度比较低，混入的少量溶剂不易除去，产物纯度 .* 较差，此外由于使用溶剂和增添回收溶剂的设备,使生产成本提高。工业上,溶液聚合主要用 于直接使用聚合物溶液的场合，如乙酸乙烯酯甲醇溶液聚合直接用于制聚乙烯醇，丙烯腈 溶液聚合直接用于纺丝，丙烯酸酯溶液聚合直接用于制备涂料或胶粘剂等。 悬浮聚合 溶解有引发剂的单体被搅拌成小液滴，在水介质中进行的聚合。由于是在大量水介质中进 行聚合，容易散热，产热为 0.1 毫米左右的小颗粒,容易分离、洗涤，因此纯度较高。缺点 是聚合过程中聚合物容易粘结在釜壁上,需要定时开盖清釜,所以不能连续生产。如果采用水 溶性引发剂（如过氧化氢） ，并在大量有机分散剂存在下聚合，就得到粒烃为 0.5～10 微米 的聚合物，其颗粒大小介于典型的悬浮聚合和乳液聚合之间，称为分散聚合。悬浮聚合主 要用于生产聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。分散聚合主要用于生产胶粘剂、水 性漆和涂料。[3] 乳液聚合 单体借助乳化剂的作用分散在溶解有引发剂的水介质中，形成乳液后再进行的聚合。由于 存在乳化剂，单体主要在乳胶粒内聚合，速率快，分子量大。此外，大量水作介质也容易 散热。缺点是包藏在聚合物颗粒中的乳化剂不易除去，影响性能，特别是电性能较差。采 用乳液聚合生产的品种主要有丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶和聚氯乙烯胶乳。 一种聚合物可以通过几种不同的聚合方法进行合成，聚合方法的选择主要取决于所要 合成聚合物的性质和形态、相对分子质量和相对分子质量分布等。实验及生产技术已发展 到可以用几种不同的聚合方法合成出同样的产品，这时产品质量好、设备投资少、生产成 本低、三废污染小的聚合方法将优先发展。为满足不同的制品性能，工业上一种单体采用 多种聚合方法十分常见。如同样是苯乙烯自由基聚合（相对分子量质量 10 万~40 万，相对 分子量分布 2~4） ，用于挤塑或注塑成型的通用型聚苯乙烯（GPS)多采用本体聚合，可发型 聚苯乙烯（EPS）主要采用悬浮聚合，而高抗冲聚苯乙烯（HIPS）则是采用溶液聚合-本体 聚合联用。 3 实验结构性能测试 .* 2.生活中的高分子材料的结构与性质举例 （1）塑料绳 生活中使用的塑料绳是由线性的聚乙烯或聚丙烯制成，是典型的非交联线性高分子，在绑 紧的过程中，线性的高分子链被拉长，随着时间的延长，线性高分子链发生了不可恢复的 滑移，于是塑料绳被拉伸的变长了，开始变得不能绑紧，所以用塑料绳绑东西，绑的越紧 最后就会变得越松，松弛发生的厉害。应力松弛，是指高分子材料在总应变不变的条件下， 由于试样内部的粘性应变随时间不断增长，使回弹应变分量随时间逐渐降低，从而导致回 弹应力随时间逐渐降低的现象。用交联的高分子材料可以避免这种现象，交联的高分子材 料通过交联剂使线性高分子链变成了网状结构，高分子网络链被拉伸变形后，仍能有力的 恢复。 （2）泡泡糖 泡泡糖的主要成分是聚醋酸乙烯酯，它的玻璃化温度在 28 度左右，一般情况下低于其玻璃 化温度，其几乎没有流动性保持很好的形态，而在嘴里咀嚼后，高于其玻璃化温度，泡泡 糖发生逆玻璃化转变，有玻璃态向高弹态转变，呈现出高弹态，所以嚼泡泡糖的时候刚开 始嚼两下是吹不出泡泡的，等温度升高后，嚼软了以后才行。 （3）矿泉水瓶 矿泉水瓶是由聚对苯二甲酸乙二酯组成，聚对苯二甲酸乙二酯本身属于易结晶高分子材料， 制作矿泉水瓶时，是在高温下吹作法制备的，然后经过退火处理，消除结晶区域才具有光 学透明性的。当在矿泉水瓶中加入热水后，聚对苯二甲酸乙二酯在高温下分子链发生重新 取向运动，重新产生结晶区域从而丧失透明性。 .* 4. 高分子材料的结构特点与性能的关系（以热熔胶为例）高分子材料的结构特点与性能的关系（以热熔胶为例） （1）热熔胶（Hot Glue）简介 热熔胶是热塑性接着剂，在室温下为固体，但在较高温时即液化。以乙烯—醋酸乙烯 无规共聚物(EVA)为基础树脂的热熔胶,是热熔胶最重要的品种之一。熔融后的 EVA 热熔胶， 呈浅棕色或白色。EVA 热熔胶由基本树脂、增粘剂、粘度调节剂和抗氧剂组成，有时在热 熔胶中加入一些填料, 可降低收缩率, 增加填隙性, 降低成本，可用的填料有碳酸钙、滑石 粉、二氧化硅等。 EVA 的类型决定了热熔胶的内聚强度、柔韧性、对基材的粘接性以及可加工性。对热 熔胶而言, 应注意 EVA 的下列性能:分子质量及其分布、醋酸乙烯酯(VA)含量、结晶度、软 化点、熔点、熔体指数(MI)以及熔体粘度等, 因为这些性能直接影响热熔胶的各项性能。 EVA 的上述性能是相互联系的。同一系列的 EVA , 分子质量越大, 通常软化点越高而熔体 指数 MI 越小;不同系列的 EVA , 结晶度和熔点随 VA 含量的增加呈直线下降。熔体粘度与 MI 有直线反比关系。一般用 VA 含量在 9 %～ 40 %的 EVA , 当 VA 含量超过 40 %以上,EVA 不再结晶。此外, 当 VA 含量超过 30 %时, 虽然对极性及多种无孔非极性基材的粘接性有 所提高, 但此种 EVA 聚合物常常与蜡不相容, 这是热熔胶配方设计时要注意的一点。有时, 在一个配方中往往要用 MI 高低不同的 EVA 或 VA 含量不同的 EVA 搭配使用, 才能获得满 意的综合性能。 （2）热熔胶的主要性能 粘接性 粘接性是热熔胶最重要的性能之一, 影响因素也最多。VA 是热熔胶粘接性能的主要决定者。 当 EVA 中 VA 含量增加时,热熔胶的粘接性大大提高, 高 VA 含量的 EVA 可用来粘接无极性 的非多孔材料, 例如聚乙烯和聚丙烯膜。增粘树脂和蜡对粘接性的影响主要取决于它们的 熔体粘度和化学结构。粘度越低, 热熔胶越容易渗入多孔基材, 从而形成机械结合。蜡的表 面能低, 当蜡量增加时, 热熔胶的润湿性提高, 可增加粘接性。用微晶蜡代替石蜡可改进价 键力引起的粘附, 这是因为微晶蜡热熔胶的模量低, 凝定时间长的缘故。 粘度和流动性 热熔胶的粘度和流动性与施胶性能密切相关。选择 MI 大的 EVA , 熔体粘度小的增粘树脂 都可以使热熔胶粘度下降, 还可选择 MI 高低不同的 EVA 配合使用来调节热熔胶的施工粘 度。蜡的影响最大,增加蜡的用量, 可以显著降低热熔胶的粘度, 增加其流动性,。总之, 热 熔胶的粘度主要由蜡的种类、用量和 EVA 的 MI 来调节。蜡的熔点和热熔胶的软化点高低 与热熔胶的粘度并无对应关系。 拉伸强度和模量 EVA 的强度随其 VA 含量和 MI(或分子质量)不同有很大的变化。通常 MI 较小的 EVA 强度 高, 制成的热熔胶强度也大。此外, 在相容性允许的情况下蜡能使热熔胶强度和模量增加, 若不相容则会使胶的刚性增大对提高强度无益。正烷烃含量高的高结晶蜡或高熔点蜡, 会 使热熔胶的拉伸强度和模量提高。 延伸率和柔韧性 EVA 的分子质量直接影响胶的柔韧性, MI 越小, 柔韧性越小。蜡对热熔胶的柔韧性也有很 大影响。用微晶蜡代替石蜡, 或用窄分布的合成蜡代替普通合成蜡, 可以增加热熔胶的柔韧 性, 这是因为微晶蜡比石蜡有更好的柔韧性, 而窄分布合成蜡更易与 EVA 中的乙烯链段相 容之故。另外, 松香酯和萜烯树脂增粘剂极性越大, 与高 VA 含量的 EVA 相容性也越好, 这 .* 样也可提高热熔胶的室温柔韧性。蜡分子中的异构及环化烷烃量高, 制成的热熔胶延伸率 大。书籍装订用热熔胶要求延伸率高达 500 %～600 %, 冰箱包装用胶也要求有较好的柔韧 性, 因而配方中多采用微晶蜡。 玻璃化温度 Tg 热熔胶的 Tg 直接关系到胶的低温性能, 在 Tg 以下, 胶脆, 受冲击或弯曲时容易断裂。热 熔胶中 EVA 的 Tg 较低, 但增粘树脂和蜡的 Tg 一般较高。由高聚物物理学可知:若组份相 容, 混合体系的 Tg 处于组份高低 Tg 之间, 由混合比决定;若体系不相容, 则会出现几个 Tg 。热熔胶也是如此, 高分子质量的聚乙烯蜡与 EVA 的相容性往往不好, 而窄分布的合成蜡、 石蜡和微晶蜡与 EVA 相容。软微晶蜡的加入会使热熔胶的 Tg 稍稍上升, 而高熔点的合成 蜡使热熔胶 Tg 上升较大。要想使热熔胶的 Tg 较低, 还应尽量采用 Tg 低的增粘树脂。 开放时间 开放时间指的是施胶后不会因凝定或结晶矢去润湿能力仍能使用的时间间隔。热熔胶的开 放时间常以秒计。对聚合物增粘树脂体系而言, 蜡的加入总是缩短开放时间, 影响程度随蜡 的性质而变。一般来说, 蜡用量越大, 熔点越高, 结晶度越大, 则使热熔胶开放时间越短。 不同用途的热熔胶要求有不同的开放时间。 凝定时间 凝定时间即胶的定位时间, 与热熔胶的熔点、环境温度有关。冬季气温低, 散热快, 凝定时 间短。配方设计中可用蜡来调节凝定时间, 高结晶度、高熔点蜡可缩短凝定时间, 而微晶蜡 则延长凝定时间。 未固化强度和初粘性 胶未固化前的粘接强度直接影响到施胶后的加压时间, 从而也影响到粘接工艺。未固化强 度与胶的极性、润湿性有关, 选取内聚强度和抗张强度高的组份有利于提高胶的未固化强 度。蜡的类型和用量对未固化强度也有很大影响。 耐热性 耐热性与组份的熔点和分子质量分布有关。用高熔点组份制成的热熔胶耐热性高, 而蜡的 加入常常降低耐热性。 抗粘连性 热熔胶胶粒的抗粘连性对胶的贮存有直接关系。抗粘连性差的胶高温高湿下贮存易结块。 用较硬的蜡可防止胶粒粘连, 如聚乙烯蜡。除了选择合适的蜡外, 蜡的用量也可控制粘连。 此外, 在某些场合下还可在胶粒中拌入滑石粉一类的粉状物防粘连。 5. 我对于本专业感兴趣的领域我对于本专业感兴趣的领域-医用高分子材料医用高分子材料 现代医学发展的一个重要标志是新型医用材料和医疗器械在疾病诊断和治疗中的广泛应用。 医用高分子材料指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官， 增进或恢复其功能的高分子材料。其研究领域涉及材料学、化学、医学和生命科学。虽已 有 40 多年的研究历史，但蓬勃发展始于 20 世纪 70 年代。随着高分子化学工业的发展，出 现了大量的医用新材料和人工装置，如人工心脏瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、心脏 起搏器，以及骨生长诱导剂等。近十年来，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发 展，医用高分子材料及其制品获得越来越多的医学临床应用。 1949 年，美国首先发表了医用高分子的展望性论文，第一次介绍了利用聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）作为人的头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情 况。20 世纪 50 年代，有机硅聚合物被用于医学领域，使人工器官的应用范围大大扩大， .* 包括器官替代和整容等许多方面。在 20 世纪 50 年代，一大批人工器官试用于临床，如人 工尿道（1950 年） 、人工血管（1951 年） 、人工食道（1951 年） 、人工心脏瓣膜（1952 年） 、 人工心肺（1953 年） 、人工心肺（1953 年） 、人工关节（1954 年）及人工肝（1958 年）等。 20 世纪 60 年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期。目前较成功的高分子材 料制人工器官有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工心脏瓣膜、人工关 节、人工骨、整形材料等。 6. 参考文献参考文献 《history of plastics industry 》 《高分子材料科学导论》 （哈尔滨工业大学出版社） 《高分子材料导论》 （程晓敏 史初例著） 《热熔胶的主要成分及其对性能的影响》 林中祥 《国内热熔胶的现状与发展》. 化工文摘 , 2002,(02) 《热熔胶的分类与用途》李国雄 中国粘胶剂 百度百科 .* 维基百科