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1、Polymer Materials高分子材料,认识高分子与高分子材料,高分子无处不在！,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,现实生活中的高分子材料,白色污染,至今高分子科学诺贝尔奖获得者,H.Staudinger（德国）:把“高分子”这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系（1953年）K.Ziegler（德国）,G.Natta（意大利）:乙烯、丙烯配位聚合（1963年）P.J.Flory(美国）:聚合反应原理、高分子物理性质与结构的关系（
2、1974年）。de Gennes(法国)：软物质、液晶（1991年）。H.Shirakawa白川英树(日本),Alan G.MacDiarmid(美国),Alan J.Heeger(美国)：对导电聚合物的发现和发展（2000年）。,1.1 高分子基本概念,高 分 子,也叫聚合物或大分子。主链由1共价键结合，具有2高的分子量，其结构必须是由3多个重复单元所组成，并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子（单体）衍生而来。概括的说，高分子是由许多相同的重复单元通过化学键连接而成的大分子。,Polymer,Macromolecule,聚氯乙烯,高 分 子,小 分 子,聚 合 反 应,Polyme
3、rization,单 体,单 体:能够进行聚合反应，并转化成高分子基本结构组成单元的小分子。,Monomer,1.1 高分子基本概念,重复组成高分子的分子结构的最小结构单元。,重 复 结 构 单 元,如聚丙烯，单体是：CH2=CH-CH3,1.1 高分子基本概念,每个聚合物分子所含单体单元的数目。,聚 合 度,Degree of Polymerization，DP,聚合物分子结构中由单个单体分子生成的最大的结构单元。,单 体 单 元,Monomer(ic)Unit,2n,聚对苯二甲酸乙二酯，涤纶，PET,n,1.1 高分子基本概念,高分子链的末端结构单元。,末 端 基 团,End Groups
4、,涤纶：,1.1 高分子基本概念,1.2 高分子材料的结构特点,由很多结构单元组成，单元间以共价键连接主链有内旋转自由度单元间、链之间范德华力作用明显可交联，交联对力学性能影响大聚集态分结晶态和非晶态，结晶不完整高分子材料常是多种填料、助剂和色料的混合物，织态结构复杂,商品名 AND 俗称,1.3 小知识,来 源,天然高分子：自然界天然存在的高分子。,半天然高分子：经化学改性后的天然高分子。,主链元素（链原子）组成,碳链高分子：主链（链原子）完全由C原子组成。,杂链高分子：主链原子除C外，还含S,O,N等杂原子。,元素有机高分子：主链由Si,B,Al,O,N,S,P杂原子组成。,合成高分子：由
5、单体聚合人工合成的高分子。,1.4 高分子的分类,碳链高分子,杂链高分子,元素有机高分子,聚乙烯,聚丙烯,聚乙二醇,尼龙6,聚二甲基硅氧烷,1.4 高分子的分类,按性能和用途分类,塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料、功能高分子,高分子分类,橡胶是有机高分子弹性化合物。在很宽的温度（50150）范围内具有优异的弹性，所以又称为高弹体。,能把各种材料紧密地结合在一起的物质。,涂布在物体表面而形成具有保护和装饰作用膜层的材料。,具有特定的功能作用，可作功能材料使用的高分子化合物。,在常温下具有固定的形状和强度，在高温下具有可塑性的高分子化合物。在外力的作用下，可以产生形变，加工成任何所需的形状。,纤维是
6、指长度比其直径大很多倍(大于1000/1)，并具有一定柔韧性的纤细物质。,生物医学材料的要求,医疗功能，就必须强调安全性。外用医疗材料与肌体接触时间短，要求稍低，而与血液直接接触或植入体内材料则要求较高，即要有良好的生物相容性。所有医用材料应满足如下基本要求：（1）聚合物纯度高；（2）化学性能不活泼；（3）无毒，不引起肿瘤或过敏反应，没有异物反应；（4）稳定的物理化学性能和良好的力学性能；（5）优良的生物相容性（6）能经受必要的消毒处理；（7）易加工成必须的复杂形状；（8）良好的生物降解性,塑 料,按加工热塑性塑料和热固性塑料,塑料的分类,通用塑料,产量大、价格较低、力学性能一般，主要作非结构
7、材料使用的塑料。如PVC、PE、PP、PS等,工程塑料,一般指可作为结构材料使用，能经受较宽的温度变化范围和较苛刻的环境条件，具有优异的力学性能、耐热、耐磨性能和良好的尺寸稳定性的塑料。主要品种有PA、PET、PC、ABS、PTFE等,用途,结构式:,性能：化学性质非常稳定，耐酸、碱，耐溶剂性能好，吸水性低，无毒，受热易老化,用途：制造食品包装袋、各种饮水瓶、容器、玩具等；还可制各种管材、电线绝缘层等,第四代聚乙烯（超高分子量聚乙烯）高韧性、高耐磨。,（1）聚乙烯(PE),结构式:,性能：强极性，绝缘性好，耐酸碱，难燃，具有自熄性。缺点是介电性能差，在100 120即可分解出氯化氢，热稳定性差
8、,用途：制造水槽，下水管；制造箱、包、沙发、桌布、窗帘、雨伞、包装袋；还可做凉鞋、拖鞋及布鞋的塑料底等,（2）聚氯乙烯（PVC),（3）聚碳酸酯(PC),用作工程塑料的只有双酚A型的芳香族聚碳酸酯。,性能：坚硬、耐高温、良好的机械性能、电绝缘性好、韧性好、抗冲击性好、透明度高,用途：制造继电器盒盖，计算机和磁盘的壳体、荧光灯罩、汽车及透明窗的玻璃等,结构式:,生物塑料,生物塑料指以淀粉等天然物质为基础在微生物作用下生成的塑料。它具有可再生性，因此十分环保。,细菌制造的塑料,以玉米为原料制造的塑料,茨根大学生物学家最早提出了“种植”可分解塑料的设想。他们用土豆和玉米为原料，植入塑料的遗传基因，使
9、它们能在人工控制下生长出不含有害成分的生物塑料。,美国帝国化学工林公司利用细菌把糖和有机酸制造成可生物降解的塑料。其方法与生产出乙醇的发酵工艺相似，所不同的只是，用的细菌是产碱杆菌属，能把喂食的物质转变成一种塑料，称为PHBV。细菌积累这种塑料是作为能量储存，就像人类和动物积存脂肪一样。当细菌积存的PHBV达到它们体重的80%时，就用蒸汽把这些细胞冲破，把塑料收集起来。PHBV具有与聚丙烯相似的性质，这种材料在废弃后，即使在潮湿的环境下也是稳定的，但在有微生物的情况下，它将降解为二氧化碳和水。,生物自毁塑料在医疗上用途颇广。在骨折手术中，它可以充当骨骼间的承托物。随着骨骼的愈合，它也会逐渐自行
10、分解。医治破碎性骨折，医生通常使用不锈钢制作的螺母、螺钉。夹板和钻孔器，把碎骨固定起来。这种方法的缺点是要做两次手术，一次是植入这些不锈钢材料，一次是再把它们取出来。荷兰科学家发明一种塑料，植入体内大约两年便自行分解，变成二氧化碳和水。还有一种线状生物自毁塑料，可以代替传统的医用外科手术线缝合伤口。这种塑料手术线，可被身体逐渐吸收，免除拆线之苦恼。此外，用生物自毁塑料制成的药用胶囊，在体内会慢慢溶解，并且可控制药物进入血管的速度。,聚碳酸酯用作血液葡萄糖测试仪的部件，是用聚四氟乙烯和玻纤增强尼龙66来润滑,塑料的医学应用,无针注射体系采用透明的、抗酯的聚碳酸酯注射模塑成型,塑料的医学应用,由于
11、聚酰胺12与基体组织血管具有较低的相互作用，所以可以制成较小的导管插入到人的身体。,塑料的医学应用,橡 胶,来源,天然橡胶,合成橡胶,从自然界含胶植物中制取的一种高弹性物质,用人工合成的方法制得的高分子弹性材料,分类,合成橡胶,通用合成橡胶,特种合成橡胶,性能与天然橡胶相同或相近、广泛用于制造轮胎及其他大量橡胶制品的橡胶品种。如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶,具有耐寒、耐热、耐油、耐臭氧等特殊性能，用于制造特定条件下使用的橡胶制品。如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶,按其性能和用途,（1)天然橡胶,天然橡胶的分子链由异戊二烯链节组成。,聚合度：10000左右；相对分子量：3-300
12、0万；多分散性指数：2.8-10 具有一系列优良的物理机械性能和加工性能，,是综合性能最好的橡胶。,橡胶工人从橡胶树上提取橡胶,橡树之泪,优点：弹性高，是当前橡胶中弹性最高的一种；耐低温性能好，玻璃化温度为105；耐磨性能优异，滞后损失低，生热性低，耐屈挠性好；与其它橡胶相容性好。,主要用于制造轮胎，也用于制造胶鞋、胶辊等耐磨性制品,(BR),(2)聚丁二烯,(顺丁橡胶),以丁二烯为单体聚合而得的一种通用合成橡胶。,丁苯橡胶：是以丁二烯和苯乙烯为单体共聚而得的高分子弹性体。结构式：最早工业化的合成橡胶，1937年德国首先实现工业化生产。其产量和消耗量在合成橡胶中占第一位，占50%以上。特点：耐
13、磨性和气密性好，抗撕裂性和耐老化性较佳，但强度和弹性差,(3)丁苯橡胶(SBR),用途：广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料,丁基橡胶是异丁烯和少量异戊二烯的共聚物，为白色或暗灰色透明弹性体。结构式,丁基橡胶于1943年美国开始工业生产。发展较快，已成为通用橡胶之一。,(4)丁基橡胶(IIR),特点：气密性最好的橡胶，气透率约为天然橡胶的1/20，顺丁橡胶的1/30,用途：主要用于制作内胎，也可用于制作无内胆轮胎的密封层。,热塑性弹性体,常温下能显示橡胶弹性在高温下又能塑化成型的材料。如SEBS,硅橡胶在生物医学方面的应用,硅橡胶具有耐热，耐寒，无毒，耐生物老化
14、，生理惰性，对人体组织反应极小，植入人体组织后不引起异物反应，对周围组织不引发炎症及较好的物理机械性能，符合医用高分子材料性能要求，在医疗卫生，医学方面获得越来越广泛的应用,1.长期留置于人体内的组织或器官代用品这类器官或组织包括脑积水引流装置，人工肺，视网膜植入物，人工脑膜，喉头，人工手指，手掌关节人造骨膜，牙齿印膜及托牙组织面软衬垫，人工心脏瓣膜附件2.短期留置人体内的辅助医疗器械这类器械有静脉插管，尿导管，动静脉外瘘管，腹膜透析管，接触眼镜，输血管泄压管，胸腔引流管，胃镜套管，中耳炎通气管导液管和鼻插管等。3.医疗器械上的关键部位这些部件包括人工心肺机输液泵管，膜式人工心肺机，胎儿吸引器
15、和人工血液循环装置等,4.整容和修复方面的作用用硅橡胶修补面容的缺陷，治疗外耳的缺陷，进行颅骨和胸部的整容手术以及修补内脏等。5.在药物缓释体系中应用硅橡胶具有良好的渗透及渗过性，是理想的药物缓释材料，药物正是利用了硅橡胶的这种特性，透过硅橡胶进行有效的控制释放和缓慢扩散。,纤 维,合成纤维：,天然纤维：,分类,再生人造纤维：,化学纤维,（以天然高分子化合物为原料，经化学处理和机械加工制得的纤维）,（以低分子化合物为原料，通过化学合成和机械加工制得的均匀线条或丝状高聚物）,棉花、羊毛、蚕丝、麻,再生纤维素纤维、纤维素酯纤维,（六大纶）锦纶、涤纶、腈纶、维纶、丙纶、氯纶,性能：强韧耐磨、弹性高、
16、质量轻，染色性好，较不易起皱，抗疲劳性好。吸湿率为3.5%5.0%，在合成纤维中是较大的，吸汗性适当，但容易走样,用途：约一半作衣料用，一半用于工业生产。在工业生产应用中，约1/3是做轮胎帘子线。,结构式:,(1)聚己二酰己二胺纤维（锦纶-66，尼龙-66）,主要合成纤维的性能及用途,性能：显著优点是：抗皱、保型、挺括、美观。对热、光稳定性好。润湿时强度不降低，经洗耐穿，可与其他纤维混纺。年久不会变黄。缺点是不吸汗，而且需要高温染色,结构式:,用途：是产量最大的合成纤维，大约90%作为衣料用（纺织品为75%，纺织物为15%）。用于工业生产的只占总量的6%左右,(2)聚对苯二甲酸乙二醇酯(涤纶)
17、,性能：具有与羊毛相似的特性，质轻，保温性和体积膨大性优良。强韧（与棉花相同）而富有弹性，软化温度高。吸水率低，不适宜作贴身内衣。缺点是强度不如尼龙和涤纶,结构式:,用途：大约70%作衣料用（纺织物占60%左右），用于工业生产的只占5%左右,(3)聚丙烯腈纤维(腈纶、人造羊毛),性能：亲水性好，吸湿率可达5%，和尼龙相当，与棉花（7%）相近。强度与聚酯或尼龙相近，拉伸弹性比羊毛差，比棉花好,结构式:,用途：70%用于工业生产，其中以布和绳索居多。可代替棉花作衣料用,(4)聚乙烯醇纤维（维纶、维尼纶）,纤维在医学上的应用,生物医学纤维,公元前3500年前古代埃及人就用棉花纤维和马鬃用缝合线来缝合
18、伤口，这就是最原始的生物医学功能材料。,胶朊纤维手术缝合线,除具除具有普通的纤维性能和医学性能外，还可以被生物组织吸收。,胶朊纤维的其它应用,止血、促进伤口愈合的烧伤创面下敷料骨移植替代材料组织再生诱导物胶朊材料降解快，机械强度小。可与其它材料复合，如HA胶原复合物,聚乳酸纤维PLA,手术缝合线、骨修复材料、药物控制释放材料、人工骨及人造皮肤（对皮肤细胞和成骨细胞的生长具有良好的诱导增殖效果）聚羟基乙酸纤维PGA手术缝合线、骨支架材料、血管支架材料、神经导管材料（胶原包埋PGA网）等。,空心聚丙烯,微细血管聚四氟乙烯纤维人工血管人工韧带,中空纤维膜,中空纤维膜是一种由高分子材料通过纺丝技术制成
19、的分离膜，直径一般为0.11mm，具有生物相容性好、有一定的机械强度等特点。最早应用中空纤维膜的人工器官是人工肾，现在由中空纤维膜制成的人工肾、人工肝、人工肺、肝腹水超滤浓缩回输器和血液浓缩器已投入使用，人工胰腺也在研制中。,药物纤维,以纺织品作为药物的载体已有久远的历史。如由古代的香囊、香袋发展而来的安眠药枕、神功元气袋之类的保健用品；又如由药膏发展而来的伤湿止痛膏、十香暖脐膏等。药物纤维主要利用纤维具有最大的表面积，有利于药物的释放；纺织品与人类生活最为密切，具有药物功能的织物将为治病提供很大的方便。,药物纤维的类型,1.创面覆盖型：止血纤维、麻醉纤维等。可把药物纤维加工成无纺布或无纺布直
20、接覆盖在伤口或手术创面上。2.皮肤吸收型：如止痒、消炎止痛、防心脏病突发等纤维。3.口服型：如胃药纤维。载体纤维可以是生物吸收型，也可以是非吸收型的。,功能高分子,功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料。它们之所以具有特定的功能，是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团，或大分子与具有特定功能的其他材料进行了复合，或者二者兼而有之。,高分子药物,医疗高分子的两个用途,医用材料,医用材料还可分为：,要求组织相容性和血液相容性好并有一定机械强度的软组织材料，如聚醚聚氨酯、聚甲基丙烯酸-羟乙酯等；,以聚甲基丙烯酸甲酯为代表的硬组织材料。前者用于内植材料、修复材料、人工脏器方面；后者用于齿科、骨水
21、泥方面。,1950年人们逐渐开始配戴材质是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的隐形眼镜，具有优越的光学特性，又能矫正角膜性散光。1960年捷克学者利用十年的时间发明了软性隐形眼镜的材料，就是一直延用至今的聚甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）。,功能高分子材料隐形眼镜,生物材料,YOUR,人造心脏,人造关节,人工肾,高分子药物,高分子药物分为高分子本身就具有药理活性的和将小分子药物结合在高分子载体上的两种。后者使药物能够控制释放,达到长效性,以减少投施药物的次数和降低药物的毒性。如果在高分子载体上，除了药物之外，再接上对病变部位有特异亲和性的配基（如抗体），则能使药物有定位送达的效应，称为高分子亲和药物，这
22、对毒性或副作用大的药物的投施特别有意义。,二十一世纪高分子材料发展趋势,“在人类历史上，几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献”。在二十一世纪，高分子科学及其相关技术面临着新的机遇和挑战。,面临机遇和挑战的一些领域：1.催化过程和新的聚合方法2.非线性结构聚合物3.超分子组装和高度自组织的大分子4.聚合物结晶和形态工程5.刺激-响应聚合物6.聚合物的循环利用和处理,高分子材料的发展方向 1.高性能化 2.高功能化 3.复合化 4.精细化 5.智能化,我们应注重学习，学科交叉，独立思考，独立创新，为国民经济发展，解决生产实践中存在的学术问题，提高高分子科学的学术水平。,863高分子材料的研发导向,高分子复合材料方向高分子高性能功能化方向高分子低成本高性能化方向光电材料与平板显示方向低能源消耗,低环境负荷(降解,可回收再用),应用指向:汽车材料和 电子材料为主,
