材料科学与工程导论
——高分子材料科学
? 2000年，世界合成高分子材料的年总产
量已达到 2亿吨。其中塑料 1.63亿吨，
合成橡胶 0.11亿吨，合成纤维 0.28亿吨。
? 高分子科学既是一门基础学科，又是一
门应用科学，主要由高分子化学、高分
子物理、高分子材料和高分子工艺四个
学科分支组成。
多种多样的高分子材料
防 弹 衣高比强度的降洛伞绳索
什么是高分子？
? 高分子的含义
? 分子量很大（ 104~107，甚至更大）。
? 分子似“一条链”，由许多相同的 结构单元
组成。
? 以共价键的形式重复连接而成。
? 与小分子比较
? 分子量不确定，只有一定的范围，是分
子量不等的同系物的混合物；
? 没有固定熔点，只有一段宽的温度范围；
? 分子间力很大，没有沸点，加热到
2000C~3000C以上，材料破坏（降解或
交联）。
高分子材料分类
? 按 材料来源 分类
? 天然高分子
? 合成高分子
? 按 材料性能和用途 分类
? 塑料
? 橡胶 （称为三大合成材料）
? 纤维
? 涂料
? 粘合剂
? 功能高分子
通用高分子材料
? 塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料
? 全世界产量 1亿多吨
? 塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙
烯、聚苯乙烯等
? 合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占 60%
? 合成纤维主要品种有：涤纶（ PET）、尼龙、
聚丙烯腈、聚丙烯等
? 合成纤维、天然纤维、人造纤维比例为 2 ?
3 ? 1
工程塑料
? 性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸
气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性
好。
? 主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯
（ PC）、聚苯醚（ PPO）、聚甲醛
（ POM）、饱和聚酯（ PET,PBT）等
纤维 塑料 橡胶
分子量 一般 1 ~ 7 万 一般 6 ~ 30 万 一般
15 ~ 30 万
加工方法 熔融纺丝 挤出、注塑、
吹塑成型等
硫化交联
机械性能 高强度
（ >35000N/cm
2
）
高模量
(>35000N/cm
2
) 低
伸长率（ <5 ~ 50% ）
介于两者之
间
初始模量
很低，高弹
性形变
（ 500 - 100
0% ）
表 三大高分子材料的比较
硬塑料
应力
纤维
软塑料
应变
橡胶材料应力 —应变曲线
按结构单元的化学组成分类
1,碳链高分子
? 主链以 C原子间共价键相联结 加聚反应制得
? 如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲
酯，聚丙烯
聚乙烯
HH
CC
HH
??
??
??
??
││
─
││
2,杂链高分子
? 主链除 C原子外还有其它原子如 O,N, S等，并以共价
键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤
纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等
O O H H
C C O C C O
HH
??
??
??
PP ││
─ ─ ─ ─ ─ ─
│ │ │涤纶
3,元素有机高分子
? 主链中不含 C原子，而由 Si,B, P, Al,Ti, As
等元素与 O组成，其侧链为有机基团；
? 兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热
和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。
3
3
CH
Si O
CH
??
??
??
??
│
─
│
硅橡胶
4,无机高分子
? 主链既不含 C原子，也不含有机基团，而完全由其它元
素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子
量不高，并易水解。
\ / \ /
i
/ \ / \
S S S
S Si
S S S
C l C l
P N P N
C l C l
??
││
─
││
二硫化硅 聚二氯一氮化磷
高分子材料形成过程
? 简单流程如下：
高分子聚合物
石油、天然气、煤炭等
聚合
高分子材料
加工
裂解
单体
? 热塑性塑料,受热后软化，冷却后又变硬，可重复
循环。
? 热固性塑料,由单体直接形成网状聚合物或通过交
联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后
不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。
? 优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形
加工等；
? 缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，
大多数品种易燃，耐热性差。
热塑性与热固性
图 热塑性 a,b和热固性 c聚合物的形态特征
在室温下，为什么有些高分子材
料柔软而另外一些刚硬？
聚合物分子运动特点
? 聚合物分子运动具有多重性。
? 运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子
等。
? 运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链
或链节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的
重心位移等。
? 聚合物分子运动具有明显的松弛特性。
? 具有时间依赖性的过程称为松弛过程。
? 分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，
提高温度和延长时间具有相同的效果，这称为时 -
温等效原理，或时 -温转化效应。
力学状态
? 玻璃态
? 链段运动处于, 冻结, 状态，模量高形变小。具有
虎克弹性行为，质硬而脆。
? 高弹态
? 链段运动已充分发展。在较小应力下，即可迅速发
生很大的形变，除去外力后，形变可迅速恢复。
? 粘流态
? 由于链段的剧烈运动，整个大分子链重心发生相对
位移，产生不可逆位移即粘性流动。
? 交联聚合物无粘流态存在
玻璃化转变
? 聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之
间的转变。从分子运动的角度看，玻璃化温度
Tg是大分子链段开始运动的温度。
? 玻璃化转变是一个松弛过程。
? 在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的
因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力
减小等结构因素，都使 Tg下降。
高分子材料发展简史
? 天然高分子的利用
? 天然高分子改性
? 天然橡胶硫化（ 1839年）
? 硝化纤维赛璐珞（ 1868年）
? 粘胶纤维（ 1893~1898年）
? 合成高分子
? 20世纪初，出现了酚醛树脂
? 1920年,Staudinger提出高分子概念
? 30年代,40年代，飞速发展
? 70年代，特种性能的高分子
创立高分子化学的施陶丁格
Hermann Staudinger 1881一 1965
The Nobel Prize in Chemistry
1953
“for his
discoveries in the
field of
macromolecular
chemistry”
2000年化学奖授予了黑格 (A,J,Heeger，美国 )、
马克迪尔米德 (A,G,MacDiarmid，美国 )和白
川英树 (H,ShiraKawa，日本 ) 三人，他们发现
了导电聚合物。
A.J.Heeger(美国 ) A.G.Macdiarmid
(美国 )
H.ShiraKawa
(日本 )
几种典型的高分子材料
聚乙烯制品
聚乙烯（ PE）
? 聚乙烯从 1939年开始工业化生产，是目前产量
最大，应用最广泛的品种。
? 低密度聚乙烯（ LDPE）
? 在各种聚乙烯中产量最大，主要用于生产薄膜（制
造食品袋、垃圾袋、地膜、大鹏膜等）；约 10%用
于生产注塑用品。
? 线型低密度聚乙烯（ LLDPE）
? 主要用于生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制
品性能更好。还用于生产扁丝，制造编织袋。
? 高密度聚乙烯
? 注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。
? 中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装
瓶等。
? 薄膜制品（约占 20%）：大量用于食品包装。
聚乙烯管材
? 应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农
业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。
? 质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命
长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，
铺设费用低。
给水用 HDPE管
? 超高分子量聚乙烯（ UHMWPE） —— 可
作为工程塑料
? 在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域
得到重要应用。
? 具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗
磨损、不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑
板、储罐衬里等。
聚乙烯生产线
聚氯乙烯（ PVC）
PS保温板 PS光纤
聚苯乙烯（ PS）
氟塑料
? 是各种含氟塑料的总称。
? 聚四氟乙烯（ PTFE）。 1950年首先由杜邦公
司投产。有, 塑料王, 之称。
? 是高结晶度聚合物，无熔融态，分解温度 400 ℃,可
在 260 ℃ 以下长期下使用，耐低温达 -200 ℃,力学
性能优异。光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。
耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐
王水及沸腾的氢氟酸。具有塑料中最好的电绝缘性能。
? 广泛用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、
电绝缘等。
纤维
? 涤纶
? 尼龙（锦纶）
? 聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛）
高分子材料应用极为广泛！
讨论：
也请同学们举一些例子。
想象一下现代生活如果没有高分子材料，
如何？
保鲜膜
? 性能要求
? 保鲜、保洁、自粘
? 安全、无毒
? 市场上的保鲜膜
? 聚乙烯（ PE）、聚氯乙烯（ PVC）、偏聚氯
乙烯及其他材质
? 聚氯乙烯（ PVC）保鲜膜存在的问题
聚合物光盘基片
? 性能要求
? 高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变
形温度，较好的机械性能和加工性能、低的
双折射和成本等。
? 主要材料：
? 聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA）、
改性双酚 A环氧树脂、非晶态聚烯烃等
功能高分子材料
? 医用高分子
? 导电高聚物
? 液晶高分子
? 智能聚合物
? 高吸水性树脂等等
生物（医用）高分子
? 医用高分子
? 人工生体软组织
? 人工生体硬组织
? 药用高分子
? 高分子药物
? 高分子载药体系
? 医疗器械与诊断材料
医用高分子材料
? 医用修复材料
? 龋齿密封材料、外科缝合线、高分子绷托
? 眼球人工玻璃体
? 隐形眼镜
? 人工脏器
? 人造皮肤、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人
工肺、肾、肝、心脏等等。
在美国，每年有几百万件人工器件或修复材料植入病
人体内。
导电高聚物
? 共轭结构
-CH=CH-CH=CH-CH=CH-
导电高聚物应用前景
? 二次电池、太阳能电池
? 传感器
? 电磁屏蔽材料
? 隐身材料
? 金属防腐
B-2 Bomber (American)
F-117A Fighter (American)
A stealth ship
A stealth ship
液晶高分子材料
? 强度和模量极高
? 液晶概念
既具有液体的流动性，又有晶体的各向异性。
? 应用
? 防弹背心
? 火箭发动机外壳、导弹壳体
? 阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳、直升飞机
吊绳、人造卫星电子部件等等。
为什么液晶高分子的强度极高？
为什么尼龙的强度高于普通的
高分子材料？
高聚物的分子间作用力
? 范德华力
? 氢键
? 用内聚能或内聚能密度来表征分子间作
用力的大小
? 橡胶内聚能密度小于 334.94J/cm3
? 纤维内聚能密度大于 418.68J/cm3
聚合物分离膜
? 超滤膜
? 污水处理
? 食品浓缩、灭菌
? 药物精制、浓缩，血液过滤等
? 反渗透膜
? 大规模海水和苦咸水的淡化
? 制备医药、电子工业用无菌、去离子和超纯
水
? 气体分离膜等等
高分子材料的可持续性发展
? 废弃物的环境污染
? 可降解聚合物
? 部分降解
? 完全降解
? 回收利用技术
展望
? 环境协调性发展
? 传统材料提高生产效率
? 材料的复合、合金化技术
? 新功能材料的开发
? 分子设计
——高分子材料科学
? 2000年，世界合成高分子材料的年总产
量已达到 2亿吨。其中塑料 1.63亿吨，
合成橡胶 0.11亿吨，合成纤维 0.28亿吨。
? 高分子科学既是一门基础学科，又是一
门应用科学，主要由高分子化学、高分
子物理、高分子材料和高分子工艺四个
学科分支组成。
多种多样的高分子材料
防 弹 衣高比强度的降洛伞绳索
什么是高分子？
? 高分子的含义
? 分子量很大（ 104~107，甚至更大）。
? 分子似“一条链”，由许多相同的 结构单元
组成。
? 以共价键的形式重复连接而成。
? 与小分子比较
? 分子量不确定，只有一定的范围，是分
子量不等的同系物的混合物；
? 没有固定熔点，只有一段宽的温度范围；
? 分子间力很大，没有沸点，加热到
2000C~3000C以上，材料破坏（降解或
交联）。
高分子材料分类
? 按 材料来源 分类
? 天然高分子
? 合成高分子
? 按 材料性能和用途 分类
? 塑料
? 橡胶 （称为三大合成材料）
? 纤维
? 涂料
? 粘合剂
? 功能高分子
通用高分子材料
? 塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料
? 全世界产量 1亿多吨
? 塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙
烯、聚苯乙烯等
? 合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占 60%
? 合成纤维主要品种有：涤纶（ PET）、尼龙、
聚丙烯腈、聚丙烯等
? 合成纤维、天然纤维、人造纤维比例为 2 ?
3 ? 1
工程塑料
? 性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸
气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性
好。
? 主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯
（ PC）、聚苯醚（ PPO）、聚甲醛
（ POM）、饱和聚酯（ PET,PBT）等
纤维 塑料 橡胶
分子量 一般 1 ~ 7 万 一般 6 ~ 30 万 一般
15 ~ 30 万
加工方法 熔融纺丝 挤出、注塑、
吹塑成型等
硫化交联
机械性能 高强度
（ >35000N/cm
2
）
高模量
(>35000N/cm
2
) 低
伸长率（ <5 ~ 50% ）
介于两者之
间
初始模量
很低，高弹
性形变
（ 500 - 100
0% ）
表 三大高分子材料的比较
硬塑料
应力
纤维
软塑料
应变
橡胶材料应力 —应变曲线
按结构单元的化学组成分类
1,碳链高分子
? 主链以 C原子间共价键相联结 加聚反应制得
? 如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲
酯，聚丙烯
聚乙烯
HH
CC
HH
??
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││
─
││
2,杂链高分子
? 主链除 C原子外还有其它原子如 O,N, S等，并以共价
键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤
纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等
O O H H
C C O C C O
HH
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PP ││
─ ─ ─ ─ ─ ─
│ │ │涤纶
3,元素有机高分子
? 主链中不含 C原子，而由 Si,B, P, Al,Ti, As
等元素与 O组成，其侧链为有机基团；
? 兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热
和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。
3
3
CH
Si O
CH
??
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│
─
│
硅橡胶
4,无机高分子
? 主链既不含 C原子，也不含有机基团，而完全由其它元
素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子
量不高，并易水解。
\ / \ /
i
/ \ / \
S S S
S Si
S S S
C l C l
P N P N
C l C l
??
││
─
││
二硫化硅 聚二氯一氮化磷
高分子材料形成过程
? 简单流程如下：
高分子聚合物
石油、天然气、煤炭等
聚合
高分子材料
加工
裂解
单体
? 热塑性塑料,受热后软化，冷却后又变硬，可重复
循环。
? 热固性塑料,由单体直接形成网状聚合物或通过交
联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后
不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。
? 优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形
加工等；
? 缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，
大多数品种易燃，耐热性差。
热塑性与热固性
图 热塑性 a,b和热固性 c聚合物的形态特征
在室温下，为什么有些高分子材
料柔软而另外一些刚硬？
聚合物分子运动特点
? 聚合物分子运动具有多重性。
? 运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子
等。
? 运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链
或链节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的
重心位移等。
? 聚合物分子运动具有明显的松弛特性。
? 具有时间依赖性的过程称为松弛过程。
? 分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，
提高温度和延长时间具有相同的效果，这称为时 -
温等效原理，或时 -温转化效应。
力学状态
? 玻璃态
? 链段运动处于, 冻结, 状态，模量高形变小。具有
虎克弹性行为，质硬而脆。
? 高弹态
? 链段运动已充分发展。在较小应力下，即可迅速发
生很大的形变，除去外力后，形变可迅速恢复。
? 粘流态
? 由于链段的剧烈运动，整个大分子链重心发生相对
位移，产生不可逆位移即粘性流动。
? 交联聚合物无粘流态存在
玻璃化转变
? 聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之
间的转变。从分子运动的角度看，玻璃化温度
Tg是大分子链段开始运动的温度。
? 玻璃化转变是一个松弛过程。
? 在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的
因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力
减小等结构因素，都使 Tg下降。
高分子材料发展简史
? 天然高分子的利用
? 天然高分子改性
? 天然橡胶硫化（ 1839年）
? 硝化纤维赛璐珞（ 1868年）
? 粘胶纤维（ 1893~1898年）
? 合成高分子
? 20世纪初，出现了酚醛树脂
? 1920年,Staudinger提出高分子概念
? 30年代,40年代，飞速发展
? 70年代，特种性能的高分子
创立高分子化学的施陶丁格
Hermann Staudinger 1881一 1965
The Nobel Prize in Chemistry
1953
“for his
discoveries in the
field of
macromolecular
chemistry”
2000年化学奖授予了黑格 (A,J,Heeger，美国 )、
马克迪尔米德 (A,G,MacDiarmid，美国 )和白
川英树 (H,ShiraKawa，日本 ) 三人，他们发现
了导电聚合物。
A.J.Heeger(美国 ) A.G.Macdiarmid
(美国 )
H.ShiraKawa
(日本 )
几种典型的高分子材料
聚乙烯制品
聚乙烯（ PE）
? 聚乙烯从 1939年开始工业化生产，是目前产量
最大，应用最广泛的品种。
? 低密度聚乙烯（ LDPE）
? 在各种聚乙烯中产量最大，主要用于生产薄膜（制
造食品袋、垃圾袋、地膜、大鹏膜等）；约 10%用
于生产注塑用品。
? 线型低密度聚乙烯（ LLDPE）
? 主要用于生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制
品性能更好。还用于生产扁丝，制造编织袋。
? 高密度聚乙烯
? 注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。
? 中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装
瓶等。
? 薄膜制品（约占 20%）：大量用于食品包装。
聚乙烯管材
? 应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农
业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。
? 质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命
长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，
铺设费用低。
给水用 HDPE管
? 超高分子量聚乙烯（ UHMWPE） —— 可
作为工程塑料
? 在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域
得到重要应用。
? 具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗
磨损、不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑
板、储罐衬里等。
聚乙烯生产线
聚氯乙烯（ PVC）
PS保温板 PS光纤
聚苯乙烯（ PS）
氟塑料
? 是各种含氟塑料的总称。
? 聚四氟乙烯（ PTFE）。 1950年首先由杜邦公
司投产。有, 塑料王, 之称。
? 是高结晶度聚合物，无熔融态，分解温度 400 ℃,可
在 260 ℃ 以下长期下使用，耐低温达 -200 ℃,力学
性能优异。光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。
耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐
王水及沸腾的氢氟酸。具有塑料中最好的电绝缘性能。
? 广泛用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、
电绝缘等。
纤维
? 涤纶
? 尼龙（锦纶）
? 聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛）
高分子材料应用极为广泛！
讨论：
也请同学们举一些例子。
想象一下现代生活如果没有高分子材料，
如何？
保鲜膜
? 性能要求
? 保鲜、保洁、自粘
? 安全、无毒
? 市场上的保鲜膜
? 聚乙烯（ PE）、聚氯乙烯（ PVC）、偏聚氯
乙烯及其他材质
? 聚氯乙烯（ PVC）保鲜膜存在的问题
聚合物光盘基片
? 性能要求
? 高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变
形温度，较好的机械性能和加工性能、低的
双折射和成本等。
? 主要材料：
? 聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA）、
改性双酚 A环氧树脂、非晶态聚烯烃等
功能高分子材料
? 医用高分子
? 导电高聚物
? 液晶高分子
? 智能聚合物
? 高吸水性树脂等等
生物（医用）高分子
? 医用高分子
? 人工生体软组织
? 人工生体硬组织
? 药用高分子
? 高分子药物
? 高分子载药体系
? 医疗器械与诊断材料
医用高分子材料
? 医用修复材料
? 龋齿密封材料、外科缝合线、高分子绷托
? 眼球人工玻璃体
? 隐形眼镜
? 人工脏器
? 人造皮肤、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人
工肺、肾、肝、心脏等等。
在美国，每年有几百万件人工器件或修复材料植入病
人体内。
导电高聚物
? 共轭结构
-CH=CH-CH=CH-CH=CH-
导电高聚物应用前景
? 二次电池、太阳能电池
? 传感器
? 电磁屏蔽材料
? 隐身材料
? 金属防腐
B-2 Bomber (American)
F-117A Fighter (American)
A stealth ship
A stealth ship
液晶高分子材料
? 强度和模量极高
? 液晶概念
既具有液体的流动性，又有晶体的各向异性。
? 应用
? 防弹背心
? 火箭发动机外壳、导弹壳体
? 阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳、直升飞机
吊绳、人造卫星电子部件等等。
为什么液晶高分子的强度极高？
为什么尼龙的强度高于普通的
高分子材料？
高聚物的分子间作用力
? 范德华力
? 氢键
? 用内聚能或内聚能密度来表征分子间作
用力的大小
? 橡胶内聚能密度小于 334.94J/cm3
? 纤维内聚能密度大于 418.68J/cm3
聚合物分离膜
? 超滤膜
? 污水处理
? 食品浓缩、灭菌
? 药物精制、浓缩，血液过滤等
? 反渗透膜
? 大规模海水和苦咸水的淡化
? 制备医药、电子工业用无菌、去离子和超纯
水
? 气体分离膜等等
高分子材料的可持续性发展
? 废弃物的环境污染
? 可降解聚合物
? 部分降解
? 完全降解
? 回收利用技术
展望
? 环境协调性发展
? 传统材料提高生产效率
? 材料的复合、合金化技术
? 新功能材料的开发
? 分子设计
