高分子聚合物的发展现状及应用范围的产业规划

第一节  高分子聚合物的简介

高分子聚合物指由键重复连接而成的高分子量（通常可达10～106）化合物。包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构以及织态结构。人类利用天然聚合物的历史久远，直到19世纪中叶才跨入对天然聚合物的化学改性工作，1839年C．Goodyear发现了橡胶的硫化反应，从而使天然橡胶变为实用的工程材料的研究取得关键性的进展。（产业规划）

第二节 高分子聚合物的种类

聚合物分类

可以从不同的角度对聚合物进行分类，如从、加热行为、聚合物结构等。

⑴按分子主链的元素结构，可将聚合物分为碳链、杂链和元素有机三类。

碳链聚合物大分子主链完全由碳原子组成。绝大部分烯类和二烯类聚合物属于这一类，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。

杂链聚合物大分子主链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。如聚醚、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚硫橡胶等。工程塑料、合成纤维、耐热聚合物大多是杂链聚合物。

元素有机聚合物大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝和氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机基团组成，如甲基、乙基、乙烯基等。有机硅橡胶就是典型的例子。

元素有机又称杂链的半有机高分子，如果主链和侧基均无碳原子，则成为无机高分子。

性质和用途分类

按材料的性质和用途分类，可将高聚物分为塑料、橡胶和纤维。

橡胶通常是一类线型柔顺高分子聚合物，分子间次价力小，具有典型的高弹性，在很小的作用力下，能产生很大的形变（500%～1000%），外力除去后，能恢复原状。因此，橡胶类用的聚合物要求完全无定型，玻璃化温度低，便于大分子的运动。经少量交联，可消除永久的残余形变。以天然橡胶为例，Tg低（—73℃），少量交联后，起始弹性模量小（<70N/cm2）。经拉伸后，诱导结晶，将使模量和强度增高。伸长率为400%，强度增至1 500N/cm；500%时为2 000N/cm。橡胶经适度交联（硫化）后形成的网络结构可防止大分子链相互滑移，增大弹性形变。交联度增大，弹性下降，弹性模量上升，高度交联可得到硬橡胶。天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶和乙丙橡胶是常用的品种。

纤维通常是线性结晶聚合物，平均分子量较橡胶和塑料低，纤维不易形变，伸长率小（<10%～50%），弹性模量（>3 5000N/cm2）和抗张强度（>35 000N/cm2）都很高。纤维用聚合物带有某些极性基团，以增加次价力，并且要有高的结晶能力。拉伸可提高结晶度。纤维的熔点应在200℃以上，以利于热水洗涤和熨烫，但不宜高于300℃，以便熔融纺丝。该聚合物应能溶于适当的溶剂中，以便溶液纺丝，但不应溶于干洗溶剂中。工业中常用的合成纤维有聚酰胺（如尼龙—66、尼龙—6等）、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯腈等。

塑料是以合成或天然聚合物为主要成分，辅以填充剂、增塑剂和其他助剂在一定温度和压力下加工成型的材料或制品。其中的聚合物常称做树脂，可为晶态和非晶态。塑料的行为介于纤维和橡胶之间，有很广的范围，软塑料接近橡胶，硬塑料接近纤维。软塑料的结晶度由中到高，Tm、Tg有很宽的范围，弹性模量（15 000～350000N/cm2）、抗张强度（1 500～7 000N/cm2）、伸长率（20%～800%）都从中到高。聚乙烯、聚丙烯和结晶度中等的尼龙—66均属于软塑料。硬塑料的特点是刚性大、难变形。弹性模量（70 000～350 000N/cm2）和抗张强度（3 000～8 500N/cm2）都很高，而断裂伸长率很低（0．5%～3%）。这类塑料用的聚合物都具有刚性链，属无定型。塑料按其受热行为也可分为热塑性塑料和热固性塑料。依塑料的状态又可细分为模塑塑料、层压塑料、泡沫塑料、人造革、塑料薄膜等。

形状分类

按几何形状可分为两种，即线型大分子和体型大分子。图（a）所示为直链线型结构大分子

有许多链节联成一个长链，其分子直径与长度比达1:1000以上，这样长而细的结构，如果没有外力拉伸是是不可能成直线状的，所以它通常是卷曲成不规则的团状如聚丙烯等；图（b）所示为线型支链大分子，其线型大分子主链带有一些支链，支链的数量和长短可以不同，甚至支链上还有支链，如高压聚乙烯等；图（c）所示的是体型结构大分子，特点是：大分子链之间以强的化学键相互交联，形成立体的网状结构。

第三节 高分子聚合物的发展现状

1870年J．W．Hyatt用樟脑增塑硝化纤维素，使硝化纤维塑料实现了工业化。1907年L．Baekeland报道了合成第一个热固性酚醛树脂，并在20世纪20年代实现了工业化，这是第一个合成塑料产品。1920年H．Standinger提出了聚合物是由结构单元通过普通的共价键彼此连接而成的长链分子，这一结论为现代聚合物科学的建立奠定了基础。随后，Carothers把合成聚合物分为两大类，即通过缩聚反应得到的缩聚物和通过加聚反应得到的加聚物。20世纪50年代K．Ziegler和G．Natta发现了配位聚合催化剂，开创了合成立体规整结构聚合物的时代。在大分子概念建立以后的几十年中，合成高聚物取得了飞速的发展，许多重要的聚合物相继实现了工业化。

第四节 高分子聚合物的应用范围

天然聚合物多从自然植物经物理或化学方法制取，合成聚合物由低分子单体通过聚合反应制得。聚合方法通常有本体（熔融）聚合、溶液聚合、乳液聚合和悬浮聚合等，依据对聚合物的使用性能要求可对不同的方法进行选择，如带官能团的单体聚合常采用溶液或熔融聚合法。研究聚合过程的反应工程学科分支称为聚合反应工程学。聚合物加工成各种制品的过程，主要包括塑料加工、橡胶加工和化学纤维纺丝，这三者的共性研究体现为聚合物流变学。

聚合物的性能

高弹形变和黏弹性是聚合物特有的力学性能。这些特性均与大分子的多层次结构的大分子链的特殊运动方式以及聚合物的加工有密切的关系。聚合物的强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、耐溶剂性以及电绝缘性、透光性、气密性等都是使用性能的重要指标。

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