高分子材料概论（高长有）（第二版）

高分子材料是以有机高分子化合物为主构成的，也称为有机高分子材料。人类很早就开始利用天然有机高分子材料，如木材、皮革、橡胶、棉、麻、丝、毛等。自20 世纪20 年代以来，人工合成的各种高分子材料逐步发展，其具有质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于成型加工等优点。当前，高分子材料的产量按体积已经超过所有金属材料的总和，成为国民经济和国防建设中的基础材料之一。现阶段我国已成为合成橡胶、合成树脂的生产和消费大国。2013—2022 年，中国的合成树脂产量整体呈增长态势，10 年间合成树脂产量从2013 年的6293.03 万吨增长至2022 年的11366.9 万吨。通过分子设计和结构改性，可以进一步获得各类高性能材料和特殊功能材料，以满足各类目标需求。 
经过近一个世纪的发展，高分子材料已深入到社会发展的各行各业，不仅在人们的衣食住行等方面发挥了巨大的作用，也在高精尖科技领域占有重要地位。高分子材料在机械行业的“以塑代钢”、燃料电池里的电解质膜、电子电气工业的新型导电导磁材料、生命健康领域的生物材料，以及传统的建筑、电信、包装、家居装饰、交通运输等方面都有着日新月异的发展；在国防通信、增材制造、柔性显示、航空航天、医疗器械等尖端“卡脖子”技术领域也有着不可替代的作用和广阔的发展前景。高分子材料与有机化学交叉发展的先进高分子，与超分子化学交叉发展的大分子组装技术，以及与生命、能源等学科交叉发展的特种高分子材料已经成为近年来研究的重点。 
高分子科学具有典型的理工交叉特征，高分子材料是体现其工学特色的一个重要内容。“高分子材料概论”的课程对帮助学生掌握传统高分子材料的制备、结构、性能和应用方面的知识至关重要；同时也是衔接高分子化学、高分子物理、功能高分子、高分子加工及其他高分子前沿方向间的一个纽带，起着承上启下的重要作用。 
高分子材料涵盖的范围非常宽，包括通用高分子材料、功能高分子材料、高分子复合材料、高分子材料加工等，有些教材还兼顾高分子化学、高分子物理的相关内容。鉴于除通用高分子材料外的诸多内容已有许多教材及专著可资参考，本书专注于系统阐述通用高分子材料的制备、结构、性能和应用，同时强调特定种类高分子材料的共性科学规律。全书共7 章，分别为材料与高分子材料、高分子材料的结构与性能、塑料、橡胶、纤维、胶黏剂和涂料、聚合物共混物。本书为数字融合出版教材，在传统纸质教材中配套延伸阅读、教学课件、本课程的教学方式探索等数字资源，其中“本课程的教学方式探索”主要分享笔者及同事在讲授《高分子材料概论》时采用的一些教学方法，期望本书能发挥“培根铸魂，启智增慧”的作用。本书适于高分子及相关专业本科生、研究生作为教材使用，也可供教师和工程技术人员参考。 
在资料的收集整理和校对过程中，先后有多位研究生参与，包括韩璐璐、姜朋飞、叶辰、吴赛、郑鸿浩、张文博、张德腾、李世分、彭湃等。胡玲、韩璐璐、叶辰、邓君、吴赛、张昊岚、曹望北、李世分等同学先后协助过“高分子材料概论”的教学和资料调研工作。他们多数已经毕业，成为教师或其他行业的骨干。在浙江大学，一同讲授“高分子材料概论”课程的还有马列、陈红征、施敏敏教授，大家共同参与了教学方法的探讨和改革。在本书完成之际，向上述同学、老师及所有给予过帮助的人致以诚挚的谢意！同时感谢20 余年来在浙江大学和我一同成长的诸多学子及广大同仁！ 
笔者从1999 年开始讲授“高分子材料概论”课程至今，在所用课件基础上形成本书。撰写过程参考了高分子材料类的多本书籍及研究论文，诚表感谢！再版过程增加了可降解高分子材料章节，并修改了第一版中的错误。笔者学识有限，疏漏之处实属难免，请广大读者批评指正。 

高长有 
2023 年3 月 

本书系统阐述了通用高分子材料（塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂、聚合物共混物）的制备、结构、性能和应用，同时强调特定种类高分子材料的共性科学规律。全书共7 章。第1 章为材料与高分子材料，重点介绍材料的定义、分类、高分子材料的概念及发展等；第2 章为高分子材料的结构与性能，重点阐述高分子链结构、聚集态结构以及高分子材料的力学性能、物理性能（热性能、电性能、光性能等）、化学性能（聚合物的化学反应、老化、燃烧、力化学等）；第3～6 章分别详细介绍塑料、橡胶、纤维、胶黏剂和涂料，在每章前面首先阐述该类材料的共性结构和性能特点，针对橡胶和纤维材料介绍了其主要性能指标和检测方法，围绕制备—结构—性能—应用这一主线，详细介绍了多种高分子材料；第7 章为聚合物共混物，介绍了聚合物共混物的制备方法和原理、结构、研究手段。本书可供高分子及相关专业本科生、研究生作为教材使用，也可供教师和工程技术人员参考。

高长有，浙江大学教授，长江特聘教授，国家杰出青年基金获得者，连续入选Elsevier材料领域高被引科学家；国际生物材料学会、美国医学与生物工程院终身会士（Fellow）。现任中国生物材料学会副理事长、Materials Advances杂志副主编。从1999年开始为浙江大学高分子材料与工程本科生主讲“高分子材料”课程至今从未间断。主要从事组织修复与再生医用高分子材料研究。作为负责人先后承担国家重点研发计划项目1项、国家自然科学基金重点项目3项、973计划课题2项。在本学科核心期刊发表论文500余篇，他引13000余次，H因子76；授权国家发明专利70余项、美国专利1项。

第1章 材料与高分子材料 001 
1.1 材料与材料科学 001 
1.1.1 材料的定义 001 
1.1.2 材料的利用与发展 001 
1.1.3 材料的作用 002 
1.1.4 新材料的发展方向 003 
1.2 材料的制备与性能 004 
1.2.1 材料与物质 004 
1.2.2 材料工艺过程 005 
1.2.3 材料的结构 005 
1.2.4 材料的性能 005 
1.3 材料的分类 006 
1.3.1 金属材料 006 
1.3.2 无机非金属材料 007 
1.3.3 高分子材料 008 
1.3.4 复合材料 008 
1.4 高分子材料发展历史及未来 009 
1.4.1 高分子材料的三个发展阶段 009 
1.4.2 高分子材料展望 011 
1.5 高分子与高分子材料 012 
1.5.1 基本概念 012 
1.5.2 高分子材料的命名 013 
1.5.3 高分子材料分类 016 
1.5.4 高分子材料与高分子化学、高分子物理的关系 019 
1.6 高分子材料的合成 019 
1.6.1 逐步聚合反应 019 
1.6.2 连锁聚合反应 020 
参考文献 021 
思考题 021 

第2章 高分子材料的结构与性能 022 
2.1 高分子链的链结构（化学结构）022 
2.1.1 一级结构 023 
2.1.2 二级结构 025 
2.2 高分子的聚集态结构与性能 025 
2.2.1 高分子结晶 026 
2.2.2 高分子液晶 026 
2.2.3 高分子取向 027 
2.3 高分子材料的组成与性能 027 
2.4 高分子材料的力学性能 027 
2.4.1 拉伸性能 027 
2.4.2 压缩性能 028 
2.4.3 弯曲性能 029 
2.4.4 冲击性能 029 
2.4.5 剪切性能 030 
2.4.6 硬度 030 
2.4.7 耐蠕变性 031 
2.4.8 持久强度 031 
2.4.9 疲劳强度 031 
2.4.10 摩擦与磨损 032 
2.5 高分子材料的物理性能 032 
2.5.1 热学性能 032 
2.5.2 电学性能 035 
2.5.3 光学性能 037 
2.5.4 其他物理性能 039 
2.6 高分子材料的化学性能 040 
2.6.1 聚合物的化学反应 040 
2.6.2 高分子材料的老化 044 
2.6.3 高分子材料的燃烧特性 045 
2.6.4 力化学性能 047 
参考文献 049 
思考题 049 

第3章 塑料 050 
3.1 概述 050 
3.1.1 分类及性能 050 
3.1.2 组分及作用 051 
3.1.3 成型加工方法 058 
3.2 聚烯烃塑料 063 
3.2.1 聚乙烯 063 
3.2.2 聚丙烯 073 
3.2.3 聚苯乙烯系树脂 074 
3.2.4 其他聚烯烃塑料 078 
3.3 其他热塑性塑料 080 
3.3.1 聚氯乙烯系树脂 080 
3.3.2 聚乙烯醇及其衍生物塑料 085 
3.3.3 丙烯酸塑料 087 
3.3.4 聚氨酯 089 
3.3.5 可降解塑料 092 
3.4 工程塑料 101 
3.4.1 聚酰胺 101 
3.4.2 聚碳酸酯 108 
3.4.3 聚甲醛 109 
3.4.4 聚苯醚 110 
3.4.5 聚对苯二甲酸丁二醇酯 111 
3.4.6 聚对苯二甲酸乙二醇酯 112 
3.4.7 聚酰亚胺 113 
3.4.8 氟塑料 116 
3.4.9 聚砜类树脂 121 
3.4.10 聚苯硫醚 123 
3.4.11 聚苯酯 125 
3.4.12 聚芳酯 126 
3.4.13 聚醚醚酮 127 
3.4.14 液晶聚合物 127 
3.5 热固性塑料 128 
3.5.1 酚醛塑料 129 
3.5.2 氨基塑料 131 
3.5.3 呋喃塑料 133 
3.5.4 环氧树脂 134 
3.5.5 不饱和聚酯塑料 136 
3.5.6 有机硅塑料 137 
3.5.7 双马来酰亚胺塑料 138 
参考文献 139 
思考题 141 

第4章 橡胶 142 
4.1 概述 142 
4.1.1 发现与定义 142 
4.1.2 组分与作用 143 
4.1.3 橡胶的配方 148 
4.1.4 橡胶的加工 150 
4.1.5 橡胶的结构与性能 156 
4.1.6 橡胶的主要性能指标 159 
4.2 天然橡胶 165 
4.2.1 天然橡胶的分类 165 
4.2.2 天然橡胶的品种 165 
4.2.3 天然橡胶的成分 166 
4.2.4 天然橡胶性能与应用 167 
4.2.5 古塔波胶 167 
4.2.6 杜仲胶 167 
4.3 二烯类橡胶 168 
4.3.1 聚丁二烯橡胶（polybutadiene，PB） 168 
4.3.2 聚异戊二烯橡胶（polyisoprene，IR） 171 
4.3.3 丁苯橡胶（styrene-butadiene rubber，SBR） 171 
4.3.4 丁腈橡胶（nitrile rubber，acrylonitrilebutadiene rubber，NBR） 172 
4.4 其他橡胶 174 
4.4.1 氯丁橡胶（chloroprene rubber，CR） 174 
4.4.2 聚异丁烯和丁基橡胶 175 
4.4.3 以乙烯为基础的橡胶 177 
4.4.4 其他合成橡胶 179 
4.5 热塑性弹性体（thermoplastic elastomer，TPE） 186 
4.5.1 结构特征 186 
4.5.2 聚烯烃类热塑性弹性体（polyolefin thermoplastic elastomer） 186 
4.5.3 聚苯乙烯类嵌段共聚物 187 
4.5.4 聚酯类（polyester type） 187 
4.5.5 聚氨酯类（thermoplastic polyurethane，TPU） 187 
参考文献 188 
思考题 189 

第5章 纤维 190 
5.1 纤维概述 190 
5.1.1 纤维的分类 190 
5.1.2 纤维的主要性能指标 191 
5.1.3 纤维加工的一般过程 194 
5.1.4 纤维加工过程中结构的变化 200 
5.1.5 结构与性能的关系 201 
5.2 天然纤维和人造纤维 203 
5.2.1 天然纤维 203 
5.2.2 人造纤维（artificial fiber） 206 
5.3 合成纤维 214 
5.3.1 聚酰胺纤维 215 
5.3.2 聚酯纤维 216 
5.3.3 聚丙烯腈纤维 218 
5.3.4 聚丙烯纤维 220 
5.3.5 聚乙烯醇纤维 222 
5.3.6 聚氯乙烯纤维 224 
5.3.7 聚乳酸纤维 225 
5.4 特种合成纤维 226 
5.4.1 耐高温纤维 226 
5.4.2 耐腐蚀纤维 228 
5.4.3 阻燃纤维 229 
5.4.4 弹性纤维 229 
5.4.5 吸湿性纤维和抗静电纤维 229 
参考文献 230 
思考题 230 

第6章 胶黏剂和涂料 231 
6.1 胶黏剂 231 
6.1.1 胶黏剂的组成 231 
6.1.2 胶黏剂的分类 232 
6.1.3 胶接及其机理 233 
6.1.4 胶黏剂的选择 236 
6.1.5 环氧树脂胶黏剂 237 
6.1.6 聚氨酯胶黏剂 239 
6.1.7 酚醛树脂胶黏剂 240 
6.1.8 丙烯酸酯类胶黏剂 241 
6.1.9 橡胶胶黏剂 244 
6.1.10 其他常用的胶黏剂 245 
6.2 涂料 247 
6.2.1 涂料的组成 247 
6.2.2 涂料的类型 248 
6.2.3 涂料的涂装方法 249 
6.2.4 油基树脂漆 250 
6.2.5 合成树脂漆 252 
6.2.6 水性树脂涂料 256 
6.2.7 粉末涂料 256 
参考文献 258 
思考题 258 

第7章 聚合物共混物 259 
7.1 聚合物共混物及其制备方法 259 
7.1.1 基本概念 259 
7.1.2 共混方法 260 
7.2 聚合物共混物的相容性 262 
7.2.1 基本概念 262 
7.2.2 热力学相容性判断 263 
7.2.3 聚合物之间相容性的基本特点 264 
7.2.4 提高相容性的方法 266 
7.2.5 相容性研究方法 268 
7.3 聚合物共混物的形态结构 269 
7.3.1 形态结构的基本类型 270 
7.3.2 聚合物的界面层 273 
7.3.3 相容性对形态结构和性能的影响 275 
7.3.4 制备方法对形态结构的影响 275 
7.3.5 形态结构测定方法 276 
7.4 聚合物共混物的性能 277 
7.4.1 性能-组成关系 277 
7.4.2 力学松弛性能 278 
7.4.3 模量和强度 278 
7.4.4 流变性能 278 
7.4.5 其他性能 279 
7.5 基于塑料的聚合物共混物 280 
7.5.1 以聚乙烯为基的共混物 280 
7.5.2 以聚丙烯为基的共混物 281 
7.5.3 以聚氯乙烯为基的共混物 282 
7.5.4 以聚苯乙烯为基的共混物 283 
7.5.5 其他聚合物共混物 284 
7.6 橡胶增韧塑料的机理 286 
7.6.1 橡胶增韧塑料的特点 286 
7.6.2 橡胶增韧塑料的机理 286 
7.6.3 影响抗冲强度的因素 289 
7.7 非弹性体增韧 290 
7.7.1 有机粒子增韧 290 
7.7.2 无机粒子增韧 290 
7.7.3 非弹性体增韧作用机理 291 
参考文献 291 
思考题 292

本书系统阐述了通用高分子材料（塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂、聚合物共混物）的制备、结构、性能和应用，同时强调特定种类高分子材料的共性科学规律。全书共7 章。第1 章为材料与高分子材料，重点介绍材料的定义、分类、高分子材料的概念及发展等；第2 章为高分子材料的结构与性能，重点阐述高分子链结构、聚集态结构以及高分子材料的力学性能、物理性能（热性能、电性能、光性能等）、化学性能（聚合物的化学反应、老化、燃烧、力化学等）；第3～6 章分别详细介绍塑料、橡胶、纤维、胶黏剂和涂料，在每章前面首先阐述该类材料的共性结构和性能特点，针对橡胶和纤维材料介绍了其主要性能指标和检测方法，围绕制备—结构—性能—应用这一主线，详细介绍了多种高分子材料；第7 章为聚合物共混物，介绍了聚合物共混物的制备方法和原理、结构、研究手段。本书可供高分子及相关专业本科生、研究生作为教材使用，也可供教师和工程技术人员参考。

高长有，浙江大学教授，长江特聘教授，国家杰出青年基金获得者，连续入选Elsevier材料领域高被引科学家；国际生物材料学会、美国医学与生物工程院终身会士（Fellow）。现任中国生物材料学会副理事长、Materials Advances杂志副主编。从1999年开始为浙江大学高分子材料与工程本科生主讲“高分子材料”课程至今从未间断。主要从事组织修复与再生医用高分子材料研究。作为负责人先后承担国家重点研发计划项目1项、国家自然科学基金重点项目3项、973计划课题2项。在本学科核心期刊发表论文500余篇，他引13000余次，H因子76；授权国家发明专利70余项、美国专利1项。