高分子材料概论(肇研)

自古以来，高分子材料一直存在于地球之上，如蛋白质、淀粉、天然纤维、天然橡胶等，都属于高分子材料的范畴。但是，人们真正认识高分子材料始于百年之前。1920年，德国化学家Hermann Staudinger在“über Polymerisation”中指出，聚合反应的产物是由化学键连接重复单元形成的分子量很大的聚合物。这些聚合物由成千上万个碳原子通过共价键连接，形成大分子链式结构。由此，高分子材料得到迅速发展，其在生产生活中应用的重要性已经可以与金属材料相媲美。 
高分子材料性能优异，能够适应多个领域的应用需求。高分子材料密度小，制品便于携带，如日常生活中的相机透镜及眼镜等都使用高分子材料制成。高分子材料自润滑性好，耐磨损，可以制成各种机械零部件，如各种齿轮及滑轮等。高分子材料对酸、碱、盐等恶劣环境的耐腐蚀性好，使其在化工及海洋等苛刻环境领域得到广泛应用。高分子材料加工方法众多，可以加工成型各种形状的制品，如薄膜、容器、型材等。高分子材料呈电绝缘性，在电子工业等领域的用量很大，如线缆防护及家用电器防护等。高分子材料对添加剂的包容性好，可通过添加各种类型的添加剂(如稳定剂、发泡剂、着色剂等)制成功能各异的材料，适应更多领域的应用。针对高分子材料自身性能的不足，还可通过化学接枝或共聚及物理共混等多种方法加以改善。使用玻璃纤维或碳纤维增强后得到的纤维增强聚合物基复合材料在力学性能上得到很大提升，在汽车、船舶及航空航天领域均有广泛的应用。 
按照材料的受热行为，高分子材料可分为热塑性高分子材料和热固性高分子材料。热塑性高分子材料为线型或支链型结构，在特定温度下能够反复加热软化、冷却硬化，这种过程是可逆的，为物理变化。热固性高分子材料为体型结构，在一定条件(如加热、加压)下能固化成不溶不熔的高分子材料，这种过程是不可逆的，为化学变化。 
按照产品的使用特性，高分子材料可分为通用高分子材料、工程高分子材料和特种高分子材料三大类。通用高分子材料是一类产量大、价格低、用途广、影响面宽的高分子材料的通称，较为常见的通用高分子材料有聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂、氨基树脂、热塑性聚酯、不饱和聚酯和聚氨酯等。工程高分子材料则是一类综合性能较为优良、成本较高，可作为工程材料代替金属制造零部件的一类高分子材料，主要品种有聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯和环氧树脂等。特种高分子材料是一类耐环境性好、力学性能优良的高分子材料，主要包括氟塑料、聚砜、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚酰亚胺及杂萘联苯聚芳醚等。 
但是，所有高分子材料不是单一使用的，通常通过各种手段组合起来使用。高分子材料形式众多、功能各异、应用领域广泛的特性来源于其结构的多样性和可设计性。根据材料的基本要素，材料的结构决定着其性能，进而决定制品的应用领域，因此，从结构的角度出发，对高分子材料的性能进行分析，选择其合适的应用领域的思维是相当重要的。 
“高分子材料”课程为工科院校高分子及复合材料和有关专业本科生的专业必修课程。本课程为相关专业学生从事专业相关研究与材料工程应用等工作奠定理论基础，通过对高分子材料结构、性能及应用领域的相互关系讲授，使学生系统地掌握各种高分子材料的制备方法、结构与性能的关系和应用领域。有关高分子材料的具体合成方法，请参阅《高分子化学》，高分子材料普适性的结构及性能特点请参阅《高分子物理》。 
高分子材料的分类方法众多，不同于传统的塑料、橡胶、纤维等的分类方法，本书仅从化学分子结构的角度入手进行分类介绍，旨在介绍材料的结构与性能及应用的关系。在此基础上，本书以通用高分子材料、工程高分子材料及特种高分子材料三部分进行高分子材料的介绍，主要介绍热塑性高分子材料，兼顾热固性高分子材料、热塑弹性体材料、部分合成纤维及复合材料，重点侧重高分子材料在航空航天领域的应用。 
本书由北京航空航天大学肇研、王凯主编。肇研教授拥有多年“高分子材料”及相关专业课程的教学经验。聚苯硫醚、聚芳醚酮和聚酰亚胺三部分内容由王凯编写。杂萘联苯聚芳醚部分由大连理工大学蹇锡高院士及王锦艳教授团队编写。此外，参与本书编写工作的还有刘志威、李学宽、王宇坤、孙铭辰、李冠龙、张思益、赵潇然、张天翼、熊舒、陈俊、李爽、刘寒松、宋九鹏、黄澄玉、陈藩、孙田培、李诗乐、马筱逸、王文格、段子琦、关延飞、张涛、鲁文廓、木拉提江·木合塔尔、周超、李井融、曹悦然、柳舒然、佟骁航、綦思成等肇研教授团队成员。本书测试原材料由金发科技有限公司及上海赛科石油化工有限责任公司提供。本书编写过程中主要参考了王玉琦、申从祥两位教授主编的《塑料材料》及师昌绪院士主编的《材料科学与工程手册· 第8篇》。由于上述两本图书出版时间距今已近20年，因此在本书编写过程中对相关内容进行了更新。 
近年来，高分子材料家族仍在迅速发展，种类包罗万象。在篇幅有限的条件下，本书不能把全部种类的高分子材料编入其中，仅对有代表性的、应用广泛的高分子材料进行介绍。此外，针对每种材料，本书主要介绍了未经改性的纯物质，辅以简介同系物、衍生物及共聚物，对于目前广泛使用的共混改性方法，由于种类繁杂并未进行论述，感兴趣的同仁可参阅相关文献资料。若有不当之处，敬请读者指正。 

编者 
2022年8月

《高分子材料概论》介绍了常见高分子材料的合成、结构、性能及应用领域，分为绪论、通用高分子材料、工程高分子材料及特种高分子材料四部分。主要内容包括高分子材料的发展简史，合成手段，包含分子链结构及结晶结构在内的结构特点，物理性能、力学性能、热性能、电性能及加工性能在内的性能特性并配以典型牌号的性能指标、应力应变曲线及流变曲线，以及在生产生活中的典型应用。每章后设置思考题，可用于课堂讨论与课后实践。《高分子材料概论》可作为高分子材料专业本科生、研究生的教学用书，对于从事高分子材料应用及研发工作的技术人员和科研工作者也是很好的参考工具书。

肇研，科研方面主要开展先进碳纤维/织物增强树脂基复合材料、碳纳米复合材料以及功能复合材料的研究工作，包括碳纤维微观界面、先进复合材料液体成型技术、碳纤维NCF织物预成型体及缝合研究、高性能碳纤维增强热塑性复合材料的研究，纳米材料（如碳纳米管、石墨烯等）的制备技术、分散特性和表面功能化等研究工作。承担国家、省部级重点课题数项，在该领域的国际和国内知名期刊发表论文70 余篇，获得授权的专利十余项。 教学方面，先后主讲《功能高分子材料》《热化学分析》《材料的表面和界面》《材料科学前沿导论》《材料工程基础》《高分子材料》等课程，其中，面向本科生开设的《高分子材料》课程已开设超过5年，积累了大量教学经验。 课题组在先进树脂基复合材料（主要包括碳纤维微观界面、先进复合材料液体成型技术、碳纤维NCF织物预成型体及缝合研究、高性能碳纤维增强热塑性复合材料等方面的研究）；树脂基功能复合材料（主要包括微米、纳米雷达波吸收剂等方面的研究）；纳米复合材料（主要包括碳纳米管、石墨烯、巴基纸等纳米碳材料及其复合材料的研究）等方面有着较为深厚的研究基础，为本书的撰写提供了大量支持。

第1章 绪论1 
1.1 概述1 
1.2 高分子材料的分类3 
1.3 高分子材料的其它组分6 
1.3.1 添加剂6 
1.3.2 增强体8 
1.4 高分子材料的成型加工10 
1.4.1 高分子材料的加工特性11 
1.4.2 高分子材料的成型加工工艺11 
1.5 高分子材料的性能13 
1.5.1 物理性能14 
1.5.2 力学性能15 
1.5.3 热性能16 
1.5.4 电性能17 
1.5.5 耐环境性能18 
1.5.6 加工性能19 
1.6 高分子材料的发展现状19 
思考题23 
参考文献24 

第2章 通用高分子材料25 
2.1 聚烯烃25 
2.1.1 概述25 
2.1.2 合成26 
2.1.3 结构27 
2.1.4 性能30 
2.1.5 应用33 
2.2 聚苯乙烯35 
2.2.1 概述36 
2.2.2 合成36 
2.2.3 结构37 
2.2.4 性能39 
2.2.5 应用44 
2.3 聚氯乙烯46 
2.3.1 概述46 
2.3.2 合成47 
2.3.3 结构47 
2.3.4 性能48 
2.3.5 应用49 
2.4 酚醛树脂51 
2.4.1 概述52 
2.4.2 合成52 
2.4.3 结构53 
2.4.4 性能54 
2.4.5 应用55 
2.5 氨基树脂56 
2.5.1 概述57 
2.5.2 合成57 
2.5.3 结构58 
2.5.4 性能58 
2.5.5 应用60 
2.6 热塑性聚酯62 
2.6.1 概述62 
2.6.2 合成63 
2.6.3 结构63 
2.6.4 性能64 
2.6.5 应用67 
2.7 不饱和聚酯69 
2.7.1 概述69 
2.7.2 合成69 
2.7.3 结构70 
2.7.4 性能71 
2.7.5 应用72 
2.8 聚氨酯74 
2.8.1 概述74 
2.8.2 合成74 
2.8.3 结构75 
2.8.4 性能76 
2.8.5 应用79 
思考题81 
参考文献81 

第3章 工程高分子材料83 
3.1 聚酰胺83 
3.1.1 概述83 
3.1.2 合成84 
3.1.3 结构84 
3.1.4 性能85 
3.1.5 应用88 
3.2 聚甲醛91 
3.2.1 概述91 
3.2.2 合成92 
3.2.3 结构92 
3.2.4 性能93 
3.2.5 应用97 
3.3 聚苯醚98 
3.3.1 概述98 
3.3.2 合成99 
3.3.3 结构99 
3.3.4 性能99 
3.3.5 应用102 
3.4 聚碳酸酯103 
3.4.1 概述104 
3.4.2 合成104 
3.4.3 结构105 
3.4.4 性能105 
3.4.5 应用108 
3.5 聚甲基丙烯酸甲酯111 
3.5.1 概述111 
3.5.2 合成111 
3.5.3 结构112 
3.5.4 性能113 
3.5.5 应用116 
3.6 环氧树脂118 
3.6.1 概述118 
3.6.2 合成119 
3.6.3 结构120 
3.6.4 性能122 
3.6.5 应用128 
思考题132 
参考文献132 

第4章 特种高分子材料134 
4.1 氟塑料134 
4.1.1 概述135 
4.1.2 合成136 
4.1.3 结构137 
4.1.4 性能140 
4.1.5 应用148 
4.2 聚砜152 
4.2.1 概述152 
4.2.2 合成152 
4.2.3 结构154 
4.2.4 性能156 
4.2.5 应用160 
4.3 聚苯硫醚162 
4.3.1 概述162 
4.3.2 合成163 
4.3.3 结构164 
4.3.4 性能164 
4.3.5 应用167 
4.4 聚芳醚酮169 
4.4.1 概述170 
4.4.2 合成170 
4.4.3 结构171 
4.4.4 性能174 
4.4.5 应用180 
4.5 聚酰亚胺183 
4.5.1 概述183 
4.5.2 合成184 
4.5.3 结构188 
4.5.4 性能190 
4.5.5 应用196 
4.6 杂萘联苯聚芳醚200 
4.6.1 概述200 
4.6.2 合成201 
4.6.3 结构203 
4.6.4 性能204 
4.6.5 应用208 
思考题210 
参考文献210