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Materiales metálicos y civilización humana
Desde misteriosas aleaciones con memoria de forma hasta la estrella de los materiales energéticos del futuro: las aleaciones para almacenamiento de hidrógeno
Cerámicas antiguas: una nueva apariencia Yan.
Del antiguo reino de los materiales al esplendor de los modernos materiales inorgánicos.
Potentes cerámicas estructurales avanzadas hasta fantásticas cerámicas funcionales.
Materiales poliméricos jóvenes: diversas formas
El nuevo reino de los materiales en el siglo XX: los materiales poliméricos en la vida moderna
Los polímeros funcionales muestran su poder mágico.
Materiales compuestos avanzados: artesanías maravillosas
Nuevos materiales funcionales: la escalera del progreso de la civilización humana
Materiales biológicos, materiales de información, materiales ambientales, nanomateriales, energía Materiales y materiales inteligentes.
Materiales: la piedra angular de la sociedad y la civilización humana
Varios campos activos de la ciencia y la tecnología de materiales
1. Biomateriales: incluidos los materiales biomédicos y los materiales biónicos.
2. Materiales inteligentes: como cerámicas piezoeléctricas, aleaciones con memoria de forma, etc.
3. Materiales ambientales; 4. Nanomateriales
5. Materiales poliméricos funcionales: polímeros absorbentes de agua, polímeros conductores, polímeros orgánicos emisores de luz, polímeros con memoria de forma, polímeros electrolitos, polímeros. piezoeléctricos, materiales ópticos orgánicos no lineales, polímeros degradables y cristales líquidos poliméricos, etc.
6. Simulación por computadora y diseño de materiales: la simulación por computadora se utiliza para predecir la estructura y las propiedades de los materiales y sus relaciones, realizando así el diseño de materiales y formando una "ciencia de materiales computacional".
La ciencia de los polímeros no es sólo una materia aplicada, sino también una materia básica. Es una nueva disciplina desarrollada paulatinamente sobre la base de la química orgánica, la química física, la bioquímica, la física y la mecánica.
Ciencia de los polímeros
Química de los polímeros
Estudia los principios de la polimerización y las reacciones químicas de los polímeros, selecciona materias primas, determina rutas, encuentra catalizadores y formula procesos de síntesis.
El estudio de la relación entre la estructura y las propiedades de los polímeros proporciona una orientación teórica para el diseño y síntesis de polímeros con propiedades predeterminadas, y es un puente entre la síntesis y la aplicación.
Física de Polímeros
Procesamiento de Polímeros
Estudia los principios y procesos del procesamiento y moldeo de polímeros.
Ciencia de los polímeros
L 1839 Goodyear de Estados Unidos inventó la vulcanización del caucho natural.
l En 1855, la British Parkes Company fabricaba plástico celuloide (nitrocelulosa + alcanfor).
El francés de Chardonnay inventó el rayón.
La formación del concepto de polímeros y el surgimiento de la ciencia de los polímeros comenzaron en la década de 1920.
l En 1920, Staudinger de Alemania publicó su documento histórico "Sobre la agregación", proponiendo el concepto de estructura de cadena larga de polímeros.
1. Desarrollo de la ciencia de los polímeros
En 1909 Baekeland sintetizó resina fenólica
En 1911, el británico Matthews sintetizó poliestireno.
1912 se sintetizó el policloruro de vinilo.
El polimetacrilato de metilo se sintetizó a partir de 1927.
1933 Aparece el polietileno de alta presión.
El tetrafluoroetileno se polimerizó en 1938...
Ziegler sintetizó polietileno a baja presión en 1953, y luego utilizó Natta para sintetizar polipropileno. Ziegler y Natta ganaron el Premio Nobel de Química.
El milagro de la polimerización
El descubrimiento del plástico
En 1869, el impresor John Hayat, de 31 años, inventó el celuloide.
Baekeland inventó la resina fenólica.
Materiales poliméricos en la vida moderna - plásticos
Materiales poliméricos en la vida moderna - plásticos técnicos
Desarrollo del caucho
Lágrimas de roble
Caucho sintético feo pero popular
Material polimérico en la vida moderna: el caucho
1855, Otimas, Suiza La gente ponía celulosa en ácido nítrico para obtener una solución de nitrocelulosa y fabricaba la primera fibra artificial.
En 1884, se metió nitrocelulosa en etanol y éter para obtener una solución para obtener rayón;
El desarrollo de las fibras
El desarrollo de materiales poliméricos funcionales
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Los materiales poliméricos funcionales comenzaron a desarrollarse a finales de los años 1960.
Los polímeros funcionales se refieren a aquellos que tienen reactividad química, catálisis, fotosensibilidad, conductividad, magnetismo, biocompatibilidad, farmacología y selectividad, o tienen la función de convertir o almacenar materia, energía e información.
Los polímeros funcionales que han alcanzado un uso práctico incluyen resinas de intercambio iónico, membranas funcionales de separación, fotorresistentes, resinas fotosensibles, fármacos poliméricos de liberación sostenida, órganos artificiales, etc.
Los materiales poliméricos funcionales, como componentes sensibles a los polímeros, polímeros altamente conductores, membranas de separación de alta resolución, polímeros altamente fotosensibles y células solares poliméricas, están a punto de entrar en la etapa práctica.
Material polimérico funcional: resina superabsorbente
La resina superabsorbente es un material polimérico funcional con excelentes funciones de absorción y retención de agua, y puede absorber cientos de millones de veces su propio peso. o miles de veces, por eso se le llama "alta absorbencia de agua".
Los principales tipos incluyen poliacrilato, alcohol polivinílico, polímero de acetato de vinilo, poliuretano, polímero de injerto de almidón, etc. El poliacrilato se produce mediante polimerización inversa de ácido acrílico y sosa cáustica.
Se puede convertir en toallas sanitarias femeninas, pañales para bebés, servilletas, etc. Además, también se puede utilizar como fragancia para el aire interior, conservante de frutas y verduras, agente antifúngico, retardante de llama, agente a prueba de humedad y juguetes para niños que se expanden después de absorber agua.
La capacidad de producción total global actual ha superado los 6,5438+0,3 millones de toneladas/año, de las cuales Nippon Shokubai Chemical Company es la empresa de producción más grande del mundo, con una capacidad de producción de 250.000 toneladas/año.
Membrana polimérica se refiere a una membrana hecha de materiales poliméricos con funciones de separación especiales que pueden separar sustancias selectivamente. Actualmente, se utilizan en campos técnicos como la desalinización de agua de mar, la ósmosis inversa, la extracción por membranas y la destilación por membranas.
Membrana de separación de polímeros
La planta de agua de Kita construida en Arabia Saudita es la planta desalinizadora más grande del mundo, con un suministro diario de 12.000 toneladas de agua dulce. Utiliza principalmente membrana de separación de acetato de celulosa. dispositivos.
Los materiales poliméricos fotosensibles representados por resinas fotosensibles se utilizan principalmente en fotografía, fabricación de planchas de impresión y circuitos integrados impresos.
El éster de alcohol polivinílico se utiliza en la industria gráfica. Se reticula bajo la luz pero permanece insoluble para obtener relieve.
Fotorresistente fotolítico, diazoquinona, se une a la resina fenólica y la imagen se guarda bajo la acción de la luz con una resolución de 10 nm.
Materiales poliméricos fotosensibles
En 1950, la gente comenzó a usar lentes de contacto hechas de polimetilmetacrilato (PMMA), que tenía excelentes propiedades ópticas y podía corregir el astigmatismo corneal. En 1960, los científicos checos dedicaron diez años a inventar el material para lentes de contacto blandas, el metacrilato de poli-2-hidroxietilo (HEMA), que todavía se utiliza en la actualidad.
Materiales poliméricos funcionales: lentes de contacto
Se pueden fabricar plásticos emisores de luz añadiendo a los plásticos materiales luminiscentes y que almacenen luz. Los plásticos luminosos son nuevos materiales funcionales y de alto valor añadido en los últimos años. Sus productos incluyen: señales de entrada, señales de escaleras, líneas de marcado, pintura luminosa, aberturas luminosas, papeles pintados luminosos, artesanías, juguetes y productos deportivos y de ocio.
Materiales poliméricos funcionales-materiales luminiscentes
Desde su descubrimiento, los polímeros conductores se han convertido en un punto de investigación en la ciencia de materiales. En la actualidad, se ha convertido en un campo de investigación interdisciplinario emergente que atrae a un gran número de expertos en diseño de materiales de todo el mundo.
Materiales poliméricos funcionales-materiales poliméricos conductores
Como nuevo tipo de material de alto rendimiento, el polímero de cristal líquido ha atraído gran atención por parte de la comunidad científica y la industria, y ha sido ampliamente utilizado. La aplicación se ha convertido en uno de los campos más activos de la ciencia de los polímeros.
Polímero de cristal líquido
Suelos de bambú
Para las alfombras, puedes elegir productos de lana duraderos o alfombras para mascotas.
Se utilizan principalmente recubrimientos a base de agua, recubrimientos en polvo y recubrimientos curados por radiación.
Productos de paisajismo exterior: bancos, mesas y señales de tráfico fabricados con plástico reciclable.
Materiales de construcción ecológicos
Materiales poliméricos biodegradables
Actualmente, en la naturaleza existen residuos "blancos" (plástico) y "negros" (caucho). El desarrollo de productos biodegradables es necesario y urgente, pero muchos problemas específicos no pueden resolverse.
1. La capacidad de carga de las bolsas de plástico degradables es baja; 2. Las bolsas de plástico degradables son opacas y amarillas y tienen poca transparencia; 3. El precio es alto y el costo es inaceptable;
Suministros médicos desechables, como tubos de infusión, frascos de medicamentos, adhesivos médicos, etc. Instrumentos de diagnóstico como detectores de erupción, endoscopios y varios otros instrumentos de diagnóstico.
Dispositivos externos, como prótesis, dispositivos de hemodiálisis o perfusión.
Órganos humanos como catéteres cardíacos, parches cardíacos, materiales de bombas cardíacas artificiales, tubos endotraqueales, vejigas artificiales, meninges artificiales, parches arteriales, vasos sanguíneos artificiales y articulaciones artificiales.
Implantes de cirugía plástica facial y otros materiales de cirugía plástica.
Los materiales biodegradables se refieren a aquellos materiales que pueden ser descompuestos por fluidos corporales, enzimas o microorganismos y se utilizan en suturas, implantes humanos, fármacos de liberación controlada, etc.
Tipos de materiales poliméricos médicos
Corazón artificial
Materiales biológicos
Articulaciones artificiales
Riñón artificial
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Materiales compuestos únicos
Materiales compuestos de fibra de carbono
Materiales compuestos de GRP
Hasta ahora, el ganador del Premio Nobel en Ciencia de Polímeros.
H. Staudinger (Alemania): Introdujo el concepto de "polímero" en el campo científico y estableció la relación entre la viscosidad y el peso molecular de las soluciones poliméricas (Premio Nobel 1953).
K. Ziegler (Alemania), G. Natta (Italia): Polimerización por coordinación de etileno y propileno (Premio Nobel 1963)
Page (abreviatura de página) J. Flory (EE.UU.) ): Principios de polimerización, relación entre propiedades físicas y estructura de los polímeros (Premio Nobel 1974).
H. Hideki Shirakawa (Japón), Alan G. McDiarmid (EE.UU.), Alan J. Haig (EE.UU.): Descubrimiento y desarrollo de polímeros conductores (Premio Nobel 2000).
De Gennis (Francia): Materia blanda, universalidad, escala, escalera mágica.
2. El desarrollo científico de los polímeros en China
l La investigación sobre polímeros en China comenzó a principios de la década de 1950. Tang Aoqing publicó el primer artículo científico sobre polímeros en 1951.
l El Instituto de Investigación Changchun Huaying comenzó a trabajar en caucho sintético en 1950 (Wang Fosong, Shen Zhiquan);
l Feng Xinde estableció la especialidad de química de polímeros en la Universidad de Pekín en la década de 1950.
A mediados de la década de 1950, Lin Bing estudió resinas de intercambio iónico en la Universidad de Nankai.
l Qian Renyuan estableció un grupo de investigación de física de polímeros en el Huaying College en 1952 para estudiar las propiedades de las soluciones poliméricas.
Ya en la década de 1950, Qian comenzó a estudiar la viscoelasticidad y la química de la radiación de los polímeros en el instituto.
Cuando tenía poco más de 50 años, el Sr. Xu Biao comenzó a estudiar ingeniería plástica en el Instituto de Tecnología de Chengdu (Universidad de Sichuan).
l El Sr. Wang Baoren estableció el grupo de investigación PMMA y PA6 en 1952 en el Instituto de Ciencias Orgánicas de Shanghai.
Académicos de la Academia China de Ciencias en China y en el campo de los polímeros: Wang Baoren, Feng Xinde, He Qian, Qian Renyuan, Yu Tongyin, Xu Wei, Wang Fosong, Cheng Rongshi, Huang Zhuo, An, Shen Zhiquan, Bai Chunli, Zhou Qifeng, Cao Yong, Yang Yuliang, etc.
La ciencia de los polímeros en el siglo XXI
En la historia de la humanidad, casi ninguna ciencia y tecnología ha hecho una contribución tan grande a la sociedad humana como la ciencia de los polímeros. A principios del siglo XXI, la ciencia de los polímeros y las tecnologías relacionadas se enfrentan a nuevas oportunidades y desafíos.
Algunas áreas de oportunidades y desafíos:
1. Procesos catalíticos y nuevos métodos de polimerización
2. Polímeros estructurales no lineales
3. Ensamblaje supramolecular y macromoléculas altamente autoorganizadas
4. Ingeniería de morfología y cristalización de polímeros
5. Polímeros sensibles a estímulos
6. Reciclado y procesamiento de polímeros
Dirección de desarrollo de materiales poliméricos
1. Alto rendimiento
2. Alta funcionalidad
3. Síntesis
4. Refinamiento
Vuélvete inteligente
Céntrate en el aprendizaje, la interdisciplinariedad, el pensamiento independiente y la innovación independiente, y resuelve problemas académicos en la práctica de producción, mejora el nivel académico de la ciencia de los polímeros y sirve al desarrollo. de la economía nacional.
Se puede ver en el desarrollo de los materiales anteriores que el desarrollo científico es interminable y la satisfacción temporal y la complacencia con el status quo conducirán al retraso y al progreso y la innovación continuos.
Las necesidades humanas son la fuerza impulsora del desarrollo científico
El contenido didáctico de la física de polímeros es revelar las conexiones intrínsecas y las leyes básicas entre la estructura y las propiedades de los materiales poliméricos.
La estructura del polímero es la base del rendimiento del polímero, el rendimiento es un reflejo de la estructura del polímero y el movimiento molecular del polímero es el puente entre la estructura y el rendimiento. Es decir, a través de la comprensión del movimiento molecular, podemos establecer la conexión interna entre estructura y desempeño, dominar la relación entre estructura y desempeño, mejorar el desempeño de los polímeros mediante síntesis, modificación y procesamiento para satisfacer las necesidades, y sentar una base científica. para el diseño molecular de polímeros y el diseño de materiales. Proporciona una base teórica para la síntesis, procesamiento, moldeado, prueba y aplicación de materiales poliméricos.
2. Contenidos didácticos de la física de polímeros
Estructura de la cadena de los polímeros
Estructura de condensación de los polímeros
Solución de polímeros
Peso molecular y distribución de pesos moleculares
Transformación y relajación de polímeros
Elasticidad del caucho
Viscoelasticidad de polímeros
Cedimiento y fractura de polímeros
Propiedades reológicas de los polímeros
Otras propiedades de los polímeros
2. Contenidos didácticos de la física de los polímeros
Estructura del polímero: incluida la cadena del polímero. estructura y estructura condensada, segmentos de cadena, flexibilidad, esferulita, plaquetas, peso molecular y distribución de peso molecular, y concepto de solución theta.
Comportamientos de los materiales poliméricos: propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y magnéticas. Las propiedades mecánicas incluyen propiedades de tracción, propiedades de impacto, agrietamiento, bandas de corte, resistencia y módulo.
Movimiento molecular de polímeros: transición vítrea, viscoelasticidad, elasticidad entrópica, cinética de cristalización, termodinámica de cristalización, punto de fusión, propiedades reológicas, viscosidad, fluidos no newtonianos.
Ecuación WLF, ecuación de Avrami, ecuación de estado del caucho, principio de superposición de Boltzmann.
Contenidos principales de la física de polímeros
La relación entre la estructura y las propiedades del polímero
Cómo estudiar los métodos
Estructura: cadena larga, elasticidad, enredo, movimiento del segmento
Rendimiento: peso ligero, fácil de colorear, buena tenacidad, resistencia a la corrosión,
fácil de procesar, amortiguador, biocompatible y fácil de cortar.
Por qué el propósito de la investigación
Guía para el diseño de macromoléculas
Guía para el procesamiento
Desarrollar materiales poliméricos
1. Características de la estructura del polímero (en comparación con moléculas pequeñas)
① Estructura de cadena del polímero: el polímero está compuesto por una gran cantidad de unidades estructurales (103-105).
② Flexibilidad de la cadena de polímero: la rotación interna de la cadena de polímero produce muchas conformaciones (como PE con DP = 100, el número de conformaciones es 1094), lo que puede hacer que la cadena principal se doble y se vuelva flexible.
③La estructura del polímero es polidispersa y heterogénea.
④La complejidad de la estructura condensada del polímero: cristalino, amorfo, esferulita, cristal en cadena, monocristal, cristal lineal, etc. Su estructura de materia condensada tiene una gran influencia en las propiedades físicas de los materiales poliméricos.
Los materiales poliméricos (plástico, caucho, fibra) tienen las siguientes ventajas:
①Peso ligero y baja densidad relativa. Polietileno de baja densidad (0,91), politetrafluoroetileno (2,2)
②Buenas propiedades eléctricas y de aislamiento.
③Excelente rendimiento de aislamiento térmico, material de aislamiento térmico.
Buena estabilidad química y resistencia a disolventes químicos.
Buena resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga. El caucho es un material insustituible para los neumáticos.
Buenas propiedades autolubricantes para rodamientos y engranajes.
⑦Buena transmitancia de luz. Disco de resina, lente de resina.
⑧Amplia selectividad mecánica.
⑨Las fuentes de materias primas son amplias, fáciles de procesar y moldear, adecuadas para la producción en masa y de bajo costo.
⑩Bellamente decorado. Puedes colorear y decorar como quieras.
2. Características de rendimiento de los materiales poliméricos
Propiedades y usos
Plásticos
Xianwei
Caucho Caucho
Materiales de recubrimiento
Adhesivos
Polímeros funcionales
Plásticos o materiales rígidos a base de polímeros, con o sin aditivos y cargas.
Material altamente elástico con deformación reversible.
Seda delgada y suave cuya longitud es al menos 100 veces su diámetro.
Material polimérico que se recubre sobre la superficie de un objeto para formar una película resistente, que desempeña una función decorativa y protectora.
Material polimérico que puede unir dos o más objetos mediante unión.
Materiales poliméricos finos con funciones y usos especiales pero en pequeñas cantidades.
3. Aplicación de materiales poliméricos
Plásticos agrícolas: ①Película ②Tuberías de riego
Industria de la construcción: ①PVC para tuberías de suministro y drenaje de agua, HDPE para puertas y ventanas de plástico , ③Pintura y revestimiento.
④ Suelos compuestos, muebles y madera artificial, tarimas ⑤ Techo de PVC.
Industria del embalaje: ①Película plástica: PE, PP, PS, PET, PA, etc.
②Envases huecos: PET, PE, PP, etc.
③Plásticos espumados: PE, PU, etc.
Industria de la automoción: piezas de plástico, paneles de instrumentos, fusibles, interiores de depósitos de combustible, cojines de asientos, etc.
Industria militar: combustible sólido (oligómero) para aviones y cohetes, fibras compuestas, etc.
3. Aplicación de materiales poliméricos
Los materiales poliméricos se utilizan ampliamente en diversas industrias, incluidas las de embalaje, agricultura, silvicultura, ganadería y pesca, construcción, electrónica y electricidad, transporte y hogar. Uso diario, Maquinaria, industria química, textil, atención médica, juguetes, oficina cultural y educativa, mobiliario, etc.
Industria eléctrica: ① Materiales aislantes (conductividad térmica, resistividad), polímeros conductores, etc.
② Electrónica: fibras ópticas de comunicación, cables, alambres, CD, teléfonos móviles y teléfonos.
③Electrodomésticos: carcasa, revestimiento (TV, ordenador, aire acondicionado), etc.
Aplicaciones médicas y sanitarias: corazón artificial, órgano artificial, riñón artificial (PU),
músculo artificial, tubo de infusión, bolsa de sangre, jeringa,
soluble sutura, liberación de fármacos, etc.
Ingeniería anticorrosión: materiales estructurales anticorrosión y anticorrosión, como politetrafluoroetileno.
Trabaja a 230 ~ 260 °C durante mucho tiempo, adecuado para productos con alta temperatura y corrosión severa.
Polímeros funcionales: resina de intercambio iónico, membrana de separación de polímeros, resina superabsorbente,
Fotorresistente, resina fotosensible, polímero médico, polímero de cristal líquido,
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Polímeros altamente conductores, polímeros electroluminiscentes, etc.
3. Aplicación de materiales poliméricos
4. Conocimiento de la física de polímeros para resolver problemas prácticos de producción
①El peso molecular y la distribución del peso molecular afectan el rendimiento de los materiales poliméricos. :
Alto peso molecular: el material tiene alta resistencia pero poca fluidez de procesamiento, por lo que el peso molecular debe ser moderado.
Distribución del peso molecular: Una fibra, de distribución estrecha y de componentes de alto peso molecular son perjudiciales para el rendimiento de resistencia.
b Caucho: Alto peso molecular medio, difícil de procesar. Por lo tanto, después de la plastificación, el peso molecular disminuye y la distribución se vuelve más amplia, lo que desempeña un efecto plastificante.
② La estructura de la materia condensada afecta el rendimiento de los materiales poliméricos.
La cristalización hace que el material sea fuerte, quebradizo y resistente.
Además, el tamaño de la esferulita también afecta al rendimiento, y la esferulita no debe ser demasiado grande.
Se pueden agregar agentes nucleantes para reducir el tamaño de las esferulitas; cambiar la temperatura de cristalización dará como resultado una mayor nucleación.
③La tecnología de procesamiento afecta el rendimiento de los materiales poliméricos:
Baja viscosidad, fácil de procesar. El policarbonato, al cambiar de temperatura, reduce la viscosidad. Polietileno: cambie la velocidad del tornillo, aumente la presión de inyección y la fuerza de corte → reduzca la viscosidad.
5. Cómo aprender bien la física de polímeros
La física de polímeros tiene mucho contenido, conceptos, pistas, relaciones y derivaciones matemáticas. Aprovechar la línea principal de la relación entre estructura y rendimiento del polímero, utilizar el movimiento molecular y la transformación térmica como puente para vincular la relación entre estructura y rendimiento e integrar conocimientos dispersos.
Escuchar atentamente en clase, prestar atención a conceptos, métodos y resumir reglas.
Preste atención a cultivar la capacidad de autoestudio, lea atentamente dentro y fuera de clase, piense de forma independiente y obtenga ejemplos y ejercicios usted mismo.
El método de enseñanza heurístico suprime el método de enseñanza por inyección anterior.
[1] He Manjun, Chen, Dong Xixia, Polymer Physics, Shanghai, Fudan University Press, 1990.
[2]Ma Dezhu, He Pingsheng, etc. , Estructura y propiedades de los polímeros, Beijing, Science Press, 1995.
[3]B.Wunderlich, Macromolecular Physics, Academic Press, Nueva York, 1973.
[4] P. J. Flory, Principios de química de polímeros, Universidad de Cornell. Noticias, Nueva York, 1953.
[5] de Genes P. G., Conceptos de escalamiento en física de polímeros, Universidad de Cornell. Noticias, Nueva York, 1979.
[6] Strobl, "Polymer Physics", Springer-Verlag, 1996.
¡Buena suerte! !