高分子工程学基础 · 高分子工程 学基础 课程学习要求...

高分子工程 学基础 高分子工程学基础

Polymer Engineering

授课教师：范星河教授

化学学院高分子科学与工程系

化学楼B505室

：62751726

：fanxh@pku.edu.cn

高分子工程 学基础

5年研究生阶段

创新创业

实验技术转

化工业产品

高分子工程

高分子工程 学基础

高分子工程 学基础

高分子工程 学基础

高分子工程 学基础 高分子工程学基础

核心

实验室研究成果可重复实现用于半工业化

和工业化制备

与实验室研究成果相关的实验数据可重复性

实验室研究成果工程化与实验室研究成果之间有

巨大差别

实验室研究成果是在“理想状态”下实现的；工程化过程

是在“非理想状态” 、存在多变量下操作

高分子工程 学基础

高分子工程 学基础

高分子工程 学基础

高分子工程 学基础 课程学习要求

遵守课堂纪律，不得无故旷课，有事请假

主动参与教学过程，包括讲课内容、课后阅读、

专题讨论和完成习题

不能做本课程无关内容事，以免影响别人，会影

响自己成绩

尽快完成本课程选课系统确认

高分子工程 学基础 本课程要求与考核

本课程总成绩包括平时成绩和期末专题报告成绩两部分

平时成绩：60分

出勤、 学习态度等

课堂小答题

期末专题报告成绩：40分 (报告内容10-15分钟）

综合成绩：平时成绩 + 专题报告成绩

研究生选修课程

平时要求与考核要求

祝取得好成绩^!^

高分子工程 学基础

高分子工程 学基础

理科研究与工科研究区别

做菜：锅子就是个反应器，煎炒烹炸蒸煮熬就是不同的反应、精馏、

萃取等等的过程……

理科生研究怎么搭配“食材”

工科生研究如何使开小锅菜和大锅菜保持一样的味道--高分

子工程

理科专业的要通过实验往更小处去研究：即研究食材与食材之间

是怎么发生反应的；发生了什么反应才会这么好吃；什么食材搭配

什么食材才会好吃；多少A食材搭配多少B食材才最好吃…………总

之，理科专业的要研究的是“为什么（Why）”

高分子工程 学基础

工科专业的是要研究这次做的是这个味道，如何下次能做出

一模一样的味道；这次做了一份，下次如何做两份甚至三

份五份还能保持同样的味道；这次在家里的厨房做出的这个味

道，下次换了别家的厨房甚至饭店的厨房如何做出同样的味道，

这次做的够一家三口吃的，下次招待50个人500个人时如何能够

保持同样的味道…………简言之，工科专业要研究的是“怎么

办（How）”

理科与工科的区别

理科：研究物与物之间的联系

工科：研究如何把理科的实验室研究成果转化

为实际生产成果

高分子工程 学基础

如何从小锅菜做到大锅菜的时候风味不变？

理科专业是基础，要先知道食材与食材之间的关系，食材与佐料

（添加剂）之间的关系，才能更好地做到小锅菜变大锅菜，一份菜

变50份200份菜，而保持风味大致不变；

工科专业是在理科专业基础上放大过程，不可能具有100%的效

果，收率、转化率、反应速率、传热效率总是会打折的，这也就是

为什么食堂的小炒好吃，而大锅菜始终不可能那么好吃

要提高这些效率，就需要计算。工科专业不仅仅需要化学基础，更

重要的是数学能力和物理知识，从某种意义来说，工科专

业对数学、物理的要求甚至高于对化学的要求，这就是为什么化工

专业高等数学、大学物理学分都是最高的

现代理科专业（高分子）也要研究、了解如何生产，如应用化学；

现代工科专业也会研究“为什么”，主要研究反应和传递过程中的

原理

高分子工程 学基础

高分子工程不是“做菜”那么简单

高分子工程的最终目的是做企业，是要开办化工厂赚钱的，会做菜

仅仅是有了生产专利，更重要的是通过做菜这门手

艺达到开餐馆甚至大饭店来赚钱的目的

不仅仅是把菜做得量大、好吃，而是首先选好锅具、灶具，然后设

计好厨房，这才只是化工企业的产品生产车间，还有防火设施，

食材采购，厨余回收，食品安全，质量控制等等，然后把饭店开起

来，把菜卖出去

高分子工程专业要学化工设计、化工生产、化工安全、资源循环、

化工贸易等等，这都是本专业要学习的

所谓“工程”，就是一个系统、一个体系，把

各种互相独立的步骤结合起来，发挥其最大的

效能

高分子工程 学基础

高分子聚合物（树脂）

热塑性树脂

热固性树脂

高分子工程 学基础

科学技术是生产力，是创造社会财富、推动社会进步的

源泉与动力

科学研究：基础研究—科学院-自由研究

技术研究：应用研究-工程系统—工程院-社会需求

经济效益是检验技术的唯一标准

从实验室到工业化的聚合物制品：规模化、经济效益

中试放大实验是实验室成果走向工业化生产的一个必须

步骤

其危险程度远高于在实验室中操作的实验，一般而言，

如果没有丰富实际经验者，不能独立承担此项实验

如苯乙烯聚合成聚苯乙烯

高分子工程 学基础

本课程传授如何把实验室研究的聚合物转化成工业化

聚合物化学品过程的一个系统“工程”知识

聚合物化学产品：研究聚合物化学品结构的精确定制（高

分子化学）

高分子？聚合物？大分子？高分子材料？区别与

联系

Polymer？ Macromolecules？

高分子工程 学基础

聚合物产品具有复杂的多层次结构, 其中分子结构和分子

的聚集态结构是决定聚合物性能的最主要结构层次（高分

子物理）

聚合过程很大程度上决定聚合物的分子结构和聚集态结构

聚合机理和聚动力学是研究的基础（高分子化学）

建立聚合过程模型化方法和操控聚合过程（高分子工程）

计算机程序化，实现聚合产物分子结构的精确定制, 制备

全新的高性能或特殊性能的聚合物（高分子工程）

聚合物成型加工及规模化、设备、自动化—聚合物化学产

品（高分子工程）

高分子工程 学基础

化学家：聚合物的合成原理与合成路线及聚会机理等

高分子工程工作者：聚合反应工程；聚合物成型加工工程

模型化与系统集成，以物能利用最大化为目标，进行化学

品制造过程及其装备的设计与优化，形成过程工程所特有的

以物料衡算、能量衡算和无因次准数等为代表的系统化思维、

集成化关联的半经验设计、放大原理与方法

以传递过程原理、聚合反应工程理论等为基础的基于物料

流场、浓度场和温度场定量描述的数模放大原理及方法

科学地“归纳”出一套较完整的理论体系与方法，进而在

这一理论与方法的指导下快速地“演绎”, 指导开发出大量、

丰富多彩的专用聚合物化学品及制品

高分子工程 学基础

Key steps in the production of polymeric materials

聚合反应工程 聚合物树脂 高分子化学与物理、聚

合物流变学

实验室产品

量化制备

量化样品

性能不同

于实验室

小样性能

高分子工程---聚合物树脂规模化制备

机理

动力学

高分子化学与物理

高分子工程 学基础 高分子工程---工程控制

大型聚合釜内的聚合反应

聚合反应过程模拟与控制

（聚合反应器设计与放大）

高分子工程 学基础 聚合反应过程控制

目的：工业化制备过程中聚合反应过

程模拟、调控生产过程、控制产品性能

高分子工程 学基础

聚合物树脂

聚合物成型加工

工业规模制备

聚合物流变学

熔融体流变学

浓溶液流变学

高分子物理

实验室规模制备

三传一反

混合与聚合反应机理、动力学

反应器设计与放大

过程模拟与控制

聚合物制品-材料

聚合反应工程

高分子工程概貌

高分子化学

高分子工程 学基础

聚合反应工程：材料（反应物）和反应器两个层次的

介尺度问题为对象

希望通过对这两个层次上的各种介尺度问题的研究，

归纳共性规律，探索介尺度科学，并解决工程技术难

题

物质转化过程涉及三个层次

材料、反应器和系统：分别对应物质转化技术研发的

不同阶段

即工艺创新、过程设备和系统集成

聚合反应工程

高分子工程

高分子工程 学基础

具有非线性、非平衡的复杂性，成为认知的难点

这些难点在工程实践中分别表现为

工艺创新中无法定量调控材料或表界面的结构

过程设备放大中无法预测反应器规模放大效应

系统集成优化中难以平衡多因素的影响以取得最小能耗、

最大效益和最小环境污染的目标

解决这三个介尺度问题并实现它们之间的跨层次关联是能

源转化、资源利用和环境保护领域的共同挑战，将会推动物

质转化相关领域的重大突破

现代化学、材料、化工和过程系统工程科学的前沿

高分子工程追求的“产品工程” 的实现，依赖这

三个介尺度问题的突破（聚合反应工程与成型加工）

高分子工程 学基础

上述三个科学问题，是当前高分子工程碰到的挑战性问

题，也是物质转化工艺研发、过程和设备放大、系统设

计优化的瓶颈

一旦有所突破，将极大地推动高分子工程由经验探索

向虚拟过程过渡，缩短研发周期，有效提高物质转化过

程的效率和水平，推动高分子工程进入以信息化为特征

的时代，对人类解决能源、资源和环境问题作出巨大贡

献

成型加工类似

高分子工程 学基础

高分子材料成型加工技术

加工成型不是单纯的物理过程，在成型过程中，

聚合物受温度、压强、应力及作用时间等变化因素

的影响，导致高分子发生降解、交联以及其他化学

反应，改变聚合物的聚集态结构和化学结构

决定高分子材料制品的外观形状和质量，影响高

分子材料最终的结构和性能，使之具有更好的性能

和使用价值，提高相关产品的生产效率，降低企业

的经营成本

一般来讲，除胶粘剂、涂料无需加工就可以直接

使用外，橡胶、纤维、塑料等常用的高分子材料都

需要采用成型加工技术

高分子工程 学基础

高分子材料成型加工的工艺和技术

挤出成型技术

一种通过作用于模具本身的成型方式，将物料从模具内挤出，并在

受热塑化的同时利用螺杆操纵推出，在机头的作用下将物料制成不

同截面的成品或者半成品，一般可分为加料、压缩、熔融以及定压

成型等不同的阶段

可连续生产、效率高且操作简单，在塑料加工中应用较为普遍，

适用范围较广

吹塑成型技术

制作各种中空制品，借助于气体压力使闭合在模具中的热熔型坯受

热软化并使得吹胀面紧贴于模具内壁，冷却后就可以得到相应的成

品模型

具有设备造价较低，适应性较强，可成型性能好的特点，

一般来讲，吹塑方法会受原料、加工要求以及制造成本的影响

高分子工程 学基础

注塑成型技术

是一种注射兼模塑的成型方法。可在一定的温度条件下将螺杆搅拌均

匀，并将熔融的塑料材料高压注入模具，冷却固化后就可以获得高分

子材料的合成成品

具有生产速度快、效率高，可自动化操作与生产等特点

可对成品花色品种、形状繁简及尺寸大小进行调节，保证制作成

品尺寸精确

注塑成型技术更新换代速度快，经常用于大规模生产以及形状复

杂产品的成型加工中

微孔泡沫塑料注射成型技术不需要使用额外的化学发泡剂，也不

需用使用以烃基为原料的发泡剂和物理催化剂，

微孔大小均匀

高分子工程 学基础

压延成型技术

将熔融塑化的热塑性塑料在多个平行异向旋转辊筒间隙进行挤压、

延展和拉伸，以达到产品所要求的尺寸规格和质量要求的成型工

艺，常用于塑料薄膜或片材的生产与加工中

激光成型技术

结合计算机辅助设计、计算机辅助制造、数控车床、激光、精密

伺服驱动和新材料等技术优势，实现制造工艺与制造原型几何形

状关系的脱离，加工周期短、制造费用大幅降低，在很大程度上

节约了生产成本，是一种综合性能很强的制造技术

激光烧结技术

建立在CAD 基础上产生的一种新型加工技术，可以直接将聚酞

胺粉末加工为发动机零件、内饰件等等，生产仪表盘、进气歧管、

车灯外科、仪表板等

汽车企业获取到更为全面的数据，及时排除故障

高分子工程 学基础

高分子材料成型加工技术的发展趋势

朝着高度集成化、高度精密化方向发展，在很大程度上提高了

高分子材料制品的性能，推动了我国工业产业的发展和国民经

济的进步

大量新型高分子材料加工技术诞生，如聚合物动态塑化成型加

工工艺、热塑性弹性体动态全硫化制备技术以及信息存储光盘

盘基直接合成反应成型技术等

高分子材料的应用已经渗透到国民经济的各个领域，

其加工成型技术的研究和发展对高分子材料的发展

和应用具有重大的意义

高度集成化、高度精密化的发展方向标志着高分子

材料成型加工技术的不断发展和进步

高分子工程 学基础

高分子工程 学基础

课程主要设想和思路

除了教授一些具体知识以外，一个重要的目的是要研

究生从书本转到真实的研究工作

从工科角度出发指导理科研究生科研工作

理想状态与宏观（实际）状态的区别

实际的研究工作大部分都是一些看起来非常小的事情，

一滴水能映出大海狂澜

高分子工程 学基础 高分子工程所处位置

高分子工程 学基础

高分子或聚合物

科学 技术

高分子化学

高分子物理

聚合反应工程

聚合物成型加工

高分子工程

高分子工程 学基础 新时期--高分子分子设计

传统的研究方法

高分子材料的合成

性能与结构研究

加工方法和技术开发

寻找应用场合

高分子分子设计

确定使用场合

要求的使用性能

分子结构的设计

合成条件与方法研究

高分子材料的合成

高分子分子设计基础

理论化学、理论物理、近代高分子化学、近代高分

子物理等学科的发展

现代分析仪器及技术的发展

计算机技术和高分子科学数据库的发展

高分子工程 学基础

研究高分子化合物的合成、反应及机理，反应动力学、选择原料、确定路线、寻找催化剂、制订合成工艺等

研究高分子的结构与性能的

关系，为设计合成预定性能

的聚合物提供理论指导，是

沟通合成与应用的桥梁

研究聚合物的聚合反应工程和加工成型的原理与工艺

数学

物理学

工程学

其它

化学

其它

学科

生命

科学

电子学

高分子

科学

高分子工程研究内容

在加工成型中，可以形成分子链的取向和织态结构

（高分子的共混态），从而改变高聚物的原有性能

高分子工程 学基础

本课程学习目的

培养对高分子科学技术兴趣

了解科学技术研究的思路和方法：实验室到工业化

充分发挥高分子材料应有的性能：聚合方式与成型加工方式

为研究开发新型高分子材料及高分子材料的改性打下基础

高分子工程基础：聚合反应工程、聚合物成型加工

聚合反应动力学

聚合物流变学

聚合釜设计与放大

过程模拟与控制

聚合物流变学

成型加工原理与工艺

过程模拟与控制

高分子工程 学基础

热塑性树脂的主要成型方法

高分子工程 学基础

热固性塑料树脂的主要成型方法

高分子工程 学基础 RIM工艺生产流程

高分子工程 学基础

遵循“实践—理论—实践”的认识过程，分别采

用归纳法和演绎法，即从众多实验事实概括到一

般， 再从一般推理到个别的思维过程

综合应用微观与宏观的研究方法，主要有：热力

学方法、统计力学方法和量子力学方法

高分子工程基础研究方法

高分子工程 学基础

高分子工程

特构流体

微电子

运输、能源

环境应用

陶瓷高分子

应用化学

生物化学

生物医学

数学 计算机科学

电子工程

机械工程

土木工程 生物

化学

材料科学

物理

现代高分子工程-分子科学地位

高分子工程 学基础

高分子科学技术

高分子化学

研究聚合反应和高分子化学反应原理，

选择原料、确定路线、寻找催化剂、

制订合成工艺等

研究聚合物的结构与性能的关系，为设

计合成预定性能的聚合物提供理论指导，

是沟通合成与应用的桥梁

高分子物理

高分子工程 聚合反应工程；研究聚合物加工成型

的原理与工艺

高分子工程科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是建立在有

机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展

而成的一门新兴学科

高分子工程 学基础

高分子科学与工程

的三个基础性分支学科

高分子化学

（分子结构设计与合成）

高分子物理

（结构与性能关系研究）

高分子工程

（聚合反应工程和高分子成型加工）

功能高分子材料与技术

高分子工程 学基础

高分子工程研究方向

在聚合物加工成型领域，研究在外场(力、温度

等）作用下，高分子的链运动及可能发生的化学反应，

熔体（或浓溶液）和聚集态的结构及相态的变化规律和

控制形成，从而发展聚合物成型的新方法和新技术

在聚合反应工程领域，研究高分子聚合物工业规

模中的尺寸放大效应，工艺特点，专用设备，从而开发

工业合成的新技术

高分子工程 学基础 高分子成型领域

描述加工过程中聚合物熔体流动情况的流变学研究。如采取拉伸、控制

液体流动方向等手段来控制高分子链在产品中取向的研究

聚合物成型过程中形态、结构控制研究。如共混聚合物在加工过程中形

成微纤化自增强结构研究；单一聚合物或共混聚合物在加工过程中形成

微晶（或纳米晶）自增强、自增韧结构研究；螺杆挤出、注塑过程中采

取拉伸、控制液体流动方向等手段来控制高分子链在产品中取向的研究。

反应加工技术研究。如在螺杆内进行单体的本体聚合，聚合后原位挤出

成型，从而制备高分子量聚合物产品的技术；将聚合物在螺杆内，熔体

情况下进行化学反应改性，而后挤出成制品的聚合物改性技术；对难熔

聚合物采用螺杆内单体预聚，而后挤出、注塑，制品成型后进一步完成

聚合的技术

聚合物加工新工艺、新设备研究。如气辅注塑技术；气辅吹塑技术；纳

米纤维成纤技术；超声波、磨盘、微波、辐射等物理场、力学场加工技

术；振动剪切聚合物加工新原理和新设备研究等

高分子工程 学基础 聚合反应工程领域

主要研究工作是：探讨适用于不同聚合反应及体系的专用设备，特殊

工艺及聚合反应动力学研究及放大技术等

聚合过程效能的最大化

高粘及非均相聚合动力学

高粘、粘弹、非均相聚合物系的流动、混合、传质与传热

聚合反应器热、质传递的强化与反应器的放大

聚合过程的建模、仿真、优化与先进控制策略

聚合物产品结构可控化

新颖高选择性催化剂及其相应的定向配位聚合、活性自由基聚合

多相多组分聚合物合金、聚合物纳米复合材料的原位聚合与反应挤出

新技术

聚合物结构的在线检测与控制技术

聚合物微纳结构与原生凝聚态结构的调控新原理、新方法

高分子工程 学基础

聚合过程和产品绿色化

绿色介质中的聚合反应

无溶剂的本体与熔体（聚合）反应

催化剂的载体化与气相聚合过程

生物可降解高分子的材料化与产业化

功能聚合物材料实用化

聚合物及其杂化材料的设计、合成、结构与功能关系

聚合物膜、聚合物纳米颗粒与纳米胶囊及其在生物医药

的应用

聚合物吸附材料、聚合物絮凝剂及其在脱硫、捕碳和水

处理中的应用

高分子工程 学基础

开 发 研 究

开发基础

研究 模型试验 中间试验

概念设计 基础设计

评价

评价

工程设计与建设

工业装置试生产

中断开发 中断开发

基础研究

过程研究

技术经济评价

工程研究

科研成果

高分子工程 学基础

高分子流变学基础

在聚合物生产过程中常需处理聚合物的浓溶液、熔体、

或高固体物含量的悬浮液等非牛顿流体，其流动、传热、

传质等特性与牛顿流体有很大差异

流变参数是关联搅拌功率、混合特性、给热系数等的重

要化工基础数据。主要介绍非牛顿流体的分类、流变特

性、在圆管中的层流及湍流流动分析、及测定流变特性

的方法

高分子工程 学基础

高分子流变学

具有不同拓扑结构高分子链在不同形状体内（受限空

间）的流变学是完全不同

穿过柱状纳米小孔

高分子链拓扑结构：分子参数（线性、多嵌段、超支化、

梳型、星型、环型聚合物等）

纳米小孔的尺寸、形状与高分子过孔临界流量

高分子聚集结构间快速转变等

高分子工程 学基础

良溶剂条件下

高分子单链平均场理论

自由状态下高分子单链

高分子工程 学基础

受限状态下高分子单链

高分子单链平均场理论