[高分子材料] 现代玻璃材料科学之父 —— 奥托·肖特Otto Schott

先进光学事业部2008年3月田丰贵2009年1月译页码：1/10第30篇：光学玻璃的化学性能1 概述光学玻璃由其化学组成、熔炼过程和完成方法等获得其相应性能。

为了获得特有的光学性能，经常要必须选择一些可能造成产品化学稳定性欠佳的化学组分[1]。

由于这个原因，不同光学玻璃受外界影响和化学要求的化学稳定性，相对来说差别很大。

水（H2O）或它的离子H+（氢离子会使水溶液呈酸性）或OH-（氢氧根离子会使水溶液呈碱性），总是起着关键性的作用。

pH值的大小说明水溶液是呈中性（p H≈7）、酸性（pH＜7），还是呈碱性（pH＞7）。

水或它的离子的多少是很重要的，比如在水溶液中冲洗玻璃，水很充足，而空气中的水分、排汗或冷凝等就只有很少的水。

含水充足的溶液在与玻璃反应时，溶液的pH值几乎是不变的。

如果只有很少的水，大气混合物，如空气中的二氧化碳，或重工业地区的二氧化硫等都能溶解在水中，使水呈酸性。

当玻璃的碱离子溶入水溶液，使溶液呈碱性时，碱性反应就能发生。

1.1 膜的形成在大量的中性或酸性介质中，化学反应过程就会出现。

在这个反应过程中，玻璃中的阳离子（多半是碱离子）与溶液中的氢离子进行交换。

溶解层也称为“硅凝胶层”，因为它的组成是在整个时间过程中形成的。

膜层的厚度与玻璃的化学稳定性有关。

当膜层的厚度达到大约1/4可见光波长时，由于产生干涉色，所以，用肉眼就能看到。

如果膜层进一步变厚，它就会漫漫变白。

当膜层足够厚时，膜层可能破裂，或在玻璃表面形成渣层。

另一方面，碱性溶液中的氢氧根离子会破坏构成玻璃结构的硅离子之间的结合力，玻璃被溶解。

这些反应过程能够在玻璃抛光和清洗操作中起到一定的作用。

玻璃的耐酸、耐碱和耐磷酸数据对玻璃的化学稳定性给出了一种常规的表示。

SCHOTT用智慧制造玻璃先进光学事业部2008年3月田丰贵2009年1月译页码：2/101.2 局部侵蚀和污斑的形成湿度和温度的变化对玻璃表面能够造成局部侵蚀，通过耐气候稳定性试验可以具体来做。

中国建材报/2009年/12月/14日/第B03版科教政文特种光学玻璃材料中国建筑材料科学研究总院祖成奎祖成奎，男，博士，中国建筑材料科学研究总院教授级高级工程师，主要研究方向为“红外透过玻璃材料”、“带通透过光学玻璃”、“耐辐照玻璃材料”、“特种玻璃制备及深加工技术”。

作为项目负责人主持和承担省部级、国家级科研项目20项。

其中，高技术“863”课题1项、军工攻关课题2项、军工技改课题1项、军工新材料研制课题16项。

研发产品在“神舟”系列飞船、三代战机等重点武器型号以及电子、电力、化工等工业领域获得大量应用。

取得省部级以上鉴定成果16项，获国家科技进步二等奖2项，北京市科技进步二等奖1项，建材行业部级科技进步三等奖1项。

在国内外专业会议和专业期刊发表学术论文20余篇，获专利2项，参与编写丛书和词典3部。

光学玻璃主要指用于光的透过、折射、反射、选择吸收和衍射的传光玻璃。

近年来，光学玻璃作为光子材料在信息产生、传输、存储、显示、探测和处理等领域得到了广泛应用，光学玻璃不再是单纯的被动式传光材料，主动式光功能玻璃已成为光学玻璃的重要组成部分。

现代光学仪器和科学装置的发展，从技术应用角度对光学玻璃提出了更多新的要求，新型特种光学玻璃的研究成为材料科学的发展热点之一。

本文介绍了透红外玻璃、NVIS滤光玻璃和耐辐照玻璃的基本性质，研制生产的技术关键、应用领域、国内外研发现状和未来的发展趋势。

由于性能和制备技术的提高和发展，为区别已往相应材料，文中将目前水平和具体应用的透红外玻璃、NVIS滤光玻璃和耐辐照玻璃称之为特种光学玻璃。

透红外玻璃透红外玻璃是指能够透过红外波段电磁辐射的光学玻璃，按透射波段可分为近红外玻璃(透过截止波长约3μm)、中红外玻璃(透过截止波长约6μm)以及长波红外玻璃(透过截止波长约14μm)。

红外玻璃不仅具有较好的红外透过性能，还具有良好的光学均匀性和较高的机械强度，并且制造和光学加工工艺简单、可加工成复杂形状、成本低廉，容易制成光学要求高的大尺寸光学元件。

生物学史,可以说是显微镜的发展史1.1 显微镜发展的萌芽期记得几年前在中科院物理所听报告时，何祚庥院士曾做过一个宇宙之大粒子之小的报告，大与小确是当今科学的两个主流研究方向。

生物学的很多问题只有深入到微观层次才能真正得到理解，显微镜的发展见证了人类认识生物学微观世界的历史。

2500年前的《墨经》中就记载了能放大物体的凹面镜，然而凸透镜的发明却无从考证。

16世纪末期，荷兰眼镜商詹森(zaccharias janssen)和他的儿子把两个凸透镜放到一个镜筒中，结果发现这个镜筒能放大物体，这就是显微镜的前身。

如果一个凸透镜可以放大10倍，那两个凸透镜组就能放大100倍。

1609年现代物理与天文学之父伽利略听说了他们的实验，伽利略从物理学的角度解释了透镜放大的原理，他因此做了一个聚焦更好的显微镜。

此后，荷兰人列文虎克(anthony vonleeuwenhoek)(1632年10月24日-1723年4月26日，列文虎克是一个长寿之人)制造了放大倍数更高的显微镜，让世人大开眼界，他的显微镜放大倍数达300倍。

列文虎克当时在一个干货仓库做学徒，在那里他们用放大镜来观察衣服上的线纹从而确定衣物质量。

列文虎克发明了一个新的研磨与抛光薄透镜的方法，使透镜有完美的曲线，这样单一透镜的放大数就可以达到270倍。

列文虎克用自制的显微镜发现了细菌，酵母，以及野生水滴中的多彩小生物。

列文虎克一生发现了很多有趣的生命和非生命现象，并且将他的研究成果写成了100多篇论文递交到了英国与法国皇家科学院。

随后英国显微镜之父罗伯特﹒虎克仿制了一台与列文虎克一样的显微镜，并证实了虎克关于水滴中微小生物体的发现，罗伯特﹒虎克根据自己的设计将列文虎克的显微镜进行了很多改进，但罗伯特﹒虎克因为发现了弹性材料的弹性定律而更为人所知。

1655年罗伯特﹒虎克应化学家罗伯特﹒波义耳的邀请到牛津大学进行科学研究，并成为了波义耳的助手。

罗伯特﹒虎克1665年创作了《显微镜》一书，首次对细胞(cell)一词命名。

第一章绪论思考题1. 举例说明单体、单体单元、结构单元、重复单元、链节等名词的含义，以及它们之间的相互关系和区别。

答：合成聚合物的原料称做单体，如加聚中的乙烯、氯乙烯、苯乙烯，缩聚中的己二胺和己二酸、乙二醇和对苯二甲酸等。

在聚合过程中，单体往往转变成结构单元的形式，进入大分子链，高分子由许多结构单元重复键接而成。

在烯类加聚物中，单体单元、结构单元、重复单元相同，与单体的元素组成也相同，但电子结构却有变化。

在缩聚物中，不采用单体单元术语，因为缩聚时部分原子缩合成低分子副产物析出，结构单元的元素组成不再与单体相同。

如果用2种单体缩聚成缩聚物，则由2种结构单元构成重复单元。

聚合物是指由许多简单的结构单元通过共价键重复键接而成的分子量高达104-106的同系物的混合物。

聚合度是衡量聚合物分子大小的指标。

以重复单元数为基准，即聚合物大分子链上所含重复单元数目的平均值，以DP表示；以结构单元数为基准，即聚合物大分子链上所含结构单元数目的平均值，以X表示。

n2. 举例说明低聚物、齐聚物、聚合物、高聚物、高分子、大分子诸名词的的含义，以及它们之间的关系和区别。

答：合成高分子多半是由许多结构单元重复键接而成的聚合物。

聚合物（polymer）可以看作是高分子（macromolecule）的同义词，也曾使用large or big molecule的术语。

从另一角度考虑，大分子可以看作1条大分子链，而聚合物则是许多大分子的聚集体。

根据分子量或聚合度大小的不同，聚合物中又有低聚物和高聚物之分，但两者并无严格的界限，一般低聚物的分子量在几千以下，而高聚物的分子量总要在万以上。

多数场合，聚合物就代表高聚物，不再标明“高”字。

齐聚物指聚合度只有几~几十的聚合物，属于低聚物的范畴。

低聚物的含义更广泛一些。

3. 写出聚氯乙烯、聚苯乙烯、涤纶、尼龙-66、聚丁二烯和天然橡胶的结构式（重复单元）。

选择其常用分子量，计算聚合度。

聚合物结构式（重复单元）聚氯乙烯-[-CH2CHCl-]- n聚苯乙烯-[-CH2CH(C6H5)-]n涤纶-[-OCH2CH2O•OCC6H4CO-]n尼龙66（聚酰胺-66）-[-NH(CH2)6NH•CO(CH2)4CO-]n 聚丁二烯-[-CH2CH=CHCH2 -]n天然橡胶-[CH2CH=C(CH3)CH2-]n聚合物分子量/万结构单元分子量/万DP=n 特征塑料聚氯乙烯聚苯乙烯5~1510~3062.5104800~2400960~2900(962~2885)足够的聚合度，才能达到一定强度，弱极性要求较高聚合度。

第一章1塑料和橡胶工业的发展历程——标志性的事件；（1）19世纪中叶第一种工业化的塑料----赛璐珞”(Celluloid)的塑料（1869）（最早被应用的塑料）（2）雷奥.比克兰德合成酚醛树脂（PF），第一个工业化生产的合成树脂（第一种人工合成树脂）（3）1920年，Staudinger首先提出了高分子的概念（4）Zieglar-Natta催化剂合成出了低压高密度聚乙烯（HDPE, 1953~1955）和聚丙烯（PP）（HDPE和PP的合成方法是谁发明的）（5）①1823年，苏格兰化学家马金托什，像印第安人一样把白色浓稠的橡胶液体涂抹在布上，制成防雨布，并缝制了“马金托什”防水斗蓬，这是世界上最早的雨衣，也是橡胶工业的起点②1826年，英国人汉考克发明了双辊开炼机，用此设备可以将各种助剂混入橡胶中；1839年，美国化学家固特异尔偶然中发明了橡胶的硫化，解决了橡胶遇热变软发粘的缺点，制造出了世界第一双橡胶防水鞋，这两项发明使橡胶的应用得到了突破性的进展，奠定了现代橡胶加工业的基础（是什么发现导致了近现代意义橡胶工业的诞生？）2高分子科学的进步对高分子材料工业发展的推动作用；通过硫化改性，有力地推动了橡胶工业的发展，因为硫化胶的性能比生胶优异得多，从而开辟了橡胶制品广泛应用的前景。

同时，橡胶的加工方法也在逐渐完善，形成了塑炼、混炼、压延、成型这一完整的加工过程，使得橡胶工业蓬勃兴起，发展突飞猛进。

合成高分子的诞生和发展是从酚醛树脂开始的，人类历史上第一个完全靠化学合成方法生产出来的合成树脂出现后，合成并工业化生产的高分子材料种类迅速发展。

3橡胶和塑料的基本概念橡胶：提取橡胶树、橡胶草等植物的胶乳，加工后制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空气的一类线型柔性高分子材料。

塑料：利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成高分子材料，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的。

4树脂与塑料、通用树脂与塑料；树脂：是指受热后有软化或熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。

材料化学导论教案第一篇高分子材料导论目录第一章概论1.1 高分子科学的历史、现状和未来1.2 高分子科学的重要性1.3 高分子的定义、基本概念、分类和命名1.3.1 定义1.3.2 基本概念1.3.3 分类1.3.4 命名1.4 分子量和分子量分布1.5 高分子结构的一般特点1.5.1 一级结构1.5.2 二级结构1.5.3 三级结构和四级结构1.6 高分子性质的一般特点1.6.1 力学性质1.6.2 热性质1.6.3 溶解性第二章天然高分子2.1 多糖类2.1.1 纤维素2.1.2 淀粉2.1.3 甲壳素、壳聚糖2.2 天然橡胶2.3 蛋白质2.4 核酸第三章链式聚合反应3.1 概述3.1.1 一般特征3.1.2 链式聚合反应的单体3.2 自由基链式聚合反应3.2.1 自由基聚合的基元反应3.2.2 链引发反应3.2.2.1 引发剂种类3.2.2.2 引发分解动力学3.2.2.3 引发剂效率3.2.2.4 引发剂的选择3.2.2.5 其他引发作用3.2.3 聚合速率3.2.3.1 概述3.2.3.2 聚合动力学研究方法3.2.3.3 自由基聚合微观动力学3.2.3.4 自由基聚合基元反应速率常数3.2.3.5 温度对聚合速率的影响3.2.3.6 自动加速现象3.2.4 分子量和链转移反应3.2.4.1 无链转移时的分子量3.2.4.2 链转移反应对聚合速率和聚合度的影响3.2.5 阻聚和缓聚3.2.5.1 阻聚剂和阻聚机理3.2.5.2 烯丙基单体的自阻聚作用3.2.5.3 阻聚效率和阻聚常数3.2.6 反应速率常数的测定3.2.7 分子量分布3.2.8 聚合方法3.2.8.1 本体聚合3.2.8.2 溶液聚合3.2.8.3 悬浮聚合3.2.8.4 乳液聚合3.3 阳离子聚合反应3.3.1 阳离子聚合的单体3.3.2 阳离子聚合引发剂体系及引发作用3.3.3 溶剂3.3.4 阳离子聚合反应机理3.4 阴离子聚合反应3.4.1 阴离子聚合的单体3.4.2 阴离子聚合引发体系和引发作用3.4.3 阴离子聚合引发剂和单体的匹配3.4.4 溶剂3.4.5 聚合反应机理3.5 自由基聚合与离子聚合的比较3.6 配位聚合反应简介3.6.1 引言3.6.2 配位聚合的基本概念3.6.3 Ziegler-Natta引发体系3.6.4 α-烯烃配位聚合的机理3.7 链式活性聚合反应3.7.1 活性聚合的定义与一般特征3.7.2 活性聚合的实现3.7.3 活性聚合的应用第四章逐步聚合反应4.1 概述4.1.1 逐步聚合反应的一般特征4.1.2 逐步聚合类型4.1.3 缩聚合反应4.2 逐步聚合反应的单体4.2.1 逐步聚合反应常见的单体4.2.2 反应基团的数目与官能度4.3 线型缩聚反应4.3.1 线型缩聚和成环倾向4.3.2 线型缩聚机理－逐步和平衡4.4 线型缩聚动力学4.4.1 缩聚反应速率及其测定4.4.2 官能团等活性概念4.4.3 线型缩聚动力学4.4.4 其他逐步聚合的动力学问题4.5 线型缩聚物的分子量及分子量分布4.5.1 反应程度对聚合度的影响4.5.2 缩聚平衡对聚合度的影响4.5.3 线型缩聚物聚合度的控制4.5.4 线型缩聚物的分子量分布4.6 非线型逐步聚合反应4.6.1 一般特征4.6.2 凝胶化作用和凝胶点4.6.3 凝胶点的测定方法4.7 逐步聚合反应实施方法4.7.1 逐步聚合的热力学和动力学特征4.7.2 逐步聚合实施方法第五章聚合物的化学反应5.1 概述5.2 聚合物化学反应的分类、特征及其影响因素5.2.1 聚合物化学反应的分类5.2.2 聚合物化学反应的特征5.2.3 聚合物化学反应的影响因素5.3 聚合物的相似转变及其应用5.3.1 引入新基团5.3.2 基团的转化5.4 聚合度变大的化学转变及其应用5.4.1 交联5.4.2 接枝5.4.3 嵌段共聚5.4.4 扩链5.5 聚合度变小的化学转变－聚合物的降解5.5.1 水解、化学降解和生化降解5.5.2 热降解5.5.3 机械降解和超声波降解5.5.4 热氧化降解和稳定5.6 聚合物的防老化5.7 自然降解高分子的设计第六章聚合物的结构6.1 高分子链的二级结构6.1.1 高分子链的内旋转构象6.1.2 高分子链的柔顺性及其结构影响因素6.1.3 高分子链的构象统计6.2 高分子链的三级结构6.2.1 结晶结构6.2.1.1 樱状微束模型6.2.1.2 高分子单晶及折叠链模型6.2.1.3 高分子的晶胞结构6.2.1.4 球晶6.2.1.5 串晶和伸直链晶体6.2.1.6 结晶能力与结晶度6.2.1.7 结晶速度6.2.1.8 结晶的熔融6.2.2 取向结构6.2.3 液晶态结构6.2.4 高分子共混物的形态结构第七章聚合物的性质7.1 聚合物的溶液性质7.1.1 分子间相互作用和溶度参数7.1.2 溶剂的选择7.1.3 分子量及其分布测定方法7.1.3.1 端基分析法7.1.3.2 膜渗透压法7.1.3.3 气相渗透法（VPO法）7.1.3.4 光散射法7.1.3.5 粘度法7.1.3.6 凝胶色谱（GPC）7.2 聚合物的热性质7.2.1 形变－温度曲线7.2.2 玻璃化转变7.2.2.1 T g的测定和自由体积理论7.2.2.2 影响T g的因素7.2.2.3 聚合物的耐热性7.2.3 高弹态7.2.4 流动温度和粘流态7.2.4.1 流动温度7.2.4.2 粘流态7.3 聚合物的力学性质7.3.1 应力－应变曲线7.3.1.1 什么是应力和应变7.3.1.2 极限强度7.3.1.3 玻璃态聚合物拉伸时的应力－应变曲线7.3.1.4 结晶态聚合物拉伸时的应力－应变曲线7.3.1.5 影响聚合物强度的结构因素和增强增韧途径7.3.2 聚合物的力学松弛――粘弹性7.3.2.1 静态粘弹性现象7.3.2.2 动态粘弹性现象7.3.2.3 聚合物主要力学性质各参量之间的关系7.4 聚合物的电学性质7.4.1 聚合物的介电性7.4.2 聚合物的导电性7.4.3 聚合物的静电现象第一章 概论1.1 高分子科学的历史、现状和未来人类直接利用天然高分子，可以追溯到远古时期，比如利用纤维素造纸，利用蛋白质练丝和鞣革，利用生漆作涂料和利用动物胶作墨的粘合剂等等。