高分子材料分析1.docx

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高分子材料分析1

教师课时计划

序号

专业及班级

授课

类型

1

授课日期

讲课

课

题

绪论

教

学

目

的

1、了解橡塑工业的发展

2、掌握塑料、橡胶的定义，了解分类其特点

3、了解对材料进行分析与性能测试的目的，初步掌握分析与性能测试的内容，了解其测试过程

4、了解行业相关标准

重

点

与

难

点

重点：

橡塑材料的定义、分类及特点

难点：

分析测试的内容

时间

（分）

内容及教授方法

教具:

5

45

45

5

组织教学，导入新课

讲授新课：

橡塑工业的发展，橡塑材料

橡塑材料，分析与性能测试，标准

小结作业

课后

记录

检查

意见

签字:

高分子材料分析与检测

导言：

首先进行自我介绍。

本学期高分子材料加工技术专业3061级学生开设《高分子材料分析与检测》，由学院教务处安排，我来担任本门课程的授课任务。

主要用书为：

《高分子材料分析与测试》。

《高分子材料分析与测试》课程是我院高分子材料加工技术专业的主干课程之一，是学生在学习了基础课如基础化学、高分子化学等课程的基础上安排的。

我们说，高分子材料及其成品的性能与其化学、物理组成，结构以及加工条件密切相关。

为了表征性能与组成、结构和加工参数之间的关系，分析测试技术将起到唯一的决定作用；并为评定材料质量，改进产品性能和研制新材料提供依据。

所以说对同学们而言，学好这门课程无论是就业还是升学深造都是非常必要的。

本课程教学一学期完成，总学时数为6*14=84学时，其中讲课学时为72学时，实练学时为12学时。

希望我们密切配合，圆满完成本学期的教学和学习任务。

正文：

绪论

一、橡塑工业的发展

橡胶和塑料都是现代国民经济与科技领域中不可缺少的高分子材料，用途十分广泛，不仅能满足人们的日常生活、医疗卫生和文体生活等各方面的需要，还能满足工农业生产、交通运输、电子通讯和航空航天等各个领域的技术要求。

橡胶、塑料工业的发展都是伴随着高分子科学与技术的发展而兴起的年轻工业。

橡胶工业只有近200年的发展历史；塑料工业的发展历史就更短，但是，它们的共同特点就是发展速度都相当快。

纵观橡塑工业的发展史，大致可分为两个不同的发展阶段，即天然高分子时期与合成高分子时期。

1、天然高分子的研究和利用时期

1826年开放式炼胶机→世界上第一台橡胶工业加工设备

1839年由天然橡胶的硫化

1916年密闭式炼胶机

20世纪初以前，高分子科学和技术的主要任务还是从事对天然橡胶和天然纤维的研究和利用。

所以将这一时期称为天然高分子时期。

2、合成高分子发展与应用时期

1907年酚醛树脂→人类进入了合成高分子时代。

20世纪40年代出现复合高分子材料、工程塑料及特殊高分子材料

50年代中期至60年代建立起工程塑料工业

60~70年代开发出热塑性弹性体（TPE）、耐热高分子

70年代开始对高分子聚合物进行改性

近年来高分子材料的分子设计发展迅速；高性能复合材料从军用向民用拓展。

3、高分子材料的发展趋势

未来的高分子材料的科学发展可以概况为高性能化、功能化、复合化。

（1）高性能化：

指的是开发具有高强度、高耐热性、高模量、高耐光性、高电绝缘性、高耐腐蚀性的高聚物材料。

（2）功能化：

功能高分子材料研究的新领域是注意研究具有光、电、磁等功能高分子材料产生各种功能的原理，注意研究生物高分子的结构与功能的关系，尤其智能高分子材料将是功能高分子的一个新生长点。

（3）复合化：

近30年来，科技发展迅速，特别是尖端科技的突飞猛进对材料的性能越来越高、越来越严和越来越多的要求。

在许多方面，传统的单一材料已经不能满足实际需要。

那么，将材料进行复合化得到的复合材料综合了各种材料如塑料、橡胶、纤维、金属、陶瓷等各自的优点，可以按需要设计、复合而成为综合性能优异的新型材料。

所以，我们说未来的材料科学发展必然走向复合化。

比如说现在发展迅猛的木塑材料（wood-plasticcomposite，WPC）就是一种典型的高分子复合材料。

木塑复合材料兼有木材和塑料的双重特性，它质轻，刚性大、耐酸碱、防水防虫、环保，既可以像木材一样钉、钻、刨、锯、胶合和油漆，也可像热塑性塑料一样成型加工和表面装饰印刷，一般来说，木塑复合材料的硬度较未处理的木材高2～8倍，耐磨性高4～5倍，甚至比大理石还高。

而各种添加剂的应用，又赋予它许多特殊的性能，比如向木塑复合材料的原料中加入发泡剂进行发泡挤出，可以降低产品密度，提高其韧性和抗冲击性能；在制品中加入玻纤，可使制品的强度明显提高。

此外，它还是一种环保材料，可回收重复使用，符合国家循环经济政策，而且原料廉价丰富，在减少环境污染、保护森林资源、促进经济发展方面都有良好的效益，因而受到了众多研究者关注。

目前在建筑材料、市政设施、包装材料等领域应用十分广泛。

除了以上优点，其手感极像木材，因此我们认为它在家具领域的应用极具发展潜力。

20世纪90年代以来，北美、欧洲的许多国家对木塑复合材料已进行了大量的研究，近年来国内对它的研究也日益增多。

同时它的生产和应用也得到了迅速增加，北美和欧洲2002年消费的木塑复合材料达到68万t；2005年美国木塑制品达到25亿美元的产值。

并预计到2010年前将以14%和19%的速度增长，远远高于同期塑料工业的总体增长率。

二、橡塑材料

（一）塑料

1、定义

自从本世纪初酚醛塑料实现工业化生产，塑料就以电气材料为起点而发展起来。

随着后来石油化学工业的建立和发展，塑料材料进展更是突飞猛进。

如今不论是在人们的日常生活中，或是在国民经济的各个领域，到处都会感觉到塑料所处的显要位置。

假如没有塑料材料，很难设想现代化的工业、农业、交通、通讯等行业以及人类的生活质量会达到今天的水平。

尽管今天塑料已成为随处可见的材料，然而要对其确切定义却是困难的。

我国在1980年的国家标准（GT2035-80）对“塑料”是这样定义的：

“以树脂（有时用单体在加工过程中直接聚合）为主要成分，一般含有添加剂，在加工过程中能流动成型的材料。

”同时又注明：

“目前塑料一词尚无确切定义。

一般不包括弹性体、纤维、涂料、粘合剂。

”可见在此定义中塑料的界限是不明确的。

比如说柔性的聚氨酯泡沫塑料算不上弹性体？

尼龙细线属于纤维还是塑料？

等等。

那么，在1996年颁布的新国标（GB/T2035-1996）对“塑料”重新做了定义：

“以高聚物为主要成分，并在加工为成品的某阶段可流动成型的材料。

”而且做了说明：

“弹性材料也可流动成型，但不认为是塑料。

”这个定义仍然没有说明塑料与橡胶和纤维的本质区别。

其实，由于科学技术的进步和发展，塑料、橡胶和纤维这三大合成材料不但所应用的原料和成型加工方法都在接近和互相渗透，而且其性能也正通过共混和共聚取得相互补充。

因此从发展趋势来看，它们之间的界线不是越来越清晰，而是日渐模糊。

下面我们简单说一下合成树脂和塑料的区别（合成树脂这个词我们经常能看到），塑料和合成树脂的主要区别是合成树脂为纯的聚合物，而塑料则是以树脂以主要成分，在添加一些助剂得到的聚合物制品，那么当塑料由纯树脂制成时两个概念可以通用。

2、分类

塑料的分类体系比较复杂，各种分类方法也有所交叉，按常规分类主要有以下三种：

一是按使用特性分类；二是按理化特性分类；三是按加工方法分类。

（1）按使用特性分类

根据名种塑料不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。

①通用塑料

一般是指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料，通用塑料有五大品种，即聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABS。

它们都是热塑性塑料。

②工程塑料

一般指能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。

在工程塑料中又将其分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。

通用工程塑料包括：

聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。

特种工程塑料又有交联型的非交联型之分。

交联型：

耐热环氧树脂、聚氨基双马来酰胺、交联聚酰亚胺等。

非交联型：

聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮（PEEK）等。

③特种塑料

一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。

如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用，增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能，这些塑料都属于特种塑料的范畴。

a、增强塑料增强塑料原料在外形上可分为粒状（如钙塑增强塑料）、纤维状（如玻璃纤维或玻璃布增强塑料）、片状（如云母增强塑料）三种。

按材质可分为布基增强塑料（如碎布增强或石棉增强塑料）、无机矿物填充塑料（如石英或云母填充塑料）、纤维增强塑料（如碳纤维增强塑料）三种。

b、泡沫塑料泡沫塑料可以分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料三种。

硬质泡沫塑料没有柔韧性，压缩硬度很大，只有达到一定应力值才产生变形，应力解除后不能恢复原状；软质泡沫塑料富有柔韧性，压缩硬度很小，很容易变形，应力解除后能恢复原状，残余变形较小；半硬质泡沫塑料的柔韧性和其他性能介于硬质他软质泡沫塑料之间。

（2）按理化特性分类

根据各种塑料不同的理化特性，可以把塑料分为热固性塑料和热塑料性塑料两种类型。

①热固性塑料

热固性塑料是指在经加热固化成型后，再受热不能溶化或溶化的塑料，像鸡蛋那样一次加热硬化，其树脂分子由线型结构交联成网状结构，再加强热则会分解破坏。

典型的热固性塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、呋喃、聚硅醚等材料，还有较新的聚苯二甲酸二丙烯酯塑料等。

它们具有耐热性高、受热不易变形等优点。

缺点是机械强度一般不高，但可以通过添加填料，制成层压材料或模压材料来提高其机械强度。

②热塑料性塑料

热塑料性塑料是指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等。

热塑性塑料具有优良的电绝缘性，特别是聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）都具有极低的介电常数和介质损耗，宜于作高频和高电压绝缘材料。

热塑性塑料易于成型加工,但耐热性较低,易于蠕变,其蠕变程度随承受负荷、环境温度、溶剂、湿度而变化。

为了克服热塑性塑料的这些弱点,满足在空间技术、新能源开发等领域应用的需要，各国都在开发可熔融成型的耐热性树脂，如聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜（PES）、聚芳砜（PASU）、聚苯硫醚（PPS）等。

以它们作为基体树脂的复合材料具有较高的力学性能和耐化学腐蚀性，能热成型和焊接。

如用聚醚醚酮作为基体树脂与碳纤维制成复合材料，耐疲劳性超过环氧／碳纤维。

它的耐冲击性好，在室温下具有良好的耐蠕变性，加工性好，可在240～270℃连续使用，是一种非常理想的耐高温绝缘材料。

用聚醚砜作为基体树脂与碳纤维制成的复合材料在200℃具有较高的强度和硬度，在-100℃尚能保持良好的耐冲击性；无毒，不燃，发烟最少，耐辐射性好，预期可用它作航天飞船的关键部件，还可模塑加工成雷达天线罩等。

（3）按加工方法分类

根据各种塑料不同的成型方法，可以分为模压、层合、注射、挤出、吹塑、浇铸塑料和反应注射塑料等多种类型。

其中注射、挤出、吹塑、模压这四种方法是塑料成型加工的主要方法，注射、挤出、吹塑得到的塑料为热塑性塑料，模压法得到的则是热固性塑料。

3、特点

（1）比强度高→质轻且坚固

（2）优异的电绝缘性→是良好的绝缘体

（3）化学稳定性好→抗腐蚀

（4）优良的减摩、耐磨性能→耐用

（5）减震消声、透光性好，防水→作透明、阻隔材料

（6）制造成本低→便宜

（二）橡胶

1、定义

橡胶是一种高弹性的高分子化合物，是无定形的高聚物，也称弹性体。

也就是说在很小的外力作用下能产生较大的形变，除去外力后能恢复原状。

橡胶一词来源于印第安语cau-uchu，意思是“流泪的树”。

18世纪法国人发现南美洲亚马孙河有野生橡胶树，割开橡胶树皮即流出乳液，那么这种乳液经凝固后的产物就是天然橡胶。

19世纪中叶，英国人取橡胶树的种子在锡兰（斯里兰卡）种植成功，并逐渐扩大到马来西亚与印尼等地，但是制造天然橡胶制品中，生胶如何溶解与加工是一大问题。

直到19世纪40年代美国人发现用松节油、硫黄与碳酸铅共热后得到不粘而有弹性制品，即所谓硫化技术，因此，到1920年左右，亚洲地区天然橡胶出口量达70多万吨，与当时巴西的野生橡胶出口量相同。

下面我们简单来了解一下生胶为什么要经过硫化才能使用。

生胶从使用上来说，受热它会变软，遇冷它会变硬、发脆，不易成型，容易磨损；容易在汽油中溶解。

这主要是由于生橡胶的分子是线型高分子，呈蜷曲的形状，在外力作用下由蜷曲变为伸展，外力消失后又能够恢复其原蜷曲状态，这是具有弹性的必要条件。

但链跟链之间容易滑动，强度和韧性差，必须经过交联，使分子链跟分子链之间有化学键的联系，通过交联，使线型高分子交联成网状结构，分子链间才不能滑动，具有可逆高弹变形，强度和韧性大为增强，从而变成有实用价值的橡胶。

交联的方法通常是硫化。

硫化就是在生橡胶中混炼入一定量的硫黄，然后把它放进成型模具内并加热（约140℃），硫原子即通过化学键使高分子链间发生交联，得到硫化橡胶制品。

硫化过程是很复杂的，常是形成双硫键起交联作用。

得到的硫化橡胶具有很高的弹性及耐寒、耐热、耐臭氧、耐油、耐溶剂、减震、耐磨、耐疲劳、密封和介电等重要性能。

橡胶的主要特征是分子量特别大，是所有高分子材料中最大的，一般都在数十万，有的甚至可以达到上百万；其次是橡胶具有多分散性，就是说橡胶的分子是大小不等的，有一个分布范围。

橡胶的使用温度范围是在玻璃化温度和粘流温度之间。

2、分类

橡胶主要分为天然橡胶和合成橡胶两大类。

天然橡胶主要来源于三叶橡胶树，当这种橡胶树的表皮被割开时，就会流出乳白色的汁液，称为胶乳，胶乳经凝聚、洗涤、成型、干燥即得天然橡胶。

合成橡胶是由人工合成方法而制得的，采用不同的原料（单体）可以合成出不同种类的橡胶。

（1）按其性能和用途：

通用橡胶和特种橡胶

通用橡胶是指部分或全部代替天然橡胶使用的胶种，如丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶等，主要用于制造轮胎和一般工业橡胶制品。

通用橡胶的需求量大，是合成橡胶的主要品种。

凡是具有特殊性能的如耐候性、耐热性、耐油、耐臭氧等，用来制造特定条件下使用的橡胶制品的为特种橡胶。

如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶等。

下面我们简单介绍几种通用橡胶：

丁苯橡胶

丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯共聚制得的，是产量最大的通用橡胶，有乳聚丁苯橡胶、溶聚丁苯橡胶和热塑性橡胶（SBS）。

顺丁橡胶

由丁二烯经溶液聚合制得的，顺丁橡胶具有特别优异的耐寒性、耐磨性和弹性，还具有较好的耐老化性能。

顺丁橡胶绝大部分用于生产轮胎，少部分用于制造耐寒制品、缓冲材料以及胶带、胶鞋等。

顺丁橡胶的缺点是抗撕裂性能交差，抗湿滑性能不好。

异戊橡胶

异戊橡胶是聚异戊二烯橡胶的简称，采用溶液聚合法生产。

异戊橡胶与天然橡胶一样，具有良好的弹性和耐磨性，优良的耐热性和较好的化学稳定性。

异戊橡胶生胶（未加工前）强度显著低于天然橡胶，但质量均一性、加工性能等优于天然橡胶。

异戊橡胶可以代替天然橡胶制造载重轮胎和越野轮胎，还可用于生产各种橡胶制品。

乙丙橡胶

乙丙橡胶以乙烯和丙烯为主要原料合成，耐老化、电绝缘性能和耐臭氧性能突出。

乙丙橡胶可大量充油和填充碳黑，制品价格较低，乙丙橡胶化学稳定性好，耐磨性、弹性、耐油性和丁苯橡胶接近。

乙丙橡胶的用途十分广泛，可以作为轮胎胎侧、胶条和内胎以及汽车的零部件，还可以作电线、电缆皮及高压、超高压绝缘材料。

还可制造胶鞋、卫生用品等浅色制品。

氯丁橡胶

它是以氯丁二烯为主要原料，通过均聚或少量其它单体共聚而成的。

其化学稳定性较高，抗张强度高，耐水性良好，耐热、耐光、耐老化性优良，耐油性优于天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶，具有较强的耐燃性和优异的抗延燃性。

其缺点是电绝缘性能，耐寒性能较差，生胶在贮存时不稳定。

氯丁橡胶用途广泛，如用来制作运输皮带和传动带，电线、电缆的包覆材料，制造耐油胶管、垫圈以及耐化学腐蚀的设备衬里。

（2）按结构特点：

饱和胶和不饱和胶、极性胶和非极性胶

如乙丙胶为饱和的非极性胶，丁腈胶为不饱和极性胶，顺丁胶为不饱和非极性胶。

（3）按用途：

轮胎、胶带、胶管、胶鞋及工业橡胶制品

工业橡胶制品俗称橡胶杂品，是指除轮胎、胶带之外，用于工业、国防、交通运输、医疗卫生事业等方面的机械设备、仪器仪表、车辆、船舶和飞机、宇航运载工具等所必需的橡胶制品或配件，种类极为繁杂，大致上可分为两大类：

模型制品和非模型制品。

模型制品是采用金属模具进行模压硫化的制品，包括密封减震制品，如各种耐油耐水密封圈、密封垫、储油隔膜、防水防护罩、桥梁和铁路轨枕垫、隔音橡胶配件、绝缘隔热制品、机械设备及仪器缓冲座垫、医疗卫生制品和胶辊胶板等。

非模型制品主要是胶布和胶布制品，又分为防护类胶布及其制品和工业用胶布及其制品。

防护类胶布及制品如生活用胶布、篷布、垫布、潜水服、生产服、下水衣和雨衣，还有耐油、耐化学药品、耐热、绝缘、防毒、防射线等各种胶布。

工业用胶布制品有各类橡皮船、救生筏、飞艇、水囊等。

3、特点

（1）高弹性

橡胶的弹性模量小，一般在1～9.8MPa。

伸长变形大，伸长率可高达1000%，仍表现有可恢复的特性，并能在很宽的温度（-50～150℃）范围内保持有弹性。

（2）粘弹性

橡胶是粘弹性体。

由于大分子间作用力的存在，使橡胶受外力作用。

产生形变时受时间、温度等条件的影响，表现有明显的应力松弛和蠕变现象。

（3）缓冲减震作用

橡胶对声音及振动和传播有缓和作用，可利用这一特点来防除噪音和振动。

（4）电绝缘性

橡胶和塑料一样是电绝缘材料，天然橡胶和丁基橡胶的体积电阻率可达到1015Ω·cm以上。

（5）温度依赖性

高分子材料一般都受温度影响。

橡胶在低温时处于玻璃态变硬变脆，在高温时则发生软化、熔融、热氧化、热分解以至燃烧。

（6）具有老化现象

如同金属腐蚀、木材腐朽、岩石风化一样，橡胶也会因环境条件的变化而发生老化，使性能变坏，使寿命缩短。

（7）必须硫化

橡胶必须加入硫黄或其它能使橡胶硫化（或称交联）的物质，使橡胶大分子交联成空间网状结构，才能得到具有使用价值的橡胶制品。

另外，需要注意的是：

热塑性橡胶可不必硫化。

除此之外，橡胶密度低，属于轻质材料，硬度低，柔软性好；透气性较差，可做气密性材料；还是较好的防水性材料等等。

使得橡胶材料和橡胶制品的应用范围特别广泛，制品不定多达数万种。

三、分析与性能测试

（一）目的

通过分析与性能测试，使高分子材料制品得以规格化和标准化。

（二）内容

（1）分析

①化学分析

包括误差、数据处理、天平、酸碱滴定、氧化还原滴定、配位滴定、络合滴定。

特点是简便易行，无需昂贵设备，适用于普通实验室应用。

②仪器分析

包括分光光度法、紫外光谱、红外光谱、热分析、核磁共振、凝胶渗透色谱。

特点是可进行痕量分析，在材料的微观尺度以及分子结构上能提供必化学分析更明晰的证据。

③高分子材料的鉴别与分析

包括高分子材料的外观和用途，显色和分离提纯，元素检测，塑料的鉴别和分析，橡胶的鉴别和分析，添加剂的分析。

（2）性能测试

主要介绍塑料和橡胶的性能测试，包括橡塑材料的物理性能、力学性能、热性能、电性能、老化性能和其他性能的测试。

为高分子材料的成型加工提供理论依据。

（三）测试

1、试样的制备

（1）塑料试样的制备见教材P4

（2）橡胶试样的制备见教材P5

2、试样的状态调节

（1）塑料试样的状态调节

主要是考虑环境温度和湿度及试样放置时间，对测试结果的影响。

常温：

10~35℃；常湿：

相对湿度45%~75%

（2）橡胶试样的状态调节

储存期（≤3个月）→调节期（温度和湿度的控制）

3、测试结果与报告

以多个有效试验数据的算术平均值表示测试结果。

测试报告包括：

目的、原理及标准、铭牌、设备及条件、结果及结论等。

四、标准

国际标准、国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。

见教材P6~P7

ISO：

国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization）的简称，是一个全球性的非政府组织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。

ISO的任务是促进全球范围内的标准化及其有关活动，以利于国际间产品与服务的交流，以及在知识、科学、技术和经济活动中发展国际间的相互合作。

小结

了解橡塑工业的发展史，掌握橡塑材料的定义、了解橡塑材料的分类及其特点，初步了解橡塑材料的分析测试的内容，了解相关标准。

作业（补充）

简述塑料材料的优点

钙塑增强塑料制品如钙塑板，它是以高压聚乙烯为基材，加入大量轻质碳酸钙及少量助剂，经塑炼、热压、发泡等工艺过程制成。

这种板材轻质、隔声、隔热、防潮。

主要用于吊顶面材。