第8章高分子材料 16.docx

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第8章高分子材料16

第8章高分子材料

§8-1概述

一、高分子材料基本概念

1.高分子化合物的组成

分子量很大（多数在5000～100万之间）的化合物。

具有较好的强度、塑性和弹性等力学性能，低分子没有，所以只有分子量达到使力学性能具有工程意义的化合物称高分子化合物或高分子材料。

2.高分子材料的聚合

把低分子化合物（单体例如乙烯）聚合起来，形成高分子化合物（聚乙烯）的过程叫高分子化合物的合成。

这种合成反应称聚合反应，常见有加成聚合反应和缩合聚合反应，所以高分子化合物也叫聚合物或高聚物。

单体：

聚乙烯的单体是乙烯CH2=CH2；聚丙烯的单体是丙烯CH3-CH=CH2；ABS工程塑料是丙烯晴CH2=CH-CN、丁二烯CH2=CH-CH=CH2、苯乙烯CH2=CH-≤≥（苯环）三种单体聚合而成。

⑴加聚反应：

由一种或多种单体相互加成或环状化合物开环相互结合成聚合物的反应。

一种单体加聚成高分子叫均聚物如聚乙烯，聚氯乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯；两种或两种以上叫共聚物如ABS塑料。

⑵缩聚反应：

由一种或多种单体相互缩合生成聚合物，同时析出低分子化合物（如水、氨、醇等）的反应。

如聚对苯二甲酸乙二脂（的确良或叫涤纶）是对苯二甲酸和乙二醇聚合而成。

3.高分子材料的命名与分类

（命名方法比较复杂，分类表8-2）

⑴专用名称：

如淀粉、蛋白、纤维素等。

⑵单体前加“聚”：

如聚丙烯、聚乙烯等。

⑶单体后加“树脂或橡胶”：

如酚醛树脂、合成橡胶（乙丙橡胶）等。

⑷商品名：

如有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲脂）

⑸英文字母：

如ABS

二、高分子材料结构

三、高分子化合物的力学状态

四、高分子材料结构老化及改性

一般了解

§8-2工程塑料

高聚物根据力学性能和使用状态可分五类：

橡胶、合成纤维、塑料、胶粘剂和涂料。

有的书上高分子材料分三大类：

合成树脂、合成橡胶、合成纤维。

合成树脂应用最广，用它制成的塑料，占三大合成材料的68%。

也是最主要的工程结构材料。

一、塑料的组成与分类

1.组成

塑料以有机合成树脂为主要原料如聚乙烯、酚醛树脂等起粘接剂作用，决定塑料基本性能。

其他有增强剂、固化剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、阻燃剂和其他添加剂。

加银、铜可导电。

2.分类

⑴按树脂的性质分类：

根据树脂在加热和冷却时所表现的性质，可分为热塑性塑料和热固性塑料。

①热塑性塑料：

加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。

这类塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、聚碳酸脂、聚苯醚、聚砜等。

这类塑料加工成形简便，具有较高的机械性能，但耐热性和刚性比较差。

②热固性塑料:

初加热时软化，可塑造成形，但固化后再加热将不再软化,也不溶于溶剂。

这类塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、呋喃和聚硅醚树脂等。

它们具有耐热性高，受压不易变形等优点，但机械性能不好。

⑵按使用范围分类：

通用塑料、工程塑料、耐热塑料

①通用塑料：

聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料6种，产量大、用途广、价格低，占塑料总产量75%以上。

②工程塑料:

聚乙烯（PE）、聚甲醛、聚碳酸脂、聚酰胺（尼龙）、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）等；可以制造工程结构件、机械零部件、工业容器和设备等。

用ABS制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、外壳等；聚酰胺制齿轮、螺母、螺钉等小型零件；聚甲醛（POM）受摩擦零件、阀杆、辊子、垫圈、法兰等。

③耐热塑料:

在较高温度（一二XX以上）下工作的塑料，例如：

聚四氟乙烯（塑料王，耐腐蚀零件密封件等）、聚三氟乙烯、有机硅树脂、环氧树脂。

⑶依树脂合成反应特点分类：

聚合塑料、缩合塑料

二、塑料制品的成型与加工

挤出成型：

丝、管、板、薄膜等；注塑成型：

齿轮、杯、盆等容器。

吹塑成型：

空心制品、薄膜等。

机加工—车铣刨钻；塑料连接；塑料制品表面处理。

三、性能特点：

轻质高强、机械加工性好、导热系数小、装饰性好、经济性高等；缺点是易老化、耐热性差、易燃、刚度小等。

四、常用工程塑料

1.常用热塑性工程塑料

⑴聚乙烯（PE）

聚乙烯可以作化工设备的耐腐蚀衬里、管道、阀门等，以代替不锈钢和铜。

可以制造载荷小的机械零件，如齿轮、轴承等。

聚乙烯无毒，可作食品袋、奶瓶、餐具、饮料瓶等。

在汽车上可以作暖风管道、车门内衬、转向盘、燃油箱等。

⑵聚氯乙烯（PVC）

可制成板、棒、片型材，机械强度高，电性能优良，对酸碱抗力极强，化学稳定性好。

应用范围广，从建筑材料到生活日用品，从机械工业、电气工业到农业都有PVC制品。

可代替木材制造家具、建筑装饰品等；化工防腐设备、容器、电线包皮、绝缘保护制品等；日用品如造革提包、衣箱、玩具等；汽车工业上用于制作排油管、挡风雨条带、车外表皮等车身部件以及车顶衬里、车门内。

⑶聚苯乙烯（PS）

聚苯乙烯产量仅次于聚乙烯、聚氯乙烯，占第三位。

聚苯乙烯树脂无色透明，有光泽，无毒无味，易着色，透光率仅次于有机玻璃，室温下完全不吸水。

聚苯乙烯可作仪表外罩、汽车灯罩、光学仪器、透明模型、电讯零件。

⑷ABS塑料

ABS塑料是在聚苯乙烯改性的基础上发展起来的三元共聚物。

坚韧、质硬、刚性好，易于与金属结合，便于喷涂，容易电镀。

ABS树脂不透明、无毒无味，易着色，具有良好的冲击强度。

用于汽车、机械、电气、纺织、飞机、船舶等制造业，可制作电气零件、家用电器、电话机、收录机等外壳，ABS树脂夹层塑料板还可作小轿车车身。

⑸聚酰胺（PA）

商品名尼龙或锦纶。

在机械、化工、电气行业可制作轴承、凸轮、涡轮、管子、密封元件、绳子等；在汽车上制作保险杠、挡泥板、底盘等外装件，还可制作刹车管、输油管、控制器等。

⑹聚丙烯（PP）

聚丙烯由丙烯单体聚合而成。

聚丙烯刚性大,其强度、硬度和弹性等机械性能均高于聚乙烯。

聚丙烯的相对密度仅为0.90g/cm3～0.91g/cm3,是常用塑料中最轻的。

聚丙烯的耐热性良好,长期使用温度为100℃～110℃。

聚丙烯具有优良的电绝缘性能和耐蚀性能，在常温下能耐酸、碱,所以经常制作成导线外皮。

但聚丙烯的冲击韧性差，耐低温及抗老化性也差。

聚丙烯可用于制作某些零部件，如法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、把手及壳体等，还可制作化工管道、容器、医疗器械等。

⑺聚碳酸酯（PC）

聚碳酸酯誉称"透明金属"，具有优良的综合性能。

冲击韧性和延性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模量较高，不受温度的影响；抗蠕变性能好，尺寸稳定性高。

透明度高，可染成各种颜色；吸水性小。

绝缘性能优良，在10℃～130℃间介电常数和介质损耗近于不变。

制造精密齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条等。

利用其高的电绝缘性能，制造垫圈、垫片、套管、电容器等绝缘件，并可作电子仪器仪表的外壳、护罩等。

由于透明性好，在航空及宇航工业中，是一种不可缺少的制造信号灯、挡风玻璃，座舱罩、帽盔等的重要材料。

⑻聚四氟乙烯（PTEE、特氟龙）

氟塑料比其它塑料的优越性是,耐高、低温,耐腐蚀,耐老化和电绝缘性能很好,且吸水性和摩擦系数低,尤以F-4最突出。

聚四氟乙烯俗称塑料王,具有非常优良的耐高、低温性能,缺点是强度低,冷流性强。

主要用于制作减摩密封零件、化工耐蚀零件与热交换器，以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。

⑼聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

俗称有机玻璃，透明度比无机玻璃还高,透光率达92%;相对密度也只有后者的一半,为1.18g/cm3。

机械性能比普通玻璃高得多（与温度有关）。

2.热固性塑料

热固性塑料以缩聚树脂为基础，加适量添加剂固化而成，一旦固化即使加热到分解温度也不软化。

⑴环氧塑料（EP）

环氧树脂可作增强塑料、泡沫塑料、浇注塑料、胶粘剂、涂料等，广泛用在机械、化工、电讯、航空、船舶、建筑、汽车等行业。

环氧树脂是黄色至棕色液体或固体，加固化剂（如乙二胺、二乙烯三胺等胺类固化剂，顺丁烯二酸酐等酸酐类固化剂）固化后的环氧树脂具有良好的力学性能和耐化学腐蚀性能。

环氧树脂具有良好的粘合性能，有“万能胶”之称，用于粘接钢、铝、铜等金属，还可粘接塑料、橡胶、玻璃、木材等。

⑵酚醛塑料

酚醛塑料与金属有较好的粘附力，具有一定的强度和刚度，耐热性比环氧塑料好，但很脆。

成型后反复加热不软化，不容易变形。

在机械、航空、电气、汽车行业中可用于制造齿轮、凸轮、轴承、垫圈、皮带轮等结构件和绝缘零件；还可以制作插销头、开关、电话机外壳，可以制作汽车刹车片，化工用耐酸泵等。

§8-3合成橡胶与合成纤维

一、橡胶

橡胶是一种具有极高弹性的高分子材料，其弹性变形量可达100％～1000％，而且回弹性好，回弹速度快。

同时，橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝缘性和不透气、不透水性。

它是常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料。

1.橡胶的组成

人工合成用以制胶的高分子聚合物称为生胶。

生胶要先进行塑练，使其处于塑性状态，再加入各种配料，经过混练成型、硫化处理，才能成为可以使用的橡胶制品。

配料主要包括：

硫化剂（硫磺、含硫化合物、硒、过氧化物等）、起降低硫化温度，加速硫化过程作用的硫化促进剂、填充剂等。

2.性能

具有很高的弹性、良好的储存能量、耐磨、隔音、绝缘的性能，用它制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。

3.分类

按原料来源可分天然橡胶和合成橡胶。

4.常用橡胶材料：

①天然橡胶—弹性、力学性能、电绝缘性、耐碱性等综合性能较好，不耐高温、不耐油、不耐碱、易老化。

②通用橡胶—丁苯、顺丁、氯丁、乙丙橡胶，制轮胎、胶管、传送带等。

③特种橡胶—丁晴橡胶、硅橡胶、氟橡胶。

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二、合成纤维

1.概述

合成纤维是以石油、天然气、煤和石灰石等为原料，经过提炼和化学反应合成高分子化合物，再经过熔融或溶解后纺丝制得的纤维。

具有强度高、比重小、弹性好、耐磨、耐酸碱性好、不霉烂、不怕虫蛀等特点。

除用作衣料等生活用品外，还用于汽车、飞机轮胎帘子线、渔网、索桥、船缆、降落伞及绝缘布等。

2.常用合成纤维

合成纤维主要有聚酯纤维（涤纶）、聚酰胺纤维（锦纶）、聚丙烯腈纤维（腈纶）、聚乙烯醇纤维（维纶）、聚丙烯纤维（丙纶）和聚氯乙烯纤维（氯纶），通称为六大纶。

其中最主要的是涤纶、锦纶和腈纶三个品种，它们的产品占合成纤维总产量的90％以上。

下面简要介绍这六种合成纤维的主要特性和用途：

化学名

聚酯

纤维

聚酰胺

纤维

聚丙烯腈

纤维

聚丙烯

纤维

聚乙烯醇

纤维

聚氯乙烯

纤维

商品名

涤纶

的确良

锦纶

尼龙

腈纶

人造毛

丙纶

维纶

氯纶

特点

不起皱、弹性好、耐磨性好，耐光性

质轻、强度高、弹性和耐磨性好

柔软，保暖性好，犹如羊毛

质轻

强度大

吸湿性好，较高的强度，耐磨性、耐酸

保暖性好，遇火不易燃烧

用途

帆布、缆绳、渔网、衣服等

降落伞、运输带、针织内衣、尼龙袜等

制造毛线和膨体纱及室外用的帐蓬、幕布等

地毯、工作服、包装薄膜、医用纱布等

帆布、包装材料、输送带、背包。

床单和窗帘等。

绝缘布、窗帘、地毯、渔网、绳索

§8-4胶粘剂

胶粘剂具有粘接性能，能把两种物体粘在一起，也称粘合剂。

一、胶粘剂性能

1.胶粘机理

能够把物体牢固结合主要是胶粘剂与被粘物之间的界面结合力。

一般认为结合力可分机械结合力、物理吸附力、化学键力。

多孔纤维材料与胶粘之间主要以机械结合力为主，光滑表面如金属、玻璃等机械结合力很小。

物理吸附力指物理键和氢键。

玻璃、陶瓷、金属氧化物与胶粘剂之间形成物理吸附力，但受水气作用产生解吸。

化学结合力指胶粘剂与被粘物体之间发生反应形成化学键。

抵抗破坏性环境侵蚀的能力强。

2.主要性能

⑴粘接工艺性：

胶粘剂的调制、涂胶方式、凉置环境和时间、固化条件等。

⑵粘接强度：

单位胶接面积所承受的最大破坏力。

结构型胶粘剂强度最高。

⑶稳定性：

试件在指定介质中于一定温度下，浸渍一段时间后强度的变化。

⑷耐久性：

粘接层逐渐老化失去粘接强度的性能。

⑸耐温性：

也包括耐热、耐寒、耐交变温度等方面性能。

其他性能还包括颜色、刺激性气味、毒性大小、储存稳定性等。

3.常用胶粘剂

⑴FQ-100冷固型酚醛树脂胶粘剂，用于木材、纤维板、胶合板、硬质泡沫塑料。

⑵J-02、J-03胶，结构胶JX-9、JX-10用于金属、玻璃、纤维、木材、PVC塑料、尼龙、皮革等。

如果需要选择胶粘剂材料时再仔细查阅有关图书资料。

二、涂料

1.作用：

建筑涂料对建筑物起到保护和装饰、或者使建筑物具有某些特殊功能的材料。

2.组成：

基料：

也称成膜物，在涂料中起成膜及粘接填料和颜料的作用，使涂料干燥后形成连续的涂层。

基料有水玻璃、硅溶胶、聚乙烯醇、环氧树脂等。

颜料：

一般用无机矿物颜料，如氧化铁红、氧化铁黄、绿、棕，钛白、群青蓝等。

填料：

起改善涂膜力学性能，增加涂膜厚度降低涂料成本的作用。

重晶石粉、碳酸钙、高岭土、彩色小砂粒等。

还有水、溶剂起分散基料改善涂料施工性能作用；助剂如增白剂、防污剂、乳化剂、润湿剂、硬化剂等，进一步改善涂料某些性能。

3.常用涂料

⑴内墙涂料

聚乙烯醇水玻璃内墙涂料又称106涂料；聚醋酸乙烯乳胶漆等，主要用于公用建筑的内墙面、顶棚等。

⑵外墙涂料

苯乙烯-丙烯酸脂乳液涂料，丙烯酸脂系、聚氨脂系外墙涂料等，适合用在建筑物外墙。

⑶地面涂料

聚氨脂厚质弹性地面涂料整体性、装饰性好，具有优良的耐磨、耐油、耐水、耐酸碱性能。

环氧树脂厚质地面涂料具有耐油、耐水、耐化学腐蚀性能，可用于高级住宅、手术室、实验室、厂房等地面装饰、防腐、防水。