材料與現(xiàn)代生活論文

1、材料與現(xiàn)代生活論文學(xué)院：機(jī) 電 學(xué) 院專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班級(jí)：2092姓名：張 偉高分子材料與我們的生活材料是科學(xué)與工業(yè)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。一種新材料的出現(xiàn)，能為社會(huì)文明帶來(lái)巨大的變化，給新技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)劃時(shí)代的突破。材料已當(dāng)之無(wú)愧的成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱之一。高分子材料科學(xué)已經(jīng)和金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料并駕齊驅(qū)，在國(guó)際上被列為一級(jí)學(xué)科從化學(xué)角度來(lái)定義，高分子是由分子量很大的長(zhǎng)鏈分子所組成，而每個(gè)分子鏈都是由共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)的成百上千的一種或多種小分子構(gòu)造而成。高分子的分類有多種，按來(lái)源可分為天然高分子、天然高分子衍生物、合成高分子三大類；根據(jù)用途則可分為結(jié)構(gòu)高分子和功能高分子；另外根據(jù)工業(yè)產(chǎn)量

2、和價(jià)格還可分為通用高分子、中間高分子、工程塑料以及特種高分子等等。 高分子材料的功能很多，而且應(yīng)用十分廣泛。就結(jié)構(gòu)高分子而言，大家知道最多的當(dāng)屬塑料、橡膠和纖維。其中塑料產(chǎn)量最大，主要用于包裝材料、結(jié)構(gòu)材料、建筑材料以及交通運(yùn)輸材料；橡膠的主要用途為制造輪胎；纖維的主要用途為衣著用料。此外結(jié)構(gòu)高分子還包括工程塑料、耐高溫高分子以及液晶高分子等。對(duì)于功能高分子，其最顯著的特點(diǎn)在于它具有特殊的光、電、磁、催化等性能。例如光致變色高分子、導(dǎo)電高分子、鐵磁性高分子、催化高分于以及生物功能高分子等，以下僅就生物功能高分子作一簡(jiǎn)要介紹。 生物功能高分子包括三個(gè)方面：一是醫(yī)用高分子，包括：合成軟組織，例如人

3、工臟器、人造皮膚等，其特點(diǎn)是需要具有血液相容性。合成硬組織，例如骨骼、牙齒等，它們需要具有生物相容性，即不被人體細(xì)胞所排斥。二是藥用高分子，包括：高分子藥物，即將藥物的活性成分接在高分子鏈上，進(jìn)人體內(nèi)后分解產(chǎn)生藥物的有效成分；高分子載藥體系，將藥物的活性成分用高分子包裹或混合后帶人體內(nèi)，用以控制藥物釋放速度，從而達(dá)到藥物使用的長(zhǎng)效性和高效性。三是醫(yī)療器械與診斷材料，例如臨床診斷與分析化驗(yàn)用的高分子材料，包括細(xì)胞培養(yǎng)器和生物傳感器等。 加工過(guò)程中高分子表現(xiàn)出形狀、結(jié)構(gòu)、和性質(zhì)等方面的變化。形狀轉(zhuǎn)變往往是為滿足使用的最起碼要求而進(jìn)行的；材料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變包括高分子的組成、組成方式、材料宏觀與微觀結(jié)構(gòu)的

4、變化等；高分子結(jié)晶和取向也引起材料聚集態(tài)變化，這種轉(zhuǎn)變主要是為了滿足對(duì)成品內(nèi)在質(zhì)量的要求而進(jìn)行的，一般通過(guò)配方設(shè)計(jì)、材料的混合、采用不同加工方法和成型條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。加工過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變有些是材料本身固有的，亦或是有意進(jìn)行的；有些則是不正常的加工方法或加工條件引起的。1高分子材料的加工性質(zhì)： 1）、高分子材料的加工性： 高分子具有一些特有的加工性質(zhì)，如良好的可塑性，可擠壓性，可紡性和可延性。正是這些加工性質(zhì)為高分子材料提供了適于多種多樣加工技術(shù)的可能性，也是高分子能得到廣泛應(yīng)用的重要原因。 高分子通?？梢苑譃榫€型高分子和體型高分子，但體型高分子也是由線型高分子或某些低分子物質(zhì)與分子量較低的高分

5、子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而得到的。線型高分子的分子具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，在其聚集體中它們總是彼此貫穿、重迭和纏結(jié)在一起。在高分子中，由于長(zhǎng)鏈分子內(nèi)和分子間強(qiáng)大吸引力的作用，使高分子表現(xiàn)出各種力學(xué)性質(zhì)。高分子在加工過(guò)程所表現(xiàn)的許多性質(zhì)和行為都與高分子的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)和纏結(jié)以及聚集態(tài)所處的力學(xué)狀態(tài)有關(guān)。 根據(jù)高分子所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)和分子熱運(yùn)動(dòng)特征，可將其劃分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，通常稱這些狀態(tài)為聚集態(tài)。高分子的分子結(jié)構(gòu)、高分子體系的組成、所受應(yīng)力和環(huán)境溫度等是影響聚集態(tài)轉(zhuǎn)變的主要因素，在高分子及其組成一定時(shí)，聚集態(tài)的轉(zhuǎn)變主要與溫度有關(guān)。不同聚集態(tài)的高分子，由于主價(jià)健與次價(jià)健共同作用構(gòu)成的內(nèi)聚能不同而表現(xiàn)出一系列獨(dú)特的

6、性質(zhì)，這些性能在很大程度上決定了高分子材料對(duì)加工技術(shù)的適應(yīng)性，并使高分子在加工過(guò)程表現(xiàn)出不同的行為。 高分子的可模塑性是指材料在溫度和壓力作用下形變和在模具中模制成型的能力。具有可模塑性的材料可通過(guò)注射、模壓和擠出等成型方法制成各種形狀的模塑制品?？赡Ｋ苄灾饕Q于材料的流變性，熱性質(zhì)和其他物理力學(xué)性質(zhì)等，在熱固性高分子的情況下還和高分子的化學(xué)反應(yīng)性有關(guān)。過(guò)高的溫度，雖然熔體的流動(dòng)性大，易于成型，但會(huì)引起分解，制品收縮率大；溫度過(guò)低熔體粘度大，流動(dòng)困難，成型性差；因彈性發(fā)展，明顯的使制品形狀穩(wěn)定性差。適當(dāng)增加壓力，通常能改善高分子的流動(dòng)性，但過(guò)高的壓力將引起溢料和增大制品內(nèi)應(yīng)了；壓力過(guò)低時(shí)則造

7、成缺料。模塑條件不僅影響高分子的可模塑性，且對(duì)制品的力學(xué)性能、外觀、收縮以及制品中的結(jié)晶和取向等都有廣泛影響。熱性能影響高分子加工與冷卻的過(guò)程，從而影響熔體的流動(dòng)性和硬化速度，因此也會(huì)影響高分子制品的性質(zhì)。模具的結(jié)構(gòu)尺寸也影響聚合物的模塑性，不良的模具結(jié)構(gòu)甚至?xí)钩尚褪　?可紡性是指高分子材料通過(guò)加工形成連續(xù)的固態(tài)纖維的能力。它主要取決與材料的流變性質(zhì)，熔體粘度、熔體強(qiáng)度以及熔體的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等。紡絲材料，首先要求熔體從噴絲板毛細(xì)孔流出后能形成穩(wěn)定細(xì)流。細(xì)流的穩(wěn)定性通常與由熔體從噴絲板的流出速度，熔體的粘度和表面張力組成的數(shù)群有關(guān)。紡絲過(guò)程由于拉伸和冷卻的作用都使紡絲熔體粘度增大，也

8、有利于增大紡絲細(xì)流的穩(wěn)定性。但隨紡絲速度增大，熔體細(xì)流受到的拉應(yīng)力增加，拉伸變形增大，如果熔體的強(qiáng)度低將出現(xiàn)細(xì)流斷裂。故具有可紡性的高分子還必須具有較高的熔體強(qiáng)度。不穩(wěn)定的拉伸速度容易造成紡絲細(xì)流斷裂。當(dāng)材料的凝聚能較小時(shí)也容易出現(xiàn)凝聚性斷裂。對(duì)一定高分子，熔體強(qiáng)度隨熔體粘度增大而增加。作為紡絲材料還要在紡絲條件下，高分子有良好的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，因?yàn)楦叻肿釉诟邷叵乱Ａ糨^長(zhǎng)的時(shí)間并要經(jīng)受在設(shè)備和毛細(xì)孔中流動(dòng)時(shí)的剪切作用。 可延性表示無(wú)定形或半結(jié)晶固體高分子在一個(gè)方向或兩個(gè)方向上受到壓延或拉伸時(shí)變形的能力。材料的這種性質(zhì)為生產(chǎn)長(zhǎng)徑比很大的產(chǎn)品提供了可能，利用高分子的可延性，可通過(guò)壓延或拉伸工藝生

9、產(chǎn)薄膜、片材和纖維。但工業(yè)生產(chǎn)仍以拉伸法用的最多。 2）、加工過(guò)程中的粘彈行為： 高分子在加工過(guò)程中通常是從固體變?yōu)橐后w，再?gòu)囊后w變成固體，所以加工過(guò)程中高分子在不同條件下會(huì)分別表現(xiàn)出固體和液體的性質(zhì)，既表現(xiàn)出彈性和粘性。但由于大分子的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)和大分子運(yùn)動(dòng)的逐步性質(zhì)，高分子的形變和流動(dòng)不可能是純彈性的或純粘性，而是彈性和粘性的綜合既粘彈性。 當(dāng)高分子在外力作用下發(fā)生普彈形變時(shí)，外力使大分子鍵長(zhǎng)和鍵角或高分子晶體中處于平衡狀態(tài)的粒子間發(fā)生形變和位移。推遲高彈形變是外力較長(zhǎng)時(shí)間作用于高分子時(shí)，由處于無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的大分子鏈段形變和位移所貢獻(xiàn)，形變值大，具有可逆性，它使高分子表現(xiàn)出特有的高彈性。粘性形

10、變則是高分子在外力作用下沿力作用方向發(fā)生的大分子鏈之間的結(jié)纏和相對(duì)滑移，表現(xiàn)為宏觀流動(dòng)，形變值大，具有不可逆性。在通常的加工條件下，高分子形變主要由高彈形變和粘性形變組成。 2、高分子的流變性質(zhì)： 1）、高分子熔體的流變行為： 高分子在加工過(guò)程中的形變是由于外力作用的結(jié)果，材料受力后內(nèi)部產(chǎn)生與外力相平衡的應(yīng)力。受到剪切力作用產(chǎn)生的流動(dòng)稱為剪切流動(dòng)。受到拉應(yīng)力作用引起的流動(dòng)稱為拉伸流動(dòng)。但是實(shí)際加工過(guò)程中材料的受力情況非常復(fù)雜，往往是三種簡(jiǎn)單應(yīng)力的組合，因而材料中的實(shí)際應(yīng)變也往往是多種簡(jiǎn)單應(yīng)變的迭加。加工中流體的靜壓力對(duì)流體流動(dòng)性質(zhì)的影響相對(duì)不及前兩者顯著，但它對(duì)粘度有影響。高分子流體可以是處于

11、粘流溫度Tf或熔點(diǎn)Tm以上的熔融狀聚合物，亦可以是在不高溫度下仍保持為流動(dòng)液體的高分子溶液或懸浮體。加工過(guò)程中高分子的流變性質(zhì)主要表現(xiàn)為粘度的變化，根據(jù)流動(dòng)過(guò)程高分子粘度與應(yīng)力或應(yīng)變速率的關(guān)系，將高分子的流動(dòng)行為分為兩大類：1.符合牛頓流動(dòng)定律的牛頓型流體；2.非牛頓流體，其流動(dòng)行為稱為非牛頓型流動(dòng)。 通常加工條件下，對(duì)熱塑性高分子加熱仍是一種物理作用，其目的是使高分子達(dá)到粘流態(tài)以便成型，材料在加工過(guò)程所獲得的形狀必須通過(guò)冷卻來(lái)定型。雖然，由于多次加熱和受到加工設(shè)備的作用會(huì)引起材料內(nèi)在性質(zhì)的一定變化，但并未改變材料整體可塑性的基本特性，特別是材料的粘度在加工條件下基本沒(méi)有發(fā)生不可逆的改變。但是

12、熱固性高分子則不同，加熱不僅可以使材料熔融，能在壓力下產(chǎn)生流動(dòng)、變形和獲得所需形狀等物理作用；并且還能使具有活性基團(tuán)的組分在足夠高的溫度下產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，并最終完成硬化等化學(xué)作用。一旦熱固性材料硬化后，粘度變?yōu)闊o(wú)限大，并失去再次軟化、流動(dòng)和通過(guò)加熱而改變形狀的能力。因此熱固性高分子加工過(guò)程中粘度的這種變化規(guī)律與熱塑性高分子有著本質(zhì)區(qū)別。 2）、影響高分子流變行為的主要因素： 高分子熔體在任何給定的剪切速率下的粘度主要由兩個(gè)方面的因素來(lái)決定：高分子熔體內(nèi)的自由體積和大分子長(zhǎng)鏈之間的纏結(jié)。自由體積是高分子中未被高分子占領(lǐng)的空隙，它是大分子鏈段進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所。凡會(huì)引起自由體積增加的因素都能活躍大分

13、子的運(yùn)動(dòng)，并導(dǎo)致高分子熔體粘度的降低。另一方面大分子之間的纏結(jié)使得分子鏈的運(yùn)動(dòng)變得非常困難，凡是減少這種纏結(jié)作用的因素，都能加速分子的運(yùn)動(dòng)并導(dǎo)致熔體粘度的降低。另外各種環(huán)境因素如溫度、應(yīng)力、應(yīng)變速率、低分子物質(zhì)等以及高分子自身的分子量，支鏈結(jié)構(gòu)對(duì)粘度的影響，大都能用這兩種因素來(lái)解釋。對(duì)于處于粘流溫度以上的高分子，熱塑性高分子熔體的粘度隨溫度升高而呈指數(shù)函數(shù)的方式降低。高分子鏈的柔性愈大，纏結(jié)點(diǎn)愈多，鏈的解纏和滑移愈困難，高分子流動(dòng)時(shí)非牛頓性愈強(qiáng)。高分子鏈的支化程度愈大，粘度升高愈多，并導(dǎo)致流動(dòng)性顯著降低。高分子的分子量增大，不同鏈段偶然位移相互抵消的機(jī)會(huì)增多，因而分子鏈重心移動(dòng)愈慢，要完成流動(dòng)

14、過(guò)程就需要更長(zhǎng)的時(shí)間和更多的能量，所以高分子的粘度隨分子量的增加而增大。 3、加工過(guò)程中的物理和化學(xué)變化： 1）、加工過(guò)程中高分子的結(jié)晶： 通常將高分子在等溫條件下的結(jié)晶稱為靜態(tài)結(jié)晶過(guò)程。但實(shí)際上高分子加工過(guò)程大多數(shù)情況下結(jié)晶都不是等溫的，而且熔體還要受到外力的作用，產(chǎn)生流動(dòng)和取向等。這些因素都會(huì)影響結(jié)晶過(guò)程。溫度是高分子結(jié)晶過(guò)程中最敏感的因素，過(guò)冷度愈大，結(jié)晶時(shí)間愈短，結(jié)晶度降低，并使達(dá)到最大結(jié)晶度的溫度下降。熔化溫度與在該溫度的停留時(shí)間會(huì)影響聚合物中可能殘存的微小有序區(qū)域或晶核的數(shù)量。如果上次結(jié)晶溫度高，則結(jié)晶度也高，晶粒較完整，故重新融化需較高溫度；加工溫度高，高分子中原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞

15、愈多，殘存的晶核愈少。在熔融溫度低和熔融時(shí)間短，則體系中存在的晶核將引起異相成核作用，故結(jié)晶速度快，結(jié)晶尺寸小而均勻，并有利于提高制品的力學(xué)強(qiáng)度、耐磨性和熱畸變溫度。高分子在紡絲、薄膜拉伸、注射、擠出、模壓和壓延等成型加工過(guò)程中受到高應(yīng)力作用時(shí)，有加速結(jié)晶作用的傾向。這是應(yīng)力作用下高分子熔體取向產(chǎn)生了誘發(fā)成核作用所致，使晶核生成時(shí)間大大縮短，晶核數(shù)量增加，以致結(jié)晶速度增加。應(yīng)力對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)也有影響。在剪切或拉伸應(yīng)力作用下，熔體中往往生成一長(zhǎng)串的纖維狀晶體，隨應(yīng)力或應(yīng)變速率增大，晶體中伸直鏈含量增多，晶體熔點(diǎn)升高。壓力也能影響球晶的大小和形狀，低壓下能生成大而完整的球晶，高壓下則生成小而形狀

16、很規(guī)則的球晶。高分子分子的鏈結(jié)構(gòu)與結(jié)晶過(guò)程有密切關(guān)系。分子量愈高，大分子及鏈段結(jié)晶的重排運(yùn)動(dòng)愈困難，所以高分子的結(jié)晶能力一般隨分子量的增大而降低。結(jié)晶過(guò)程分子鏈的斂集作用使高分子體積收縮、比容減小和密度增加，密度增大意味著分子鏈之間引力增加，所以結(jié)晶高分子的力學(xué)性能、熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性等相應(yīng)提高，但耐應(yīng)力龜裂能力降低。 2）、加工過(guò)程中高分子的降解： 高分子加工通常是在高溫和應(yīng)力作用下進(jìn)行的，高分子可能由于受到熱和應(yīng)力的作用或由于高溫下高分子中微量雜質(zhì)及空氣中氧的作用而導(dǎo)致分子量降低，大分子結(jié)構(gòu)改變等化學(xué)變化。通常稱分子量降低的作用為降解。除了少數(shù)有意進(jìn)行的降解以外，大多數(shù)是有害的。因此加工過(guò)

17、程大多數(shù)情況下都應(yīng)設(shè)法盡量減少和避免高分子降解。必須嚴(yán)格控制原材料技術(shù)指標(biāo)，使用合格材料；使用前對(duì)高分子進(jìn)行干燥；確定合理的加工工藝和加工條件；加工設(shè)備和模具應(yīng)有良好的結(jié)構(gòu)；根據(jù)高分子的特性，特別是加工溫度較高的情況，在配方中考慮使用抗氧劑、穩(wěn)定劑等以加強(qiáng)高分子對(duì)降解的抵抗能力。 3）、加工過(guò)程中高分子的交聯(lián)： 高分子加工過(guò)程，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)稱為交聯(lián)，通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)能制得體型高分子。同線型高分子比較，體型的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、耐溶劑性、化學(xué)穩(wěn)定性和制品的形狀穩(wěn)定性等均有所提高。加工過(guò)程大多數(shù)情況下，高分子的交聯(lián)都是通過(guò)大分子上活性中心間的反應(yīng)與交聯(lián)劑間的反應(yīng)來(lái)進(jìn)行的?？梢苑譃橛坞x基交聯(lián)反應(yīng)

18、和逐步交聯(lián)反應(yīng)。交聯(lián)反應(yīng)既可以在大分子和低分子之間進(jìn)行，也可以在大分子之間進(jìn)行，通常至少有一種反應(yīng)物質(zhì)是線型高分子。溫度、硬化時(shí)間、反應(yīng)物的官能度和應(yīng)力都會(huì)影響交聯(lián)。 生活中的高分子材料種類繁多，主要有以下幾種：1、聚乙烯 乙烯(代號(hào)PE)是由乙烯聚合而成的高分子化合物，由于生產(chǎn)工藝中所用的壓力不同，可分為高壓、中壓、低壓聚乙烯，它們的密度和分子量不同，性能和用途也有所不同。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，乙烯來(lái)源越來(lái)越充沛，目前聚乙烯塑料已成為世界上產(chǎn)量最大的塑料品種。 聚乙烯是一種無(wú)色、無(wú)味的熱塑性塑料，因?yàn)槠洳幌窬勐纫蚁┧芰戏肿又泻新仍匾约耙话阌卸拘缘奶砑觿?，所以聚乙烯塑料是無(wú)毒性的。因此，日常

19、生活中使用的塑料茶杯、塑料碗、塑料水壺、食品包裝袋等，都是用聚乙烯塑料制成。 聚乙烯塑料的電絕緣性強(qiáng)而吸水率極低，所以可用來(lái)制造各種高頻電纜、海底電纜的絕緣層和保護(hù)層。聚乙烯塑料具有耐曬、耐水的性能，聚乙烯薄膜可用于溫室大棚；聚乙烯拉成絲可織漁網(wǎng)，既輕便牢固，又不易腐爛。聚乙烯塑料的化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿、耐腐蝕，因而在化工廠中，常用作原料貯存容器以及液體輸送管道。聚乙烯塑料的缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較低，耐熱性差，一般只能在80以下使用。2、聚氯乙烯 聚氯乙烯(代號(hào)PVC)是由氯乙烯單體聚合而成的合成高分子。聚氯乙烯是一種白色或淡黃色粉末狀樹(shù)脂，密度約14，含氯量在5658左右。在聚氯乙烯樹(shù)脂中加入不同

20、的增塑劑和穩(wěn)定劑，可制得不同的硬質(zhì)聚氯乙烯和軟質(zhì)聚氯乙烯。 聚氯乙烯本身是一種線型高分子，因?yàn)榉肿又g吸引力很大，彼此結(jié)合得緊密而且牢固，使得高分子鏈不能自由活動(dòng)，因此質(zhì)地較硬。當(dāng)樹(shù)脂中不加或少加(10以下)增塑劑，得到的是硬質(zhì)聚氯乙烯。硬質(zhì)聚氯乙烯密度高、具有耐酸、耐堿和耐腐蝕的優(yōu)良性能，故常用作化工設(shè)備的管材以及建筑用板材，如地板、天花板等。 當(dāng)在樹(shù)脂中加入較多的增塑劑時(shí)，便可制得軟質(zhì)聚氯乙烯，增塑劑加的越多，塑料越柔軟。軟質(zhì)聚氯乙烯具有彈性，能耐折、耐光、耐水、耐氧化，故常用來(lái)制薄膜及電線包皮等。日常生活中的聚氯乙烯制品大多是軟質(zhì)聚氯乙烯，如用PVC制作的人造革廣泛用于服裝、鞋類、皮箱、皮包等。如果