高分子材料分析1

1、教師課時計劃序號專業(yè)及班級授課類型1授課日期講課課題緒論教學目的1、了解橡塑工業(yè)的發(fā)展2、掌握塑料、橡膠的定義，了解分類其特點3、了解對材料進行分析與性能測試的目的，初步掌握分析與性能測試的內容，了解其測試過程4、了解行業(yè)相關標準重點與難點重點：橡塑材料的定義、分類及特點難點：分析測試的內容時間（分）內 容 及 教 授 方 法教具:545455組織教學，導入新課講授新課：橡塑工業(yè)的發(fā)展，橡塑材料橡塑材料，分析與性能測試，標準小結 作業(yè)課后記錄 檢查意見 簽字:高分子材料分析與檢測導言：首先進行自我介紹。本學期高分子材料加工技術專業(yè)3061級學生開設高分子材料分析與檢測，由學院教務處安排，我來擔

2、任本門課程的授課任務。主要用書為：高分子材料分析與測試。高分子材料分析與測試 課程是我院高分子材料加工技術專業(yè)的主干課程之一，是學生在學習了基礎課如基礎化學、高分子化學等課程的基礎上安排的。我們說，高分子材料及其成品的性能與其化學、物理組成，結構以及加工條件密切相關。為了表征性能與組成、結構和加工參數(shù)之間的關系，分析測試技術將起到唯一的決定作用；并為評定材料質量，改進產品性能和研制新材料提供依據(jù)。所以說對同學們而言，學好這門課程無論是就業(yè)還是升學深造都是非常必要的。本課程教學一學期完成，總學時數(shù)為6*14=84學時，其中講課學時為72學時，實練學時為12學時。希望我們密切配合，圓滿完成本學期的

3、教學和學習任務。正文：緒論一、橡塑工業(yè)的發(fā)展橡膠和塑料都是現(xiàn)代國民經濟與科技領域中不可缺少的高分子材料，用途十分廣泛，不僅能滿足人們的日常生活、醫(yī)療衛(wèi)生和文體生活等各方面的需要，還能滿足工農業(yè)生產、交通運輸、電子通訊和航空航天等各個領域的技術要求。橡膠、塑料工業(yè)的發(fā)展都是伴隨著高分子科學與技術的發(fā)展而興起的年輕工業(yè)。橡膠工業(yè)只有近200年的發(fā)展歷史；塑料工業(yè)的發(fā)展歷史就更短，但是，它們的共同特點就是發(fā)展速度都相當快。縱觀橡塑工業(yè)的發(fā)展史，大致可分為兩個不同的發(fā)展階段，即天然高分子時期與合成高分子時期。1、天然高分子的研究和利用時期1826年開放式煉膠機 世界上第一臺橡膠工業(yè)加工設備1839年由

4、天然橡膠的硫化1916年密閉式煉膠機20世紀初以前，高分子科學和技術的主要任務還是從事對天然橡膠和天然纖維的研究和利用。所以將這一時期稱為天然高分子時期。2、合成高分子發(fā)展與應用時期1907年酚醛樹脂 人類進入了合成高分子時代。20世紀40年代出現(xiàn)復合高分子材料、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業(yè)6070年代開發(fā)出熱塑性彈性體（TPE）、耐熱高分子70年代開始對高分子聚合物進行改性近年來高分子材料的分子設計發(fā)展迅速；高性能復合材料從軍用向民用拓展。3、高分子材料的發(fā)展趨勢未來的高分子材料的科學發(fā)展可以概況為高性能化、功能化、復合化。（1）高性能化：指的是開發(fā)具有高

5、強度、高耐熱性、高模量、高耐光性、高電絕緣性、高耐腐蝕性的高聚物材料。（2）功能化：功能高分子材料研究的新領域是注意研究具有光、電、磁等功能高分子材料產生各種功能的原理，注意研究生物高分子的結構與功能的關系，尤其智能高分子材料將是功能高分子的一個新生長點。（3）復合化：近30年來，科技發(fā)展迅速，特別是尖端科技的突飛猛進對材料的性能越來越高、越來越嚴和越來越多的要求。在許多方面，傳統(tǒng)的單一材料已經不能滿足實際需要。那么，將材料進行復合化得到的復合材料綜合了各種材料如塑料、橡膠、纖維、金屬、陶瓷等各自的優(yōu)點，可以按需要設計、復合而成為綜合性能優(yōu)異的新型材料。所以，我們說未來的材料科學發(fā)展必然走向復

6、合化。比如說現(xiàn)在發(fā)展迅猛的木塑材料（wood-plastic composite，WPC）就是一種典型的高分子復合材料。木塑復合材料兼有木材和塑料的雙重特性，它質輕，剛性大、耐酸堿、防水防蟲、環(huán)保，既可以像木材一樣釘、鉆、刨、鋸、膠合和油漆，也可像熱塑性塑料一樣成型加工和表面裝飾印刷，一般來說，木塑復合材料的硬度較未處理的木材高28倍，耐磨性高45倍，甚至比大理石還高。而各種添加劑的應用，又賦予它許多特殊的性能，比如向木塑復合材料的原料中加入發(fā)泡劑進行發(fā)泡擠出，可以降低產品密度，提高其韌性和抗沖擊性能；在制品中加入玻纖，可使制品的強度明顯提高。此外，它還是一種環(huán)保材料，可回收重復使用，符合國家

7、循環(huán)經濟政策，而且原料廉價豐富，在減少環(huán)境污染、保護森林資源、促進經濟發(fā)展方面都有良好的效益，因而受到了眾多研究者關注。目前在建筑材料、市政設施、包裝材料等領域應用十分廣泛。除了以上優(yōu)點，其手感極像木材，因此我們認為它在家具領域的應用極具發(fā)展?jié)摿Α?0世紀90年代以來，北美、歐洲的許多國家對木塑復合材料已進行了大量的研究，近年來國內對它的研究也日益增多。同時它的生產和應用也得到了迅速增加，北美和歐洲2002年消費的木塑復合材料達到68萬t；2005年美國木塑制品達到25億美元的產值。并預計到2010年前將以14%和19%的速度增長，遠遠高于同期塑料工業(yè)的總體增長率。二、橡塑材料（一）塑料1、定

8、義自從本世紀初酚醛塑料實現(xiàn)工業(yè)化生產，塑料就以電氣材料為起點而發(fā)展起來。隨著后來石油化學工業(yè)的建立和發(fā)展，塑料材料進展更是突飛猛進。如今不論是在人們的日常生活中，或是在國民經濟的各個領域，到處都會感覺到塑料所處的顯要位置。假如沒有塑料材料，很難設想現(xiàn)代化的工業(yè)、農業(yè)、交通、通訊等行業(yè)以及人類的生活質量會達到今天的水平。盡管今天塑料已成為隨處可見的材料，然而要對其確切定義卻是困難的。我國在1980年的國家標準（GT 2035-80）對“塑料”是這樣定義的：“以樹脂（有時用單體在加工過程中直接聚合）為主要成分，一般含有添加劑，在加工過程中能流動成型的材料?！蓖瑫r又注明：“目前塑料一詞尚無確切定義。

9、一般不包括彈性體、纖維、涂料、粘合劑。”可見在此定義中塑料的界限是不明確的。比如說柔性的聚氨酯泡沫塑料算不上彈性體？尼龍細線屬于纖維還是塑料？等等。那么，在1996年頒布的新國標（GB/T 2035-1996）對“塑料”重新做了定義：“以高聚物為主要成分，并在加工為成品的某階段可流動成型的材料?！倍易隽苏f明：“彈性材料也可流動成型，但不認為是塑料。”這個定義仍然沒有說明塑料與橡膠和纖維的本質區(qū)別。其實，由于科學技術的進步和發(fā)展，塑料、橡膠和纖維這三大合成材料不但所應用的原料和成型加工方法都在接近和互相滲透，而且其性能也正通過共混和共聚取得相互補充。因此從發(fā)展趨勢來看，它們之間的界線不是越來越

10、清晰，而是日漸模糊。下面我們簡單說一下合成樹脂和塑料的區(qū)別（合成樹脂這個詞我們經常能看到），塑料和合成樹脂的主要區(qū)別是合成樹脂為純的聚合物，而塑料則是以樹脂以主要成分，在添加一些助劑得到的聚合物制品，那么當塑料由純樹脂制成時兩個概念可以通用。2、分類塑料的分類體系比較復雜，各種分類方法也有所交叉，按常規(guī)分類主要有以下三種：一是按使用特性分類；二是按理化特性分類；三是按加工方法分類。 （1）按使用特性分類根據(jù)名種塑料不同的使用特性，通常將塑料分為通用塑料、工程塑料和特種塑料三種類型。 通用塑料 一般是指產量大、用途廣、成型性好、價格便宜的塑料，通用塑料有五大品種，即聚乙烯、聚丙烯、聚氯

11、乙烯、聚苯乙烯及ABS。它們都是熱塑性塑料。 工程塑料 一般指能承受一定外力作用，具有良好的機械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩(wěn)定性較好，可以用作工程結構的塑料，如聚酰胺、聚砜等。在工程塑料中又將其分為通用工程塑料和特種工程塑料兩大類。通用工程塑料包括：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、熱塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。特種工程塑料又有交聯(lián)型的非交聯(lián)型之分。交聯(lián)型：耐熱環(huán)氧樹脂、聚氨基雙馬來酰胺、交聯(lián)聚酰亞胺等。非交聯(lián)型：聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚醚醚酮（PEEK）等。 特種塑料一般是指具有特種功能，可用于航空、航天等特殊應用領域的塑料。如氟塑料和有機硅具

12、有突出的耐高溫、自潤滑等特殊功用，增強塑料和泡沫塑料具有高強度、高緩沖性等特殊性能，這些塑料都屬于特種塑料的范疇。a、增強塑料 增強塑料原料在外形上可分為粒狀（如鈣塑增強塑料）、纖維狀（如玻璃纖維或玻璃布增強塑料）、片狀（如云母增強塑料）三種。按材質可分為布基增強塑料（如碎布增強或石棉增強塑料）、無機礦物填充塑料（如石英或云母填充塑料）、纖維增強塑料（如碳纖維增強塑料）三種。b、泡沫塑料 泡沫塑料可以分為硬質、半硬質和軟質泡沫塑料三種。硬質泡沫塑料沒有柔韌性，壓縮硬度很大，只有達到一定應力值才產生變形，應力解除后不能恢復原狀；軟質泡沫塑料富有柔韌性，壓縮硬度很小，很容易變形，應力解除后能恢復原

13、狀，殘余變形較?。话胗操|泡沫塑料的柔韌性和其他性能介于硬質他軟質泡沫塑料之間。（2）按理化特性分類根據(jù)各種塑料不同的理化特性，可以把塑料分為熱固性塑料和熱塑料性塑料兩種類型。 熱固性塑料熱固性塑料是指在經加熱固化成型后，再受熱不能溶化或溶化的塑料，像雞蛋那樣一次加熱硬化，其樹脂分子由線型結構交聯(lián)成網狀結構，再加強熱則會分解破壞。典型的熱固性塑料有酚醛、環(huán)氧、氨基、不飽和聚酯、呋喃、聚硅醚等材料，還有較新的聚苯二甲酸二丙烯酯塑料等。它們具有耐熱性高、受熱不易變形等優(yōu)點。缺點是機械強度一般不高，但可以通過添加填料，制成層壓材料或模壓材料來提高其機械強度。 熱塑料性塑料 熱塑料性塑料是指在特定溫度范

14、圍內能反復加熱軟化和冷卻硬化的塑料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等。熱塑性塑料具有優(yōu)良的電絕緣性，特別是聚四氟乙烯(PTFE）、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)都具有極低的介電常數(shù)和介質損耗，宜于作高頻和高電壓絕緣材料。熱塑性塑料易于成型加工,但耐熱性較低,易于蠕變,其蠕變程度隨承受負荷、環(huán)境溫度、溶劑、濕度而變化。為了克服熱塑性塑料的這些弱點,滿足在空間技術、新能源開發(fā)等領域應用的需要，各國都在開發(fā)可熔融成型的耐熱性樹脂，如聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜(PES)、聚芳砜(PASU)、聚苯硫醚(PPS)等。以它們作為基體樹脂的復合材料具有較高的力學性能和耐化學腐蝕性，能熱成型

15、和焊接。如用聚醚醚酮作為基體樹脂與碳纖維制成復合材料，耐疲勞性超過環(huán)氧碳纖維。它的耐沖擊性好，在室溫下具有良好的耐蠕變性，加工性好，可在240270連續(xù)使用，是一種非常理想的耐高溫絕緣材料。用聚醚砜作為基體樹脂與碳纖維制成的復合材料在 200具有較高的強度和硬度，在-100尚能保持良好的耐沖擊性；無毒，不燃，發(fā)煙最少，耐輻射性好，預期可用它作航天飛船的關鍵部件，還可模塑加工成雷達天線罩等。（3）按加工方法分類 根據(jù)各種塑料不同的成型方法，可以分為模壓、層合、注射、擠出、吹塑、澆鑄塑料和反應注射塑料等多種類型。其中注射、擠出、吹塑、模壓這四種方法是塑料成型加工的主要方法，注射、擠出、吹塑得到的塑

16、料為熱塑性塑料，模壓法得到的則是熱固性塑料。3、特點（1）比強度高 質輕且堅固（2）優(yōu)異的電絕緣性 是良好的絕緣體（3）化學穩(wěn)定性好 抗腐蝕（4）優(yōu)良的減摩、耐磨性能 耐用（5）減震消聲、透光性好，防水 作透明、阻隔材料（6）制造成本低 便宜（二）橡膠1、定義橡膠是一種高彈性的高分子化合物，是無定形的高聚物，也稱彈性體。也就是說在很小的外力作用下能產生較大的形變，除去外力后能恢復原狀。橡膠一詞來源于印第安語cau-uchu，意思是“流淚的樹”。18世紀法國人發(fā)現(xiàn)南美洲亞馬孫河有野生橡膠樹，割開橡膠樹皮即流出乳液，那么這種乳液經凝固后的產物就是天然橡膠。19世紀中葉，英國人取橡膠樹的種子在錫蘭（

17、斯里蘭卡）種植成功，并逐漸擴大到馬來西亞與印尼等地，但是制造天然橡膠制品中，生膠如何溶解與加工是一大問題。直到19世紀40年代美國人發(fā)現(xiàn)用松節(jié)油、硫黃與碳酸鉛共熱后得到不粘而有彈性制品，即所謂硫化技術，因此，到1920年左右，亞洲地區(qū)天然橡膠出口量達70多萬噸，與當時巴西的野生橡膠出口量相同。下面我們簡單來了解一下生膠為什么要經過硫化才能使用。生膠從使用上來說，受熱它會變軟，遇冷它會變硬、發(fā)脆，不易成型，容易磨損；容易在汽油中溶解。這主要是由于生橡膠的分子是線型高分子，呈蜷曲的形狀，在外力作用下由蜷曲變?yōu)樯煺梗饬οШ笥帜軌蚧謴推湓榍鸂顟B(tài)，這是具有彈性的必要條件。但鏈跟鏈之間容易滑動，強度

18、和韌性差，必須經過交聯(lián)，使分子鏈跟分子鏈之間有化學鍵的聯(lián)系，通過交聯(lián)，使線型高分子交聯(lián)成網狀結構，分子鏈間才不能滑動，具有可逆高彈變形，強度和韌性大為增強，從而變成有實用價值的橡膠。交聯(lián)的方法通常是硫化。硫化就是在生橡膠中混煉入一定量的硫黃，然后把它放進成型模具內并加熱（約140），硫原子即通過化學鍵使高分子鏈間發(fā)生交聯(lián)，得到硫化橡膠制品。硫化過程是很復雜的，常是形成雙硫鍵起交聯(lián)作用。得到的硫化橡膠具有很高的彈性及耐寒、耐熱、耐臭氧、耐油、耐溶劑、減震、耐磨、耐疲勞、密封和介電等重要性能。橡膠的主要特征是分子量特別大，是所有高分子材料中最大的，一般都在數(shù)十萬，有的甚至可以達到上百萬；其次是橡膠

19、具有多分散性，就是說橡膠的分子是大小不等的，有一個分布范圍。橡膠的使用溫度范圍是在玻璃化溫度和粘流溫度之間。2、分類橡膠主要分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。天然橡膠主要來源于三葉橡膠樹，當這種橡膠樹的表皮被割開時，就會流出乳白色的汁液，稱為膠乳，膠乳經凝聚、洗滌、成型、干燥即得天然橡膠。合成橡膠是由人工合成方法而制得的，采用不同的原料（單體）可以合成出不同種類的橡膠。（1）按其性能和用途：通用橡膠和特種橡膠通用橡膠是指部分或全部代替天然橡膠使用的膠種，如丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠等，主要用于制造輪胎和一般工業(yè)橡膠制品。通用橡膠的需求量大，是合成橡膠的主要品種。凡是具有特殊性能的如耐候性、耐熱性

20、、耐油、耐臭氧等，用來制造特定條件下使用的橡膠制品的為特種橡膠。如丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、聚氨酯橡膠等。下面我們簡單介紹幾種通用橡膠：丁苯橡膠丁苯橡膠是由丁二烯和苯乙烯共聚制得的，是產量最大的通用橡膠，有乳聚丁苯橡膠、溶聚丁苯橡膠和熱塑性橡膠（SBS）。順丁橡膠由丁二烯經溶液聚合制得的，順丁橡膠具有特別優(yōu)異的耐寒性、耐磨性和彈性，還具有較好的耐老化性能。順丁橡膠絕大部分用于生產輪胎，少部分用于制造耐寒制品、緩沖材料以及膠帶、膠鞋等。順丁橡膠的缺點是抗撕裂性能交差，抗?jié)窕阅懿缓?。異戊橡膠異戊橡膠是聚異戊二烯橡膠的簡稱，采用溶液聚合法生產。異戊橡膠與天然橡膠一樣，具有良好的彈性和耐磨性，優(yōu)良的

21、耐熱性和較好的化學穩(wěn)定性。異戊橡膠生膠（未加工前）強度顯著低于天然橡膠，但質量均一性、加工性能等優(yōu)于天然橡膠。異戊橡膠可以代替天然橡膠制造載重輪胎和越野輪胎，還可用于生產各種橡膠制品。乙丙橡膠乙丙橡膠以乙烯和丙烯為主要原料合成，耐老化、電絕緣性能和耐臭氧性能突出。乙丙橡膠可大量充油和填充碳黑，制品價格較低，乙丙橡膠化學穩(wěn)定性好，耐磨性、彈性、耐油性和丁苯橡膠接近。乙丙橡膠的用途十分廣泛，可以作為輪胎胎側、膠條和內胎以及汽車的零部件，還可以作電線、電纜皮及高壓、超高壓絕緣材料。還可制造膠鞋、衛(wèi)生用品等淺色制品。氯丁橡膠 它是以氯丁二烯為主要原料，通過均聚或少量其它單體共聚而成的。其化學穩(wěn)定性較高

22、，抗張強度高，耐水性良好，耐熱、耐光、耐老化性優(yōu)良，耐油性優(yōu)于天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠，具有較強的耐燃性和優(yōu)異的抗延燃性。其缺點是電絕緣性能，耐寒性能較差，生膠在貯存時不穩(wěn)定。氯丁橡膠用途廣泛，如用來制作運輸皮帶和傳動帶，電線、電纜的包覆材料，制造耐油膠管、墊圈以及耐化學腐蝕的設備襯里。 （2）按結構特點：飽和膠和不飽和膠、極性膠和非極性膠如乙丙膠為飽和的非極性膠，丁腈膠為不飽和極性膠，順丁膠為不飽和非極性膠。（3）按用途：輪胎、膠帶、膠管、膠鞋及工業(yè)橡膠制品工業(yè)橡膠制品俗稱橡膠雜品，是指除輪胎、膠帶之外，用于工業(yè)、國防、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)等方面的機械設備、儀器儀表、車輛、船舶和飛機、

23、宇航運載工具等所必需的橡膠制品或配件，種類極為繁雜，大致上可分為兩大類：模型制品和非模型制品。模型制品是采用金屬模具進行模壓硫化的制品，包括密封減震制品，如各種耐油耐水密封圈、密封墊、儲油隔膜、防水防護罩、橋梁和鐵路軌枕墊、隔音橡膠配件、絕緣隔熱制品、機械設備及儀器緩沖座墊、醫(yī)療衛(wèi)生制品和膠輥膠板等。非模型制品主要是膠布和膠布制品，又分為防護類膠布及其制品和工業(yè)用膠布及其制品。防護類膠布及制品如生活用膠布、篷布、墊布、潛水服、生產服、下水衣和雨衣，還有耐油、耐化學藥品、耐熱、絕緣、防毒、防射線等各種膠布。工業(yè)用膠布制品有各類橡皮船、救生筏、飛艇、水囊等。3、特點（1）高彈性橡膠的彈性模量小，一

24、般在19.8MPa。伸長變形大，伸長率可高達1000%，仍表現(xiàn)有可恢復的特性，并能在很寬的溫度（-50150）范圍內保持有彈性。 （2）粘彈性橡膠是粘彈性體。由于大分子間作用力的存在，使橡膠受外力作用。產生形變時受時間、溫度等條件的影響，表現(xiàn)有明顯的應力松弛和蠕變現(xiàn)象。 （3）緩沖減震作用橡膠對聲音及振動和傳播有緩和作用，可利用這一特點來防除噪音和振動。 （4）電絕緣性橡膠和塑料一樣是電絕緣材料，天然橡膠和丁基橡膠的體積電阻率可達到1015·cm以上。（5）溫度依賴性高分子材料一般都受溫度影響。橡膠在低溫時處于玻璃態(tài)變硬變脆，在高溫時則發(fā)生軟化、熔融、熱氧化、熱分解以至燃燒。（6）具

25、有老化現(xiàn)象如同金屬腐蝕、木材腐朽、巖石風化一樣，橡膠也會因環(huán)境條件的變化而發(fā)生老化，使性能變壞，使壽命縮短。（7）必須硫化橡膠必須加入硫黃或其它能使橡膠硫化（或稱交聯(lián)）的物質，使橡膠大分子交聯(lián)成空間網狀結構，才能得到具有使用價值的橡膠制品。另外，需要注意的是：熱塑性橡膠可不必硫化。 除此之外，橡膠密度低，屬于輕質材料，硬度低，柔軟性好；透氣性較差，可做氣密性材料；還是較好的防水性材料等等。使得橡膠材料和橡膠制品的應用范圍特別廣泛，制品不定多達數(shù)萬種。三、分析與性能測試（一）目的通過分析與性能測試，使高分子材料制品得以規(guī)格化和標準化。（二）內容（1）分析 化學分析包括誤差、數(shù)據(jù)處理、天平、酸堿滴定、氧化還原滴定、