第九章 合成高分子材料

1、第 十 章合 成 高 分 子 材 料 合成高分子材料是指由人工合成的高分子化合物組成的材料。 合成有機高分子材料具有許多優(yōu)良的性能，因而在建筑中得到了廣泛的應用，如塑料、合成橡膠、涂料、膠粘劑、高分子防水材料等已成為主要建筑材料10.1 合成高分子化合物基礎知識一、合成高分子化合物的合成1、加聚反應：單體（低分子碳氫化合物）在引發(fā)劑、光、熱等作用下，聚合形成為大分子的反應。一種單體加聚反應生成均聚物；其命名方法為在單體名稱前冠以“聚”字，如由乙烯加聚而得的稱為聚乙烯，由氯乙烯加聚而得的稱為聚氯乙烯。 兩種或兩種以上單體加聚反應生成共聚物。 如由乙烯、丙烯、二烯炔共聚而得的稱為乙烯丙烯二烯炔共聚

2、物（又稱三元乙丙橡膠，），由丁二烯、苯乙烯共聚而得的稱為丁二烯苯乙烯共聚物（又稱丁苯橡膠）。2、縮聚反應：由兩種或兩種以上具有可反應官能團的單體，在催化劑作用下結合成的大分子，并同時放出低分子副產物的反應。縮聚樹脂的命名方法一般為在單體名稱后加“樹脂”，如由苯酚和甲醛縮合而得的稱為酚醛樹酯。二、高分子聚合物的結構與性質 高分子聚合物分子常是由特定的結構單元多次重復組成的，這些特定的結構單元稱為鏈節(jié)。鏈節(jié)重復的次數n稱為聚合度。例如，聚氯乙烯的結構為：（一）線型分子和體型分子結構1、線型分子結構：由鏈節(jié)多次重復而成的長鏈型分子結構，在主鏈側有時還存在支鏈。線狀大分子間以分子間力結合在一起，具有線

3、型結構的樹脂，強度較低，彈性模量較小，變形較大，耐熱性較差，耐腐蝕性較差，且可溶可熔。線型結構的合成樹脂可反復加熱軟化，冷卻硬化。2、體型分子結構：在鏈與鏈之間有化學鍵“交聯(lián)”的網狀結構。 由于體形結構化學鍵結合力強，且交聯(lián)形成一個巨大分子，故一般來說，此類樹脂的強度較高，彈性模量較高，變形較小，耐熱性較好，耐腐蝕性較高。（二）高分子聚合物的物理力學狀態(tài)1、玻璃態(tài) 溫度較低時，長鏈分子整體不可移動，失去柔順性。受力后只能發(fā)生微小的變形，外力除去后，變形立即消失，稱為普通彈性變形。溫度越低、物體越堅硬。2、高彈態(tài) 溫度升高，聚合物從玻璃態(tài)變?yōu)楦邚棏B(tài)。長鏈分子具有柔順性，但仍不可移動。受力后會發(fā)生

4、極大的可逆變形，稱為高彈變形。彈性模量很小，應變值很大，變形的發(fā)生和消失要比普通彈性變形慢得多。3、粘流態(tài) 溫度升得更高時，整個長鏈分子具有了可移動性，聚合物從高彈態(tài)變?yōu)槌收沉鲬B(tài)。體型結構的聚合物，可以表現為玻璃態(tài)或高彈態(tài)，而不會出現粘流態(tài)。（三）熱塑性與熱固性1、熱塑性聚合物（受熱可熔） 在常溫下是較硬固體，受熱后就會變軟（甚至熔融），待冷卻后，會變硬；再次加熱又會變軟。這類聚合物一般為線型分子結構，如聚乙烯、聚氯乙烯等。2、熱固性聚合物（受熱不可熔） 首次受熱軟化（或熔化）后，在熱和催化劑或熱和壓力作用下發(fā)生化學變化，變成堅硬的體型分子結構，成為不熔物質；再次受熱不再變軟。溫度穩(wěn)定性好，不

5、能反復加工使用。 三、高分子聚合物的分類及命名（一）分類1、按合成方式分：加聚聚合物 縮聚聚合物 2、按性質分： 樹脂及塑料、合成橡膠、 合成纖維 3、按熱行為分： 熱塑性聚合物 熱固性聚合 物（二）命名1、在生成聚合物的單體名稱之前加“聚”字。聚乙烯、聚氯乙烯。2、在原料名稱之后加“樹脂”二字。酚醛樹脂、脲醛樹脂。3、商品名稱。聚酰胺纖維尼龍或綿綸，聚丙烯晴纖維晴綸。4、英文名稱的縮寫。聚乙烯PE；聚氯乙烯PVC；聚乙烯醇PVA；丁苯橡膠SBR；丙烯晴、丁二烯、苯乙烯共聚物為ABS樹脂等。四、高分子聚合物的老化高分子材料在熱、光、氧或有害液體等的長期作用下，其各項性能會逐漸降低，甚至失去使用

6、價值的現象，稱為老化。老化是一個復雜的化學變化過程，其主要化學反應有“交聯(lián)反應”和“裂解反應” 。1、交聯(lián)反應：使聚合度逐漸增大，或使線型結構變?yōu)轶w型結構。高分子材料便會逐漸失去彈性、變硬、變脆，出現龜裂等。2、裂解反應：在化學因素和物理因素作用下，大分子發(fā)生斷裂。使高分子材料變軟、發(fā)粘、失去高彈性。 防止老化的措施有三種： 改善聚合物結構，提高耐老化力； 加入穩(wěn)定劑（防老劑），吸收紫外線或抑制分子交聯(lián)(斷裂)反應； 設置表面防護層（或涂層），隔絕光、熱及O2等。以樹脂為基材，按需要加入適當助劑，組成配料，借助成型工具，可以在一定溫度和壓力下塑制成一定形狀和尺寸，經冷卻變硬或在成型的溫度下交聯(lián)

7、固化變硬，成為能保持這種形狀和尺寸的制品，這樣的材料稱為塑料。10.2 建 筑 塑 料（一）根據原料來源分類1、合成塑料：用低分子化合物經化學反應制成高分子化合物，再經加工制成的塑料制品或在生成高分子化合物的同時進行成型的塑料制品。如聚苯乙烯、酚醛樹脂和聚氯乙烯等。2、半合成塑料：用天然高分子材料制造的塑料。二、塑料的分類（二）根據塑料的熱行為分類1、熱塑性塑料：受熱時可以塑化和軟化，冷卻時則凝固成型。溫度的改變可令其反復變形。聚烯烴類、聚乙烯基類、聚苯乙烯類、聚甲醛等。2、熱固性塑料：受熱時塑性和軟化，發(fā)生化學交聯(lián)反應并固化定型，冷卻后如再次加熱時，不再發(fā)生塑性變形。酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧

8、塑料、有機硅等。（三）按使用領域分類1、通用塑料：生產成本低，產量大，性能多樣化。主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等2、工程塑料：成本高，產量不大，有較高的強度和耐磨擦、耐熱和耐化學腐蝕等特性。如：聚胺類塑料，聚甲醛，熱塑性樹脂等。三、塑料的組成組成塑料的最基本成分是樹脂，稱為基質材料。按實際需要，塑料材料中一般還含有許多其它成分，稱為助劑。熱塑性塑料有時也以純樹脂形式使用。1、填料、增強劑 填料可以改善塑料某些物理性能，如：導熱性，膨脹性、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性等。 增強劑可以提高塑料的力學性能，如：強度和剛度、硬度等。一般是纖維材料。如玻璃纖維、碳纖維和硼纖維等。2、增塑劑 可降低分子之間的作

9、用力，以改進成型時的流動性和改進制品柔順性等性能。要求具有一定的光熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，以及很好的相容性和低揮發(fā)度。如：鄰苯二甲酸酯、環(huán)氧酯類和含氯化合物等。3、穩(wěn)定劑（1）熱穩(wěn)定劑：能改善樹脂的熱穩(wěn)定性，抑制其熱降解和熱分解的助劑。（2）光穩(wěn)定劑：改善塑料的耐日光性，防止或降低日光中紫外線對塑料的破壞。（3）抗氧劑：能延緩或抑制塑料氧化降解的物質。四、著色劑：加入到塑料配料中使塑料制品具有各種顏色或者給予塑料特殊光學性能。主要有無機顏料、有機顏料和染料三類。五、潤滑劑 為了改進塑料熔體的流動性、減少或避免對設備的磨擦和粘附，改進制品表面光潔度。潤滑劑分內外兩類。 內潤滑劑在聚合中具有相容性，

10、主要是減少聚合分子的內摩擦。 外潤滑劑與聚合物僅有很低的相容性，故能保留在塑料熔體的表層，降低塑料與加工設備間的磨擦。六、抗靜電劑聚烯烴等塑料制品的表面，常因在成型過程中與模具或設備摩擦而在表面積有靜電，帶有靜電的制品表面容易積灰，對生產和使用不利。為了消除靜電，在塑料中加入抗靜電劑，主要是胺的衍生物和磷酸脂類等。七、阻燃劑：可燃的塑料中加入阻燃劑，能阻止或減緩其燃燒。磷酸酯，有機鹵化物和無機阻燃劑等是比較常用的阻燃劑。八、固化劑：加入到熱固性塑料配方中，可以使樹脂分子鏈產生交鏈反應，形成三維網狀或立體結構大分子。五、常用的建筑塑料（1）聚乙烯1、制備方法乙烯單體的制備最初是由乙醇脫水獲得，現

11、今均是從石油或天然氣熱裂解產物中獲取乙烯。聚乙烯的工業(yè)化生產采用高壓聚合、低壓聚合和中壓聚合。高壓聚合：在壓力為100350MPa范圍的高壓和160300范圍的較高溫度條件下，按自由基機理進行的聚合過程。2、聚乙烯性能力學性能：典型的軟而韌的聚合物，除沖擊強度較高外，其它力學性能絕對值在塑料材料中都是較低的。熱性能：熱變形溫度較低。電性能：優(yōu)異的介電和電絕緣性，但由于耐熱性較低，作為絕緣材料使用，工作溫度90。3、聚乙烯的應用（1）擠出或壓延成型各種薄膜：防水薄膜（2）擠出成各種型材、單絲：給排水管，下水管道，紗窗等。（3）各種設備、裝置的防腐涂層（2）聚氯乙烯1、制備方法單體制備：60年代以

12、前，以電石為原料先制得乙炔，再與氯化氫加成得到氯乙烯。目前，氯乙烯的工業(yè)化主要方法是以乙烯為原料，采用乙烯氯化法和乙烯氧氯化法。2CH2=CH2+ O2+Cl2 2CH2=CHCl+H2O212、聚氯乙烯的性能力學性能：與聚乙烯相比，聚氯乙烯的拉伸強度可提高到兩倍以上。斷裂伸長率下降約一個數量級，未增塑的聚氯乙烯屬于硬而較脆的類型。熱性能：熱穩(wěn)定性較差。加有熱穩(wěn)定劑。電性能：電絕緣耐化學試劑及耐溶劑性：耐化學腐蝕性比較好。3、聚氯乙烯的應用（1）耐油、耐腐蝕和耐老化的不燃電線電纜外層、絕緣層。（2）各種型材如管、棒、門窗框架及室內地板裝飾材料，各種板材。（3）聚苯乙烯1、制備方法單體制備：先制

13、取乙烯，再由乙苯脫氫得到苯乙烯。苯乙烯在引發(fā)劑或催化劑存在下按自由基機理或離子型機理進行聚合。2、聚苯乙烯性能力學性能：硬而脆，拉伸，彎曲等力學性能高于聚烯烴，但韌性卻明顯低于聚烯烴。拉伸時無屈服現象。熱性能：耐熱性差。超過玻璃化溫度即開始軟化，軟化點僅95左右。電性能：具有優(yōu)異的介電、電絕緣性能。3、聚苯乙烯的應用（1）制備裝飾，照明制品（2）一般電絕緣用品（3）絕熱保溫材料，建筑用絕熱構件（4）ABS塑料ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物，也是對聚苯乙烯改性中開發(fā)的一種新型塑料材料。具有優(yōu)異的物理力學性能，良好的耐化學性、容易成型加工，價格便宜。建筑行業(yè)中制備各種板材，管材、工具

14、和衛(wèi)生潔具。10.3 合成橡膠一、合成橡膠的概念橡膠是高彈性的高分子材料，以單體分子通過聚合或縮合反應合成的具有不同化學組成及結構的高分子化合物。二、合成橡膠的性能1、彈性：橡膠的彈性模量小，伸長變形即使達100%，仍表現有可復原的特性。2、具有粘彈性：橡膠是粘彈性體，在外力作用下產生的變形形為受時間、溫度等條件的支配，表明明顯的應力松弛和蠕變現象。3、有緩沖減震作用橡膠的柔軟性、彈性、粘彈性等的結合，對聲音及振動的傳播有緩沖作用，可用來防除噪音和振動公害。4、對溫度依賴性大橡膠因粘彈性顯著受溫度影響，如：在低溫時處于玻璃態(tài)并進而脆化，在高溫時發(fā)生軟化、熱氧化、熱分解以至燃燒。5、具有電絕緣性

15、橡膠是高分子電介質，是電絕緣材料。也可加入某些助劑降低絕緣性，制備導電橡膠。6、老化類似于金屬的腐蝕，木材的腐朽，巖石的風化一樣，橡膠也會因環(huán)境條件的變化而發(fā)生變化。三、常用合成橡膠的種類 1、丁苯橡膠(SBR)丁苯橡膠是丁二烯與苯乙烯的共聚物，外觀為淺褐色。性能：丁苯橡膠有較好的耐老化性、耐磨性、耐熱性和耐油性。但彈性、強度和耐撕裂性能差。應用：可用于制作膠管、膠帶等。2、順丁橡膠(BR)優(yōu)點：順丁橡膠的主鏈柔性較好，彈性高于天然橡膠，彈性高，耐磨性好，耐寒性和耐老化性優(yōu)于天然橡膠。缺點：加工性能較差，粘著性不好，抗撕裂性差。應用：順丁橡膠用于制造耐寒制品和防震材料等。3、異戊橡膠 以異戊二

16、烯為單體，采用定向聚合制得的有規(guī)立構橡膠，它的分子結構與天然橡膠相同，性能也很接近，又稱合成天然橡膠。優(yōu)點：伸長率較大，彈性好，是絕緣性能、耐老化性也較天然橡膠有所提高。缺點：抗拉強度，定伸強度和硬度稍低，撕裂性差；4、乙丙橡膠乙丙橡膠是乙烯和丙烯的共聚物。鏈結構中沒有雙鏈，屬于飽和橡膠，因此不能用硫黃硫化。分子結構中以亞乙基為主體，不含極性基團，故電絕緣性極好，近似聚乙烯。為了改進二元共聚物的性能，1963年開發(fā)了三元乙丙橡膠(EPDM)，三元乙丙橡膠所用第三單體主要為雙環(huán)戊二烯和乙二烯1.4等。以三元乙丙橡膠為主體，摻入適量的丁基橡膠、硫化劑、填料、增韌劑等，可制成三元乙丙橡膠防水卷材。5

17、、丁基橡膠也稱異丁橡膠，是異丁烯與異戊二烯在低溫下陽離子共聚的產物。在分子結構中引入少量的鹵素，可提高雙鍵的反應性，加快硫化速度，具有更好的氣密性。優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和耐化學藥品性。丁基橡膠用于制造電線、電纜外皮和耐熱制品等。六、氯丁橡膠(CR)氯丁橡膠是單體氯丁二烯的聚合物優(yōu)點：具有耐火、耐油、耐老化和耐化學藥品等性能，抗拉強度、粘結力和氣密性也較高。缺點：耐寒性較差，常溫下易結晶等。用途：氯丁橡膠通常用于膠帶、膠管和防水卷材等制品，用來配制涂料和膠粘劑，以及用在電線、電纜等方面。七、硅橡膠硅橡膠是由各種硅氧烷聚合而成的，其主鏈全是由硅、氧兩種原子組成。硅橡膠屬于半有機，半無機和聚合彈性體，是目

18、前最好的即耐高溫又耐嚴寒的橡膠。以及具有非常好的耐老化性和電絕緣性能。 10.4 合成膠粘劑膠粘劑又稱粘結劑或粘合劑，它是在兩個物體的表面形成薄膜，并能把兩個物體牢固地粘結成為一個整體的物質。 粘結工藝與鉚接、焊接、螺栓連接等傳統(tǒng)連接工藝相比較，具有許多特點： 1、應力分布在整個粘結面上，避免 應力集中；2、可粘結相同和不同材質的材料；3、可粘結形狀復雜的微型構件和大面積薄形卷材；4、粘結結構質量輕、外形光滑美觀；5、既有連接作用又有密封作用。一、膠粘劑的組成1、粘料：粘料是膠粘劑中使兩被粘物結合在一起起主要作用的組分。粘料應有良好的粘附性和潤濕性?？梢宰鳛檎沉系奈镔|有合成樹脂、合成橡膠、天然高分子化合物以及無機化合物等。2、固化劑 能使粘合劑與粘結材料發(fā)生交聯(lián)，使線型分子轉變?yōu)轶w型分子，形成不溶不熔性的網狀結構的高聚物，常用的有酸酐類、胺類等，起加速硬化過程，增加內聚強度的作用。 （3）填料）填料 可降低膠粘劑的成本并改善膠粘劑的性能： 使其粘度增大，減少收縮性，并可提高強度及耐熱性。 常用的填料有石英粉、滑石粉、水泥以及各種金屬與非金屬氧化