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(jī)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(yīng)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(chǔ)知識(shí)一、合成高分子化合物的合成1、加聚反應(yīng)：?jiǎn)误w（低分子碳?xì)浠衔铮┰谝l(fā)劑、光、熱等作用下，聚合形成為大分子的反應(yīng)。一種單體加聚反應(yīng)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(yīng)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(yīng)：由兩種或兩種以上具有可反應(yīng)官能團(tuán)的單體，在催化劑作用下結(jié)合成的大分子，并同時(shí)放出低分子副產(chǎn)物的反應(yīng)?？s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(jié)構(gòu)與性質(zhì) 高分子聚合物分子常是由特定的結(jié)構(gòu)單元多次重復(fù)組成的，這些特定的結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)。鏈節(jié)重復(fù)的次數(shù)n稱為聚合度。例如，聚氯乙烯的結(jié)構(gòu)為：（一）線型分子和體型分子結(jié)構(gòu)1、線型分子結(jié)構(gòu)：由鏈節(jié)多次重復(fù)而成的長(zhǎng)鏈型分子結(jié)構(gòu)，在主鏈側(cè)有時(shí)還存在支鏈。線狀大分子間以分子間力結(jié)合在一起，具有線

3、型結(jié)構(gòu)的樹脂，強(qiáng)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(jié)構(gòu)的合成樹脂可反復(fù)加熱軟化，冷卻硬化。2、體型分子結(jié)構(gòu)：在鏈與鏈之間有化學(xué)鍵“交聯(lián)”的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 由于體形結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵結(jié)合力強(qiáng)，且交聯(lián)形成一個(gè)巨大分子，故一般來說，此類樹脂的強(qiáng)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(xué)狀態(tài)1、玻璃態(tài) 溫度較低時(shí)，長(zhǎng)鏈分子整體不可移動(dòng)，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(jiān)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(zhǎng)鏈分子具有柔順性，但仍不可移動(dòng)。受力后會(huì)發(fā)生

4、極大的可逆變形，稱為高彈變形。彈性模量很小，應(yīng)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(shí)，整個(gè)長(zhǎng)鏈分子具有了可移動(dòng)性，聚合物從高彈態(tài)變?yōu)槌收沉鲬B(tài)。體型結(jié)構(gòu)的聚合物，可以表現(xiàn)為玻璃態(tài)或高彈態(tài)，而不會(huì)出現(xiàn)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(huì)變軟（甚至熔融），待冷卻后，會(huì)變硬；再次加熱又會(huì)變軟。這類聚合物一般為線型分子結(jié)構(gòu)，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(xué)變化，變成堅(jiān)硬的體型分子結(jié)構(gòu)，成為不熔物質(zhì)；再次受熱不再變軟。溫度穩(wěn)定性好，不

5、能反復(fù)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(zhì)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(zhǎng)期作用下，其各項(xiàng)性能會(huì)逐漸降低，甚至失去使用

6、價(jià)值的現(xiàn)象，稱為老化。老化是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)變化過程，其主要化學(xué)反應(yīng)有“交聯(lián)反應(yīng)”和“裂解反應(yīng)” 。1、交聯(lián)反應(yīng)：使聚合度逐漸增大，或使線型結(jié)構(gòu)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)。高分子材料便會(huì)逐漸失去彈性、變硬、變脆，出現(xiàn)龜裂等。2、裂解反應(yīng)：在化學(xué)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(jié)構(gòu)，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(yīng)； 設(shè)置表面防護(hù)層（或涂層），隔絕光、熱及O2等。以樹脂為基材，按需要加入適當(dāng)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(jīng)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(jù)原料來源分類1、合成塑料：用低分子化合物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)制成高分子化合物，再經(jīng)加工制成的塑料制品或在生成高分子化合物的同時(shí)進(jìn)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(jù)塑料的熱行為分類1、熱塑性塑料：受熱時(shí)可以塑化和軟化，冷卻時(shí)則凝固成型。溫度的改變可令其反復(fù)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(shí)塑性和軟化，發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)并固化定型，冷卻后如再次加熱時(shí)，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(jī)硅等。（三）按使用領(lǐng)域分類1、通用塑料：生產(chǎn)成本低，產(chǎn)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(chǎn)量不大，有較高的強(qiáng)度和耐磨擦、耐熱和耐化學(xué)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(zhì)材料。按實(shí)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(shí)也以純樹脂形式使用。1、填料、增強(qiáng)劑 填料可以改善塑料某些物理性能，如：導(dǎo)熱性，膨脹性、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性等。 增強(qiáng)劑可以提高塑料的力學(xué)性能，如：強(qiáng)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(jìn)成型時(shí)的流動(dòng)性和改進(jìn)制品柔順性等性能。要求具有一定的光熱穩(wěn)定性和化學(xué)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(duì)塑料的破壞。（3）抗氧劑：能延緩或抑制塑料氧化降解的物質(zhì)。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(xué)性能。主要有無機(jī)顏料、有機(jī)顏料和染料三類。五、潤(rùn)滑劑 為了改進(jìn)塑料熔體的流動(dòng)性、減少或避免對(duì)設(shè)備的磨擦和粘附，改進(jìn)制品表面光潔度。潤(rùn)滑劑分內(nèi)外兩類。 內(nèi)潤(rùn)滑劑在聚合中具有相容性，

10、主要是減少聚合分子的內(nèi)摩擦。 外潤(rùn)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(shè)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(shè)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(duì)生產(chǎn)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(jī)鹵化物和無機(jī)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(chǎn)生交鏈反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu)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(xiàn)

11、今均是從石油或天然氣熱裂解產(chǎn)物中獲取乙烯。聚乙烯的工業(yè)化生產(chǎn)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(jī)理進(jìn)行的聚合過程。2、聚乙烯性能力學(xué)性能：典型的軟而韌的聚合物，除沖擊強(qiáng)度較高外，其它力學(xué)性能絕對(duì)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(yīng)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(shè)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(xué)性能：與聚乙烯相比，聚氯乙烯的拉伸強(qiáng)度可提高到兩倍以上。斷裂伸長(zhǎng)率下降約一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(xué)試劑及耐溶劑性：耐化學(xué)腐蝕性比較好。3、聚氯乙烯的應(yīng)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(nèi)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(jī)理或離子型機(jī)理進(jìn)行聚合。2、聚苯乙烯性能力學(xué)性能：硬而脆，拉伸，彎曲等力學(xué)性能高于聚烯烴，但韌性卻明顯低于聚烯烴。拉伸時(shí)無屈服現(xiàn)象。熱性能：耐熱性差。超過玻璃化溫度即開始軟化，軟化點(diǎn)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(yīng)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(gòu)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(duì)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(xué)性能，良好的耐化學(xué)性、容易成型加工，價(jià)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(yīng)合成的具有不同化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)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(zhǎng)變形即使達(dá)100%，仍表現(xiàn)有可復(fù)原的特性。2、具有粘彈性：橡膠是粘彈性體，在外力作用下產(chǎn)生的變形形為受時(shí)間、溫度等條件的支配，表明明顯的應(yīng)力松弛和蠕變現(xiàn)象。3、有緩沖減震作用橡膠的柔軟性、彈性、粘彈性等的結(jié)合，對(duì)聲音及振動(dòng)的傳播有緩沖作用，可用來防除噪音和振動(dòng)公害。4、對(duì)溫度依賴性大橡膠因粘彈性顯著受溫度影響，如：在低溫時(shí)處于玻璃態(tài)并進(jìn)而脆化，在高溫時(shí)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(zhì)，是電絕緣材料。也可加入某些助劑降低絕緣性，制備導(dǎo)電橡膠。6、老化類似于金屬的腐蝕，木材的腐朽，巖石的風(fēng)化一樣，橡膠也會(huì)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(qiáng)度和耐撕裂性能差。應(yīng)用：可用于制作膠管、膠帶等。2、順丁橡膠(BR)優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：加工性能較差，粘著性不好，抗撕裂性差。應(yīng)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(gòu)橡膠，它的分子結(jié)構(gòu)與天然橡膠相同，性能也很接近，又稱合成天然橡膠。優(yōu)點(diǎn)：伸長(zhǎng)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(diǎn)：抗拉強(qiáng)度，定伸強(qiáng)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(jié)構(gòu)中沒有雙鏈，屬于飽和橡膠，因此不能用硫黃硫化。分子結(jié)構(gòu)中以亞乙基為主體，不含極性基團(tuán)，故電絕緣性極好，近似聚乙烯。為了改進(jìn)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(chǎn)物。在分子結(jié)構(gòu)中引入少量的鹵素，可提高雙鍵的反應(yīng)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(xué)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(diǎn)：具有耐火、耐油、耐老化和耐化學(xué)藥品等性能，抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)力和氣密性也較高。缺點(diǎn)：耐寒性較差，常溫下易結(jié)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(jī)，半無機(jī)和聚合彈性體，是目

18、前最好的即耐高溫又耐嚴(yán)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(jié)劑或粘合劑，它是在兩個(gè)物體的表面形成薄膜，并能把兩個(gè)物體牢固地粘結(jié)成為一個(gè)整體的物質(zhì)。 粘結(jié)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(diǎn)： 1、應(yīng)力分布在整個(gè)粘結(jié)面上，避免 應(yīng)力集中；2、可粘結(jié)相同和不同材質(zhì)的材料；3、可粘結(jié)形狀復(fù)雜的微型構(gòu)件和大面積薄形卷材；4、粘結(jié)結(jié)構(gòu)質(zhì)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(jié)合在一起起主要作用的組分。粘料應(yīng)有良好的粘附性和潤(rùn)濕性?？梢宰鳛檎沉系奈镔|(zhì)有合成樹脂、合成橡膠、天然高分子化合物以及無機(jī)化合物等。2、固化劑 能使粘合劑與粘結(jié)材料發(fā)生交聯(lián)，使線型分子轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型分子，形成不溶不熔性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物，常用的有酸酐類、胺類等，起加速硬化過程，增加內(nèi)聚強(qiáng)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(qiáng)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