塑料基本知識(shí)

1、高分子材料基礎(chǔ)知識(shí)李葉君2008.6.27引言引言塑料與我們的生活息息相關(guān)，塑膠制品美觀、耐用、輕便、價(jià)廉已經(jīng)應(yīng)用到了我們生活的幾乎每一個(gè)領(lǐng)域。今天，很高興與大家分享對(duì)塑料的一些認(rèn)識(shí)，知其然還知其所以然，讓咱們從微觀上了解塑料的特性以及形成這些特性的原因，請(qǐng)大家回憶下中學(xué)的化學(xué)知識(shí)，咱們共同探討。引言引言高分子并不是高深名詞，指的是分子量比較大的物質(zhì)（10000以上）（注意水分子分子量18，氧氣32，二氧化碳44）高分子物質(zhì)無處不在，天然的蛋白質(zhì)、羊毛、樹脂都是高分子。人工合成的塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑都是高分子物質(zhì)。下面我們主要說說塑料。塑料是什么塑料是什么 塑料是指以合成樹脂為主要成

2、分，以增塑劑、填充劑、潤滑劑、著色劑等添加劑為輔助成分，在加工過程中能流動(dòng)成型的材料。 塑料為合成的高分子化合物，可以自由改變形體樣式。塑料是利用單體原料以合成或縮合反應(yīng)聚合而成的材料，由合成樹脂及填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、色料等添加劑組成的。 樹脂和助劑樹脂和助劑 樹脂：樹脂通常是指受熱后有軟化或熔融范圍，軟化時(shí)在外力作用下有流動(dòng)傾向，常溫下是固態(tài)、半固態(tài)，有時(shí)也可以是液態(tài)的有機(jī)聚合物。廣義地講，可以作為塑料制品加工原料的任何聚合物都稱為樹脂。 助劑：在工業(yè)生產(chǎn)中，為改善生產(chǎn)過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，或者為賦予產(chǎn)品某種特有的應(yīng)用性能所添加的輔助化學(xué)品。又稱添加劑。 所謂樹脂：塑料的主要成

3、分，決定了塑料的基本特性； 所謂助劑：為了改善塑料的性能特性或加工成型條件而加入的小分子物質(zhì)；舉例：為了使材料有阻燃的特性，可以加入阻燃劑；為了改善材料成型時(shí)的流動(dòng)性，可以加入增塑劑。 助劑與改性不同：對(duì)塑料改性的組分一般與原組分共聚，構(gòu)成材料的主要成分，以改變材料的基本特性。 http:/ http:/ 是由一類相對(duì)分子質(zhì)量很高的分子聚集而成的化合物，也稱為高分子、大分子聚合物等。一般把相對(duì)分子質(zhì)量高于10000的分子稱為高分子。 由于高分子多是由小分子通過聚合反應(yīng)而制得的，因此也常被稱為聚合物或高聚物，用于聚合的小分子則被稱為“單體”。 聚合物的命名聚合物的命名 最簡(jiǎn)單最基本的命名：PE

4、聚乙烯 P-聚合物英文字母第一個(gè)，E-乙烯PS 聚苯乙烯P-聚合物英文字母第一個(gè)，S-苯乙烯ABS A-丙烯氰 B-丁二烯 S-苯乙烯丙烯氰，丁二烯，苯乙烯三元共聚物 俗稱PA聚酰胺 俗稱尼龍 PET聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 俗稱滌綸PMMA聚甲基丙烯酸甲酯 俗稱有機(jī)玻璃聚合物的降解聚合物的降解 聚合物分解成小分子物質(zhì)的過程稱為降解（為什么我們要整治白色污染？白色污染起初見于一次性飯盒（發(fā)泡塑料成型而成），現(xiàn)泛指塑料垃圾的污染，因?yàn)楦呔畚镫y以降解成小分子物質(zhì)，也不能被微生物分解，通過焚燒處理也會(huì)造成很大的大氣污染，所以整治白色污染，發(fā)展可降解技術(shù)意義非常重大）均聚與共聚均聚與共聚 分子鏈只有一種單

5、體構(gòu)成的聚合物稱為均聚物（如PE、PP、PS） 分子鏈有兩種或兩種以上單體構(gòu)成的聚合物稱為共聚物（典型例子ABS、AS）聚合物的改性原理就是在原來的高分子鏈中，通過接枝、嵌段共聚使新的單體參與到原來的分子中去，形成新的分子鏈，從而賦予材料新的性能。如：PS由于分子鏈中有剛性的苯環(huán)，材質(zhì)較脆，抗沖擊性能差，加入丁二烯（一種橡膠）改性后，材料被賦予高抗沖擊性能，稱之為HIPS。來源來源 當(dāng)今世界上作為材料使用的大量高分子化合物，是以煤、石油、天然氣等為起始原料制得低分子有機(jī)化合物，再經(jīng)聚合反應(yīng)而制成的。這些低分子化合物稱為“單體”，由它們經(jīng)聚合反應(yīng)而生成的高分子化合物又稱為高聚物。通常將聚合反應(yīng)分

6、為加成聚合和縮合聚合兩類，簡(jiǎn)稱加聚和縮聚。 石油分餾出來的低分子不飽和稀烴、芳香烴是高分子材料的主要來源 其中乙烯（CH2CH2）是石化工業(yè)最重要的基礎(chǔ)原料,其產(chǎn)量及技術(shù)水平的高低是衡量一個(gè)國家石化工業(yè)高低的標(biāo)準(zhǔn)。合成合成 加聚反應(yīng)（聚乙烯） 加聚反應(yīng)多見于不飽和鍵打開加成，以及環(huán)形分子開環(huán)聚合 這是一個(gè)典型的加成聚合反應(yīng)（加聚） 乙烯為單體 n表示n個(gè)分子參加聚合反應(yīng)，n即聚合度 雙鍵打開加成為聚乙烯聚合物的合成聚合物的合成2.縮聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)(酚醛樹脂酚醛樹脂) OH OHn +nH-C-H CH2 n +nH2O O 催化劑聚合物的合成聚合物的合成多見與單體間有互相反應(yīng)的官能團(tuán)，如：酸多

7、見與單體間有互相反應(yīng)的官能團(tuán)，如：酸和醇縮合成酯和醇縮合成酯 聚合物的合成工藝與我們關(guān)系不大，不做贅述，直觀的講：金發(fā)合成原料，毅昌成型產(chǎn)品。因?yàn)楣居玫阶枞糎IPS，所以著重談?wù)勚鷦┲械淖枞紕┳枞紕┳枞紕?又稱難燃劑，耐火劑或防火劑。賦予易燃聚合物難燃性的功能性助劑助劑。 阻燃機(jī)理：阻燃劑是通過若干機(jī)理發(fā)揮其阻燃作用的，如吸熱作用（吸收熱量是溫度降低）、覆蓋作用（覆蓋于材料表面阻燃）、抑制鏈反應(yīng)（降低材料的反應(yīng)活性）、不燃?xì)怏w的窒息作用（產(chǎn)生不燃?xì)怏w，使材料與氧氣隔絕）等。多數(shù)阻燃劑是通過若干機(jī)理共同作用達(dá)到阻燃目的。 分子量聚合物單體一般都是氣態(tài)、液態(tài)，無機(jī)械性能可言，聚合后卻能達(dá)到木材、

8、水泥、甚至鋼鐵的機(jī)械強(qiáng)度，可見分子量大給材料帶來優(yōu)異的力學(xué)性能，但是隨著分子量的增大，熔融狀態(tài)下流動(dòng)性差，成型難度增加，所以要兼顧材料使用性能與加工性能，控制分子量；如橡膠，我們甚至要打斷分子鏈，以控制其分子量。 分子量分布高分子材料中并不是每個(gè)分子的分子量都相等，有高有低，我們常說的分子量指的僅是一個(gè)平均值。分子量的分布就是各分子量的分子在材料中所占的比重。分子量的分布主要反映與流動(dòng)相關(guān)的性能。具有相等平均分子量的樹脂，寬分子量分布的在加工過程顯示了比窄分子量分布的樹脂具有更好的流動(dòng)性。 （增塑劑原理，舉例橡膠） 分子鏈的構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型：分子中由化學(xué)鍵所固定的原子在空間的幾何排列。（丁二烯有

9、順反兩種構(gòu)型，順式構(gòu)型即是順丁橡膠，反式構(gòu)型分子鏈規(guī)整，結(jié)晶?？梢宰鳛樗芰鲜褂茫?gòu)象：由CC單鍵旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的原子或基團(tuán)在空間排列的無數(shù)特定的形象稱為構(gòu)象。這就牽涉到分子鏈的柔順性問題。（聚苯乙烯分子中含苯環(huán)，分子鏈呈剛性，所以宏觀上聚苯乙烯硬而且脆，耐沖擊性能差，如：PS做的CD、磁帶包裝盒摔在地上很容易開裂） 支化與交聯(lián)支化與交聯(lián)1.支鏈2.交聯(lián)：由線型或支化高分子通過支鏈或化學(xué)鍵相連轉(zhuǎn)變成三維網(wǎng)狀高分子的過程。（交聯(lián)聚維酮、交聯(lián)聚丙烯酸）3.互穿：一種不同于支化、交聯(lián)、共聚的反應(yīng)形成的互穿聚合網(wǎng)絡(luò)。（簡(jiǎn)稱IPN）4.端基：是指高分子鏈終端的化學(xué)基團(tuán)。（熱穩(wěn)定）短支鏈長支鏈 支化指的是高分子

10、鏈有如同樹枝狀的分支。（如：高度支化的PE常態(tài)下是粘稠的液體或彈性體，未支化的PE分子間能結(jié)晶，是一種很好的塑料） 交聯(lián)：注意交聯(lián)的難可逆性，如酚醛樹脂，分子間交聯(lián)后形成體型分子，分子間難以移動(dòng)，材料不可再塑煉。罩光UV紫外光照射后交聯(lián)硫化橡膠加入硫交聯(lián)聚合物的分類聚合物的分類 按塑料的應(yīng)用領(lǐng)域分類 通用塑料：只可作為一般非結(jié)構(gòu)材料使用，產(chǎn)量大，價(jià)格相對(duì)低廉。但也有將一般通用塑料改性，如加入穩(wěn)定劑，玻纖等加強(qiáng)。應(yīng)用性能雖有改善，但遠(yuǎn)不及工程塑料的優(yōu)良。 (PE PP PVC PS ABS 等) 工程塑料：可以作為結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的綜合性能(包括機(jī)械，電性能，耐熱性能，耐化學(xué)性能，尺寸穩(wěn)定性能

11、，加工性能高)并可在較寬闊的溫度范圍和較長時(shí)間良好的保持這些性能，并能在承受機(jī)械應(yīng)力和較為苛刻的化學(xué)，物理環(huán)境中長期使用。工程塑料的產(chǎn)量較少，價(jià)格較高。 (PC POM PPO PBT PET PA等) 聚合物的分類聚合物的分類 熱塑性塑料 指加熱后會(huì)熔化，可流動(dòng)至模具冷卻后成型，再加熱后又會(huì)熔化的塑料，即可運(yùn)用加熱及冷卻，使其產(chǎn)生可逆變化(液態(tài)固態(tài))，是所謂的物理變化。 （PS，ABS，PE，等） 熱固性塑料 指的是加熱后，會(huì)使分子構(gòu)造結(jié)合成網(wǎng)狀型態(tài)，一但結(jié)合成網(wǎng)狀聚合體，即使再加熱也不會(huì)軟化，顯示出所謂的非可逆變化，是分子構(gòu)造發(fā)生變化(化學(xué)變化 )所致。 （酚醛樹脂等）聚合物的分類聚合物的

12、分類 按分子間力來分 結(jié)晶性材料 在適當(dāng)?shù)臈l件下能產(chǎn)生某幾種幾何形態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的塑料(如PE,PP,PA,POM,PBT). 無定型塑料 分子形狀和分子排列不呈晶體結(jié)構(gòu)而呈無序狀的塑料(如ABS,PC,PMMA,PS)結(jié)晶聚合物結(jié)晶聚合物 舉例PA、PP，結(jié)晶對(duì)材料物性的影響無規(guī)PP不能結(jié)晶，粘稠液體或彈性體，等規(guī)PP，結(jié)晶度較高，有一定韌性和硬度。是很好的塑料。PA，分子間強(qiáng)氫鍵而結(jié)晶。材料收縮率高，沖擊強(qiáng)度降低（汽車寒冷狀況下產(chǎn)生結(jié)晶失去高彈性引起爆胎），拉伸強(qiáng)度和硬度增高，耐熱耐侵蝕性增高，透光性變差溫習(xí)晶體和非晶體溫習(xí)晶體和非晶體 晶體：有固定的熔點(diǎn)沸點(diǎn)，隨著溫度的變化物質(zhì)的狀態(tài)呈階段性

13、如：冰，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下加熱到0度，冰開始融化成水，然后繼續(xù)吸熱繼續(xù)融化，冰水在0度共存，直到所有冰融化后，水才開始升溫。 非晶體：沒有固定熔點(diǎn)沸點(diǎn)，如瀝青，加熱后慢慢變軟，直至變成熔融流體，狀態(tài)的變化是連續(xù)的無定型聚合物無定型聚合物 無定型聚合物在一定負(fù)荷和受力速度下，于不同溫度可呈現(xiàn)玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)三種力學(xué)狀態(tài)。玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度稱玻璃化溫度(Tg)，是無定型塑料使用的上限，橡膠使用的是下限溫度。從高彈態(tài)到黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度稱黏流溫度(Tf)，是聚合物加工成型的重要參數(shù)。 聚合物聚集狀態(tài)聚合物聚集狀態(tài) 當(dāng)聚合處于玻璃態(tài)時(shí)，整個(gè)大分子鏈和鏈段的運(yùn)動(dòng)均被凍結(jié)，宏觀性質(zhì)為硬、脆、形變小，只

14、呈現(xiàn)一般硬性固體的普彈形變。聚合物處于高彈態(tài)時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)高度活躍，表現(xiàn)出高形變能力的高彈性。當(dāng)線型聚合物在黏流溫度以上時(shí)，聚合物變?yōu)槿廴凇囊后w，受力可以流動(dòng)，并兼有彈性和黏流行為，稱黏彈性。 以下列舉幾種常見塑料 PE 聚乙烯 最輕的塑料之一，半透明白色狀，結(jié)晶性材料，屈服能力高但不易回復(fù)，優(yōu)良的介電性能，透水率低耐水性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，使用溫度可達(dá)80-100度摩擦性能和耐寒性好，但機(jī)械強(qiáng)度不高，質(zhì)軟，成型收縮大，表面不易粘貼，印刷。 合適的塑料產(chǎn)品：一般電纜的包皮，耐腐蝕件，表面涂層。HDPE:膠袋，日用品水桶，電線，玩具，建材。LDPE:膠袋，膠花，玩具，高頻電線。（H-高，L-低

15、，D-密度）最常見的，保鮮膜，曾經(jīng)有PVC食品保鮮膜，由于懷疑其毒性，現(xiàn)已由PE保鮮膜全面取代。 PP 聚丙烯 百折膠 類似白色蠟狀，比聚乙烯更透明更輕，注塑時(shí)流動(dòng)性好，吸水性低于0.02%，耐化學(xué)有機(jī)溶劑，除濃硝酸濃硫酸外在很多介質(zhì)中很穩(wěn)定，抗沖擊強(qiáng)度高，來回屈服力非常高，高頻電性能不好，易成型收縮率大，耐溫度性強(qiáng)，低溫呈脆性，耐磨性不高。 合適的塑料產(chǎn)品：一般結(jié)構(gòu)件，耐腐蝕件，受熱的電氣絕緣零件。各類家庭用品，文具，玩具，化學(xué)容器，醫(yī)療用品。不知各位有沒有這樣的經(jīng)歷：去市場(chǎng)買臉盆桶子的時(shí)候，店主會(huì)拿一個(gè)盆啪的摔在地上，有的還狠狠踩幾腳，證明其質(zhì)量好，可見PP的韌性，呵呵 PVC 聚氯乙烯

16、主要成份為聚氯乙烯，色澤鮮艷、耐腐蝕、牢固耐用，一般需要增加增塑劑、抗老化劑等一些有毒輔助材料來增強(qiáng)其耐熱性，韌性，延展性等，它是當(dāng)今世界上深受喜愛、頗為流行并且也被廣泛應(yīng)用的一種合成材料。 （注意其毒性，PVC本身并無毒，只是其助劑以及PVC高溫分解出的小分子物質(zhì)有毒） 聚氯乙烯主要用于生產(chǎn)人造革、薄膜、電線護(hù)套等塑料軟制品，供水管道，家用管道，房屋墻板，商用機(jī)器殼體，電子產(chǎn)品包裝，醫(yī)療器械，食品包裝，也可生產(chǎn)板材、門窗和閥門等塑料硬制品。 PC 聚碳酸酯 具有突出的沖擊韌性和抗蠕變性能，有很高的耐熱性，耐寒性也很好，脆化溫度達(dá)-100度，抗彎強(qiáng)度與尼龍相當(dāng)，并有較高的延伸率和彈性模量，但疲

17、勞強(qiáng)度小于尼龍66。吸水性較低，收縮率小，尺寸穩(wěn)定性好，成型的零件可達(dá)很精密的公差，并在很寬的變化范圍內(nèi)保持尺寸的穩(wěn)定性。耐磨性與尼龍相當(dāng)，并有一定的抗腐蝕能力，但成型條件要求高。可在較高干溫度.高載荷下條件下長期應(yīng)用，但不可在濕溫下使用。 合適的塑料產(chǎn)品：各種齒輪，渦輪，齒條，凸輪，軸承，心軸，滑輪，傳送鏈，螺母，墊圈，泵葉輪，燈罩，容器，外殼，蓋板，高溫電氣制品，風(fēng)筒殼，電機(jī)殼，工具箱，奶瓶，照相機(jī)零件，安全帽，食品盤，醫(yī)療器材，CD等光盤都是PC做的另外還有一個(gè)常見的應(yīng)用：早期的筆記本（筆記本講究輕便）用鎂鋁合金做外殼，后來改用塑料，低端的用ABS，稍好的用PC，高端的用鈦合金?，F(xiàn)在一般

18、用ABS+PC合金，高端的用碳纖維。 PMMA 聚甲基丙烯酸酯 亞克力 有機(jī)玻璃 有極好的透光性，在光的加速老化240小時(shí)后仍可透過92%的太陽光，室外十年仍有89%，紫外線達(dá)78.5% 。機(jī)械強(qiáng)度較高，有一定的耐寒性，耐腐蝕，絕緣性能良好，尺寸穩(wěn)定，易于成型，質(zhì)較脆，易熔于有機(jī)溶劑，表面硬度不夠，易擦毛。 合適的塑料產(chǎn)品：有一定強(qiáng)度要求的透明結(jié)構(gòu)件。儀表鏡片，光學(xué)制品，電氣，醫(yī)療器材，透明模型，裝飾品，太陽鏡片，廣告牌。 HIPS工程塑料HIPS是最便宜的工程塑料之一,和ABS,PC/ABS,PC相比,材料的光澤性比較差,綜合性能也相對(duì)差一些. HIPS是由PS加丁二烯改性而成的,因?yàn)镻S的沖擊強(qiáng)度很低,做出的產(chǎn)品很脆,而丁二烯的韌性很好,加入丁二烯后可使PS的沖擊性能提高23倍. ABS樹脂是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的聚合物，它將PS，SAN，BS的各種性能有機(jī)地統(tǒng)一起來，兼具韌，硬，剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性