工程材料第八章高分子材料

1、第一節(jié)第一節(jié) 概述概述l一、高分子材料的基本概念一、高分子材料的基本概念l高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。常稱常稱聚合物聚合物或或高聚物高聚物。l高分子化合物的分子量一般高分子化合物的分子量一般104 。l高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工業(yè)高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工業(yè)用高分子材料主要是人工合成的。用高分子材料主要是人工合成的。l1、高分子化合物的組成、高分子化合物的組成l由簡單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成。由簡單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成。如由乙烯合成聚乙如由乙烯合成聚乙烯烯: CH2=CH2+CH2=CH2+ -CH2-CH

2、2-CH2-CH2- , CH2CH2 nl可簡寫成可簡寫成 n CH2=CH2 。 l組成聚合物的低分子化合物稱為組成聚合物的低分子化合物稱為單體單體。l聚合物的分子為很長的鏈條，稱為聚合物的分子為很長的鏈條，稱為大分子鏈大分子鏈。 CH2CH2 nl大分子鏈中重復(fù)結(jié)構(gòu)單元大分子鏈中重復(fù)結(jié)構(gòu)單元( (如聚乙烯中如聚乙烯中 ) )稱為稱為鏈節(jié)鏈節(jié)。 聚乙烯分子鏈聚乙烯分子鏈l2 、高分子材料的分類、高分子材料的分類l 按用途按用途分塑料、橡膠、纖維、膠分塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、涂料等。粘劑、涂料等。 l 按聚合物反應(yīng)類型按聚合物反應(yīng)類型分為加聚物和分為加聚物和縮聚物。縮聚物。 l 按聚合物的

3、熱行為按聚合物的熱行為分為熱塑性聚分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物合物和熱固性聚合物 l 按主鏈上的化學(xué)組成按主鏈上的化學(xué)組成分為碳鏈聚分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物 二、高分子材料的結(jié)構(gòu)二、高分子材料的結(jié)構(gòu)l1、大分子鏈的結(jié)構(gòu)、大分子鏈的結(jié)構(gòu) l 大分子鏈的柔順性大分子鏈的柔順性 l大分子鏈主鏈共價鍵有一大分子鏈主鏈共價鍵有一定鍵長和鍵角，保持鍵長定鍵長和鍵角，保持鍵長和鍵角不變時單鍵可任意和鍵角不變時單鍵可任意旋轉(zhuǎn)，稱旋轉(zhuǎn)，稱單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。l內(nèi)旋轉(zhuǎn)使大分子鏈卷曲成各種不同形狀，對外力有很內(nèi)旋轉(zhuǎn)使大分子鏈卷曲成各種不同形狀，對外力有很大的

4、適應(yīng)性，這種特性稱為大分子鏈的大的適應(yīng)性，這種特性稱為大分子鏈的柔順性柔順性。l柔順性與單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的難易程度有關(guān)。柔順性與單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的難易程度有關(guān)。 l 大分子鏈的形狀大分子鏈的形狀l按照大分子鏈的幾何形狀，可將高分子化合物分為按照大分子鏈的幾何形狀，可將高分子化合物分為線型結(jié)構(gòu)、支鏈型結(jié)構(gòu)和體型結(jié)構(gòu)。線型結(jié)構(gòu)、支鏈型結(jié)構(gòu)和體型結(jié)構(gòu)。l線型結(jié)構(gòu)高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑線型結(jié)構(gòu)高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料。支鏈型結(jié)構(gòu)近于線型結(jié)構(gòu)性材料。支鏈型結(jié)構(gòu)近于線型結(jié)構(gòu) 。體型結(jié)構(gòu)高聚。體型結(jié)構(gòu)高聚物硬度高，脆性大，無彈性和塑性，是熱固性材料。物硬度高，脆性大，無彈性和塑性，是熱固

5、性材料。l2、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)l固態(tài)高聚物分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類，晶態(tài)為分子固態(tài)高聚物分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類，晶態(tài)為分子鏈排列規(guī)則的部分，而排列不規(guī)則的部分為非晶態(tài)。鏈排列規(guī)則的部分，而排列不規(guī)則的部分為非晶態(tài)。l一個大分子鏈可以穿一個大分子鏈可以穿過幾個晶區(qū)和非晶區(qū)。過幾個晶區(qū)和非晶區(qū)。晶區(qū)熔點、密度、強晶區(qū)熔點、密度、強度、硬度、剛性、耐度、硬度、剛性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性高，熱性、化學(xué)穩(wěn)定性高，而彈性、塑性、沖擊而彈性、塑性、沖擊強度下降。強度下降。 三、高分子材料的力學(xué)狀態(tài)三、高分子材料的力學(xué)狀態(tài) l1、線型非晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài)、線型非晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài)

6、 l 玻璃態(tài)：玻璃態(tài)：低溫下，鏈段不能運動。在外力作用下，低溫下，鏈段不能運動。在外力作用下，只發(fā)生大分子原子的微量位移，產(chǎn)生少量彈性變形。只發(fā)生大分子原子的微量位移，產(chǎn)生少量彈性變形。l高聚物呈玻璃態(tài)的高聚物呈玻璃態(tài)的最高溫度稱玻璃化最高溫度稱玻璃化溫度，用溫度，用Tg表示。表示。用于這種狀態(tài)的材用于這種狀態(tài)的材料有塑料和纖維。料有塑料和纖維。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 l 高彈態(tài)：高彈態(tài)：溫度高于溫度高于Tg，分子活動能力增加，受力，分子活動能力增加，受力時產(chǎn)生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。時產(chǎn)生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。l

7、 粘流態(tài)：粘流態(tài)：由于溫度高，分子活動能力很大，在外由于溫度高，分子活動能力很大，在外力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分子材料的加工態(tài)，子材料的加工態(tài)，大分子鏈開始發(fā)大分子鏈開始發(fā)生粘性流動的溫生粘性流動的溫度稱粘流溫度，度稱粘流溫度，用用Tf表示。表示。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 l2、線型晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài)、線型晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài)l分為一般分子量和很大分子量兩種情況。分為一般分子量和很大分子量兩種情況。一般分子一般分子量的高聚物在低溫時，鏈段不能活動，變形小，在量的高聚物在低溫時，鏈

8、段不能活動，變形小，在 Tm 以下與非晶態(tài)的玻璃相似，高于以下與非晶態(tài)的玻璃相似，高于Tm 則進(jìn)入粘流則進(jìn)入粘流態(tài)。態(tài)。分子量很大的晶態(tài)存高聚物在高彈態(tài)。分子量很大的晶態(tài)存高聚物在高彈態(tài)。l部分結(jié)晶高聚物在非部分結(jié)晶高聚物在非晶區(qū)晶區(qū)Tg與晶區(qū)與晶區(qū)T m 間間,非晶區(qū)柔性好非晶區(qū)柔性好,晶區(qū)晶區(qū)剛性好剛性好,處于韌性狀處于韌性狀態(tài)態(tài),即皮革態(tài)。即皮革態(tài)。 線型晶態(tài)高聚物線型晶態(tài)高聚物的溫度的溫度-變形曲線變形曲線 l高分子工程材料高分子工程材料包括塑料、合成包括塑料、合成纖維、橡膠和膠纖維、橡膠和膠粘劑等。粘劑等。本節(jié)主本節(jié)主要介紹工程上常要介紹工程上常用的高分子工程用的高分子工程材料。材料

9、。 一、工程塑料一、工程塑料 l塑料是在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。塑料是在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。在一定溫度、在一定溫度、壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。l1、工程塑料概述、工程塑料概述 l 塑料的組成塑料的組成 l塑料是以樹脂為主要成分，塑料是以樹脂為主要成分，加入各種添加劑。加入各種添加劑。l樹脂是塑料的主要成分，樹脂是塑料的主要成分，對塑料性能起決定性作用。對塑料性能起決定性作用。塑料制品塑料制品l添加劑添加劑是為改善塑料某些性能而加入的物質(zhì)。是為改善塑料某些性能而加入的物質(zhì)。l填料填料主要起增強作用；主要起增強作用；l增塑劑增塑

10、劑用于提高樹脂的可塑性和柔軟性；用于提高樹脂的可塑性和柔軟性；l固化劑固化劑用于使熱固性樹脂由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)；用于使熱固性樹脂由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)；l穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑用于防止塑料老化，延長其使用壽命；用于防止塑料老化，延長其使用壽命；l潤滑劑潤滑劑用于防止塑料加工時粘在模具上用于防止塑料加工時粘在模具上, 使制品光亮；使制品光亮；l著色劑著色劑用于塑料制品著色。用于塑料制品著色。l其他的還有其他的還有發(fā)泡劑發(fā)泡劑、催化催化 劑劑、阻燃劑阻燃劑、抗靜電劑抗靜電劑等。等。 添加劑添加劑l 塑料的分類塑料的分類l按樹脂受熱時行為按樹脂受熱時行為可分為熱塑性塑料和熱固性塑料?？煞譃闊崴苄运芰虾?/p>

11、熱固性塑料。 l按使用范圍按使用范圍可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料?？煞譃橥ㄓ盟芰稀⒐こ趟芰虾吞胤N塑料。l通用塑料通用塑料產(chǎn)量大、價格低、用途廣。產(chǎn)量大、價格低、用途廣。 l工程塑料工程塑料力學(xué)性能高，耐熱、耐蝕性能好。力學(xué)性能高，耐熱、耐蝕性能好。l特種塑料特種塑料是指具有某些特殊是指具有某些特殊性能如耐高溫、耐腐蝕的塑性能如耐高溫、耐腐蝕的塑料，這類塑料產(chǎn)量少，價格料，這類塑料產(chǎn)量少，價格貴，只用于特殊需要的場合。貴，只用于特殊需要的場合。 熱固性塑料制品熱固性塑料制品l 塑料的性能特點塑料的性能特點l塑料的優(yōu)點：塑料的優(yōu)點：l相對密度小相對密度小(一般為一般為0.9 2.3)；耐蝕性

12、、電絕耐蝕性、電絕緣性、減摩、耐磨性緣性、減摩、耐磨性好；好；有消音吸振性能有消音吸振性能 。l塑料的缺點：塑料的缺點：l剛性差剛性差(為鋼鐵材料的為鋼鐵材料的1/1001/10)，強度低；，強度低；耐熱性耐熱性差、熱膨脹系數(shù)大（是鋼鐵的差、熱膨脹系數(shù)大（是鋼鐵的10倍）、導(dǎo)熱系數(shù)小倍）、導(dǎo)熱系數(shù)小(只有金屬的只有金屬的1/2001/600)；蠕變溫度低、易老化。蠕變溫度低、易老化。 l2、常用工程塑料、常用工程塑料l 一般結(jié)構(gòu)用塑料一般結(jié)構(gòu)用塑料l包括聚乙烯包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯、聚苯乙烯(PS)、聚、聚丙烯丙烯(PP)和和ABS塑料等。塑料等。l聚丙烯聚

13、丙烯具有優(yōu)良的綜合性能，可制造各種機械零件。具有優(yōu)良的綜合性能，可制造各種機械零件。lABS塑料塑料 “堅韌、質(zhì)硬、剛性堅韌、質(zhì)硬、剛性” ，應(yīng)用廣泛。，應(yīng)用廣泛。 PE波紋管波紋管PP方向盤方向盤ABS閥門閥門PS管管l聚酰胺聚酰胺又稱尼龍或綿綸，強度較高，耐磨、自潤滑性又稱尼龍或綿綸，強度較高，耐磨、自潤滑性好，廣泛用作機械、化工及電氣零件。好，廣泛用作機械、化工及電氣零件。l聚甲醛聚甲醛具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽車機床、化具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽車機床、化工、電氣儀表、農(nóng)機等工業(yè)工、電氣儀表、農(nóng)機等工業(yè) 。尼龍管件尼龍管件PC擋風(fēng)板擋風(fēng)板l聚碳酸酯聚碳酸酯具有優(yōu)良的機械性具有優(yōu)

14、良的機械性能，透明無毒，應(yīng)用廣泛。能，透明無毒，應(yīng)用廣泛。l 摩擦傳動零件用塑料摩擦傳動零件用塑料l包括聚酰胺包括聚酰胺(PA)、聚甲醛、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)等。等。密封件密封件聚四氟乙烯管聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯零件l聚四氟乙烯俗稱聚四氟乙烯俗稱“塑料王塑料王”，具有極優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)，具有極優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的電性能，幾乎不受任何定性和熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的電性能，幾乎不受任何化學(xué)藥品的腐蝕，摩擦系數(shù)極低，只有化學(xué)藥品的腐蝕，摩擦系數(shù)極低，只有0.04。缺點。缺點是強度低、加工性差。主要用于減摩密封件、化工是強度

15、低、加工性差。主要用于減摩密封件、化工耐蝕件與熱交換器以及高頻或潮濕條件下的絕緣材耐蝕件與熱交換器以及高頻或潮濕條件下的絕緣材料。料。 l 耐蝕用塑料耐蝕用塑料l耐蝕用塑料主要有聚四氟乙耐蝕用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚烯、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。聚丙烯等。l氯化聚醚的化學(xué)穩(wěn)定性僅次氯化聚醚的化學(xué)穩(wěn)定性僅次于聚四氟乙烯，但工藝性比于聚四氟乙烯，但工藝性比聚四氟乙烯好，成本低。在聚四氟乙烯好，成本低。在化學(xué)工業(yè)和機電工業(yè)獲得廣化學(xué)工業(yè)和機電工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，如化工設(shè)備零件、泛應(yīng)用，如化工設(shè)備零件、管道、襯里等。管道、襯里等。 氯化聚醚防腐蝶閥氯化聚醚防腐蝶閥 l 耐高溫件用塑料耐高

16、溫件用塑料l有聚砜有聚砜(PSF)、聚苯醚、聚苯醚(PPO)、聚酰亞胺、聚酰亞胺(PI)及氟塑料等。及氟塑料等。l聚砜聚砜的熱穩(wěn)定性高是其的熱穩(wěn)定性高是其聚酰亞胺層壓板聚酰亞胺層壓板 最突出的特點。使用溫度達(dá)最突出的特點。使用溫度達(dá)150174。用于機械設(shè)。用于機械設(shè)備等工業(yè)。備等工業(yè)。l聚苯醚聚苯醚具有良好的綜合性能具有良好的綜合性能,用于機電等方面。用于機電等方面。l聚酰亞胺聚酰亞胺在在260下可長期使用。主要用于特殊條件下可長期使用。主要用于特殊條件下使用的精密零件。下使用的精密零件。 l 熱固性塑料熱固性塑料l熱固性塑料是在樹脂中加入固化劑壓制成型而形成的熱固性塑料是在樹脂中加入固化劑

17、壓制成型而形成的體形聚合物。體形聚合物。 l酚醛塑料是以酚醛樹脂為基，加入填料及其他添加劑酚醛塑料是以酚醛樹脂為基，加入填料及其他添加劑而制成。廣泛用于制作各種電訊器材和電木制品（如而制成。廣泛用于制作各種電訊器材和電木制品（如插座、開關(guān)等），耐熱絕緣部件及各種結(jié)構(gòu)件。插座、開關(guān)等），耐熱絕緣部件及各種結(jié)構(gòu)件。 電器配件電器配件二、合成橡膠二、合成橡膠 l橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的具有高彈性的材料。橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的具有高彈性的材料。l1、橡膠的組成和性能特點、橡膠的組成和性能特點 l工業(yè)用橡膠由生膠和橡膠配合劑組成。生膠無配合工業(yè)用橡膠由生膠和橡膠配合劑組成。生膠無配合劑并未經(jīng)硫化。橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、劑并未經(jīng)硫化。橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。防老劑、軟化劑、