高分子材料基礎(chǔ)知識(shí)講解

1、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。 塑料是指以合成樹脂為主要成分，以增塑劑、填充劑、潤(rùn)滑劑、著色劑等添加劑為輔助成分，在加工過(guò)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(rùn)滑劑、色料等添加劑組成的。 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

2、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(guò)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。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

3、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(guò)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”。 最簡(jiǎn)單最基本的命名：PE 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)玻璃聚合物分解成小分子物質(zhì)的過(guò)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?/p>

4、物難以降解成小分子物質(zhì)，也不能被微生物分解，通過(guò)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）分子鏈只有一種單體構(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(lái)的高分子鏈中，通過(guò)接枝、嵌段共聚使新的單體參與到原來(lái)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。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

5、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(lái)的低分子不飽和稀烴、芳香烴是高分子材料的主要來(lái)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(guó)家石化工業(yè)高低的標(biāo)準(zhǔn)。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 +

6、nH2O O 催化劑多見與單體間有互相反應(yīng)的官能團(tuán)，如：酸多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┯址Q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(guò)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(guò)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)、

7、液態(tài)，無(wú)機(jī)械性能可言，聚合后卻能達(dá)到木材、水泥、甚至鋼鐵的機(jī)械強(qiáng)度，可見分子量大給材料帶來(lái)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(wú)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：

8、PS做的CD、磁帶包裝盒摔在地上很容易開裂） 1.支鏈2.交聯(lián)：由線型或支化高分子通過(guò)支鏈或化學(xué)鍵相連轉(zhuǎn)變成三維網(wǎng)狀高分子的過(guò)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(zhǎng)支鏈支化指的是高分子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)按塑料的應(yīng)用領(lǐng)域分類通用塑料：只可作為

9、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，加工性能高)并可在較寬闊的溫度范圍和較長(zhǎng)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(zhǎng)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) 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)

10、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）按分子間力來(lái)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(wú)定型塑料 分子形狀和分子排列不呈晶體結(jié)構(gòu)而呈無(wú)序狀的塑料(如ABS,PC,PMMA,PS)舉例PA、PP，結(jié)晶對(duì)材料物性的影響無(wú)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

11、，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(wú)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(wú)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

12、物加工成型的重要參數(shù)。 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

13、。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，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(lái)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

14、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(lái)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(wú)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

15、，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?？稍谳^高干溫度.高載荷下條件下長(zhǎng)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

16、）用鎂鋁合金做外殼，后來(lái)改用塑料，低端的用ABS，稍好的用PC，高端的用鈦合金。現(xiàn)在一般用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(guò)92%的太陽(yáng)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(yáng)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(lái)，兼具韌，硬，剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。三種組份的作用丙烯睛-使制品表面較高硬度，提高耐磨性、耐熱性。丁二烯-加強(qiáng)柔順性，保持材料韌彈性及耐沖擊強(qiáng)度。苯乙烯-保持良好成型性（流動(dòng)性、著色性）及保持