土木工程材料第章合成高分子材料

第8章合成高分子材料

本章學習目標1.

熟悉合成高分子材料的性能特點及主要的高分子材料品種；2.

熟悉土木工程中合成高分子材料的主要制品及應(yīng)用，包括塑料、膠粘劑及涂料。本章的難點是從合成高分子材料的組成來理解它的性能，正確地根據(jù)工程實際選用合適的合成高分子材料。建議在學習中通過對比來理解不同種類的高分子材料的性能及應(yīng)用。

有機高分子材料是由高分子化合物組成的材料。在土木工程中所涉及的主要有塑料、橡膠、化學纖維、膠粘劑和涂料。本章主要介紹塑料、膠粘劑和涂料。這些有機高分子材料的基本成分是人工合成的高分子化合物，簡稱高聚物。由高聚物加工而成，或高聚物對傳統(tǒng)材料改性所制得的土木工程材料，習慣上稱為化學合成建筑材料，即化學建材。8.1合成高分子化合物的基本知識

8.1.1高分子化合物的分類

1、按分子鏈的形狀分類

線型高分子化合物的主鏈原子排列成長鏈狀，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

支鏈型高分子化合物的主鏈也是長鏈狀的，但帶有大量的支鏈，如ABS樹脂等。

體型高分子化合物的長鏈被許多橫跨鏈交聯(lián)成網(wǎng)狀，或在單體聚合過程中二維或三維空間交聯(lián)形狀空間網(wǎng)絡(luò)，分子彼此固定。如環(huán)氧、聚酯等樹脂的最終產(chǎn)物。

根據(jù)分子鏈的形狀不同，可將高分子化合物分為線型、支鏈型和體型三種。聚合物的物理狀態(tài)及性能特點按溫度區(qū)域可劃分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。當溫度較低時，聚合物受外力作用時產(chǎn)生的變形較小，彈性模量大，且變形可恢復(fù)，此狀態(tài)稱為玻璃態(tài)。玻璃態(tài)是塑料的使用狀態(tài)，凡室溫下處于玻璃態(tài)的聚合物都可用作塑料。當溫度升高至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，聚合物受外力作用時產(chǎn)生變形較大，彈性模量較小，外力除去后又會逐步恢復(fù)原狀，且變形是可逆的，此狀態(tài)稱為高彈態(tài)。高彈態(tài)是橡膠的使用狀態(tài)，凡室溫下處于高彈態(tài)的聚合物均可用作橡膠，因此高彈態(tài)也叫橡膠態(tài)。粘流態(tài)是聚合物成型時的狀態(tài)。在室溫下，聚合物總是處于玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種狀態(tài)之一，其中，高彈態(tài)是聚合物所特有的狀態(tài)。當溫度一定時，不同聚合物可能處于不同的物理狀態(tài)，因此表現(xiàn)出不同的力學性能。2、

按對熱的性質(zhì)分類

按受熱時的特點可分為熱塑性和熱固性兩類。熱塑性高聚物在加熱時呈現(xiàn)出可塑性，甚至熔化，冷卻后又凝固硬化。這種變化是可逆的，可以重復(fù)多次。這類的高分子化合物其分子間作用力較弱，為線型及帶支鏈的高聚物。熱固性高聚物是一些支鏈高分子化合物，加熱時轉(zhuǎn)變成粘稠狀態(tài)，發(fā)生化學變化，相鄰的分子相互連接，轉(zhuǎn)變成體型結(jié)構(gòu)而逐漸固化，其分子量也隨之增大，最終成為不能熔化、不能溶解的物質(zhì)。這種變化是不可逆的，大部分縮合樹脂屬于此類。

8.1.2高分子化合物的合成及命名

將低分子單體經(jīng)化學方法聚合成為高分子化合物常用的合成方法有加成聚合和縮聚聚合兩種。

加成聚合

加成聚合又叫加聚反應(yīng)，是聚合物最主要的聚合方式之一，通常是在催化劑的存在下，含有雙鍵的單體打開雙鍵，相互連接而得到聚合物長鏈分子。在加聚反應(yīng)過程中無副產(chǎn)物，由一種單體加聚而得的稱為均聚物，如乙烯加聚得到聚乙烯，氯乙烯加聚得到聚氯乙烯等。

由兩種或兩種以上單體共加聚稱為共聚，通過單體的共聚可以得到各種性能優(yōu)良的塑料，如丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）共聚可以制造性能優(yōu)異的工程塑料（ABS），可用作電器開關(guān)、外殼、裝飾板等；乙烯、丙烯共聚可以得到耐老化性能極好的乙丙橡膠，可用作高檔防水卷材的主要原料；由丁二烯、苯乙烯共聚可以制造丁苯橡膠，可以制造建筑上用的膠板、膠粘劑、減振件等。由加聚反應(yīng)得到的樹脂稱為聚合樹脂，其命名一般是在其原料名稱前面加以“聚”字，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

縮聚聚合

縮聚又稱縮聚反應(yīng)，是含有活性官能團的單體經(jīng)縮合反應(yīng)相互連接而得到高分子量的聚合物。縮聚反應(yīng)過程中有副產(chǎn)物——小分子化合物產(chǎn)生，所以由縮聚反應(yīng)制成的樹脂其化學組成與單體不同。若參加縮聚反應(yīng)的單體只有兩個官能團，則只能生成直鏈聚合物，如聚對苯二甲酸乙二醇脂（PET）；若參加縮聚反應(yīng)的單體有兩個以上的官能團，則聚合后就會生成不溶、不熔的三維網(wǎng)狀聚合物，也稱為熱固性樹脂。

縮聚反應(yīng)生成物的樹脂稱為縮合樹脂，其命名一般是在原料名稱后加上“樹脂”兩字，如環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等。8.1.3高分子化合物物的基本性質(zhì)質(zhì)1、高分子材料料的性能優(yōu)點點①優(yōu)良的加工性性能。如塑料可以采采用比較簡便便的方法加工工成多種形狀狀的產(chǎn)品。②質(zhì)輕。如大多塑料料密度在0.9～2.2g/m3之間，平均為為1.45g/cm3，約為鋼的1/5。③導(dǎo)熱系數(shù)小小。如泡沫塑料的的導(dǎo)熱系數(shù)只只有0.02～0.046W/（m·K），約為金屬屬的1/1500，混凝土的1/40，磚的1/20，是理想的絕絕熱材料。④化學穩(wěn)定性性較好。一般塑料對酸酸、堿、鹽及及油脂均有較較好的耐腐蝕蝕能力。其中中最為穩(wěn)定的的聚四氟乙烯烯，僅能與熔熔融的堿金屬屬反應(yīng)，與其其它化學物品品均不起作用用。⑤電絕絕緣緣性性好好。。⑥功功能能的的可可設(shè)設(shè)計計性性強強。。可通通過過改改變變組組成成配配方方與與生生產(chǎn)產(chǎn)工工藝藝，，在在相相當當大大的的范范圍圍內(nèi)內(nèi)制制成成具具有有各各種種特特殊殊性性能能的的工工程程材材料料。。如如強強度度超超過過鋼鋼材材的的碳碳纖纖維維復(fù)復(fù)合合材材料料、、密密封封材材料料、、防防水水材材料料等等。。⑦出出色色的的裝裝飾飾性性能能。。如各各種種塑塑料料制制品品不不僅僅可可以以著著色色，，而而且且色色彩彩鮮鮮艷艷耐耐久久，，并并可可通通過過照照相相制制版版印印刷刷，，模模仿仿天天然然材材料料的的紋紋理理（（如如木木紋紋、、花花崗崗石石、、大大理理石石紋紋等等）），，達達到到以以假假亂亂真真的的程程度度。。2、合成成高分分子材材料的的性能能缺點點易老化化所謂老老化是是指高高分子子化合合物在在陽光光、空空氣、、熱以以及環(huán)環(huán)境介介質(zhì)中中的酸酸、堿堿、鹽鹽等作作用下下，分分子組組成和和結(jié)構(gòu)構(gòu)發(fā)生生變化化，致致使其其性質(zhì)質(zhì)變化化，如如失去去彈性性、出出現(xiàn)裂裂紋、、變硬硬、變變脆或或變軟軟、發(fā)發(fā)粘失失去原原有的的使用用功能能的現(xiàn)現(xiàn)象。。塑料料、有有機涂涂料和和有機機膠粘粘劑都都會出出現(xiàn)老老化。。目前前采用用的防防老化化措施施主要要有改改變聚聚合物物的結(jié)結(jié)構(gòu)，，加入入各種種防老老化劑劑的化化學方方法和和涂防防護層層的物物理方方法。。耐熱性性差高分子子材料料的耐耐熱性性能普普遍較較差，，如使使用溫溫度偏偏高會會促進進其老老化，，甚至至分解解；塑塑料受受熱會會發(fā)生生變形形，在在使用用中要要注意意其使使用溫溫度的的限制制?？扇夹孕约岸径拘愿叻肿幼硬牧狭弦话惆銓儆谟诳扇既嫉牟牟牧希?，但可可燃性性受其其組成成和結(jié)結(jié)構(gòu)的的影響響有很很大差差別。。如聚聚苯乙乙烯遇遇火會會很快快燃燒燒起來來，聚聚氯乙乙烯則則有自自熄性性，離離開火火焰會會自動動熄滅滅。部部分高高分子子材料料燃燒燒時發(fā)發(fā)煙，，產(chǎn)生生有毒毒氣體體。一一般可可通過過改進進配方方制成成自熄熄和難難燃甚甚至不不燃的的產(chǎn)品品。不不過其其防火火性仍仍比無無機材材料差差，在在工程程應(yīng)用用中應(yīng)應(yīng)予以以注意意。8.2建筑塑塑料塑料是以以聚合物物為基本本材料，，加入各各種添加加劑后，，在一定定溫度和和壓力下下混合、、塑化、、成型的的材料或或制品的的總稱。。7.2.1建筑塑料的特特性A、質(zhì)量輕塑塑料的密度為為1～2g/cm3，為鋼材的1/8～１/４，可大大減減輕建筑物的的自重，對高高層建筑更具具特殊意義。。B、比強度高比強度是強度度與表觀密度度之比。塑料的強度度較高，而表表觀密度低，，其比強度遠遠超過傳統(tǒng)的的土木工程材材料，是一種種優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)質(zhì)高強材料。。C、可塑性好具有優(yōu)良的加加工性能，塑塑料可按需要要調(diào)節(jié)制品硬硬度、密度、、色澤，用多多種加工工藝藝塑制成不同同形狀的產(chǎn)品品，適應(yīng)建筑筑上不同用途途的需要。D、耐腐蝕性好好其化學穩(wěn)定性性良好，是憎憎水性材料，，對弱酸弱堿堿的抵抗性強強。E、耐水性好塑料具有較高高的耐水性。。F、耐熱性能塑料的耐熱性性一般都不好好，軟化溫度度為100-200℃。塑料的熱膨膨脹系數(shù)高，，是傳統(tǒng)材料料的3～4倍。G、老化在陽光、氧、、熱等條件作作用下，塑料料中聚合物的的組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)發(fā)生變化，，致使塑料性性質(zhì)惡化，這這種現(xiàn)象稱為為老化。塑料料存在老化問問題，但通過過一定措施，，塑料制品的的使用壽命可可以和其他材材料媲美，有有的甚至能高高于傳統(tǒng)材料料。H、可燃性塑料大多可可燃，且在在燃燒時會會產(chǎn)生大量量有毒的煙煙霧。這是是它作為土土木工程材材料的一個個弱點。目目前正在研研究具有自自熄性、難難燃甚至準準不燃的塑塑料。8.2.2塑料的組成成合成樹脂塑料的基本本組成材料料，起著膠膠結(jié)劑的作作用，含量量為30%-60%。塑料的主主要性能決決定于所采采用的合成成樹脂。填充料填充充料料的的作作用用：：節(jié)節(jié)約約樹樹脂脂，，降降低低成成本本，，調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)塑塑料料的的物物理理化化學學性性能能。。含含量量40%-70%。常用用的的有有機機填填充充料料有有木木粉粉、、紙紙屑屑、、廢廢棉棉、、廢廢布布等等；；常常用用無無機機填填充充料料有有滑滑石石粉粉、、石石墨墨粉粉石石棉棉、、玻玻璃璃纖纖維維等等。。添加加劑劑為了了改改善善或或調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)塑塑料料的的某某些些性性能能，，以以適適應(yīng)應(yīng)使使用用或或加加工工時時的的特特殊殊要要求求而而加加入入的的輔輔導(dǎo)導(dǎo)材材料料，，如如增增塑塑劑劑、、固固化化劑劑、、著著色色劑劑、、阻阻燃燃劑劑、、穩(wěn)穩(wěn)定定劑劑等等。。增塑塑劑劑增塑塑刑刑一一般般為為沸沸點點較較高高、、不不易易揮揮發(fā)發(fā)、、與與樹樹脂脂有有良良好好相相溶溶性性的的低低分分子子油油狀狀物物，，不不僅僅使使塑塑料料加加工工成成型型方方便便、、而而且且可可改改善善塑塑料料的的韌韌性性和和柔柔順順性性等等機機械械性性能能。。常常用用的的增增塑塑劑劑有有鄰鄰苯苯二二甲甲酸酸二二丁丁酯酯、、鄰鄰苯苯二二甲甲酸酸二二辛辛酯酯等等。。固化化劑劑主要要作作用用是是在在聚聚合合物物中中生生成成橫橫跨跨鍵鍵、、使使線線型型高高聚聚物物交交聯(lián)聯(lián)成成體體型型高高聚聚物物，，從從而而使使樹樹脂脂具具有有熱熱固固性性，，制制得得堅堅硬硬的的塑塑料料制制品品。。著色色劑劑主要要作作用用是是可可使使塑塑料料具具有有鮮鮮艷艷的的色色彩彩和和光光澤澤。。著著色色劑劑除除滿滿足足色色彩彩要要求求外外，，還還應(yīng)應(yīng)具具有有分分散散性性好好，，附附著著力力強強，，不不與與塑塑料料成成分分發(fā)發(fā)生生化化學學反反應(yīng)應(yīng)，，不不腿腿色色等等特特性性。。阻燃燃劑劑加入入后后能能提提高高塑塑料料的的耐耐燃燃性性和和自自熄熄性性。。常常用用的的有有氫氫氧氧化化鋁鋁，，三三氧氧化化銻銻等等。。穩(wěn)定定劑劑防止止和和緩緩解解高高聚聚物物的的老老化化，，延延長長塑塑料料制制品品的的使使用用壽壽命命。。8.2.3常用用建建筑筑塑塑料料常用用熱熱塑塑性性塑塑料料的的種種類類有有聚氯氯乙乙烯烯（（PVC）聚乙烯（（PE）聚丙烯（（PP）聚苯乙烯烯（PS）ABS塑料聚碳酸酯酯、聚甲甲醛、聚聚酰胺等等常用的熱熱固性塑塑料有酚醛、環(huán)環(huán)氧、不不飽和聚聚酯、有有機硅等等它是建筑筑中用量量最大的的一種塑塑料。硬硬質(zhì)聚氯氯乙烯的的密度為為1.38～1.43g/cm3，機械強強度高，，化學穩(wěn)穩(wěn)定性好好，使用用溫度范范圍一般般在-15～+55℃℃之間，適適宜制造造塑料門門窗、下下水管、、線槽等等。聚氯乙烯烯（PVC）聚乙烯塑料在建筑上主要用于給排水管、衛(wèi)生潔具。

聚乙烯（PE）聚丙烯的的密度在在所有塑塑料中是是最小的的，約為為0．90左右。聚聚丙烯常常用來生生產(chǎn)管材材、衛(wèi)生生潔具等等建筑制制品。聚丙烯（（PP）聚苯乙烯烯（PS）聚苯乙烯烯為無色色透明類類似玻璃璃的塑料料。聚聚苯乙烯烯在建筑筑中主要要用來生生產(chǎn)泡沫沫隔熱材材料、透透光材料料等制品品。ABS塑料

ABS塑料是改性聚苯乙烯塑料，以丙烯睛（A）、丁二烯（B）及苯乙烯（S）為基礎(chǔ)的三組分所組成。ABS塑料可制作壓有花紋圖案的塑料裝飾板等。塑料在土土木工程程中常用用于制作作塑料門門窗、管管材和型型材等塑料在土土木工程程中的應(yīng)應(yīng)用塑料門窗窗塑料門窗窗分為全全塑門窗窗及復(fù)合合塑料門門窗兩類類，全塑塑門窗多多采用改改性聚氯氯乙烯樹樹脂制造造。塑料料門窗具具有隔熱熱、隔音音、氣密密性好、、耐腐蝕蝕、維護護費用較較低等優(yōu)優(yōu)點，但但其線膨膨脹系數(shù)數(shù)較高，，硬度較較低，不不耐磨。。復(fù)合塑塑料門窗窗常用的的種類為為塑鋼門門窗，它它是在塑塑料門窗窗框內(nèi)部部嵌入金金屬型材材制成。。塑料管材材和型材材塑料管有有熱塑性性塑料管管和熱固固性塑料料管兩大大類。塑塑料管的的種類有有：硬質(zhì)質(zhì)聚氯乙乙烯（UPVC）塑料管管、聚乙乙烯（PE）塑料管管、聚丙丙烯（PP）塑料管管和PPR塑料管、、聚丁烯烯（PB）塑料管管、玻璃璃鋼（FRP）管和復(fù)復(fù)合塑料料管等。。8.3膠粘劑膠粘劑是能將各各種材料料緊密地地粘結(jié)在在一起的的物質(zhì)的的總稱。。用膠粘粘劑粘結(jié)結(jié)建筑構(gòu)構(gòu)件、裝裝飾品等等不僅美美觀大方方，工藝藝簡單，，還能將將不同材材料的構(gòu)構(gòu)件很容容易地聯(lián)聯(lián)結(jié)在一一起并有有足夠的的結(jié)合強強度，此此外粘合合劑還可可以起到到隔離、、密封和和防腐蝕蝕等作用用。除此此之之外外，，膠膠粘粘劑劑還還必必須須對對人人體體無無害害。。我我國國已已制制定定了了GB18583－2001《室內(nèi)裝修材料料膠粘劑中有有害物質(zhì)限量量》的強制性國家家標準。8.3.1膠粘劑的組組成、要求求及分類膠粘劑的基基本組成材材料有粘料、固化化劑、填料料和稀釋劑等。此外，，為使膠粘粘劑具有更更好的性能能，還應(yīng)加加入一些其其它的添加加劑，如增增韌劑、抗抗老化劑、、增塑劑等等。①粘料粘料是膠粘粘劑的基本本組分，或或稱基料，，它使膠粘粘劑具有粘粘附特性。。粘料通常常由一種或或幾種聚合合物配合而而成。用于于膠接結(jié)構(gòu)構(gòu)受力部位位的膠粘劑劑是以熱固固性樹脂為為主；用于于非受力部部位和變形形較大部分分的膠粘劑劑是以熱塑塑性樹脂和和橡膠為主主。②固化劑固化劑（在在橡膠中稱稱硫化劑））能使線型型分子形成成網(wǎng)狀的體體型結(jié)構(gòu)，，使膠粘劑劑固化。在在選擇固化化劑時，應(yīng)應(yīng)按粘料的的特性及對對固化后膠膠膜性能（（如硬度、、韌性和耐耐熱等）的的要求來選選擇。③填料料加入填料可可改善膠粘粘劑的性能能（如提高高粘度，降降低膨脹系系數(shù)或收縮縮性等），，并降低成成本。常用用填料有石石英粉、滑滑石粉，以以及各種金金屬、非金金屬氧化物物粉，在建建筑工程中中水泥也是是廣泛應(yīng)用用的填料。