材料科學(xué)第五章高分子材料

第五章高分子材料(1)材料學(xué)概論機(jī)電學(xué)院劉艷花多種多樣的高分子材料多種多樣的高分子材料防彈衣高比強(qiáng)度的降落傘繩索多種多樣的高分子材料高分子材料的結(jié)構(gòu)高分子材料的類型常見的高分子材料及其應(yīng)用本章主要內(nèi)容高分子材料概論高分子材料的性能特點(diǎn)5.1高分子材料概論高分子(Polymer)的含義

高分子材料是由高分子化合物或以高分子化合物為主、輔以各種添加劑和填料等物質(zhì)經(jīng)加工而成的一種材料。分子量很大（104~107，甚至更大）。高分子材料雖然分子量很大，但組成并不復(fù)雜，主要是由C、H、O、N、P、S等原子以共價鍵方式組成的大分子鏈。如：分子似“一條鏈”，由許多相同的結(jié)構(gòu)單元組成。以共價鍵的形式重復(fù)連接而成。5.1.1

什么是高分子？5.1.2

高分子材料發(fā)展簡史天然高分子的利用—棉、麻、絲、毛、竹、木天然高分子改性天然橡膠硫化（1839年）硝化纖維(賽璐珞)（1868年）粘膠纖維(人造絲)（1893~1898年）合成高分子20世紀(jì)初，出現(xiàn)了第一種合成樹脂-酚醛樹脂1920年，Staudinger提出高分子概念30年代、40年代，飛速發(fā)展70年代，特種性能的高分子(液晶高分子等)近年，高分子發(fā)展的主流方向-高分子改性、高性能和功能高分子創(chuàng)立高分子化學(xué)的施陶丁格

HermannStaudinger1881一1965

TheNobelPrizeinChemistry1953“forhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry”高分子材料發(fā)展簡史2000年化學(xué)獎授予了黑格(A.J.Heeger，美國)、馬克迪爾米德(A.G.MacDiarmid，美國)和白川英樹(H.ShiraKawa，日本)三人，他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物。

A.J.Heeger(美國)A.G.Macdiarmid(美國)H.ShiraKawa(日本)高分子材料發(fā)展簡史簡單流程如下：5.1.3高分子材料的形成過程1、質(zhì)量輕、自重小。一般高分子材料的密度在0.9~2.3g/cm3之間。因而對要求減輕自重的飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船和高層建筑有特別重要的意義。2、良好的電絕緣性。3、低的熱導(dǎo)性能、優(yōu)良的隔熱保溫性能。其所制成的泡沫材料是十分理想的隔熱體，在冷藏、建筑、節(jié)能裝置中廣泛用作保溫材料。4、良好的化學(xué)穩(wěn)定性。賦予高分子材料以抵抗酸、堿、鹽溶液和蒸汽等腐蝕的功能。5、寬范圍內(nèi)的力學(xué)可選擇性。5.1.4高分子材料的性能6、突出的減振阻尼性質(zhì)。用作減振消聲材料。7、良好的耐磨、耐疲勞性能。氟塑料的摩擦系數(shù)低，是齒輪、軸套、滑塊和運(yùn)動密封件的良好材料。8、良好的透光率。PMMA（有機(jī)玻璃）透光率很好，且有良好的耐候性質(zhì)，是飛機(jī)座艙玻璃的最佳材料。9、原料來源廣泛、加工成型方便、成本低。10、漂亮美觀的裝飾性。高分子材料的性能高分子的鏈結(jié)構(gòu)高分子的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)5.1.5高分子的結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu):近程結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)高分子的鏈結(jié)構(gòu)高分子的鏈結(jié)構(gòu)—近程結(jié)構(gòu)針對結(jié)構(gòu)單元而言：--化學(xué)組成--鍵接方式--空間立構(gòu)--支化與交聯(lián)--鍵接序列高分子的鏈結(jié)構(gòu)—遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)針對高分子鏈而言：--高分子鏈的尺寸（相對分子質(zhì)量）--高分子鏈的形態(tài)高分子鏈的形態(tài)高分子鏈的形態(tài)①非晶態(tài)結(jié)構(gòu)②晶態(tài)結(jié)構(gòu)③取向結(jié)構(gòu)④液晶態(tài)⑤高分子合金高分子的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)5.2高分子材料的類型1.碳鏈高分子主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)接，通過加聚反應(yīng)制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯等聚乙烯按結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成分類5.2.1

高分子的類型2.雜鏈高分子主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)制得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）、聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等滌綸高分子的類型3.元素有機(jī)高分子主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側(cè)鏈為有機(jī)基團(tuán)；兼有無機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠。硅橡膠高分子的類型4.無機(jī)高分子主鏈既不含C原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解。二硫化硅聚二氯一氮化磷高分子的類型按材料來源分類天然高分子合成高分子按材料性能和用途分類塑料橡膠（稱為三大合成材料）纖維涂料粘合劑功能高分子5.2.2高分子材料的類型5.3常見的高分子材料概述塑料、橡膠、纖維，稱為三大合成材料全世界產(chǎn)量1億多噸塑料主要品種有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等合成橡膠主要用途為制造輪胎，約占60%合成纖維主要品種有：滌綸（PET）、尼龍、聚丙烯腈、聚丙烯等三大合成高分子材料三大高分子材料的比較三大合成高分子材料5.3.1常見的高分子材料塑料塑料（plastics）是以有機(jī)合成樹脂為主要組成的高分子材料，它通?？稍诩訜?、加壓條件下塑制成型，故稱為塑料。

塑料現(xiàn)代生活中的高分子材料－塑料現(xiàn)代生活中的高分子材料－塑料塑料的組成

塑料是以有機(jī)合成樹脂為基礎(chǔ)，再加入添加劑所組成的。一、合成樹脂：是由低分子化合物通過縮聚或加聚反應(yīng)合成的高分子化合物，如酚醛樹脂、聚乙烯等，是塑料的主要組成。

二、添加劑為改善塑料的性能而加入的其它成分，主要有：

(1)、填料或增強(qiáng)材料。填料在塑料中主要起增強(qiáng)作用。

(2)、固化劑?？墒箻渲哂畜w型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為較堅硬和穩(wěn)定的塑料制品。

(3)、增塑劑。用以提高樹脂可塑性和柔性的添加劑。

(4)、穩(wěn)定劑。用以防止受熱、光等的作用使塑料過早老化。塑料常用的塑料分類方法有下述兩種：

一、按樹脂的性質(zhì)分類根據(jù)樹脂在加熱和冷卻時所表現(xiàn)的性質(zhì)，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

1、熱塑性塑料(thermoplastics)加熱時軟化并熔融，可塑造成形，冷卻后即成型并保持既得形狀，而且該過程可反復(fù)進(jìn)行。這類塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龍)、聚甲醛、聚碳酸酯等。這類塑料加工成形簡便，具有較高的機(jī)械性能，但耐熱性和剛性比較差。

2、熱固性塑料(thermosettingplastics)初加熱時軟化，可塑造成形，但固化后再加熱將不再軟化,也不溶于溶劑。這類塑料有酚醛、環(huán)氧、氨基、不飽和聚酯等。它們具有耐熱性高，受壓不易變形等優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)械性能不好。塑料的分類二、按使用范圍分類

1、通用塑料應(yīng)用范圍廣、生產(chǎn)量大的塑料品種。主要有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烴、酚醛塑料和氨基塑料等，其產(chǎn)量約占塑料總產(chǎn)量的四分之三以上。2、工程塑料綜合工程性能(包括機(jī)械性能、耐熱耐寒性能、耐蝕性和絕緣性能等)良好的各種塑料。主要有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)等四種。

塑料的分類性能：堅硬、韌性、耐磨、耐熱水及蒸氣，加工時尺寸穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好。主要有：尼龍（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、飽和聚酯（PET、PBT）等塑料的分類性能：堅硬、韌性、耐磨、耐熱水及蒸氣，加工時尺寸穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好。主要有：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等通用塑料工程塑料常見的塑料聚乙烯由乙烯單體聚合而成。根據(jù)合成方法不同,可分為高壓、中壓和低壓三種。高壓聚乙烯相對分子質(zhì)量、結(jié)晶度和密度較低，質(zhì)地柔軟，常用來制作塑料薄膜、軟管和塑料瓶等。低壓聚乙烯質(zhì)地剛硬，耐磨性、耐蝕性及電絕緣性較好，常用來制造塑料管、板材、繩索以及承載不高的零件，如齒輪、軸承等。聚乙烯(PE)聚乙烯制品性能要求保鮮、保潔、自粘安全、無毒市場上的保鮮膜聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯乙烯及其他材質(zhì)保鮮膜聚乙烯從1939年開始工業(yè)化生產(chǎn)，是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的品種。低密度聚乙烯（LDPE）在各種聚乙烯中產(chǎn)量最大，主要用于生產(chǎn)薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大棚膜等）；約10%用于生產(chǎn)注塑用品。線型低密度聚乙烯（LLDPE）主要用于生產(chǎn)薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。還用于生產(chǎn)扁絲，制造編織袋。聚乙烯（PE）高密度聚乙烯注塑制品：工業(yè)容器、家用器皿、玩具等。中空吹塑制品：食品、藥品、化妝品的包裝瓶等。薄膜制品（約占20%）：大量用于食品包裝。聚乙烯（PE）聚乙烯管材應(yīng)用領(lǐng)域主要有：生活用水和煤氣管道、農(nóng)業(yè)排灌用管道以及圓珠筆內(nèi)的油墨管子等。質(zhì)輕、堅韌耐磨，力學(xué)性能良好，使用壽命長，施工安裝簡便，輸送阻力小、安全可靠，鋪設(shè)費(fèi)用低。聚乙烯（PE）給水用HDPE管聚乙烯（PE）超高分子量聚乙烯（UHMWPE）——可作為工程塑料在汽車、機(jī)械、原子能以及宇宙飛行等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。具有優(yōu)異的耐沖擊和自潤滑性，耐腐蝕、抗磨損、不粘著等特性。可作齒輪、軸套、滑板、儲罐襯里等。聚乙烯（PE）聚乙烯生產(chǎn)線聚丙烯由丙烯單體聚合而成。聚丙烯剛性大,其強(qiáng)度、硬度和彈性等機(jī)械性能均高于聚乙烯。聚丙烯的密度僅為0.90～0.91g/cm3,是常用塑料中最輕的。聚丙烯的耐熱性良好,長期使用溫度為100℃～110℃。聚丙烯具有優(yōu)良的電絕緣性能和耐蝕性能，在常溫下能耐酸、堿,所以經(jīng)常制作成導(dǎo)線外皮。聚丙烯可用于制作某些零部件，如法蘭、齒輪、風(fēng)扇葉輪、泵葉輪、把手及殼體等，還可制作化工管道、容器、醫(yī)療器械等。聚丙烯(PP)聚丙烯制成電容器外皮聚丙烯管子聚丙烯(PP)聚氯乙烯（PVC）

聚氯乙烯分子鏈中存在取代基，極性氯原子，增大了分子間力，阻礙單鍵內(nèi)旋，所以強(qiáng)度、剛度均比聚乙烯高。常見聚氯乙烯制品有軟、硬二種，這是由于添加劑的不同。加入增塑劑的為軟聚氯乙烯，未加的為硬聚氯乙烯。后者比重很小，抗拉強(qiáng)度好，有良好的耐水性，耐油性和耐化學(xué)藥品侵蝕性。軟聚氯乙烯常被制成薄膜用于工業(yè)包裝，農(nóng)業(yè)育秧，日用雨衣、臺布等。特別注意的是軟聚氯乙烯薄膜不能用于食品包裝，因?yàn)樵鏊軇┯卸?，能溶于油脂中，會污染食品。聚氯乙烯（PVC）聚苯乙烯結(jié)構(gòu)是典型的線型無定型高聚物，由于有取代基苯環(huán)，結(jié)晶度低，柔順性差，所以具有較大的剛度。它比重小，幾乎不吸水，具有優(yōu)良的耐蝕性，電阻大，是很好的隔熱、防震、防潮和高頻絕緣材料。聚苯乙烯添加發(fā)泡劑后可制成泡沫塑料，比重只有0.033g/cm3，是隔音、包裝、救生的極好材料。

聚苯乙烯（PS）PS保溫板PS光纖聚苯乙烯（PS）ABS塑料

ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。具有"硬、韌、剛"的特性，綜合機(jī)械性能良好，同時尺寸穩(wěn)定，容易電鍍和易于成形，耐熱性較好，在-40℃的低溫下仍有一定的機(jī)械強(qiáng)度?？芍圃忑X輪、泵葉輪、軸承、把手、管道、儲槽內(nèi)襯、電機(jī)外殼、儀表殼、儀表盤、蓄電池槽、水箱外殼等。近來在汽車零件上的應(yīng)用發(fā)展很快，如作擋泥板、扶手、熱空氣調(diào)節(jié)導(dǎo)管，以及小轎車車身等。作紡織器材、電訊器件都有很好的效果。摩托車擋泥板ABS塑料聚酰胺(PA)

聚酰胺(PA)又稱尼龍或錦綸，是由二元胺與二元酸縮合而成，或由氨基酸脫水成內(nèi)酰胺再聚合而得，有尼龍610、66、6等多個品種。尼龍具有突出的耐磨性和自潤滑性能；良好的韌性，強(qiáng)度較高(因吸水不同而異)；耐蝕性好，如耐水、油、一般溶劑、許多化學(xué)藥劑，抗霉、抗菌，無毒；成形性能也好。制造耐磨耐蝕零件，如軸承、齒輪、螺釘、螺母等。

尼龍軸套尼龍拉桿聚酰胺(PA)是各種含氟塑料的總稱。聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦公司投產(chǎn)。有“塑料王”之稱。是高結(jié)晶度聚合物，無熔融態(tài)，分解溫度400℃

，可在260℃以下長期下使用，耐低溫達(dá)-200℃

，力學(xué)性能優(yōu)異。光滑不粘，摩擦系數(shù)極小，具有自潤滑性。耐化學(xué)腐蝕性極強(qiáng)，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑，能耐王水及沸騰的氫氟酸。具有塑料中最好的電絕緣性能。廣泛用于化工機(jī)械和容器的防腐、耐磨密封、電絕緣等。在我們生活中最直接接觸的就是用聚四氟乙烯做內(nèi)涂層的不粘鍋。

氟塑料氟塑料

聚甲基丙烯酸甲脂，俗稱有機(jī)玻璃，是典型的無定形結(jié)構(gòu)，取代基為極性集團(tuán)。

有機(jī)玻璃的透明度比無機(jī)玻璃高，透光率達(dá)92%，比重只是無機(jī)玻璃的一半。強(qiáng)度、沖擊韌性都優(yōu)于無機(jī)玻璃，抗稀酸、稀堿、潤滑油和堿氫燃料的作用，在自然條件下老化發(fā)展緩慢。80℃開始軟化，105～150℃間塑性良好，可進(jìn)行成型加工。缺點(diǎn)是硬度低，易擦傷。由于導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大，易在表面和內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，還易溶于有機(jī)溶液。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有機(jī)玻璃頂棚聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

由酚類和醛類在酸或堿催化劑作用下縮聚合成酚醛樹脂，再加入添加劑而制得的高聚物。一般為熱固性塑料。酚醛塑料具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，耐磨性好，絕緣性良好