第十一章合成高分子材料

第十一章合成高分子材料第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)合成高分子材料的基本知識一、聚合物的分類（1）根據(jù)來源可分為：①天然高分子化合物，如天然橡膠、淀粉、植物纖維等；②合成高分子化合物，如聚氯乙烯等；③半天然高分子材料，如醋酸纖維、改性淀粉等。第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三一、聚合物的分類（2）根據(jù)分子結(jié)構(gòu)可分為：①線型聚合物分子結(jié)構(gòu)中碳原子（有時可能有氧、硫等原子）彼此連接成長鏈，有時帶有支鏈，如聚氯乙烯。第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三線型聚合物的特點:一般來說，具有線型結(jié)構(gòu)的樹脂，強度較低，彈性模量較小，變形較大，耐熱、耐腐蝕性較差，加熱可熔化，并能溶于適當溶劑中。支鏈型聚合物因分子排列較松，分子間作用力弱，因而密度、熔點及強度等低于線型聚合物。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三

分子結(jié)構(gòu)中長鏈之間通過原子或短鏈連接起來而構(gòu)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，又稱為體型結(jié)構(gòu)，如酚醛樹脂。由于體型結(jié)構(gòu)中化學(xué)鍵的結(jié)合力強，且交聯(lián)形成一個“巨大分子”，因此，一般來說其強度較高，彈性模量較大，變形較小，較硬脆，耐熱性、耐腐蝕性較好；交聯(lián)程度淺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，受熱時可以軟化，適當溶劑可使其溶脹；交聯(lián)程度深的體型結(jié)構(gòu)，加熱時不軟化，也不易被溶劑所溶脹，但在高溫下會發(fā)生降解。②體型聚合物第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三（3）根據(jù)受熱變化特點可分為：①熱塑性聚合物熱塑性高分子化合物受熱軟化，冷卻時硬化，并且可以反復(fù)塑制，如聚乙烯。線型結(jié)構(gòu)多屬熱塑性。②熱固性聚合物熱固性高分子化合物受熱時軟化，受熱至一定溫度后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，致使相鄰的分子相互交聯(lián)而逐漸硬化。加熱成型后受熱不再軟化，即成型固化過程具有不可逆性，如環(huán)氧樹脂。熱固性聚合物多為體型結(jié)構(gòu)。一、聚合物的分類第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三一、聚合物的分類（4）根據(jù)制備時的反應(yīng)類型可分為：①由單體加成而聚合起來的反應(yīng)叫加聚反應(yīng)，該反應(yīng)無副產(chǎn)品，產(chǎn)物的化學(xué)組成和反應(yīng)物（單體）的化學(xué)組成基本相同，如聚氯乙烯的制備：nC2H2→(C2H2)n式中n表示聚合度。加聚物多為線型結(jié)構(gòu)。②由兩種或兩種以上的含有官能團（H—、—OH、Cl—、—NH、—COOH）的單體共聚，同時產(chǎn)生低分子副產(chǎn)品（如水、氨、醇或氯化氫等）的反應(yīng)叫縮聚反應(yīng)，其生成的聚合物叫縮聚物?？s聚反應(yīng)生成物的化學(xué)組成與反應(yīng)物的化學(xué)組成完全不同，如苯酚與甲醛反應(yīng)制得的酚醛樹脂?？s聚物的結(jié)構(gòu)可為線型或體型。第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三一、聚合物的分類（5）根據(jù)高分子材料的性質(zhì)及用途可分為：①塑料塑料是有機高聚物，在一定條件下（加熱、加壓）可塑制成型，而在常溫常壓下可保持固定形狀的材料叫塑料。②纖維合成纖維為合成樹脂制成的纖維。③橡膠合成橡膠是指物理性能類似于天然橡膠的有彈性的高分子化合物。第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三二、聚合物的命名常用的聚合物命名方法為習(xí)慣命名法，該法主要是根據(jù)聚合物的化學(xué)組成來命名,比較簡單。對于由同一種單體經(jīng)加聚反應(yīng)而制得的聚合物，通常是在其單體名稱前冠以“聚”字。如聚乙烯等。而有兩種或兩種以上單體經(jīng)加聚反應(yīng)而得到的聚合物，則稱為××共聚物，如丙烯腈—苯乙烯的共聚體，可稱為腈苯共聚物。對于縮聚物，常常是在其原料的名稱之后綴以“樹脂”二字。在習(xí)慣命名法中，天然聚合物用專有名稱，如纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)等。另外有的聚合物還有一些習(xí)慣名稱或商業(yè)名稱，如將聚苯二甲酸乙二醇酯叫做滌綸，聚丙烯腈叫做腈綸等。

第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三三、聚合物的基本性質(zhì)1.聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)按其分子在空間排列規(guī)則與否，固態(tài)聚合中并存著晶態(tài)與非晶態(tài)兩種聚集狀態(tài)。晶態(tài)結(jié)構(gòu)的聚合物與低分子量晶體有很大不同。由于線型高分子難免有彎曲，故聚合物的結(jié)晶為部分結(jié)晶，即在結(jié)晶聚合物中存在“晶區(qū)”和“非晶區(qū)”，且大分子鏈可以同時跨越幾個晶區(qū)和非晶區(qū)。晶區(qū)所占的百分比稱為結(jié)晶度。一般來說，結(jié)晶度越高，聚合物的密度、彈性模量、強度、耐熱性、折光系數(shù)等越高，而沖擊韌性、粘附力、斷裂伸長率、溶解度越低。晶態(tài)聚合物一般為不透明或半透明狀，而非晶態(tài)聚合物則一般為透明狀。體型聚合物只有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2.聚合物的物理狀態(tài)在不同溫度下呈現(xiàn)出玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)三種物理狀態(tài)。(1)玻璃態(tài)：非晶態(tài)聚合物在低于某一溫度時，分子動能很低，大分子鏈的運動和分子鏈段的旋轉(zhuǎn)都被凍結(jié)，聚合物在外力作用下，產(chǎn)生的變形較小，彈性模量較大。聚合物保持玻璃態(tài)的溫度上限稱為玻璃化溫度（Tg）。如溫度繼續(xù)下降，當聚合物表現(xiàn)為不能拉伸或彎曲的脆性時的溫度稱為“脆化溫度”，簡稱“脆點”。第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2.聚合物的物理狀態(tài)(2)高彈態(tài)：Tg<T<Tf

，分子動能增加，分子鏈段能運動，但大分子鏈的運動仍被凍結(jié)，聚合物彈性模量較小，在外力作用下，產(chǎn)生較大的變形，在外力去除后又會恢復(fù)原狀，聚合物保持高彈態(tài)的上限溫度稱為粘流溫度（Tf）。(3)粘流態(tài)：T＞Tf以上，分子動能增加到鏈段和大分子鏈都可以運動，聚合物成為可以流動的粘稠液體。此時，聚合物在外力作用下，分子間會相互滑動，產(chǎn)生流動變形，外力去除后，變形不可恢復(fù)。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2.聚合物的物理狀態(tài)對于結(jié)晶化的聚合物，其變形與溫度的關(guān)系如圖11-3所示。結(jié)晶聚合物中雖然有無定形相的存在，但由于結(jié)晶相承受的應(yīng)力要比非結(jié)晶相大得多，所以在Tg溫度其變形并不發(fā)生顯著改變，只有到了熔點Tm，晶格被破壞，晶區(qū)熔融，聚合物直接進入粘流態(tài)（如圖中曲線1所示），或先進入高彈態(tài)再進入粘流態(tài)（如圖中曲線2所示）。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2.聚合物的物理狀態(tài)Tg和Tm是聚合物使用時耐熱性的重要指標，甚至也是聚合物其它性能的重要指標。聚合物的使用目的不同，對各個轉(zhuǎn)變溫度的要求也不同。通常，玻璃化溫度低于室溫的稱為橡膠，高于室溫的稱為塑料，也就是說玻璃化溫度Tg是塑料的最高使用溫度，但卻是橡膠的最低使用溫度。粘流溫度Tf在室溫以下的高聚物可作為膠粘劑或涂料使用。熔點Tm是高度結(jié)晶聚合物的使用上限溫度。第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三3.聚合物的老化聚合物在使用過程中，由于光、熱、空氣等的作用而發(fā)生結(jié)構(gòu)或組成的變化，從而出現(xiàn)性能劣化現(xiàn)象，如變色、變硬、龜裂、發(fā)軟、發(fā)粘、斑點、機械強度降低等，稱為聚合物的老化。聚合物的老化受到眾多因素的影響，因此是一個復(fù)雜的過程。一般可將聚合物的老化分為兩種類型，即聚合物分子的交聯(lián)與降解。交聯(lián)是指聚合物的分子結(jié)構(gòu)從線型變?yōu)轶w型的過程。當發(fā)生這種老化作用時，表現(xiàn)為聚合物失去彈性、變硬、變脆，并出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。降解是指聚合物的分子鏈發(fā)生斷裂，其分子量降低，但其化學(xué)組成并不發(fā)生變化。當老化以降解為主時，聚合物會出現(xiàn)失去剛性、變軟、發(fā)粘、出現(xiàn)蠕變等現(xiàn)象。第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三3.聚合物的老化根據(jù)老化機理的不同，可將聚合物的老化分為熱老化和光老化兩種。光老化——聚合物在陽光（特別是紫外線）的照射下，其中一部分分子（或原子）被激活而處于高能的不穩(wěn)定的狀態(tài)，并可與其它分子發(fā)生光敏氧化作用，致使聚合物的結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生變化，并且性能逐漸惡化的現(xiàn)象。熱老化——聚合物受熱時，尤其是在較高溫度下暴露于空氣中時，聚合物的分子鏈由于氧化、分解等作用而發(fā)生斷裂、交聯(lián)，其化學(xué)組成與分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而其各項性能發(fā)生變化的現(xiàn)象。因此大多數(shù)聚合物材料的耐高溫及大氣穩(wěn)定性都較差。第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)建筑塑料一、建筑塑料的特性（1）表觀密度小（2）比強度高，但彈性模量低（3）加工性能優(yōu)良（4）耐化學(xué)腐蝕性好（5）減震、吸聲、保溫隔熱性好（6）裝飾性好（7）耐水性和耐水蒸氣性好（8）電絕緣性能好（9）不耐高溫和易燃燒（10）易受熱變形第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三二、建筑塑料的基本組成絕大多數(shù)都是以合成樹脂和添加劑組成的多組分材料，但也有少量建筑塑料制品例外，例如“有機玻璃”，它是由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）合成樹脂，在聚合反應(yīng)中不加入其它組分，而制成的具有較高機械強度和良好抗沖擊性能、高透明度的合成高分子材料。（1）合成樹脂——基本組成材料合成樹脂在塑料中起膠結(jié)其它組分形成堅實的整體。其性質(zhì)在很大程度上決定了塑料的性質(zhì)。合成樹脂在一般塑料中的含量在30%～60%。因此塑料通常也以所用的合成樹脂命名，如聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料。

第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三二、建筑塑料的基本組成（2）添加劑為了改善塑料的某些性質(zhì)而加入的物質(zhì)統(tǒng)稱為添加劑。不同的塑料因其要改善的性能不同，加入的添加劑也會不同。下面介紹幾類常用的添加劑：1)填料——可提高塑料的強度和剛度或耐燃性或耐磨性和大氣穩(wěn)定性;2)增塑劑——提高塑料加工時的可塑性及流動性，改善塑料制品的柔韌性;

3)固化劑——使樹脂具有熱固性，形成穩(wěn)定而堅硬的塑料制品4)穩(wěn)定劑——防止塑料在熱、光及其它條件下過早老化;

5)著色劑——賦予塑料制品特定的色彩和光澤。

第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三二、常用建筑塑料及制品1.建筑塑料的常用品種（1）聚乙烯（PE）塑料——結(jié)晶型聚合物高壓聚乙烯的結(jié)晶度低、密度小；低壓聚乙烯結(jié)晶度高、密度大。隨結(jié)晶度和密度的增加，聚乙烯的硬度、軟化點、強度等隨之提高，而沖擊韌性和伸長率則下降。聚乙烯塑料為白色蠟狀半透明材料，具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐水性，強度雖不高，但低溫柔韌性好，比水輕，無毒。聚乙烯容易光氧化、熱氧化、臭氧分解，紫外線作用下容易發(fā)生光降解，而炭黑對聚乙烯有優(yōu)異的光屏蔽作用，因此適量的摻加可以提高聚乙烯塑料的抗老化性能。另外聚乙烯易燃燒。第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三1.建筑塑料的常用品種（2）聚氯乙烯（PVC）塑料聚氯乙烯塑料是由氯乙烯單體聚合而成，是目前工程上常用的一種塑料。聚氯乙烯塑料成本低，產(chǎn)量大、化學(xué)穩(wěn)定性高、抗老化性好。加入不同的添加劑可加工成軟質(zhì)和硬質(zhì)的多種產(chǎn)品。聚氯乙烯塑料的耐熱性差，在100℃以上時會發(fā)生分解、變質(zhì)而破壞，通常其使用溫度應(yīng)在60～80℃以下。第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三1.建筑塑料的常用品種（3）聚苯乙烯（PS）塑料——結(jié)晶聚合物聚苯乙烯是由苯乙烯單體聚合而成。聚苯乙烯的透明度高達88～90%，有光澤，易于著色，化學(xué)穩(wěn)定性高，耐水，耐光，導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化，具有較高的絕熱能力，成型加工方便，價格較低。但是聚苯乙烯性脆，抗沖擊性差，易燃，耐熱性差。為改善聚苯乙烯的抗沖擊性和耐熱性，發(fā)展了一些改性聚苯乙烯，ABS是其中最重要的一種，它是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種單體的共聚體，丙烯腈使ABS具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和表面硬度，丁二烯使ABS堅韌和具有良好的耐低溫性能，苯乙烯則賦予ABS良好的加工性能。ABS的總體性能取決于這三種單體的組成比例。第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三1.建筑塑料的常用品種（4）聚丙烯（PP）塑料聚丙烯是由丙烯聚合而成。聚丙烯為白色蠟狀材料，外觀與聚乙烯相近，但密度比聚乙烯小，約為0.9g/cm3，因此其質(zhì)輕；聚丙烯耐熱性較高（100~120℃），剛性、延性和抗水性好，其拉伸強度高于PE，但低溫抗沖擊強度低于PE。聚丙烯的不足之處是低溫脆性顯著，抗大氣性差，故適用于室內(nèi)。近年來，聚丙烯的生產(chǎn)發(fā)展迅速，聚丙烯已與聚乙烯、聚氯乙烯等共同成為建筑塑料的主要品種。第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三1.建筑塑料的常用品種（5）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）由甲基丙烯酸甲酯加聚而成的熱塑性塑料，俗稱有機玻璃。它的透光性好，低溫強度高，吸水性低，耐熱性和抗老化性好，成型加工方便。缺點是耐磨性差，價格較貴。（6）酚醛樹脂（PF）酚醛樹脂是由酚和醛在酸性或堿性催化劑的作用下縮聚而成，是典型的熱固性塑料。酚醛樹脂的粘結(jié)強度高，耐光、耐水、耐熱、耐腐蝕、電絕緣性好，但性脆。在酚醛樹脂中摻加填料、固化劑等制成的酚醛樹脂制品表面光潔，堅固耐用，成本低，是常用的塑料品種之一。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三1.建筑塑料的常用品種（7）有機硅樹脂（OR）——熱固性塑料它是由一種或多種有機硅單體水解而成。特點是不燃，介電性能優(yōu)異，耐熱（250℃以下）、耐寒、耐水、耐化學(xué)腐蝕，但機械性能不佳，粘結(jié)力不高。（8）環(huán)氧樹脂（EP）——熱固性塑料它是由雙酚A和環(huán)氧氯丙烷縮聚而成。環(huán)氧在未固化時是高粘度液體或脆性固體，易溶于丙酮或二甲苯等溶劑。加入固化劑后可在室溫和高溫下固化，固化后具有堅韌、收縮率小、耐水、耐腐蝕等特點。環(huán)氧樹脂的最大特點是與各種材料均有很強的粘結(jié)力。（9）聚酯樹脂（PR）——熱固性塑料聚酯樹脂是由二元或多元醇和二元或多元酸縮聚而成。聚酯樹脂具有優(yōu)良的膠結(jié)性能，彈性和著色性好，柔韌，耐熱，耐水。第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2.常用建筑塑料制品（1）塑料門窗

塑料門窗是改性后的硬質(zhì)聚氯乙烯（PVC），加入適量的添加劑，經(jīng)混煉、擠出等工藝制成的異型材經(jīng)過加工、組裝成的建筑物門窗。改性后的聚氯乙烯具有較好的可加工性、穩(wěn)定性、耐熱性和抗沖擊性。塑料門窗與其它門窗相比具有良好的耐水性、耐腐蝕性、氣密性、水密性、保溫隔熱性、隔聲性、裝飾性等，同時該門窗保養(yǎng)維修方便，節(jié)能顯著。第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2.常用建筑塑料制品（2）塑料管材塑料管材與金屬管材相比，具有質(zhì)輕、不生銹、不生苔、管壁光滑、對流體阻力小、安裝加工方便、節(jié)能等特點。因此，近年來塑料管材的生產(chǎn)和應(yīng)用得到了較大的發(fā)展。塑料管材有軟管和硬管之分。按主要原料可分為聚氯乙烯管、聚乙烯管、聚丙烯管、ABS管、聚丁烯管、玻璃鋼管等。主要用于建筑給水排水管材與管件、熱燃用埋地管材與管件、排污水用管材、流體輸送用管材等。第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2.常用建筑塑料制品（3）泡沫塑料泡沫塑料是在聚合物中加入發(fā)泡劑，經(jīng)發(fā)泡、固化及冷卻等工序制成的多孔塑料制品。泡沫塑料的孔隙率高達95%～98%，且孔隙尺寸較小，因而具有優(yōu)良的隔熱保溫性能。常用的有聚苯