材料科學(xué)與工程導(dǎo)論-第6章-高分子材料

第六章高分子材料§6.1高分子材料概述§6.2高分子材料的合成與加工§6.3高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能主要內(nèi)容夏鵬舉材料科學(xué)與工程學(xué)院1§6.1高分子材料概述高分子材料包括木材、棉花、皮革等天然高分子材料和塑料、合成纖維及合成橡膠等有機聚合物合成材料。它們質(zhì)地輕、原料豐富、加工方便、性能良好、用途廣泛，因而發(fā)展速度很快。塑料、橡膠和合成纖維是有機高分子材料的典型代表，此外，還有涂料和黏合劑等。隨著合成、加工技術(shù)的發(fā)展，耐高溫、高強度、高模量和具有特定性能和功能的高分子材料也應(yīng)運而生。2生活中的高分子材料－普通塑料高分子無處不在！3生活中的高分子材料－工程塑料高分子無處不在！4生活中的高分子材料－橡膠高分子無處不在！5生活中的高分子材料－纖維高分子無處不在！6高分子材料在高科技領(lǐng)域應(yīng)用也很廣泛高分子無處不在！76.1.1高分子材料科學(xué)發(fā)展簡史天然高分子的直接利用天然高分子的化學(xué)改性高分子合成高分子時代天然橡膠的硫化，硝化纖維的合成等皮毛、甲殼素、棉麻絲、竹、木等酚醛樹脂、聚甲醛、聚氨酯、聚酰胺等功能高分子、高分子復(fù)合材料、高分子的分子設(shè)計8

●天然高聚物的利用與改性階段（19世紀前～19世紀末）。

●合成高分子工業(yè)的發(fā)展與高分子化學(xué)的建立階段（20世紀初～40年代末）。

●現(xiàn)代高分子科學(xué)階段（20世紀50年代初～20世紀末）。

●21世紀的高分子科學(xué)—分子設(shè)計。

——高分子的概念始于20世紀20年代，但應(yīng)用更早。1920年，德國人Staudinger(施陶丁格)發(fā)表了“論聚合”的論文，提出了高分子的概念。6.1.1高分子材料科學(xué)發(fā)展簡史9高分子科學(xué)既是一門應(yīng)用學(xué)科，也是一門基礎(chǔ)學(xué)科，它是建立在有機化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展而成的一門新興學(xué)科。高分子科學(xué)高分子化學(xué)研究聚合反應(yīng)和高分子化學(xué)反應(yīng)原理，選擇原料、確定路線、尋找催化劑、制訂合成工藝等。研究聚合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，為設(shè)計合成預(yù)定性能的聚合物提供理論指導(dǎo)，是溝通合成與應(yīng)用的橋梁。高分子物理高分子加工研究聚合物加工成型的原理與工藝。6.1.1高分子材料科學(xué)發(fā)展簡史10

有結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵的形式通過聚合反應(yīng)重復(fù)連接而成的鏈狀化合物，高分子也稱聚合物或是高聚物，英文都是polymer。1.什么是高分子？6.1.2高分子材料基本概念

高聚物是高分子化合物的簡稱，是由成千上萬個原子通過化學(xué)鍵連接而成的高分子所組成的化合物。高聚物的基本特點相對分子質(zhì)量大分子鏈長相對分子質(zhì)量具有多分散性§6.1高分子材料概述11

低分子化合物和高分子化合物之間并無嚴格界限，化學(xué)結(jié)構(gòu)相同的化合物，分子量小者稱低分子化合物，分子量大者（一萬以上）稱高分子化合物?；衔锓肿恿康头肿樱?00以下）無機鐵水石英55.81860有機甲烷苯三硬脂酸甘油脂1678890高分子（5000以上）天然天然纖維素天然橡膠~570,000200,000~500,000合成聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲脂尼龍6612,000~160,00050,000~140,00020,000~25,0006.1.2高分子材料基本概念12用來制備高分子的小分子物質(zhì)稱單體。高分子的單體：

通過聚合反應(yīng)能制備高分子化合物的物質(zhì)稱做單體。2.常用的術(shù)語▲單體

例如乙烯是單體，能聚合生成聚乙烯。[CH2–CH2]n6.1.2高分子材料基本概念13

構(gòu)成大分子的最小重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，簡稱結(jié)構(gòu)單元，或稱鏈節(jié)?！Y(jié)構(gòu)單元[CH2–CH2]n▲聚合度重復(fù)結(jié)構(gòu)單元數(shù)目，即鏈節(jié)數(shù)。單獨提出用DP或Xn表示，在結(jié)構(gòu)式中用n表示。6.1.2高分子材料基本概念14——構(gòu)成高分子主鏈骨架的單個原子?！涉溤蛹捌淙〈M成的原子或原子團。聚丙烯聚乙二醇▲鏈原子▲鏈單元6.1.2高分子材料基本概念15——平均相對分子質(zhì)量是體系內(nèi)所有個體相對分子質(zhì)量的平均值，高聚物的相對分子質(zhì)量具有多分散性。塑料相對分子質(zhì)量橡膠相對分子質(zhì)量纖維相對分子質(zhì)量高密度聚乙烯聚氯乙烯聚苯乙烯聚碳酸酯6～30萬5～15萬10～30萬2～6萬天然橡膠丁苯橡膠順丁橡膠氯丁橡膠20～40萬16～20萬25～30萬10～12萬錦綸-66滌綸維尼綸腈綸1.2～1.8萬1.8～2.3萬6～7.5萬5～8萬表：常見三大合成材料的相對分子質(zhì)量范圍▲平均相對分子質(zhì)量6.1.2高分子材料基本概念16高聚物的命名習(xí)慣或商品命名法系統(tǒng)命名法通俗命名法樹脂命名法橡膠命名法結(jié)構(gòu)特征命名法“聚”＋單體名稱3.高聚物的命名6.1.2高分子材料基本概念17▲通俗命名法△“聚”＋單體名稱

實例

聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、等?！髟厦Q簡字＋“樹脂”

實例酚醛樹脂、脲醛樹脂擴充：聚氯乙烯樹脂、聚乙烯樹脂等△單體簡字＋“橡膠”

實例丁苯橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠、順丁橡膠△結(jié)構(gòu)特征命名具有“酯－COO－結(jié)構(gòu)”的高聚物稱為聚×××酯；具有“酰胺－CONH－結(jié)構(gòu)”的高聚物稱為聚×××酰胺；具有“醚－O－結(jié)構(gòu)”的高聚物稱為聚×××醚。6.1.2高分子材料基本概念18高聚物的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元通俗名稱系統(tǒng)名稱習(xí)慣或商品名稱英文縮寫－CH2－CH2－－CH2－CH(CH3)－－CH2－CH(Cl)－－CH2－C(CH3)－-CO－－OCO(CH2)2O-－NH－(CH2)5－CO－聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯聚對苯二甲酸乙二酯聚已內(nèi)酰胺聚亞乙基聚亞丙基聚(1-氯亞乙基)聚[(1-甲氧基酰基)-1-甲基亞乙基]聚(氧亞乙基對苯二酰)高密度聚乙烯低密度聚乙烯（絲用）丙綸（絲用）氯綸有機玻璃滌綸錦綸-6或尼龍-6HDPELDPEPPPVCPMMAPETPPA-6COOCH3▲習(xí)慣名稱與商品名稱6.1.2高分子材料基本概念19●組成：主要由C、H、O組成；●分子量多分散性，只有一定的范圍，是分子量不等的同系物的混合物；分子量很大（104～107，甚至更大）；●沒有固定熔點，只有一段寬的溫度范圍；●沒有沸點和固定的熔點，分子間力很大，加熱到200℃

～300℃以上，材料破壞（降解或交聯(lián)）；●鏈式結(jié)構(gòu)；●柔性分子鏈大部分高分子的主鏈具有一定的內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度。4.高分子的特點6.1.2高分子材料基本概念20由于這些突出特點，聚合物顯示出了特有的性能，表現(xiàn)為“三高一低一消失”。既是：*高分子量、*高彈性、*高黏度、*結(jié)晶度低、*無氣態(tài)。因此這些特點也賦予了高分子材料（如復(fù)合材料、橡膠等）高強度、高韌性、高彈性等特點。6.1.2高分子材料基本概念215.什么是高分子材料？以高分子化合物為基本原料，加入適當?shù)闹鷦?，?jīng)過一定加工制成的材料。ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）

6.1.2高分子材料基本概念22按材料來源分類天然高分子合成高分子按化學(xué)組成分類元素有機高分子碳鏈高分子雜鏈高分子無機高分子6.高分子材料分類按材料性能和用途分類塑料橡膠纖維涂料粘合劑功能高分子三大合成材料6.1.2高分子材料基本概念23塑料主要品種有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯(四大通用塑料)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。三大合成材料:6.1.2高分子材料基本概念24——是以樹脂為主要成分，加入各種添加劑，在一定溫度和壓力下塑造成一定形狀，并在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。1.塑料◆塑料的組成：塑料＝樹脂＋添加劑樹脂是未經(jīng)加工處理的、沒有與各種添加劑混合的聚合物，是塑料的主要成分，對塑料性能起決定性作用。添加劑是為改善塑料某些性能而加入的物質(zhì)。添加劑6.1.3高分子材料簡介§6.1高分子材料概述25

(1)填料——主要起增強作用；

(2)增塑劑——用于提高樹脂的可塑性和柔軟性；

(3)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)；

(4)穩(wěn)定劑——用于防止塑料老化，延長其使用壽命；

(5)潤滑劑——用于防止塑料加工時粘模具上,使制品光亮。

(6)著色劑——用于塑料制品著色。

(7)其他的還有發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑、抗靜電劑等?！羲芰系奶砑觿┘捌渥饔茫?.1.3高分子材料簡介26◆塑料分類1）按塑料用途分：

通用塑料：一般指產(chǎn)量大、用途廣、成型性好、價廉，但性能一般，主要用于非結(jié)構(gòu)材料。工程塑料：一般指能承受一定的外力作用，并有良好的機械性能和尺寸穩(wěn)定性，長期使用溫度在100℃以上，可以作為工程結(jié)構(gòu)件的塑料。特種塑料：一般指具有特種功能（如耐熱、自潤滑等），應(yīng)用于特殊要求的塑料。如氟塑料、有機硅等。6.1.3高分子材料簡介27聚乙烯（PE）環(huán)氧樹脂（EP）聚丙烯（PP）酚醛樹脂（PF）聚苯乙烯（PS）聚氨酯（PU）聚氯乙烯（PVC）不飽和聚脂（UP）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）——有機玻璃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。最好的透明材料，透光率達到92%以上，比普通玻璃好。環(huán)氧樹脂電器配件▲通用塑料6.1.3高分子材料簡介28聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

即有機玻璃。

●有機玻璃的透明度比無機玻璃還高,透光率達92%;

●密度只有無機玻璃的一半,為1.18g/cm3。

●機械性能比普通玻璃高得多(與溫度有關(guān))。制造儀表護罩、外殼、光學(xué)元件、透鏡等。有機玻璃頂棚6.1.3高分子材料簡介29聚砜（PSU）聚酰胺（PA）聚醚砜（PES）聚碳酸酯（PC）聚醚醚酮（PEEK）聚甲醛（POM）聚苯硫醚（PPS）聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）聚四氟乙烯（PTFE）丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）又稱尼龍。強度較高，耐磨、自潤滑性好，廣泛用作機械、化工及電氣零件。熱穩(wěn)定性高是其最突出的特點。使用溫度150~174℃。用于機械設(shè)備等工業(yè)。PC擋風(fēng)板優(yōu)良的機械性能，透明無毒，應(yīng)用廣泛?！こ趟芰?.1.3高分子材料簡介306.1.3高分子材料簡介

ABS樹脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母縮寫）是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料。ABS塑料應(yīng)用：

制造齒輪、泵葉輪、軸承、把手、管道、儲槽內(nèi)襯、電機外殼、儀表盤、蓄電池槽、水箱外殼等。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、小轎車車身。制作紡織器材、電訊器件。摩托車擋泥板31▼熱塑性塑料：指在特定溫度范圍內(nèi)能反復(fù)加熱軟化和冷卻硬化,具有多次重復(fù)加工性的塑料。

如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯塑料等。▼熱固性塑料：因受熱發(fā)生固化反應(yīng)，形成不溶性物料，不具有多次重復(fù)加工性的塑料。

如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。2）按樹脂受熱性能分32塑料比較輕，這是相對于金屬和有機玻璃而言的，輕的原因不是因為它是高分子化合物，而是因為它們是有機化合物，即由碳、氫、氧、氮等較輕的元素組成的。塑料易于加工。塑料具有可塑性，即在加熱或加壓后變形，在降溫或壓力消失后維持原形不變?？梢酝ㄟ^擠出，注射等方式加工成各自形狀的產(chǎn)品。塑料絕緣性好，耐腐蝕?？勺鳛殡娖?、電線的絕緣包覆物。塑料不易腐爛。大量的塑料廢棄無法被自然界吸收、分解，從而造成一定程度的環(huán)境污染。

◆塑料的特點優(yōu)點：6.1.3高分子材料簡介33剛性差(為鋼鐵材料的1/100～1/10)，強度低；耐熱性差、熱膨脹系數(shù)大（是鋼鐵的10倍）、導(dǎo)熱系數(shù)小(只有金屬的1/200～1/600)；蠕變溫度低、易老化。塑料的缺點：6.1.3高分子材料簡介34——是一種在使用溫度范圍內(nèi)處于高彈態(tài)的高分子化合物。2.橡膠6.1.3高分子材料簡介●性能特點彈性變形量可達100％～1000％，而且回彈性好，回彈速度快。橡膠還有一定的耐磨性，很好的絕緣性和不透氣、不透水性。

35●橡膠用途彈性材料密封材料傳動材料減震防震材料36天然橡膠橡膠合成橡膠通用合成橡膠特種合成橡膠丁苯橡膠SBR順丁橡膠BR異戊橡膠IR氯丁橡膠CR乙丙橡膠EPDM丁腈橡膠NBR硅橡膠●

橡膠分類用人工合成的方法制得的高分子彈性材料從自然界含膠植物中制取的一種高彈性物質(zhì)6.1.3高分子材料簡介37是從天然植物中采集出來的一種高彈性材料，經(jīng)采集、凝聚、洗滌、干燥等過程即得。

制造各種輪胎以及工業(yè)橡膠制品，如膠管、膠帶和工業(yè)用橡膠雜品；日常生活用品如膠鞋、雨衣以及醫(yī)療衛(wèi)生用品等。

天然橡膠6.1.3高分子材料簡介38①生膠②配合劑

要有硫化劑、硫化促進劑、防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。硫化劑天然橡膠（生膠）線型橡膠網(wǎng)狀體型●

橡膠的組成6.1.3高分子材料簡介39

生膠人工合成用于以制膠的高分子聚合物。生膠先進行塑練，呈塑性狀態(tài)，再加入各種配料，經(jīng)過混練成型、硫化處理。

1.硫化劑

硫化處理：變塑性生膠為彈性膠的處理。能起硫化作用的物質(zhì)稱硫化劑，有硫磺、含硫化合物、硒、過氧化物等。

2.硫化促進劑

胺類、胍[guā]類、硫脲類物質(zhì)，降低硫化溫度、加速硫化過程。

3.補強填充劑

提高橡膠的機械性能，改善其加工工藝性能，降低成本。如碳黑、陶土、碳酸鈣、硫酸鋇、氧化硅、滑石粉等。合成橡膠40高彈性

橡膠的彈性模量小，一般在1～9.8MPa。伸長變形大，伸長率可高達1000%，仍表現(xiàn)有可恢復(fù)的特性，并能在很寬的溫度（-50～150℃）范圍內(nèi)保持有彈性。粘彈性

橡膠是粘彈性體。由于大分子間作用力的存在，使橡膠受外力作用。產(chǎn)生形變時受時間、溫度等條件的影響，表現(xiàn)有明顯的應(yīng)力松馳和蠕變現(xiàn)象。緩沖減震作用

橡膠對聲音及振動和傳播有緩和作用，可利用這一特點來防除噪音和振動。電絕緣性

橡膠和塑料一樣是電絕緣材料，天然橡膠和丁基橡膠和體積電阻率可達到1015Ωcm以上。

◆橡膠特點6.1.3高分子材料簡介41溫度依賴性高分子材料一般都受溫度影響。橡膠在低溫時處于玻璃態(tài)變硬變脆，在高溫時則發(fā)生軟化、熔融、熱氧化、熱分解以至燃燒。具有老化現(xiàn)象

如同金屬腐蝕、木材腐朽、巖石風(fēng)化一樣，橡膠也會因環(huán)境條件的變化而發(fā)生老化，使性能變壞，使壽命縮短。

必須硫化

橡膠必須加入硫黃或其它能使橡膠硫化（或稱交聯(lián)）的物質(zhì)，使橡膠大分子交聯(lián)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，才能得到具有使用價值的橡膠制品，但是，熱塑性橡膠可不必硫化。

橡膠密度低，屬于輕質(zhì)材料，硬度低，柔軟性好；透氣性較差，可做氣密性材料；還是較好的防水性材料等等。6.1.3高分子材料簡介42——是指長度比直徑大很多倍，并且有一定柔韌性的纖細物質(zhì)。3.纖維6.1.3高分子材料簡介熔體紡絲43纖維天然纖維化學(xué)纖維棉花羊毛蠶絲麻合成纖維人造纖維六大綸滌綸

的確良錦綸

尼龍腈綸

人造羊毛丙綸

輕、耐磨維綸

成本低氯綸

保暖、彈性好醋酸纖維粘膠纖維◆纖維的分類6.1.3高分子材料簡介444.膠粘劑除了基料外(一種或幾種高聚物)，還有固化劑、填料、增塑劑、增韌劑、稀釋劑、促進劑及著色劑等?！裟z粘劑的組成——是靠界面間作用使各種材料牢固地粘接在一起的物質(zhì)。6.1.3高分子材料簡介45◆膠粘劑的分類膠粘劑天然膠粘劑合成膠粘劑淀粉系、蛋白質(zhì)系、天然樹脂系、天然橡膠系樹脂型橡膠型熱塑性熱固性聚醋酸乙烯聚乙烯醇聚丙烯酸酯飽和聚酯聚氨酯脲醛樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等氯丁橡膠、丁腈橡膠、丁苯橡膠、丁基橡膠、有機硅橡膠、熱塑性橡膠價格低、無毒、主要用于紙品的粘接和辦公用品中的漿液。產(chǎn)量最大的熱塑性膠粘劑，主要品種有PVAc

溶液粘合劑、PVAc乳液粘合劑等。6.1.3高分子材料簡介465.涂料——是指涂布在物體表面而形成具有保護和裝飾作用膜層的材料?！敉苛系慕M成（1）粘結(jié)劑：與物體表面和顏料具有良好的結(jié)合力，可分為轉(zhuǎn)化型和非轉(zhuǎn)化型兩種類型。（2）顏料：起裝飾作用，并對物體表面起抗腐蝕的保護作用（3）溶劑：溶解成膜物質(zhì)的易揮發(fā)性液體（4）其他添加劑：增塑劑、催干劑、增稠劑、稀釋劑、殺菌劑，顏料分散劑，阻聚劑，防結(jié)皮劑等6.1.3高分子材料簡介47◆常用涂料醇酸樹脂涂料

具有附著力強、光澤好、硬度大、保光性和耐候性好等特點，可制成清漆、磁漆、底漆和膩子。氨基樹脂涂料

主要有三聚氰胺甲醛樹脂、脲醛樹脂等涂料。聚氨酯涂料

具有耐磨性優(yōu)異、附著力強、耐化學(xué)腐蝕，廣泛用作地板漆甲板漆、紗管漆等。酚醛樹脂涂料有機硅涂料6.1.3高分子材料簡介486.功能高分子材料——是具有特殊的功能，如光敏性、導(dǎo)電性、磁性、化學(xué)活性、生物相容性，高分子液晶等。它們除了具有一定的機械性能外，還具有其他的物理性能和化學(xué)性能。導(dǎo)電高分子材料6.1.3高分子材料簡介高分子人造血管隱形眼鏡（聚甲基丙烯酸羥乙酯）醫(yī)用高分子材料光敏性高分子材料

一般認為有機化合物是電絕緣體，但在1974年科學(xué)家們合成了具有導(dǎo)電性能的高順式聚乙炔薄膜，隨后相繼發(fā)現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電高分子，如聚吡咯、聚苯硫醚、聚噻吩、聚苯胺等，經(jīng)摻雜后可產(chǎn)生高電導(dǎo)率。49合成加工（成型）§6.2高分子材料的合成與成型50聚合反應(yīng)高分子反應(yīng)縮聚反應(yīng)加聚反應(yīng)用天然高分子用合成高分子形成高分子的方法復(fù)合材料516.2.1天然高分子材料的加工§6.2高分子材料的合成與成型52天然橡膠制備過程示意圖53高分子材料合成基本原理，包括自由基反應(yīng)、離子型反應(yīng)、縮聚反應(yīng)、加成縮聚反應(yīng)等不同合成方法的理論，以及高分子材料合成與分子設(shè)計以及合成樹脂、合成橡膠、合成纖維、涂料、粘合劑、工程高分子材料、特種高分子、功能高分子等眾多品種的生產(chǎn)和制備方法、生產(chǎn)工藝過程、工藝設(shè)備等內(nèi)容。6.2.2人工高分子材料的合成（制備）高分子單體聚合反應(yīng)

高分子材料的合成都是由某種或幾種單體通過高分子化學(xué)反應(yīng)來制備的?！?.2高分子材料的合成與成型54原材料：單體活性處理、其他輔助材料加聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)高分子化合物聚合反應(yīng)---低分子化合物（單體）聚合形成高分子化合物6.2.2人工高分子材料的合成（制備）55（2）縮聚反應(yīng)-------縮聚物一種或幾種單體相互混合而連接成聚合物，同時析出(縮去)某種低分子物質(zhì)(如水、氨、醇、鹵化氫等)的反應(yīng)?？s聚物成分與單體不同。（1）加聚反應(yīng)--------加聚物一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)，加聚物具有同其單體相同的成分（無副產(chǎn)物）。如：乙烯→聚乙烯nCH2=CH2→[CH2

CH2]n6.2.2人工高分子材料的合成（制備）566.2.3高分子材料的加工（成型）(成形）第3章材料工藝概述---已介紹◆壓制成型◆擠出成型◆注射（注塑）成型◆壓延成型◆二次成型

中空吹塑 拉伸薄膜 真空吸塑……有機物原料或型材成形加工切削加工零件熱處理、焊接等熱壓、注塑、擠壓、噴射、真空成形等6.2.2人工高分子材料的合成（制備）57§6.3高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)●組成元素：

C、H、O，另外N、Cl、F、B、Si、S等。

——共價鍵1.大分子鏈的結(jié)構(gòu)（1）化學(xué)組成★碳鏈大分子：主鏈全部由碳原子以共價鍵結(jié)合。例：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯★雜鏈大分子：大分子鏈除碳原子外，還有O、N、S、P。

例:聚甲醛、聚酰胺★元素鏈大分子：大分子鏈中不含碳原子，而是由Si、O、B、S、P等元素組成。

例:氟硅橡膠58主鏈元素︵鏈原子︶組成碳鏈聚合物：主鏈（鏈原子）完全由C原子組成。絕大部分烯類、雙烯類聚合物屬于這一類。元素有機聚合物：大分子主鏈中沒有碳原子，主要由Si、B、Al、O、N、S、P等原子組成，側(cè)基則由有機基團組成。聚乙烯聚丙烯雜鏈聚合物：鏈原子除C外，還含O,N,S等雜原子。如：聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚醚等。聚乙二醇尼龍—6無機高分子：主鏈和側(cè)鏈均無碳原子，如：硅酸鹽等。聚二甲基硅氧烷6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)59（2）大分子鏈的形態(tài)A、線型分子鏈：各鏈節(jié)以共價鍵連接成長鏈分子，直徑小，長度很長，呈卷曲狀或線團狀。長徑比1000:1。B、支化型分子鏈：在主鏈的兩側(cè)以共價鍵連接相當數(shù)量的長短不一的支鏈，其形狀有樹枝型、梳型、線團型。C、體型分子鏈：在線型或支化型分子鏈之間，沿橫向通過鏈節(jié)以共價鍵連接起來，形成三維網(wǎng)狀大分子。6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)60線型聚合物——熱塑性聚合物：

線型和支化型分子鏈構(gòu)成的聚合物

性能：高彈性、高塑性特點：重復(fù)的軟化和硬化例如：滌綸、尼龍、生橡膠體型聚合物——熱固性聚合物：體型分子鏈構(gòu)成的聚合物性能：具有較高的強度和熱固性特點：不能再加熱熔化和軟化例如：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硫化橡膠6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)61立體異構(gòu)：化學(xué)成分相同而不對稱取代基沿分子鏈占據(jù)位置不同，具有不同鏈結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。（3）大分子鏈的空間構(gòu)型

——原子或原子團在空間的排列方式，即鏈結(jié)構(gòu)。A、如分子鏈的側(cè)基為氫原子時，則其排列順序不影響空間構(gòu)型。B、分子鏈的側(cè)基中有其他原子或原子團，則排列方式不只一種。6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)62①全同立構(gòu)：取代基R有規(guī)律地位于碳鏈平面同一側(cè)。②間同立構(gòu)：取代基R交替地排列在碳鏈平面兩側(cè)。③無規(guī)立構(gòu)：取代基R無規(guī)律排列在碳鏈平面兩側(cè)。易結(jié)晶，硬度、密度、軟化溫度及熔點較高。不易結(jié)晶性能較差。立體異構(gòu)有三類：6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)631〉內(nèi)旋轉(zhuǎn)：由于原子熱運動，兩個原子作相對旋轉(zhuǎn)，即保持鍵角、鍵長不變的情況下，單鍵作旋轉(zhuǎn)。2〉大分子鏈的構(gòu)象：單鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的空間形象。3〉分子鏈的柔性：能拉伸、回縮的性能→彈性好。分子鏈旋轉(zhuǎn)愈容易，柔性愈好2.大分子鏈的構(gòu)象及柔性6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)643.高分子材料的聚集態(tài)

是指高聚物材料整體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即高分子鏈與鏈之間的排列和堆砌結(jié)構(gòu)。

高分子之間以次價鍵（范德華力）聚集。由于相對分子質(zhì)量很大，總的次價鍵力超過共價鍵力。因此高分子只有固態(tài)和液態(tài)，沒有氣態(tài)。高分子有兩種狀態(tài)固態(tài)高聚物液態(tài)高聚物又稱粘流態(tài)三種聚集狀態(tài)晶態(tài)結(jié)構(gòu)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)部分晶態(tài)結(jié)構(gòu)高聚物可以高度結(jié)晶，但不能達到100％，即結(jié)晶高聚物可處于晶態(tài)和非晶態(tài)兩相共存的狀態(tài)。6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)65晶態(tài)分子鏈在空間規(guī)則排列強度、剛度、耐熱性、抗熔性好部分晶態(tài)部分規(guī)則排列介于兩者之間非晶態(tài)無規(guī)則排列彈性、延伸率、韌性好6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)66晶態(tài)高聚物比體積發(fā)生突變，結(jié)晶體積減小

大多數(shù)聚合物都是部分晶態(tài)或完全非晶態(tài)

結(jié)晶度30%~90%粘液體玻璃態(tài)部分晶態(tài)晶態(tài)Tm—熔點Tg—玻璃化轉(zhuǎn)變溫度6.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)671.力學(xué)性能Tb為脆化溫度，Tg為玻璃化溫度，Tf

為粘流溫度，Td為化學(xué)分解溫度6.3.2高分子材料的性能（1）線型非晶態(tài)高聚物的三種力學(xué)狀態(tài)成型加工橡膠塑料纖維§6.3高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能68

在Tg以下，聚合物處玻璃態(tài)，其質(zhì)硬，性脆，無彈性，類似玻璃，體積粘度大，鏈段運動受限。當升溫到Tf

（粘流溫度）時，鏈段運動強烈，有明顯分子間位移，物料熔融達到象液體一樣的流動狀態(tài)，即粘流態(tài)。

溫度升高到Tg以上，聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)（高彈態(tài)），質(zhì)軟而有彈性，鏈段能較自由地轉(zhuǎn)動。玻璃態(tài)和高彈態(tài)均為固體。TgTf

形變玻璃態(tài)高彈態(tài)粘流態(tài)非晶態(tài)高聚物形變-溫度關(guān)系曲線

溫度6.3.2高分子材料的性能69我們通常把玻璃態(tài)與高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，稱為玻璃化轉(zhuǎn)變，它所對應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度即是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，或是玻璃化溫度，用Tg表示。線性無定性聚合物在力學(xué)三態(tài)中的分子運動特點6.3.2高分子材料