高分子材料課件

高分子材料HighpolymerMaterial《工程材料》多媒體課件2/20/20241緒論一、非金屬工程材料的定義：金屬材料之外的所有工程材料。金屬材料：鋼鐵、有色金屬；工程材料高分子材料：塑料、橡膠、復(fù)合材料；無機(jī)非金屬材料：陶瓷，玻璃、水泥；三大固體材料，稱為材料的三大支柱。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/20242二、非金屬材料的發(fā)展：1.金屬材料的優(yōu)點(diǎn)及局限性：使用性能：高強(qiáng)韌性；導(dǎo)電導(dǎo)熱性；優(yōu)點(diǎn)工藝性能：切削加工；鑄、鍛、焊；柯垂?fàn)枺航饘俳窈笠欢螘r(shí)間仍是主要的工程材料。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/20243局限性：難以適用密度小、耐腐蝕、電絕緣、減震、消音、耐高溫等。密度：鋼7.8、鋁2.7、高分子0.8-2.0；耐腐蝕：金屬難以與陶瓷相比；耐高溫：金屬耐熱鋼＜800℃、鎳基合金＜1000℃、鉬基合金＜1300℃、陶瓷工作溫度1700-2000℃；材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202442.非金屬材料的發(fā)展史：（1）高分子材料：1920年，確立了“大分子鏈結(jié)構(gòu)學(xué)說”，合成高分子材料誕生。1983年：與鋼鐵材料相當(dāng)；1985年：占工程材料54％，金屬占38％；2000年：3.5萬噸，體積是金屬材料的4倍；發(fā)展很快，就體積來說。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/20245（2）陶瓷材料：傳統(tǒng)陶瓷指：陶器、瓷器、玻璃、水泥，性能硬、脆；現(xiàn)代陶瓷指：所有無機(jī)非金屬材料的總稱。近三十年來，以氧化物（例Al3O2)、氮化物（例Si3N4)和碳化物（例SiC）等高純化合物為原料，經(jīng)過傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)工藝制成的無機(jī)多晶產(chǎn)品，已成為：高溫材料：例：火箭噴氣口、高溫電爐發(fā)熱體；功能材料：光導(dǎo)纖維；的主力軍。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/20246（3）復(fù)合材料：高的比強(qiáng)度、高的剛度、低的密度等，是單一材料和合金難以比擬的。（4）非金屬材料不是金屬材料的代用品，而是具有優(yōu)越性能的不可缺少的材料。例如;美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)，機(jī)身覆蓋一萬多塊隔熱絕熱陶瓷，以保護(hù)飛機(jī)。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/20247三、非金屬材料的發(fā)展趨勢(shì)：1、研制具有優(yōu)良性能的新材料；2、對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行改性；例如加入添加劑改性，是工程材料的主要發(fā)展方向。3、研制復(fù)合材料：傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合；現(xiàn)在:金屬基復(fù)合、陶瓷基復(fù)合、功能復(fù)合材料，例建筑屋頂，集構(gòu)件、發(fā)電、采暖于一體。4、新型功能塑料的研制：例如：導(dǎo)電塑料、導(dǎo)磁塑料、醫(yī)用塑料、人工降解塑料等。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/20248基本概念第一節(jié)BasicConcept2/20/20249

一、高分子材料的基本概念

1、高分子化合物:指分子量很大的有機(jī)化合物，每個(gè)分子可含幾千、幾萬甚至幾十萬個(gè)原子。也叫高聚物、或聚合物；

分子量＜500，叫低分子；分子量＞500，叫高分子，一般高分子材料的分子量在103-106之間。2萬-16萬12萬-百萬＞20萬～9萬1802860分子量聚氯乙烯聚乙烯淀粉橡膠單糖乙烯石英名稱材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024102、高分子材料:以高分子化合物為主要組分的材料。主要包括：塑料、橡膠、化學(xué)纖維等。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202411

二、高分子化合物的組成定義：組成高分子化合物的簡(jiǎn)單低分子化合物。或：凡是可以聚合成大分子鏈的低分子化合物。例：乙烯分子：CH2=CH2高分子化合物的分子量雖很大，但其化學(xué)組成并不復(fù)雜，通常由一種或幾種低分子化合物聚合而成。例：

聚乙烯1、高分子化合物的單體、鏈節(jié)和聚合度:①單體：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202412單體的必要條件：至少能形成兩個(gè)或兩個(gè)以上新鍵的有機(jī)化合物，才能做為單體。例：烯烴，雙鍵；炔烴，三鍵。②鏈節(jié)：定義：構(gòu)成高聚物的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)。例：③聚合度：高分子鏈節(jié)中的數(shù)目n。氯乙烯苯乙烯氯乙烯鏈節(jié)尼龍-66鏈節(jié)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024132、高聚物的分子量的多分散性和平均分子量：①高聚物的分子量是M：m:鏈節(jié)分子量；n:聚合度分子量不同，高聚物的性能和物理狀態(tài)不同。例：聚乙烯分子量室溫狀態(tài)n=8M=224氣+液n>50M>1400軟態(tài)固體n>200～2000M>5600～560000固體材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202414②高聚物分子量的多分散性：低分子化合物有確定而均一的分子量。例：H2O，18；CO2，44。高分子化合物總是由不同大小的分子組成，這一現(xiàn)象稱為高分子化合物的分子量的多分散性。例：聚苯乙烯：分子量10000～300000聚丙烯脂：分子量60000～500000分子量的分散性對(duì)性能產(chǎn)生影響。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202415③平均分子量ⅰ、平均分子量用表示，具有統(tǒng)計(jì)概念。ⅱ、平均分子量和分布寬窄（分散性大?。┯绊懜呔畚锏奈锢怼⒘W(xué)性能。越大，強(qiáng)度越高，硬度越高，但融熔粘度增大，流動(dòng)性差。分散性大；熔融溫度范圍變寬，有利于加工成型，但抗撕裂性差。ⅲ、生產(chǎn)中，通過控制產(chǎn)品的分子量大小和分布情況，改善性能以滿足不同的需要。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202416分子量過高部分使聚合物的強(qiáng)度增加，但加工成型時(shí)塑化困難；低分子量部分使聚合物強(qiáng)度降低，但易于加工不同用途的聚合物應(yīng)有其合適的分子量分布:

合成纖維：分子量分布宜窄；

塑料、橡膠：分子量分布可寬；常用的聚合物的分子量（萬）

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202417

其中氯乙烯就是聚氯乙烯的單體.

就是聚氯乙烯分子鍵的鏈節(jié)，n就是聚合度。聚合度反映了大分子鏈的長(zhǎng)短和分子量的大小，高分子化合物的分子量（M）是鏈節(jié)的分子量（M0）與聚合度（n）的乘積。M=M0×n

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202418三、高分子化合物的聚合：

定義：由一種或多種單體相互加成，或由環(huán)狀化合物開環(huán)相互結(jié)合成聚合物的反應(yīng)稱為加聚反應(yīng)。均聚物:由一種單體經(jīng)過加聚反應(yīng)生成的高分子化合物；

例如：聚乙烯、聚苯乙烯等。加成聚合反應(yīng)1.

加聚反應(yīng)：特點(diǎn)：聚合物的結(jié)構(gòu)單元與單體組成相同；分子量是單體分子量的整數(shù)倍；聚合過程無副產(chǎn)物生成。均聚反應(yīng)表達(dá)式：

或（A）n

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202419共聚物:由兩種或兩種以上的單體經(jīng)過加聚反應(yīng)生成的高分子化合物。

例：ABS塑料。A：丙烯脂B：丁二烯S：苯乙烯

ABS材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202420材料科學(xué)與工程學(xué)院ⅰ、共聚反應(yīng)表達(dá)式：ⅱ、注意：共聚物不能理解為混合物，而是主鏈中包含兩種或兩種以上單體鏈節(jié)的新型聚合物。ⅲ、共聚物中單體鏈節(jié)的排列方式：A、B表示兩種單體無規(guī)共聚：—A—B—A—A—B—A—B—B—B—

交替共聚：—A—B—A—B—A—B—A—B—A—

2/20/202421材料科學(xué)與工程學(xué)院嵌散共聚：—A—A—B—B—A—A—B—B—A

接枝共聚：ⅳ、共聚物的性能類似于合金，通過改變共聚物的單體和比例，可以改善高聚物的性能。例：ABS中，隨2/20/202422

由一種單體或多種單體相互縮合生成聚合物，同時(shí)析出其它低分子化合物（如水、氨、醇、鹵化物等）的反應(yīng)稱為縮聚反應(yīng)。2.

縮聚反應(yīng)：共縮聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上的單體進(jìn)行的縮聚反應(yīng)。均縮聚反應(yīng)：由一種單體進(jìn)行的縮聚反應(yīng)。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202423特點(diǎn)：官能團(tuán)之間反應(yīng)，縮聚物有特征結(jié)構(gòu)官能團(tuán)；有低分子副產(chǎn)物；縮聚物和單體分子量不成整數(shù)倍。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202424四、高分子材料的分類①按來源：ⅰ、天然聚合物：天然橡膠，纖維素，蛋白質(zhì)等。ⅱ、人造聚合物：經(jīng)人工改性的天然聚合物。例：硝酸纖維。ⅲ、合成聚合物：完全由低分子人工合成。如聚氯乙烯。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202425②按反應(yīng)類型：ⅰ、加聚物：如聚烯烴ⅱ、縮聚物：如酚醛樹脂③按工藝性質(zhì)：塑料、橡膠、纖維、涂料④按分子的幾何結(jié)構(gòu)：ⅰ、線型高聚物；ⅱ、體型高聚物材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202426高分子結(jié)構(gòu)第二節(jié)MacromoleculeStructure2/20/202427

結(jié)構(gòu)分類：聚合物結(jié)構(gòu)大分子鏈結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)結(jié)晶無定型態(tài)線型重復(fù)單元結(jié)構(gòu)玻璃態(tài)微觀結(jié)構(gòu)高彈態(tài)粘流態(tài)支鏈型體型序列結(jié)構(gòu)立體異構(gòu)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202428

1.大分子鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成

在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金屬、亞金屬元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子鏈。由于高聚物中常見的C、H、O、N等元素均為輕元素，所以高分子材料具有密度小的特點(diǎn)。

一.

大分子鏈結(jié)構(gòu)：分子內(nèi)結(jié)構(gòu)其中C鏈這最多。C鏈結(jié)構(gòu)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202429①一般為共價(jià)鏈連接，不易失去和獲得電子。②比重小，都是輕元素：C、H、O、N。故高分子材料比重小，0.29～2.0g/cm3。③組成元素不同，性能差別很大。如聚乙烯中的H被F原子代替，即聚四氟乙烯，是耐王水腐蝕的塑料王。四氟乙烯：聚乙烯：大分子鏈的特點(diǎn)：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024301)線型分子鏈：

由許多鏈節(jié)組成的長(zhǎng)鏈，通常是卷曲成線團(tuán)狀。這類結(jié)構(gòu)高聚物的特點(diǎn)是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料的典型結(jié)構(gòu)。2)支化型分子鏈：

在主鏈上帶有支鏈。這類結(jié)構(gòu)高聚物的性能和加工都接近線型分子鏈高聚物。2.大分子鏈形態(tài)：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202431

3)體型分子鏈：

分子鏈之間由許多鏈節(jié)相互橫向交聯(lián)。這類結(jié)構(gòu)的高聚物硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是熱固性材料的典型結(jié)構(gòu)。材料科學(xué)與工程學(xué)院交聯(lián)分子結(jié)構(gòu)三維空間分子結(jié)構(gòu)2/20/202432線型→體型的轉(zhuǎn)化：（不可逆）一定條件下，線形可以轉(zhuǎn)化成體型。即固化或交聯(lián)。例：橡膠的硫化等。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化帶來很大的性能變化。例如：低密度聚乙烯：有彈性，做薄膜、奶瓶等；高密度聚乙烯：做較硬的水杯、工程塑料；交聯(lián)聚乙烯：做海底電纜的包皮，有出色的絕緣性，耐熱性。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202433不同結(jié)構(gòu)聚乙烯的性能材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024344.大分子鏈的構(gòu)象

——鏈的柔順性及熱運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：

（1）大分子鏈的構(gòu)象：ⅰ、大分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)：大分子鏈和其它的物質(zhì)一樣，處于不停的熱運(yùn)動(dòng)中，其運(yùn)動(dòng)方式是共價(jià)單鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。如圖：分子鏈可以在保持鏈長(zhǎng)和鏈角不變的情況下自旋轉(zhuǎn)。大量的單鏈都隨時(shí)進(jìn)行著旋轉(zhuǎn)。

b1b2b3材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202435ⅱ、大分子鏈的構(gòu)象：由于單鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起原子在空間位置的變化而構(gòu)成大分子鏈的各種形象稱為大分子鏈的構(gòu)象。（2）、大分子鏈的柔順性：ⅰ、大分子鏈上單鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，造成整個(gè)大分子鏈的形狀及末端距離每一瞬間都不相同，大分子鏈時(shí)而蜷曲，時(shí)而伸展，該特性稱為大分子鏈的柔順性。柔順性：大分子鏈構(gòu)象變化而獲得不同蜷曲程度的特性。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202436ⅱ、柔順性的好壞與鏈中單鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)的難易程度有關(guān)。運(yùn)動(dòng)的單元為鏈段，鏈段包含的鏈節(jié)數(shù)越少，則運(yùn)動(dòng)越容易，大分子鏈的柔順性越好。ⅲ、大分子鏈的柔順性是高聚物與低分子物質(zhì)在許多基本性能上差異的原因。例：高彈性。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202437二.

高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：分子間結(jié)構(gòu)1、大分子鏈間的作用力：分子量越大，聚合度越高，大分子間的作用力越大，故強(qiáng)度、硬度增加。例：聚乙烯分子量50萬σ=15MPa

分子量100萬σ

=40MPa高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：指高聚物內(nèi)部高分子鏈之間的幾何排列或堆砌結(jié)構(gòu),也稱超分子結(jié)構(gòu)。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202438

依分子在空間排列的規(guī)整性可將高聚物分為：

結(jié)晶型、部分結(jié)晶型和無定型(非晶態(tài))三類。

2、高聚物的結(jié)晶度：

晶態(tài)結(jié)構(gòu)在高分子化合物中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)稱為結(jié)晶度。

晶態(tài)部分晶態(tài)非晶態(tài)

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202439

結(jié)晶度越高，分子間作用力越強(qiáng)，因此高分子化合物的強(qiáng)度、硬度、剛度和熔點(diǎn)越高，耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性也越好；而與鍵運(yùn)動(dòng)有關(guān)的性能，如彈性、伸長(zhǎng)率、沖擊韌性則降低。（1）高聚物不存在完全晶態(tài)的高聚物，通常把結(jié)晶超過50%的高聚物稱為結(jié)晶高聚物。結(jié)晶高聚物中：晶區(qū)、非晶區(qū)。結(jié)晶度一般為50～90%材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202440（2）影響結(jié)晶度的因素：ⅰ、分子鏈的結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分子鏈短，利于結(jié)晶。ⅱ、外力的影響：拉伸促進(jìn)高聚物的結(jié)晶。原因：沿拉伸方向伸展開，增加了分子鏈的接觸面積和減少距離，提高了分子間的作用力和結(jié)晶能力。例如：尼龍繩、包裝帶越拉越強(qiáng)。

ⅲ、冷卻速度：從熔融態(tài)緩慢冷卻有利于結(jié)晶，快冷不利于結(jié)晶。ⅳ、溫度：高聚物對(duì)應(yīng)結(jié)晶速度最快的溫度TK，在TK溫度保溫，結(jié)晶可充分進(jìn)行。例如：天然橡膠，TK=-24℃，若輪胎在低于TK溫度下工作，就會(huì)發(fā)生結(jié)晶而失去彈性。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024413、結(jié)晶對(duì)高聚物性能的影響：（1）熔點(diǎn)、密度、剛性、硬度、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性提高。原因：聚集狀態(tài)緊密，增強(qiáng)了分子間的作用力。（2）彈性、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊韌性降低。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202442高分子性能第三節(jié)MacromoleculeProperty

2/20/202443一、高聚物力學(xué)性能與溫度的關(guān)系

此類聚合物在恒定應(yīng)力下的變形-溫度曲線如圖。

Tb：脆化溫度；Tg：玻璃化溫度；Tf：粘流溫度；

Td：化學(xué)分解溫度。

（一）線形非晶態(tài)高聚物的力學(xué)性能：Tg溫度形變玻璃態(tài)粘流態(tài)高彈態(tài)Tf材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202444

Tb<T<Tg1.

玻璃態(tài)：ⅰ、特點(diǎn)：應(yīng)力與應(yīng)變成正比，符合虎克定律，具有一定的剛度。ⅱ、機(jī)理：大分子鏈整體不能運(yùn)動(dòng)，鏈段也不能運(yùn)動(dòng)，僅做微弱的熱振動(dòng)。ⅲ、塑料：室溫下處于玻璃態(tài)的高聚物叫塑料。例：聚氯乙烯：Tg=87℃聚苯乙烯：Tg=80℃有機(jī)玻璃：Tg=100℃材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202445

Tg<T<Tf2.

高彈態(tài)：ⅰ、特點(diǎn)：a、可回復(fù)的彈性變形量高達(dá)100～1000%。

b、彈性模量小，一般100MPa,比普通彈性材料小3～4數(shù)量級(jí)。

c、變形時(shí)生熱，回彈時(shí)吸熱。ⅱ、機(jī)理：鏈段可繞主鏈上的單鍵進(jìn)行內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但分子鏈之間不能運(yùn)動(dòng)。ⅲ、橡膠：室溫下處于高彈態(tài)的高聚物，叫橡膠。例：天然橡膠：Tg=-73℃、硅橡膠：Tg=-120℃材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202446ⅳ、影響Tg的因素：a、分子量增加，Tg升高，（Tg~Tf）區(qū)域增大，高彈區(qū)范圍加寬，分子量小于一定數(shù)值時(shí)，高彈區(qū)消失。b、鏈柔順性好，Tg下降。注意：鏈柔順性太好時(shí)，鏈段極易運(yùn)動(dòng)，可能出現(xiàn)鏈間滑脫而產(chǎn)生冷流現(xiàn)象，需要在鏈間適當(dāng)交聯(lián)。分子間的結(jié)合力強(qiáng)，Tg上升。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202447

Tf<T<Td3.

粘流態(tài)：ⅰ、特點(diǎn)：流動(dòng)的粘液，產(chǎn)生永久的不可逆變形。ⅱ、機(jī)理：鏈段和大分子鏈都可運(yùn)動(dòng)，鏈間產(chǎn)生滑脫。高聚物成為流動(dòng)的粘液。ⅲ、油漆、涂料：室溫下處于粘流態(tài)的高聚物。粘液態(tài)也是熱塑料性和橡膠的加工成型狀態(tài)。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202448

（二）線形結(jié)晶高聚物的力學(xué)性能：（1）全部結(jié)晶（或很高的結(jié)晶度）性能類似于低分子材料，只有硬結(jié)晶態(tài)（Tg～Tm），和粘流態(tài)T>Tm；Tm：晶區(qū)熔化溫度。（2）部分結(jié)晶：在Tg～Tm之間，未結(jié)晶部分為高彈態(tài)，結(jié)晶部分為硬結(jié)晶態(tài)，總的表現(xiàn)為既韌又硬的皮革態(tài)。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202449

（三）體形高聚物的力學(xué)性能：（1）交聯(lián)對(duì)分子和鏈數(shù)運(yùn)動(dòng)的影響：阻止分子和鏈段的運(yùn)動(dòng)，故鉸鏈越多，Tg上升，當(dāng)鉸鏈密度達(dá)到一定程度后，Tg=Tf。鏈段和分子鏈都不能運(yùn)動(dòng)，高彈態(tài)消失。例如：酚醛塑料（電木）（2）交聯(lián)的應(yīng)用：適當(dāng)交聯(lián)可既保持高聚物的高彈性，又限制分子間的滑脫，可提高材料的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度。例如：橡膠硫化，0.5～5%S軟橡膠；20～30%S硬橡膠

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202450二、高分子材料的力學(xué)性能最具特性色的是彈性和粘彈性。1、高彈性，低的彈性模量：

例如：橡膠，彈性變形量可達(dá)100～

1000%，彈性模量E=1MPa,而鋼為105MPa.必要條件：柔軟的分子鏈、較大的分子量和一定的交聯(lián)密度。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024512、粘彈性：（1）定義：彈性變形滯后于應(yīng)力的變化，即彈性變形不僅與外力有關(guān)，而且具有時(shí)間效應(yīng)。（2）機(jī)理：高聚物的變形是通過調(diào)整內(nèi)部分子構(gòu)象來實(shí)現(xiàn)的，這需要時(shí)間。（3）粘彈性的分類：靜態(tài)粘彈性動(dòng)態(tài)粘彈性

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202452ⅰ、靜態(tài)粘彈性：蠕變：較小的恒定應(yīng)力σ下，隨t↑，ε↑應(yīng)力松弛：ε固定，隨t↑，σ↓

蠕變

應(yīng)力σ一定εt應(yīng)力松弛

σεε一定蠕變：塑料雨衣掛一段時(shí)間后破洞。應(yīng)力松弛：松緊帶，越用越松，密封圈的失效。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202453ⅱ、動(dòng)態(tài)粘彈性：a.定義：在交變應(yīng)力作用下，變形速度跟不上應(yīng)力變化的速度，應(yīng)力與應(yīng)存在相位差，這就是動(dòng)態(tài)粘彈性。b.內(nèi)耗：由于應(yīng)變落后于應(yīng)力的變化，使應(yīng)變儲(chǔ)能一部分通過內(nèi)摩擦而產(chǎn)生熱量。即：滯后使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，這種現(xiàn)象叫內(nèi)耗。c.影響：不利：產(chǎn)生熱，使工件溫度升高，促進(jìn)老化。例：輪胎發(fā)熱至80～100℃有利：減震，吸收沖擊能量。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202454３、強(qiáng)度和斷裂：①強(qiáng)度、彈性模量低：一般σb約100MPa，即是玻璃增強(qiáng)的尼龍也只有200MPa。但由于比重低，故比強(qiáng)度仍較高。例玻璃鋼。②性能變化范圍特別大：不同的聚集狀態(tài)，性能差別很大。硬而脆

硬而強(qiáng)

硬而韌

軟韌軟而弱

σε材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202455③形變強(qiáng)烈依賴于工作溫度T和加載速度：隨溫度T↑，時(shí)間t↓，則彈性模量E↑,形變率ε↓隨溫度T↓，時(shí)間t↑，則彈性模量E↓,形變率ε↑例如：飛機(jī)的輪胎，沖擊載荷大，速度快。鏈段變形來不及響應(yīng)，失去彈性。使用玻璃化溫度Tg很低的橡膠。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202456三、高聚物的理化性能1、耐熱性；高聚物在變熱過程中，容易發(fā)生鏈段運(yùn)動(dòng)和整個(gè)分子鏈運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致材料軟化或熔化，使性能變壞，耐熱性差。耐熱性判據(jù)：塑料：熱變形溫度，HDT橡膠：保持高彈性的最高溫度。橡膠的耐熱性愈好，使用溫度愈高。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202457熱變形溫度HDT：高聚物能夠長(zhǎng)時(shí)間承受一定的載荷而不變形的溫度。線形無定型的HDT在玻璃化溫度Tg附近，結(jié)晶高聚物的HDT接近于熔點(diǎn)。塑料名稱

Tg（℃）Tm（℃）THDT（℃）聚氯乙烯8721255-75聚苯乙烯10024090-105尼龍665026760-105聚碳酸脂150220130-140幾種塑料的熱變形溫度

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202458高分子材料導(dǎo)熱性差，高聚物的導(dǎo)熱性能約為金屬的1/100－1/1000。原因：內(nèi)部無自由電子，分子鏈相互纏繞在一起，受熱不宜運(yùn)動(dòng)。利；做隔熱材料：塑料方向盤，導(dǎo)彈用纖維增強(qiáng)塑料做隔熱層弊：散熱性差，溫升快，輪胎發(fā)熱，塑料軸承發(fā)熱2、導(dǎo)熱性材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024593、熱膨脹系數(shù):線膨脹系數(shù)大，為金屬的3-10倍原因：受熱后。分子鏈間纏繞程度降低，分子間結(jié)合力減小，分子鏈柔性增大。弊：與金屬復(fù)合時(shí)，因膨脹系數(shù)相差過大而脫落，例；鋁壺的塑料手柄。4、絕緣性:好的絕緣材料。原因：共價(jià)鍵結(jié)合，沒有離子和自由電子例:導(dǎo)線的外包皮、塑料、橡膠。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024605、高的化學(xué)穩(wěn)定性:在酸、堿等溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性例：聚四氯乙烯，在沸騰的王水中不受腐蝕。注意：與特定溶劑相遇，發(fā)生溶解或溶脹，性能變壞如：聚氯乙烯在有機(jī)溶液中溶脹，聚碳酸脂被四氯化碳溶解。原因電化學(xué)腐蝕：絕緣體，不發(fā)生電化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕：分子鏈纏繞在一起，分子鏈上的基團(tuán)被包圍在里面，不與外界接觸，化學(xué)穩(wěn)定性好。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202461四、高聚物的老化與防止1、老化的定義：高聚物在加工、儲(chǔ)存和使用過程中，由于內(nèi)、外（空氣、水、光、熱等）的綜合作用，喪失原有性質(zhì)的現(xiàn)象。2、表現(xiàn)形式：變硬、變脆、出現(xiàn)龜裂、失去彈性；變軟、變粘、變色。各種高聚物都存在老化問題，差別只是發(fā)生時(shí)間不同，表現(xiàn)形式不同。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024623、老化的機(jī)理：

①產(chǎn)生大分子鏈的交聯(lián)→變硬、變脆、開裂。

②大分子鏈斷開→變軟、發(fā)粘、褪色。4、防止老化的方法：

①進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性，提高穩(wěn)定性。例如：聚氯乙烯在氯氣中用紫外線照射，成為氯化聚氯乙烯；共聚方法制得共聚產(chǎn)物：ABS塑料。

②加入防老化劑，抑制老化過程。例如：添加水楊酸酯，碳黑，防紫外線老化。

③表面處理：表面鍍金屬，噴涂料，防止空氣、水、光引起的老化。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202463工程塑料第四節(jié)EngineeringPlastics

2/20/202464一、塑料的分類：1、按用途分：通用塑料、工程塑料、特種塑料

①通用塑料：產(chǎn)量大、用途廣、價(jià)格低，塑料的3/4包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。②工程塑料：用于機(jī)械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)。要求：強(qiáng)度、剛度、韌性好，耐高溫、耐腐蝕、耐磨性好；如：聚碳酸酯、尼龍、ABS、聚四氟乙烯。③特種塑料：通過改性，滿足特種性能要求。如：醫(yī)用塑料、耐蝕氟塑料、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)磁塑料。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024652、按樹脂性質(zhì)分類：熱塑性和熱固性塑料①熱塑性塑料：又稱熱熔性塑料。加熱時(shí)軟化，冷卻后硬化成型，并可多次反復(fù)。機(jī)理：由聚合樹脂制成，大分子鏈為線型結(jié)構(gòu)。如：聚乙烯、聚氯乙烯。②熱固性塑料：加熱、加壓后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，固化為堅(jiān)硬制品，且不能再生。機(jī)理：以縮聚樹脂為基礎(chǔ)，分子鏈為體型結(jié)構(gòu)。如：酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202466二、塑料的組成：

樹脂+添加劑簡(jiǎn)單組分：基本由樹脂組成，如聚四氟乙烯，有機(jī)玻璃。復(fù)雜組分：樹脂+各種添加劑1、樹脂：起粘結(jié)作用，也叫粘料，占塑料的40～100%。其種類、性質(zhì)和所占比例決定著塑料的性能。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/2024672、添加劑：①填充劑：又叫填料，約占塑料組份的20～60%。目的：ⅰ、改善塑料某些性能。如：加入Al粉，增加反射和導(dǎo)熱能力。ⅱ、降低塑料成本。ⅲ、擴(kuò)大塑料的應(yīng)用范圍。如：加入石棉，提高耐熱性。要求：填料本身易被樹脂浸潤(rùn)；粘附性好；性質(zhì)穩(wěn)定；價(jià)廉。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202468②增塑劑：增加塑料的塑性和柔韌性。用量不多于20%。機(jī)理：降低大分子間的作用力，增大鏈段運(yùn)動(dòng)能力。常用增塑劑：低熔點(diǎn)有機(jī)物。如氧化石臘，磷酸脂等。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202469（3）固化劑：加入后可在聚合物中生成橫跨鏈，使分子交聯(lián)，并由受熱可塑的線型結(jié)構(gòu)變成體型結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定塑料的一類物質(zhì)稱固化劑。

（4）穩(wěn)定劑：提高樹脂在受熱和光作用時(shí)的穩(wěn)定性，防止老化，延長(zhǎng)使用壽命的一類物質(zhì)稱穩(wěn)定劑。

（5）潤(rùn)滑劑：為防止塑料在成型過程中粘在模具或其它設(shè)備上而加入的，同時(shí)可使制品表面光亮美觀的物質(zhì)稱潤(rùn)滑劑（如硬脂酸等）。

（6）著色劑：為使塑料制品具有美觀的顏色及適合使用的要求而加入的染料稱著色劑。

（7）發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑等。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202470三、塑料的加工：成型：將原料在一定溫度和壓力下，塑制成一定形狀制品的過程。如：擠壓管、棒等。

注射成型：又叫注塑成型，在注塑機(jī)上進(jìn)行。

模壓成型：

澆鑄成型：又叫澆鑄法。

擠壓成型：又叫擠塑成型。加工：指成型后的再加工。

機(jī)械加工：車、鉗、刨、銑、鏜等。

連接：焊接（熱熔粘接）

表面處理：涂裝、浸漬、鍍金屬材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202471

塑料的成型工藝形式多樣，主要有注射成型、壓制成型、澆注成型、抗壓成型、吹塑成型、真空成型等。

1.注射成型法

生產(chǎn)率很高，可以實(shí)現(xiàn)高度機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)，制品尺寸精確，可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜、壁薄和帶金屬嵌件的塑料制品，適用于大批量生產(chǎn)。（一）塑料制品的成型：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202472材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202473

2.模壓成型法

是塑料成型中最早的一種方法，通常用于熱固性塑料的成型，有時(shí)也用于熱塑性塑料。特別適用于形狀復(fù)雜或帶有復(fù)雜嵌件的制品，如電器零件，電話機(jī)件、收音機(jī)外殼等。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202474

3.澆鑄成型法

又稱澆塑法，有靜態(tài)鑄型、嵌鑄型和離心鑄型等方式。在液態(tài)的熱固性或熱塑性樹脂中加入適量的固化劑或催化劑，然后澆入模具型腔中，在常壓或低壓下，常溫或適當(dāng)加熱條件下，固化或冷卻凝固成型。

特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，便于制作大型制件；但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，收縮率較大。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202475

4.擠壓成型法

又稱擠塑成型。擠壓成型法用于熱塑性塑料各種型材的生產(chǎn)，一般需要經(jīng)二次加工才制成零件。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202476塑料加工指塑料成型后的再加工，亦稱二次加工；

1.機(jī)械加工由于塑料的切削工藝性能與金屬不同，因此所用的切削工藝參數(shù)與刀具幾何形狀及操作方法與金屬切削有所差異。塑料的散熱性差、彈性大，加工時(shí)容易引起工件的變形、表面粗糙，有時(shí)可能出現(xiàn)分層、開裂，甚至崩落或伴隨發(fā)熱等現(xiàn)象。要求切削刀具的前角與后角要大、刃口鋒利，切削時(shí)要充分冷卻，裝夾時(shí)不宜過緊，切削速度要高，進(jìn)給量要小，以獲得光潔的表面。

（二）塑料的加工：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202477

3.塑料制品的表面處理為改善某些性能、美化其表面、防止老化、延長(zhǎng)使用壽命，主要的方法有涂漆，鍍金屬（鉻、銀、銅等）。鍍金屬可采用噴鍍或電鍍。

2.塑料的連接

機(jī)械連接方法、熱熔接、溶劑粘接、膠粘劑粘接等。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202478

1、常用熱塑性塑料聚酰胺（尼龍、錦綸、PA）

聚酰胺是最早發(fā)現(xiàn)能夠承受載荷的熱塑性塑料。尼龍6、尼龍66、尼龍610、尼龍1010、鑄型尼龍和芳香尼龍是常應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)中的幾種。被大量用于制造小型零件替代有色金屬及其合金。

尼龍棒和結(jié)構(gòu)件四、常用工程塑料：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202479

鑄型尼龍通過簡(jiǎn)便的聚合工藝使單體直接在模具內(nèi)聚合成型的一種特殊尼龍。芳香尼龍具有耐磨、耐輻射及很好的電絕緣性等優(yōu)點(diǎn)，是尼龍中耐熱性最好的品種。

加入二硫化鉬的尼龍耐磨件材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202480

2、常用熱固性塑料

固化處理就是在樹脂中加入固化劑并壓制成型，使其由線型聚合物變成體型聚合物的過程。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202481酚醛塑料

以酚醛樹脂為基,加入木粉、布、石棉、紙等填料經(jīng)固化處理而形成的交聯(lián)型熱固性塑料。具有較高的強(qiáng)度和硬度、耐熱性、耐磨性、耐蝕性及良好的絕緣性。

環(huán)氧塑料（EP）以環(huán)氧樹脂為基，加入各種添加劑經(jīng)固化處理形成的熱固性塑料。具有比強(qiáng)度高、耐熱性、耐蝕性、絕緣性及加工成型性好的特點(diǎn)。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202482

五、塑料在機(jī)械工程中的應(yīng)用：

1.一般結(jié)構(gòu)件

要求一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性。選用價(jià)低廉、成型性好的塑料，如聚氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS等。

2.普通傳動(dòng)零件

要求有較高的強(qiáng)度、韌性、耐磨性和耐疲勞性及尺寸穩(wěn)定性。選用：尼龍、MC尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯、夾布酚醛、增強(qiáng)聚丙烯等。

3.摩擦零件

要求強(qiáng)度一般，具有摩擦因數(shù)小和良好的自潤(rùn)滑性。可選用：低壓聚乙烯、尼龍1010、、聚四氟乙烯等。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202483

4.耐蝕零件主要應(yīng)用在化工設(shè)備上，要依據(jù)所接觸的不同介質(zhì)來選擇，如全塑結(jié)構(gòu)的耐蝕零件。常用耐蝕塑料有：聚丙烯、硬聚氯乙烯、填充聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯等。

5.電器零件利用其優(yōu)異的絕緣性能。用于工頻低壓下的普通電器元件有：酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧塑料等；用于高壓電器的絕緣材料要求耐壓強(qiáng)度高、介電常數(shù)小、抗電暈及優(yōu)良的耐侯性。常用有：交聯(lián)聚乙烯、聚碳酸酯。氟塑料和環(huán)氧塑料等。

氨基塑料聚氯乙烯材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202484橡膠材料第五節(jié)RebberMaterial

2/20/202485橡膠是具有高彈性的輕度交聯(lián)的線型高聚物。具有顯著高彈性的材料。以生膠為原料加入適量的配合劑而形成的高分子彈性體。

一般在-50～-150℃處于高彈性，廣泛用作密封件，減振件，輪胎等。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202486生膠、各種添加劑、增強(qiáng)材料。１、生膠：定義：未加添加劑的橡膠。生產(chǎn)上也有定義：未經(jīng)硫化的橡膠稱為生膠。生膠分為天然橡膠和合成橡膠。性能：機(jī)械強(qiáng)度低，高溫發(fā)粘，低溫變脆，必須加入添加劑才能使用。

一、橡膠的組成：

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202487２、添加劑：①硫化劑：作用：使橡膠線型分子相互交聯(lián)成為網(wǎng)狀。硫化劑有硫磺，金屬氧化物等。硫化：橡膠的交聯(lián)過程。軟橡膠：1～4%硫化劑半硬質(zhì)橡膠：10%硬質(zhì)橡膠：30～40%材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202488②促進(jìn)劑：又叫硫化促進(jìn)劑。作用：縮短硫化時(shí)間，降低硫化硬度。③軟化劑：增加橡膠的塑性，改善粘附力，降低硬度，提高耐寒性。如：硬脂酸，精制蠟。④補(bǔ)強(qiáng)劑：凡能提高硫化橡膠強(qiáng)度，硬度，耐磨性的物質(zhì)，都叫補(bǔ)強(qiáng)劑。主要是炭黑。⑤填充劑：增加強(qiáng)度，降低成本。如：滑石粉、硫酸鋇、白陶土、氧化鋅等。⑥著色劑：有機(jī)或無機(jī)染料。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202489３、增強(qiáng)材料:各種纖維制品，簾布及鋼絲。作用：增加強(qiáng)度，限制橡膠制品的變形。如輪胎中的簾子布。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202490

二、橡膠的分類：

1、按原料來源：天然橡膠，合成橡膠。2、按用途分：合成橡膠又分為：通用合成橡膠。如輪胎、運(yùn)輸帶，例：丁苯橡膠；特種合成橡膠，用作高溫、低溫、酸、堿、油等條件下工作。例如：丁脂橡膠，耐油。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202491

三、橡膠的老化與防止：

１、影響橡膠老化的因素：①氧化作用：ⅰ、產(chǎn)生氧化，使橡膠分子鏈斷裂→發(fā)粘，變軟。ⅱ、氧化產(chǎn)生自由基自由基反應(yīng)使橡膠分子交聯(lián)→變硬、變脆。天然橡膠多數(shù)以裂解為主，老化特征為變軟變粘。丁苯、氯丁和丁睛橡膠則多以交聯(lián)為主，老化多為變硬、變脆。②臭氧的作用：同于氧氣，其活潑性高于氧氣。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202492③熱、光、金屬鹽：ⅰ、熱：Ａ、加熱氧化，溫度增加10℃,氧化速度增加一倍，當(dāng)溫度在100℃以上時(shí)，氧化速度非常大。Ｂ、熱的作用：多數(shù)橡膠在300～400℃溫度發(fā)生分解。ⅱ、光：促進(jìn)氧化反應(yīng)。ⅲ、多價(jià)金屬鹽促進(jìn)老化。例：混入微量銅、錳、鐵、鎳金屬鹽，加速老化。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202493①選用耐老化的橡膠。例：硅橡膠，氟橡膠。②加入防老化劑。包括：抗氧化劑、抗臭氧劑、紫外線吸收劑。③合適的配合劑。如：天然橡膠，采用適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)劑，降低Ｓ的用量，可提高耐熱老化性能。④減少表面氧化。原料中加入適當(dāng)?shù)南灮镔|(zhì)或在表面涂以涂料，蠟在表面形成一層保護(hù)膜。２、老化的防止：⑤正確掌握硫化工藝。不要過硫化或硫化不足。⑥運(yùn)輸、貯存中盡量不要重壓或曝曬。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202494天然橡膠：具有較高的彈性、較好的力學(xué)性能、良好的電絕緣性及耐堿性。用于制造輪胎、膠帶、膠管等。

四、常用橡膠材料：

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/20/202495通用合成橡膠：

（1）丁苯橡膠

由丁二烯和苯乙烯共聚而成。耐磨性、耐熱性、耐油、抗老化性比天然橡膠好。缺點(diǎn)是生膠強(qiáng)度低、粘接性差、成型困難、硫化速度慢。

（