高分子材料的結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)及性能

第九章高分子材料(cáiliào)高分子材料基本知識高分子材料的結(jié)構(gòu)高分子材料的物理(wùlǐ)狀態(tài)及性能工程高分子材料第一頁，共29頁。第一節(jié)高分子材料(cáiliào)基本知識一、高分子材料的主要術(shù)語和基本概念高分子材料又稱為高分子聚合物(簡稱高聚物),是以高分子化合物為主要組分的有機材料。高分子化合物是指相對分子質(zhì)量很大的化合物，其相對分子質(zhì)量一般在5000以上，有的甚至高達(dá)幾百萬,每個分子可含幾千、幾萬甚至幾十萬個原子。如橡膠(xiàngjiāo)的相對分子量為10萬左右，合成纖維為1萬以上。高分子化合物由低分子化合物通過聚合反應(yīng)獲得。組成高分子化合物的低分子化合物稱作單體。第二頁，共29頁。簡單的低分子化合物叫單體。由一種或幾種簡單的低分子化合物通過共價鍵重復(fù)連接而成的鏈稱為分子鏈。大分子鏈中的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元叫鏈節(jié)。鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)即鏈節(jié)數(shù)叫聚合度。例如(lìrú)：聚氯乙烯分子是由n個氯乙烯分子打開雙鍵，彼此連接起來形成的大分子鏈?？捎孟率奖硎荆浩渲新纫蚁┚褪蔷勐纫蚁┑膯误w，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短和分子量的大小，可見(kějiàn)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二、高分子化合物的組成(zǔchénɡ)第三頁，共29頁。1.加聚反應(yīng)(jiājùfǎnyīnɡ)（加成聚合反應(yīng)）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)(jiājùfǎnyīnɡ)。該反應(yīng)無低分子物質(zhì)的生成。由一種單體經(jīng)過加聚反應(yīng)(jiājùfǎnyīnɡ)生成的高分子化合物稱為均聚物，而由兩種或兩種以上的單體經(jīng)過加聚反應(yīng)(jiājùfǎnyīnɡ)生成的高分子化合物稱為共聚物。

由一種單體或多種單體相互縮合生成聚合物，同時(tóngshí)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)。由一種單體進行的縮聚反應(yīng)稱為均縮聚反應(yīng)，由兩種或兩種以上的單體進行的縮聚反應(yīng)稱為共縮聚反應(yīng)。三、高分子化合物的合成(héchéng)方法第四頁，共29頁。四、高分子化合物的分類(fēnlèi)分類方法類別特點舉例按聚合物的熱行為熱塑性塑料加熱軟化或熔融，而冷卻固化的過程可反復(fù)進行的高聚物，它們是線型高聚物聚氯乙烯等烯類聚合物熱固性塑料加熱成型后不再熔融或改變形狀的高聚物，它們是網(wǎng)狀（體型）高聚物酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂按主鏈上的化學(xué)組成碳鏈聚合物主鏈由碳原子一種元素組成的聚合物—C—C—C—C—雜鏈聚合物主鏈除碳外，還有其它元素原子的聚合物—C—C—O—C——C—C—N——C—C—S—元素有機聚合物主鏈由氧和其它元素原子組成的聚合物—O—Si—O—Si—O—第五頁，共29頁。高分子化合物的性能與其大分子鏈的結(jié)構(gòu)(jiégòu)密切相關(guān)。一、大分子鏈結(jié)構(gòu)(jiégòu)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）才能形成大分子鏈。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。第二節(jié)高分子化合物的結(jié)構(gòu)(jiégòu)第六頁，共29頁。

1)頭-尾連接(liánjiē)：2)頭-頭或尾-尾連接(liánjiē)：3)無規(guī)則連接(liánjiē)：2.共聚物中單體的連接方式（以AB兩種單體共聚為例）1)無規(guī)則共聚：—ABBABBABAABAA—2)交替共聚：—ABABABABABAB—3)嵌段共聚:—AAAABBAAAABB—4)接枝共聚：

二、大分子鏈的鍵接方式不同鍵接方式對性能影響很大，頭尾鍵接強度最高。第七頁，共29頁。⑴伸直鏈（又稱線型鏈）由許多鏈節(jié)組成的長鏈，通常是卷曲成線團狀。這類結(jié)構(gòu)高聚物的特點是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料的典型結(jié)構(gòu)。⑵帶支鏈支化型分子鏈，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。⑶網(wǎng)狀鏈體型分子鏈，分子鏈之間由許多鏈節(jié)相互(xiānghù)橫向交聯(lián)，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。具有這類結(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)。三、大分子鏈的形態(tài)(xíngtài)第八頁，共29頁。三、大分子鏈的形態(tài)(xíngtài)第九頁，共29頁。大分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高聚物內(nèi)部大分子鏈之間的幾何排列或堆砌結(jié)構(gòu)。依分子在空間排列的規(guī)整性可將高聚物分為結(jié)晶態(tài)(分子鏈在空間規(guī)則排列)、部分結(jié)晶態(tài)(分子鏈在空間部分規(guī)則排列)和無定型(非晶態(tài))(分子鏈在空間無規(guī)則排列，亦稱玻璃(bōlí)態(tài))三類。實際生產(chǎn)中大多數(shù)聚合物都是部分晶態(tài)或完全非晶態(tài)。晶態(tài)結(jié)構(gòu)在高分子(fēnzǐ)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。結(jié)晶度越高，分子(fēnzǐ)間作用力越強，高分子(fēnzǐ)化合物的強度、硬度、剛度和熔點越高，耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性也越好；而與鍵運動有關(guān)的性能，如彈性、伸長率、沖擊韌性則降低。四、大分子的聚集(jùjí)態(tài)結(jié)構(gòu)(分子間結(jié)構(gòu))第十頁，共29頁。一、高聚物的三態(tài)線型非晶態(tài)高聚物在不同溫度下表現(xiàn)出三種物理狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。在恒定應(yīng)力下的變形(biànxíng)-溫度曲線如圖所示。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。第三節(jié)高分子材料的物理狀態(tài)(zhuàngtài)及性能玻璃化溫度Tg是高聚物保持玻璃態(tài)的最高溫度，可認(rèn)為是大分子鏈段開始(kāishǐ)運動的最低溫度。第十一頁，共29頁。1.玻璃態(tài)Tb<T<Tg時，由于溫度低，分子熱運動能力很弱，高聚物中的整個分子鏈和鍵段都不能運動，只有鍵長和鍵角可作微小變化，此時分子鏈的狀態(tài)稱為玻璃態(tài)。在這種狀態(tài)下使用的材料是塑料和纖維。2.高彈態(tài)Tg<T<Tf時，由于溫度較高，分子活動能力較大，因此高聚物可以通過單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)而使鍵段不斷運動，但尚不能使整個分子鏈運動，此時分子鏈呈卷曲狀態(tài)稱高彈態(tài)（橡膠態(tài)）。在這種狀態(tài)下使用的高聚物是橡膠。3.粘流態(tài)當(dāng)Tf<T<Td時，由于溫度較高，分子活動能力較大，不但鏈段可以不斷運動，而且在外力的作用下大分子鏈間也可產(chǎn)生相對(xiāngduì)滑動，從而使高聚物成為流動的粘液，這種狀態(tài)稱為粘流態(tài)。室溫下處于粘流態(tài)的高聚物稱為流動樹脂，可作為膠粘劑。粘流態(tài)是高聚物成型加工的狀態(tài)。一、高聚物的三態(tài)第十二頁，共29頁。1.物理性能（1）低密度；（2）高絕緣性（3）低耐熱性；（4）低導(dǎo)熱性（5）高熱膨脹性；（6）高化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕2.力學(xué)性能（1）高彈性和低彈性模量橡膠是典型的高彈性材料(cáiliào)，其彈性變形率為100%～1000%，一般金屬材料(cáiliào)只有0.1%～1.0％；其彈性模量僅為1MPa左右，一般金屬材料(cáiliào)為103MPa～2×105MPa。三、高聚物的性能(xìngnéng)第十三頁，共29頁。2.力學(xué)性能（2）粘彈性高聚物力學(xué)性能隨時間變化(biànhuà)的現(xiàn)象。（3）低強度和較強的比強度 抗拉強度平均為100MPa，比金屬材料低得多，但是高分子材料的密度小，只有鋼的1/4～1/6，所以其比強度并不比某些金屬低。（4）老化現(xiàn)象（5）開裂現(xiàn)象

三、高聚物的性能(xìngnéng)第十四頁，共29頁。第四節(jié)工程(gōngchéng)高分子材料第十五頁，共29頁。高分子材料可分為塑料、橡膠、合成纖維、膠粘劑、涂料等。一、塑料的組成與分類（一）塑料的組成塑料就是在玻璃(bōlí)態(tài)下使用的、具有可塑性的高分子材料。以樹脂為主要組分，加入各種添加劑，可塑制成型的材料。第四節(jié)工程(gōngchéng)高分子材料第十六頁，共29頁。常用的塑料分類方法有下述兩種：1.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：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、聚碳酸脂、聚苯醚、聚砜等。這類塑料加工(jiāgōng)成形簡便，具有較高的機械性能，但耐熱性和剛性比較差。(2)熱固性塑料: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、呋喃和聚硅醚樹脂等。它們具有耐熱性高，受壓不易變形等優(yōu)點，但機械性能不好。（二）塑料(sùliào)的分類第十七頁，共29頁。(1)通用塑料指應(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。大多數(shù)用于生活制品(zhìpǐn)。(2)工程塑料指綜合工程性能(包括機械性能、耐熱耐寒性能、耐蝕性和絕緣性能等)良好，并能在較高溫度下長期使用的各種塑料。主要有聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂和ABS等。（二）塑料(sùliào)的分類一、塑料(sùliào)第十八頁，共29頁。1．聚乙烯(PE-polyethylene)無毒、無味，呈半透明狀。強度較低，耐熱性不高，易燃燒，抗老化性能較差。具有良好的耐化學(xué)腐蝕性，優(yōu)良的電絕緣性能，吸水率很小。根據(jù)密度可分為低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)。主要用于制作包裝材料。LDPE：日用制品、薄膜、軟質(zhì)包裝材料、層壓紙、層壓板、電線電纜包覆(bāofù)等。HDPE：硬質(zhì)包裝材料、化工管道、儲槽、閥門、高頻電纜絕緣層、型材、襯套、小負(fù)荷齒輪等。（1）通用(tōngyòng)塑料

第十九頁，共29頁。2．聚氯乙烯(PVC-polyvinylchloride)具有較高的強度、剛性(ɡānɡxìnɡ)，良好的電絕緣性、耐化學(xué)腐蝕性，能溶于四氫呋喃和環(huán)已酮等有機溶劑，具有阻燃性，但熱穩(wěn)定性較差，使用溫度較低，介電常數(shù)、介電損耗較高。根據(jù)增塑劑用量的不同可分為硬質(zhì)和軟質(zhì)。硬質(zhì)：工業(yè)管道、給排水系統(tǒng)、板件、管件、建筑及家用防火材料，化工防腐設(shè)備及各種機械零件。軟質(zhì)：用于薄膜、人造革、墻紙、電線電纜包覆及軟管等。（1）通用(tōngyòng)塑料第二十頁，共29頁。⑴熱塑性塑料：可溶可熔，熱軟冷硬，可重復(fù)成型的塑料。①聚酰胺（PA）:俗稱尼龍，比抗拉強度高于金屬材料，韌性好，耐磨性及自潤滑性好，耐水(naishuǐ)，耐油。用于軸承、齒輪、輥軸、滑輪、蝸輪、葉片等。②聚四氟乙烯(PTEE)，又名“特氟隆”，俗稱“塑料王”,耐高、低溫性能，缺點是強度低，冷流性強。用于制作減摩密封零件、化工耐蝕零件與熱交換器，以及高頻或潮濕條件下的絕緣材料。③聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）：俗稱有機玻璃，透光率高，密度小，有較高強度和韌性。用于飛機艙蓋、窗玻璃、儀表罩、光學(xué)鏡片等。（2）工程塑料(ɡōnɡchénɡsùliào)第二十一頁，共29頁。⑵熱固性塑料：不溶不熔，加熱不軟化，不能重復(fù)使用的塑料。①酚醛樹脂(fēnquánshùzhī)（PF）:俗稱電木，具有良好的電絕緣性、耐熱性、耐蝕性。主要用于各種電器制品。②環(huán)氧塑料（EP）:由環(huán)氧樹脂加固化劑而成，有較高強度、韌性及有優(yōu)良電絕緣性，耐蝕性，主要用于電器制品及配制復(fù)合材料。（2）工程塑料(ɡōnɡchénɡsùliào)第二十二頁，共29頁。1、擠壓法：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。2、注模法：又稱注射成形，此法生產(chǎn)率很高，可以實現(xiàn)高度機械化、自動化生產(chǎn)，制品(zhìpǐn)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(zhìpǐn)，適用于大批量生產(chǎn)。（3）塑料成形(chénɡxínɡ)工藝第二十三頁，共29頁。3、壓模法：是塑料成型中最早的一種方法(fāngfǎ)，通常用于熱固性塑料的成型，有時也用于熱塑性塑料。（3）塑料成形(chénɡxínɡ)工藝第二十四頁，共29頁。（一）橡膠的組成橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的、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。橡膠最顯著的性能特點是具有高彈性，其宏觀彈性變形(biànxíng)量可高達(dá)100%～1000%。具有優(yōu)良的伸縮性和可貴的積儲能量的能力，良好的耐磨性、絕緣性、隔音性和阻尼性。橡膠成為常用的彈性材料、密封材料、減振防振材料、絕緣材料。按原料來源橡膠可分為天然橡