第2章聚合物化学与塑料基础

1、 第2章 聚合物化学与塑料基础 聚合物是以简单的低分子量化合物为原料，经过一定的化学反应“聚合”而成。 聚合物又称为高分子化合物或高聚物，还称为树脂。 合成聚合物所用的低分子原料称为单体。 CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CHClClClClCH2 CHCl聚合物单体 根据使用用途不同，高分子材料分为：纤维，橡胶，塑料，黏合剂，涂料。 聚合物与塑料是两个不同的概念。 聚合物是塑料的基本原料，是纯净的高分子材料。 塑料是聚合物中添加了有利于加工和改善使用性能的各种辅助材料，经过热加工塑制而成的材料或制品。2.2 聚合物合成 2.2.1加聚反应 加聚反应是在一定条件下，让单体分子

2、的活性键发生相互作用，互相连接起来，加聚成一条大分子链的过程。大类聚合物主要是通过加聚形成，最常见是具有双键的烯类化合物。 引发剂22CHnCH CH2 CH2 n括号内的重复单元称为结构单元，n称为聚合度。 2.2.2缩聚反应 另外一大类聚合物主要是通过缩聚形成，当两个不同的分子缩聚时会去掉一个简单的分子。在多数情况下，简单分子为水，但其他也包括氨，乙醇和一系列简单物质。参加缩聚反应的低分子化合物需要具有两个或两个以上具有反应能力的活性基团。热塑性聚酯PET聚合过程：2.3 聚合物结构 2.3.1 聚合物链的结构（一根高分子） （1）结构单元 结构单元取决于所用的原料单体 聚合物的结构式：聚

3、合物的结构式： 重复单元的结构 n碳链高分子：主要是碳原子构成的主链杂链高分子：在主链上除了碳原子之外，还有氧、氮、硫等原子的高分子。 （2）链的长度 由组成链状分子的结构单元的数量决定的。 （3）链的几何形状 链的形状有线型、支链型和交联型(体型或网状)之分。 线型和支链型大分子彼此以次价力相互作用，可溶于适当溶剂，加热也可熔化；交联型可视作许多线型或支链型大分子由共价键结合的网状或体型结构，交联度小的聚合物，加热可软化但不熔融，在溶剂中可溶胀但不溶解；交联度大的则不溶解也不熔融。 （4）结构单元在链中的排列a：烯烃类单体上的取代基在高分子链上的立体排列，称为空间异构 等规立构等规聚合物 结

4、晶聚合物 间规立构 间规聚合物 无规立构 无规聚合物 无定形聚合物 以聚丙烯为例：全同立构体全同立构体C C C C CC C C C CHCH3CH3CH3HHHHHHHHHHHHHHCH3CH3C C C C CC C C C CHCH3CH3CH3HHHHHHHHHHHHHHCH3CH3间同间同立构体立构体C C C C CC C C C CHCH3CH3CH3HHHHHHHHHHHHHHCH3CH3无规立无规立构体构体 b: 两种或两种以上单体聚合而成的共聚物，其结构在链中的排列 以A和B两种单体的共聚物为例： 2.3.2 聚合物的聚集体结构（一群高分子） 指大分子链间的排列和堆砌方式

5、，可粗略地分为晶态和无定形结构 （1）结晶聚合物 结晶聚合物是指线型和支链型的高分子。结构规整或链间次价力较强的聚合物容易结晶，例如聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺，聚甲醛，聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。 结晶聚合物中存在着或多或少的无定型区,因而其结晶度不如小分子来得高,宏观上表现出没有固定的熔点Tm,而是一个熔点范围。结晶聚合物加热到一定温度,可能直接进入粘流态。熔融温度是结晶聚合物使用的上限温度。 （2）无定形聚合物 无定形聚合物是指结构不规整或链间次价力较弱的聚合物如聚氯乙烯、ABS、无规聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等难以结晶。无定形聚合物在一定负荷和受

6、力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态。 对于无定型聚合物加热到一定的温度,由硬而脆的玻璃态变为高弹态,如果继续加热则由高弹态转变为粘流态。 无定型聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态和粘流态 玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度(Tg)，是无定形塑料使用的上限温度，橡胶使用的下限温度。从高弹态到粘流态的转变温度称粘流温度(Tf)，是聚合物加工成的重要参数。2.4塑料类别及组成 1按塑料用途分： 通用塑料(Universal Plastics)：一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。包括：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）

7、、聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、环氧树脂（EP）、酚醛树脂（PF）、聚氨酯（PU）、不饱和聚脂 泛用工程塑料(Engineering Plastics)：一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。包括：聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚苯醚（PPO） 特种塑料：一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等），应用于特殊要求的塑料。如聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PSU）、聚醚砜（PES）、聚四氟乙烯（PTFE）等氟塑料、聚醚醚酮

8、（PEEK） 2按塑料的物理化学性能分： 热塑性塑料：指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。如聚乙烯、聚氯乙烯塑料等。 热固性塑料：因受热或其它条件能固化成不熔不溶性物料的塑料。如酚醛塑料、环氧塑料等。 2.4.1 塑料组成 塑料是以合成树脂为主要原料，加入必要的添加剂，在一定的温度和压力条件下，塑制而成的具有一定塑性的材料。塑料的主要成分是树脂；塑料的性质主要由树脂决定的。为了满足各种实际应用的要求，往往要加入必要的添加剂，以改善性能，塑料中常用到的添加剂有： a填充剂 也称为填料 b稳定剂 c增塑剂 d着色剂 e润滑剂 f抗氧剂 g光稳定剂 h阻燃剂塑料英文缩写符号塑料英文缩写

9、符号 表表1.8 常用聚合物英文缩写符号常用聚合物英文缩写符号 PA-66聚己二酰己二胺聚己二酰己二胺PAN聚丙烯腈聚丙烯腈PET聚对苯二甲酸乙二醇聚对苯二甲酸乙二醇酯酯PVAc聚醋酸乙烯聚醋酸乙烯EP环氧树脂环氧树脂PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯PC聚碳酸酯聚碳酸酯PS聚苯乙烯聚苯乙烯PVFo聚乙烯醇聚乙烯醇缩甲醛缩甲醛PP聚丙烯聚丙烯PIP聚异戊二烯聚异戊二烯PE聚乙烯聚乙烯PB聚丁二烯聚丁二烯PVC聚氯乙烯聚氯乙烯英文缩写英文缩写聚合物名称聚合物名称英文缩写英文缩写聚合物名称聚合物名称2.5 塑料的成型加工 塑料的加工有下面三个基本要素. 成型设备 成型工艺 成型模具 2.5.

10、1 加工原理与加工性能 2.5.1.1加工原理 聚合物在一定温度下可以处于粘流态，在力的作用下，聚合物熔体发生流动和变形。塑料的粘流温度和结晶聚合物的熔点在成型加工中就很重要。一些材料的粘流温度或熔点见表2-5常用塑料的粘流温度和结晶塑料的熔点塑料名称粘流温度/塑料名称熔点/聚苯乙烯175195高密度聚乙烯 110137软聚氯乙烯150160聚丙烯168174ABS180190聚甲醛165175聚甲基丙烯酸甲酯160180聚酰胺205225聚碳酸酯215225聚苯硫醚280285聚砜285300聚四氟乙烯327 2.5.1.2加工性能 （1）加工稳定性 a:原料在成型过程中不会发生不利于加工或

11、改变原料结构的化学变化 b:物料的流动处于在一个比较稳定的状态 （2）加工的流动性 黏度：流体内部分子间相互吸引和分子不规则运动的具体反应。 聚合物流动特征是： a:熔体黏度大 b:熔体具有粘弹性 c:熔体在其成型区间表现为非牛顿流体，通常是随剪切速率的增大，熔体黏度降低。 评价熔体流动性的两个术语： 熔体流动速率：在一定温度和负荷下，热塑性塑料熔体每10min通过标准口模流出的重量克数。 螺旋线流动长度：在一定注射压力下，给定壁厚在标准螺线的最大长度。流径比FLR，见表2-6表2-6部分塑料的流径比塑料名称流径比塑料名称流径比聚苯乙烯200250高密度聚乙烯250聚氯乙烯100低密度聚乙烯2

12、75300聚对苯二甲酸丁二醇酯160300线型低密度聚乙烯275300ABS30160聚丙烯150350聚碳酸酯30100聚甲醛100250聚砜60120尼龙6140340尼龙66140340聚苯硫醚150聚苯醚200聚芳酯30100 2.5.2加工过程与加工工艺 2.5.2.1加工过程 原料的准备、制品的成型加工、 成型制品的后加工 2.5.2.2加工工艺 确定一种成型方法，需考虑下面几个方面： a:制品的外部形状，内部结构、功能需要几外观要求 b:制品的厚薄、尺寸大小及精度 c:材料材质的组成、材料的性能 d：加工成本，如产量、批量、设备及模具投资 2.5.2.3成型方法 （1）模压成型

13、（2）注射成型 a. 气体辅助注射成型 B 可熔芯模技术 C 注射压缩成型技术 D 反应注射成型 E 共注射成型 （3）挤出成型 （4）中空吹塑成型塑料热成型机热成型长方盒热成型制品 （5）热成型塑料包装面包盒热成型是利用热塑性塑料的片材作为原料来制造塑料制品的一种方法。制造时，先将裁成一定尺寸和固定形样的片材夹在框架上，并将其加热到高弹态，然后借施加的压力使其贴近模具的型面，从而得到与型面相仿的形样，成型后的片经冷却后，从模具中取出，最后经过适当的修饰即成为制品 （6）滚塑成型，也称旋转成型滚塑成型技术又称旋转或回转成型技术。它是将塑料粉料装入模具中，使粉料在模具中绕两个相互垂直的轴，一边加热一边转动。由于在旋转过程中，粉料不断翻动，彼此间相互摩擦及其模具表面对粉料的拖拽，使粉料不断向模具壁上方运动，直到其运动作用力足以克服粉料所受重力作用时，粉料才能越过粉料池达到对面模壁，粉料随模具做360度转动。经过反复受热旋转动作的重复，粉料便发生熔融并均匀地黏附在模具内壁