材料科学第五章高分子材料(1)

1、第五章第五章 高分子材料高分子材料(1)材料学概论材料学概论机电学院机电学院刘艳花刘艳花多种多样的高分子材料多种多样的高分子材料多种多样的高分子材料多种多样的高分子材料防防 弹弹 衣衣高比强度的降落伞绳索高比强度的降落伞绳索多种多样的高分子材料多种多样的高分子材料高分子材料的结构高分子材料的结构高分子材料的类型高分子材料的类型 常见的高分子材料及其应用常见的高分子材料及其应用本章本章主要内容主要内容 高分子材料概论高分子材料概论高分子材料的性能特点高分子材料的性能特点5.1 高分子材料概论高分子材料概论 高分子(Polymer)的含义 高分子材料是由高分子化合物或以高分子化合物为主、辅以各种添

2、加剂和填料等物质经加工而成的一种材料。分子量很大（104107，甚至更大）。高分子材料虽然分子量很大，但组成并不复杂，主要是由C、H、O、N、P、S等原子以共价键方式组成的大分子链。 如：分子似“一条链”，由许多相同的结构单元组成。以共价键的形式重复连接而成。5.1.1 什么是高分子？什么是高分子？5.1.2 高分子材料发展简史高分子材料发展简史 天然高分子的利用天然高分子的利用棉、麻、丝、毛、竹、木棉、麻、丝、毛、竹、木 天然高分子改性天然高分子改性 天然橡胶硫化（天然橡胶硫化（1839年）年） 硝化纤维硝化纤维(赛璐珞赛璐珞)（1868年）年） 粘胶纤维粘胶纤维(人造丝人造丝)（18931

3、898年）年） 合成高分子合成高分子 20世纪初，出现了第一种合成树脂世纪初，出现了第一种合成树脂-酚醛树脂酚醛树脂 1920年，年，Staudinger提出高分子概念提出高分子概念 30年代、年代、40年代，飞速发展年代，飞速发展 70年代，特种性能的高分子年代，特种性能的高分子(液晶高分子等液晶高分子等) 近年，高分子发展的主流方向近年，高分子发展的主流方向-高分子改性、高性能高分子改性、高性能和功能高分子和功能高分子创立高分子化学的施陶丁格创立高分子化学的施陶丁格Hermann Staudinger 1881一一1965 The Nobel Prize in Chemistry 1953

4、“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”高分子材料发展简史高分子材料发展简史2000年化学奖授予了黑格年化学奖授予了黑格(A. J. Heeger，美国美国)、马克迪尔米德马克迪尔米德(A. G. MacDiarmid，美国美国)和白和白川英树川英树(H. ShiraKawa，日本日本) 三人，他们发现三人，他们发现了导电聚合物。了导电聚合物。 A.J.Heeger(美国)A.G.Macdiarmid (美国)H.ShiraKawa (日本)高分子材料发展简史高分子材料发展简史 简单流程如下：高分子聚合物石油、

5、天然气、煤炭等聚合高分子材料加工裂解单体5.1.3 高分子材料的形成过程高分子材料的形成过程1、质量轻、自重小。一般高分子材料的密度在0.92.3g/cm3之间。因而对要求减轻自重的飞机、导弹、人造卫星、宇宙飞船和高层建筑有特别重要的意义。2、良好的电绝缘性。3、低的热导性能、优良的隔热保温性能。其所制成的泡沫材料是十分理想的隔热体，在冷藏、建筑、节能装置中广泛用作保温材料。4、良好的化学稳定性。赋予高分子材料以抵抗酸、碱、盐溶液和蒸汽等腐蚀的功能。5、宽范围内的力学可选择性。5.1.4 高分子材料的性能高分子材料的性能6、突出的减振阻尼性质。用作减振消声材料。7、良好的耐磨、耐疲劳性能。氟塑

6、料的摩擦系数低，是齿轮、轴套、滑块和运动密封件的良好材料。8、良好的透光率。PMMA（有机玻璃）透光率很好，且有良好的耐候性质，是飞机座舱玻璃的最佳材料。9、原料来源广泛、加工成型方便、成本低。10、漂亮美观的装饰性。高分子材料的性能高分子材料的性能高分子的链结构高分子的链结构高分子的凝聚态结构高分子的凝聚态结构5.1.5 高分子的结构高分子的结构链结构链结构:近程结构远程结构高分子的链结构高分子的链结构高分子的链结构高分子的链结构近程结构近程结构针对结构单元而言：- 化学组成- 键接方式- 空间立构- 支化与交联- 键接序列高分子的链结构高分子的链结构远程结构远程结构针对高分子链而言：- 高

7、分子链的尺寸（相对分子质量）- 高分子链的形态高分子链的形态高分子链的形态高分子链的形态高分子链的形态 非晶态结构 晶态结构 取向结构 液晶态 高分子合金高分子的凝聚态结构高分子的凝聚态结构5.2 高分子材料的类型高分子材料的类型1. 碳链高分子碳链高分子主链以主链以C C原子间共价键相联接，通过加聚反应制得原子间共价键相联接，通过加聚反应制得如如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯等酯，聚丙烯等聚乙烯聚乙烯HHCCHH按结构单元的化学组成分类按结构单元的化学组成分类5.2.1 高分子的类型高分子的类型2. 杂链高分子杂链高分子 主主链除

8、链除C C原子外还有其它原子原子外还有其它原子如如O O、N N 、S S等，并以共价等，并以共价键联接，缩聚反应制得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤键联接，缩聚反应制得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）、聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等纶）、聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等OOHHCCOCCOHH 涤纶涤纶高分子的类型高分子的类型3. 元素有机高分子元素有机高分子 主链中不含主链中不含C C原子，而原子，而由由SiSi、 B B 、P P 、AlAl、 Ti Ti 、AsAs等元素与等元素与O O组成，其侧链为有机基团；组成，其侧链为有机基团； 兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热兼有无机高

9、分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。33CHSiOCH硅橡胶硅橡胶高分子的类型高分子的类型4. 无机高分子无机高分子 主链既不含主链既不含C C原子，也不含有机基团，而完全原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解。故聚合物分子量不高，并易水解。/i/SSSSSiSSSClClPNPNClCl二硫化硅二硫化硅聚二氯一氮化磷聚二氯一氮化磷高分子的类型高分子的类型 按材料来源分类天然高分子合成高分子 按材料性能和用

10、途分类塑料塑料橡胶橡胶 （称为三大合成材料）纤维纤维涂料粘合剂功能高分子5.2.2 高分子材料的类型高分子材料的类型5.3 常见的高分子材料常见的高分子材料概述概述 塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料 全世界产量全世界产量1亿多吨亿多吨 塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等烯、聚苯乙烯等 合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占60% 合成纤维主要品种有：涤纶（合成纤维主要品种有：涤纶（PET）、）、尼龙、尼龙、聚丙烯腈、聚丙烯等聚丙烯腈、聚丙烯等三大合成高分子材料三大合成高分子材料

11、 三大高分子材料的比较三大高分子材料的比较三大合成高分子材料三大合成高分子材料5.3.1 常见的高分子材料常见的高分子材料塑料塑料 塑料（plastics）是以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，它通常可在加热、加压条件下塑制成型，故称为塑料。 塑塑 料料 塑料的组成塑料的组成 塑料是以有机合成树脂有机合成树脂为基础，再加入添加剂添加剂所组成的。 一、合成树脂一、合成树脂：是由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等，是塑料的主要组成。二、添加剂二、添加剂 为改善塑料的性能而加入的其它成分，主要有：(1)、填料或增强材料填料或增强材料。填料在塑料中主要起增强作用。

12、(2)、固化剂固化剂。可使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制品。(3)、增塑剂增塑剂。用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。(4)、稳定剂稳定剂。用以防止受热、光等的作用使塑料过早老化。塑塑 料料常用的塑料分类方法有下述两种：常用的塑料分类方法有下述两种： 一、按树脂的性质分类一、按树脂的性质分类根据树脂在加热和冷却时所表现的性质，可分为热塑性塑料和热固性塑料。1、热塑性塑料热塑性塑料(thermoplastics)加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。这类塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、聚碳酸酯等。这类塑料加工成形简便

13、，具有较高的机械性能，但耐热性和刚性比较差。2、热固性塑料热固性塑料(thermosetting plastics)初加热时软化，可塑造成形，但固化后再加热将不再软化,也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯等。它们具有耐热性高，受压不易变形等优点，但机械性能不好。塑料的分类塑料的分类 二、按使用范围分类二、按使用范围分类 1 1、通用塑料、通用塑料 应用范围广、生产量大的塑料品种。主要有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料和氨基塑料等，其产量约占塑料总产量的四分之三以上。 2 2、工程塑料、工程塑料 综合工程性能(包括机械性能、耐热耐寒性能、耐蚀性和绝缘性能等)良好的各种塑料。主

14、要有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)等四种。塑料的分类塑料的分类 性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好。加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好。 主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、）、聚苯醚（聚苯醚（PPO）、）、聚甲醛聚甲醛（POM）、）、饱和聚酯（饱和聚酯（PET、PBT）等等塑料的分类塑料的分类 性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好。好。 主要有：聚乙烯、聚

15、丙烯、聚苯乙烯、主要有：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等通用塑料通用塑料工程塑料工程塑料常见的塑料常见的塑料聚乙烯由乙烯单体聚合而成。根据合成方法不同,可分为高压、中压和低压三种。高压聚乙烯高压聚乙烯相对分子质量、结晶度和密度较低，质地柔软，常用来制作塑料薄膜、软管和塑料瓶等。低压聚乙烯低压聚乙烯质地刚硬，耐磨性、耐蚀性及电绝缘性较好，常用来制造塑料管、板材、绳索以及承载不高的零件，如齿轮、轴承等。 聚乙烯聚乙烯(PE)聚乙烯制品聚乙烯制品 性能要求性能要求 保鲜、保洁、自粘保鲜、保洁、自粘 安全、无毒安全、无毒 市场上的保鲜膜市场上的保鲜膜聚乙烯（聚乙烯

16、（PE）、）、聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）、）、偏聚偏聚氯乙烯及其他材质氯乙烯及其他材质保鲜膜保鲜膜 聚乙烯从1939年开始工业化生产，是目前产量最大，应用最广泛的品种。 低密度聚乙烯（LDPE）在各种聚乙烯中产量最大，主要用于生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大棚膜等）；约10%用于生产注塑用品。 线型低密度聚乙烯（LLDPE）主要用于生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。还用于生产扁丝，制造编织袋。聚乙烯（聚乙烯（PE） 高密度聚乙烯注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装瓶等。薄膜制品（约占20%）：大量用于食品包装。聚乙烯（聚乙烯（PE）

17、聚乙烯管材聚乙烯管材应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，铺设费用低。聚乙烯（聚乙烯（PE）给水用HDPE管聚乙烯（聚乙烯（PE） 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）可作为工程塑料 在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域得到重要应用。 具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗磨损、不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑板、储罐衬里等。聚乙烯（聚乙烯（PE）聚乙烯生产线聚乙烯生产线 聚丙烯由丙烯单体聚合而成。 聚丙烯刚性大,其强度、硬度和弹性等机械性能均高于聚乙烯。 聚丙烯的密度仅为0.90

18、0.91 g/cm3,是常用塑料中最轻的。 聚丙烯的耐热性良好, 长期使用温度为100 110 。 聚丙烯具有优良的电绝缘性能和耐蚀性能，在常温下能耐酸、碱,所以经常制作成导线外皮。 聚丙烯可用于制作某些零部件，如法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、把手及壳体等，还可制作化工管道、容器、医疗器械等。聚丙烯聚丙烯(PP)聚丙烯制成电容器外皮 聚丙烯管子 聚丙烯聚丙烯(PP)聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC） 聚氯乙烯分子链中存在取代基，极性氯原子，增大了聚氯乙烯分子链中存在取代基，极性氯原子，增大了分子间力，阻碍单键内旋，所以强度、刚度均比聚乙烯高。分子间力，阻碍单键内旋，所以强度、刚度均比聚乙烯高。 常见

19、聚氯乙烯制品有软、硬二种，这是由于添加剂的不同。加入增塑剂的为软聚氯乙烯，未加的为硬聚氯乙烯。后者比重很小，抗拉强度好，有良好的耐水性，耐油性和耐化学药品侵蚀性。软聚氯乙烯常被制成薄膜用于工业包装，软聚氯乙烯常被制成薄膜用于工业包装，农业育秧，日用雨衣、台布等。特别注意的是软聚氯乙烯农业育秧，日用雨衣、台布等。特别注意的是软聚氯乙烯薄膜不能用于食品包装，因为增塑剂有毒，能溶于油脂中，薄膜不能用于食品包装，因为增塑剂有毒，能溶于油脂中，会污染食品。会污染食品。 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC） 聚苯乙烯结构是典型的线型无定型高聚物，聚苯乙烯结构是典型的线型无定型高聚物， 由于有取由于有取代基苯环，代

20、基苯环， 结晶度低，柔顺性差，所以具有较大的刚度。结晶度低，柔顺性差，所以具有较大的刚度。它比重小，几乎不吸水，具有优良的耐蚀性，电阻大，是它比重小，几乎不吸水，具有优良的耐蚀性，电阻大，是很好的隔热、防震、防潮和高频绝缘材料。聚苯乙烯添加很好的隔热、防震、防潮和高频绝缘材料。聚苯乙烯添加发泡剂后可制成泡沫塑料，比重只有发泡剂后可制成泡沫塑料，比重只有0.033g/cm3， 是隔是隔音、包装、救生的极好材料。音、包装、救生的极好材料。聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）PS保温板保温板PS光纤光纤聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）ABS塑料塑料 ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。具有硬、韧、刚 的

21、特性，综合机械性能良好，同时尺寸稳定，容易电镀和易于成形，耐热性较好，在-40 的低温下仍有一定的机械强度。可制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、储槽内衬、电机外壳、仪表壳、仪表盘、蓄电池槽、水箱外壳等。近来在汽车零件上的应用发展很快，如作挡泥板、扶手、热空气调节导管，以及小轿车车身等。作纺织器材、电讯器件都有很好的效果。摩托车挡泥板ABS塑料塑料聚酰胺聚酰胺(PA) 聚酰胺聚酰胺(PA)(PA)又称尼龙或锦纶，是由二元胺与二元酸又称尼龙或锦纶，是由二元胺与二元酸缩合而成，或由氨基酸脱水成内酰胺再聚合而得，有尼缩合而成，或由氨基酸脱水成内酰胺再聚合而得，有尼龙龙610610、6666、6 6等

22、多个品种。等多个品种。 尼龙具有突出的耐磨性和自润滑性能；良好的韧性，尼龙具有突出的耐磨性和自润滑性能；良好的韧性，强度较高强度较高(因吸水不同而异因吸水不同而异)；耐蚀性好，如耐水、油、；耐蚀性好，如耐水、油、一般溶剂、许多化学药剂，抗霉、抗菌，无毒；成形性一般溶剂、许多化学药剂，抗霉、抗菌，无毒；成形性能也好。制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、螺钉、螺能也好。制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、螺钉、螺母等。母等。 尼龙轴套 尼龙拉杆 聚酰胺聚酰胺(PA) 是各种含氟塑料的总称。 聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦公司投产。有“塑料王”之称。 是高结晶度聚合物，无熔融态，分解温度400

23、 ，可在260 以下长期下使用，耐低温达-200 ，力学性能优异。光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐王水及沸腾的氢氟酸。具有具有塑料中最好的电绝缘性能。塑料中最好的电绝缘性能。 广泛用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、电绝缘等。在我们生活中最直接接触的就是用聚四氟乙烯做内涂层的不粘用聚四氟乙烯做内涂层的不粘锅。锅。氟塑料氟塑料氟塑料氟塑料 聚甲基丙烯酸甲脂，俗称聚甲基丙烯酸甲脂，俗称有机玻璃有机玻璃， 是典型的无定形结构，是典型的无定形结构，取代基为极性集团。取代基为极性集团。 有机玻璃的透明度比无机玻璃高有机玻璃的透明度比无机玻璃高，透光率达92%， 比重只是无机玻璃的一半。强度、冲击韧性都优于无机玻璃，抗稀酸、稀碱、润滑油和碱氢燃料的作用，在自然条件下老化发展缓慢。80开始软化，105150间塑性良好，可进行成型加工。缺点是硬度低，易擦伤。由于导热性差，热膨胀系数大，易在表面和内部出现微裂纹，还易溶于有机溶液。 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有机玻璃顶棚聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下缩聚合成酚醛由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下