第5章 高分子材料

1、第第5章高分子材料章高分子材料5.1高分子材料概述5.2高分子的合成5.3高分子材料的结构与性能5.4高分子材料的种类5.5高分子材料的成型加工5.1高分子材料概述高分子材料概述5.1.1高分子材料的基本概念5.1.2高分子材料的命名5.1.3高分子材料的分类5.1.1高分子材料的基本概念高分子材料的基本概念高分子是高分子化合物的简称，又称为聚合物(Polymer)。高分子化合物的最大特点是相对分子质量巨大，其相对分子质量(物质的分子质量与一个碳原子的1/12的比值)通常在10000以上。高分子的分子结构是由许多重复单元通过共价键的有规律连接而成的，其形状主要为链状高分子或网状高分子。5.1.

2、2高分子材料的命名高分子材料的命名1.结构系统命名法2.商品名称命名法3.英文缩写名称表5-1常见高分子材料的名称及所对应的英文缩写名称5.1.3高分子材料的分类高分子材料的分类按来源可分为天然高分子材料及合成高分子材料；按大分子链结构可分为碳链高分子、杂链高分子及元素有机高分子材料。最常用的分类方法是按性能和用途来分类，可分为塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料。5.2高分子的合成高分子的合成5.2.1高分子的合成原理5.2.2高分子的合成方法5.2.3高分子材料的组成5.2.1高分子的合成原理高分子的合成原理1.加聚反应2.缩聚反应3.共混态高分子1.加聚反应加聚反应(1)链引发反应含有未成对电

3、子的原子、分子或离子叫做自由基。(2)链增长反应链引发反应形成的单体自由基可与第二个单体发生加聚反应，形成新的自由基(也称为链自由基)。(3)链终止反应自由基活性中心消失，生成稳定大分子的过程称为链终止反应。2.缩聚反应缩聚反应17A.TIF5.2.2高分子的合成方法高分子的合成方法1.本体聚合法2.溶液聚合法3.悬浮聚合法4.乳液聚合法图5-1高分子材料的合成方法示意图a)本体聚合法b)溶液聚合法c)悬浮聚合法d)乳液聚合法5.2.3高分子材料的组成高分子材料的组成(1)塑料含增塑剂、稳定剂、增强剂、填料、颜料、润滑剂、增韧剂等。(2)橡胶含硫化剂、促进剂、补强剂、防老剂、填料、软化剂等。(

4、3)涂料含颜料、催干剂、润湿剂、增塑剂、悬浮剂、稳定剂等。5.3高分子材料的结构与性能高分子材料的结构与性能5.3.1高分子材料的结构5.3.2高分子材料的性能5.3.1高分子材料的结构高分子材料的结构1.聚合物分子链的近程结构2.高分子链的远程结构3.高分子材料的凝聚态结构1.聚合物分子链的近程结构聚合物分子链的近程结构(1)结构单元的化学组成聚合物分子链结构单元的化学组成是由参与聚合的单体化学组成和聚合方式来决定的。(2)结构单元的键接方式键接方式可分为均聚物(由一种单体构成)的键接方式和共聚物(由两种或两种以上的单体构成)的键接方式。(3)结构单元的立体构型结构单元的立体构型是指分子链中

5、由化学键所固定的原子在空间的几何排列。(4)分子链支化与交联大分子除了线型链状结构外，还存在分子链支化、交联及网络等结构。17B.TIF图5-2共聚物的键a)无规共聚物b)交替共聚物c)嵌段共聚物d)接枝共聚物图5-4高分子链形态的几种模型图5-5单键的内旋转示意图2.高分子链的远程结构高分子链的远程结构(1)高分子链的内旋转构象高分子链的内旋转构象是指分子链中由单键内旋转所形成的原子(或基团)在空间的几何排列图像。(2)高分子的相对分子质量高分子材料的力学、热学、电学等物理性能和加工性能都与其相对分子质量的大小及分布密切相关。图5-6单个高分子的几种构象示意图a)伸展链b)无视线团c)折叠链

6、d)螺旋链3.高分子材料的凝聚态结构高分子材料的凝聚态结构(1)聚合物分子间的相互作用力大分子内的原子依靠化学键(主要是共价键)结合形成长链结构，这种化学键为分子内作用力，也称为主价键力。(2)高分子材料的共混态结构两种或两种以上高分子材料的物理混合物状态称为高分子材料的共混态。图5-7典型的高分子尺寸分布5.3.2高分子材料的性能高分子材料的性能1.高分子材料的力学性能2.高分子材料的物理性能3.高分子材料的老化1.高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能(1)高分子材料的拉伸应力-应变曲线高分子材料的种类庞大，即使是同种高分子材料，其相对分子质量也不同，因此表现出不同的力学性能，其拉伸应力

7、-应变曲线也各不相同。(2)高分子材料的变形机理不同类型的高分子材料具有不同的结构，因而表现出不同的力学性能规律。(3)温度对高分子材料力学性能的影响环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著，温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力-应变曲线形状发生很大变化。1.高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能图5-11高分子材料的应力-应变曲线类型1脆性高分子材料(热固性塑料)2塑性高分子材料(热塑性塑料)3高弹性高分子材料(橡胶)2.高分子材料的物理性能高分子材料的物理性能(1)高分子材料的电学性能电学性能是指高分子材料在外电场作用下的导电性能和介电

8、性能。(2)高分子材料的光学性能光学性能反映了光和物质的相互作用。(3)高分子材料的热性能一般高分子材料的导电性差，热量不能通过电子传递，因而是热绝缘体，故广泛作为热绝缘材料使用。3.高分子材料的老化高分子材料的老化(1)外观材料发粘、变形、变色、变硬、变脆、出现银纹或斑点等。(2)力学性能弹性、拉伸强度、弯曲强度、硬度和耐磨性等降低。(3)电性能如介电常数、介电损耗、击穿电压等的变化。(4)物理性能由于相对分子质量和结构变化，引起溶解、溶胀和流变性能的变化。5.4高分子材料的种类高分子材料的种类5.4.1塑料5.4.2橡胶5.4.3纤维5.4.4粘合剂及涂料5.4.1塑料塑料1.通用热塑性塑

9、料2.工程热塑性塑料3.通用热固性塑料4.工程热固性塑料5.塑料的组分及其作用图5-17热塑性及热固性塑料的相对使用量1.通用热塑性塑料通用热塑性塑料(1)聚乙烯(2)聚丙烯(3)聚苯乙烯聚苯乙烯简称PS，是由单体苯乙烯通过加聚反应制得的。(4)聚氯乙烯2.工程热塑性塑料工程热塑性塑料(1)聚酰胺聚酰胺俗称尼龙(Nylon)，简记为PA，是指大分子主链上含有酰胺基团(CONH)的聚合物，可由二元酸和二元胺缩聚而得，也可由内酰胺自聚制得。(2)聚碳酸酯聚碳酸酯简称PC，是指分子主链中含有基团的线型聚合物。(3)聚甲醛聚甲醛简称POM，学名为聚氧化次甲基。(4)ABSABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙

10、烯三种单体组成的热塑性塑料，其名称来源于这三个单体的英文名称的第一个字母。(5)聚甲基丙烯酸甲酯表5-2几种通用热塑性塑料和工程热塑性塑料的性能3.通用热固性塑料通用热固性塑料(1)酚醛塑料(2)氨基塑料以氨基树脂为基本组分的塑料称为氨基塑料。(3)聚氨酯PUR是指分子主链上含重复单元氨基甲酸酯基团的聚合物。4.工程热固性塑料工程热固性塑料(1)环氧树脂塑料分子中含有环氧基团的聚合物称为环氧树脂(EP)。(2)不饱和聚酯树脂简称UPR，是由不饱和二元羧酸(或酸酐)、饱和二元羧酸(或酸酐)与多元醇缩聚而成的线型高分子化合物。(3)有机硅塑料简称SI，有机硅即聚有机硅氧烷，其主链由硅氧键构成，侧基

11、为有机基团，与硅原子相连的侧基主要有CH3、C6H5、CH2CH及其他有机基团。(4)呋喃塑料呋喃塑料是以呋喃树脂为基本组分的塑料。表5-3几种通用热固性塑料和工程热固性塑料的性能5.塑料的组分及其作用塑料的组分及其作用(1)填料及增强剂填料的主要功能是降低成本和收缩率，也有改善塑料某些性能的作用。(2)增塑剂对一些玻璃化温度较高的聚合物，为了制得室温下的软质制品、改善加工时熔体的流动性能，就需加入增塑剂。(3)抗静电剂抗静电剂的作用是通过降低塑料制品的表面电阻，防止电荷累积从而减少或消除制品表面静电荷的形成。(4)润滑剂加入润滑剂有助于防止塑料在成型加工过程中发生粘模。(5)发泡剂发泡剂是一

12、类受热会分解并放出气体的有机化合物，它是制备泡沫塑料的重要助剂之一。(6)阻燃剂阻燃剂是一类能改进塑料的耐燃性能，用以减缓塑料燃烧性能的助剂。(7)着色剂着色剂赋予塑料制品各种色泽，它可分为染料和颜料。(8)抗老化添加剂为了防止塑料在热、光、氧等条件下过早老化，延长制品的使用寿命，常加入稳定剂，它包括热稳定剂、光稳定剂及抗氧化剂。(9)固化剂加入固化剂可使高分子聚合物线型大分子交联而变成体型大分子，从而获得耐热、坚硬的塑料制品。5.4.2橡胶橡胶1.橡胶的分类2.主要橡胶添加剂及其特性图5-18全世界在2010年橡胶的消耗量1.橡胶的分类橡胶的分类(1)天然橡胶天然橡胶从自然界含胶植物中提取，

13、简称NB。(2)合成橡胶合成橡胶的品种很多，按其性能和用途可分为通用合成橡胶和特种合成橡胶。表5-4几种橡胶的主要特性和应用2.主要橡胶添加剂及其特性主要橡胶添加剂及其特性(1)硫化体系硫化是橡胶制品生产过程中最重要的环节，生胶大分子只有经过硫化、交联，形成具有三维网状结构的体型大分子，才会获得优异的高弹性和高强度，成为有实际使用价值的材料。(2)补强与填充体系补强是橡胶工业的专有名词，是指提高橡胶的拉伸强度、撕裂强度及耐磨耗性能。(3)防老化体系橡胶在贮存、加工和长期的使用过程中，受氧、臭氧、光、热、高能辐射及应力作用，会逐渐发粘、变硬、弹性降低、龟裂、发霉、粉化，这种现象称为老化。(4)增

14、塑体系橡胶材料最宝贵、最重要的性质是高弹性。5.4.3纤维纤维1.天然纤维2.化学纤维2.化学纤维化学纤维(1)人造纤维人造纤维是以天然高分子材料为原料，经化学处理与机械加工而制得的纤维。(2)合成纤维以合成高分子材料为原料制得的纤维称为合成纤维。5.4.4粘合剂及涂料粘合剂及涂料1.粘合剂2.涂料1.粘合剂粘合剂1)增塑剂及增韧剂。2)固化剂(硬化剂)。3)填料。4)溶剂。5)其他辅料。(1)金属材料金属材料是高强度材料，在胶接金属时，要考虑载荷及工作环境等条件来选择适当的粘合剂。(2)塑料、橡胶胶接塑料常用的粘合剂见表5-5。(3)玻璃用于粘接玻璃的粘合剂，需要考虑强度、透明性以及与玻璃热

15、胀系数的匹配。(4)混凝土胶接混凝土一般采用环氧树脂粘合剂，对载荷不大的非结构也可采用聚氯酯胶。(5)金属与非金属金属与不同非金属材料的胶接所选用的粘合剂不同，如橡胶-金属的胶接一般可选用改性的橡胶粘合剂，如氯丁酚醛胶、氰基丙烯酸酯胶等。表5-5塑料材料常用粘合剂表5-5塑料材料常用粘合剂表5-6混凝土与其他材料胶接时常用的粘合剂2.涂料涂料(1)成膜物质成膜物质必须与物体表面具有良好的结合力(附着力)。(2)颜料涂料中加入颜料可起装饰作用，并对物体表面起到耐腐蚀保护作用。(3)填充剂填充剂又称为填料，在涂料工业中亦称为体质颜料，它们不具有遮盖力和着色力，而是可以改进涂料的流动性能，提高膜层的

16、耐久性、力学性能和光泽，并可降低涂料的成本。(4)溶剂溶剂是用来溶解成膜物质的易挥发性有机液体，常用的有甲苯、二甲苯、丁醇、丁酮、醋酸乙酯等。(5)增塑剂增塑剂是为了提高漆膜柔性而加入的有机添加剂。(6)催干剂(催化剂)催干剂就是促使聚合或交联的催化剂。(7)增稠剂及稀释剂增稠剂及稀释剂是为了改善涂料的粘度而加入的添加剂。(8)其他添加剂涂料中的其他添加成分还有杀菌剂、颜料分散剂，以及为了延长储存期而加入的阻聚剂、防结皮剂等。5.5高分子材料的成型加工高分子材料的成型加工5.5.1塑料的成型加工5.5.2橡胶的成型加工5.5.3合成纤维的纺丝工艺5.5.1塑料的成型加工塑料的成型加工1.挤出成

17、型2.注射模塑法成型3.压延成型4.吹塑成型5.模压成型6.传递模塑成型1.挤出成型挤出成型图5-21螺杆挤出机结构示意图2.注射模塑法成型注射模塑法成型(1)送料如图5-22a所示，粒状物料经加料漏斗加入机筒，在螺杆推压下将粒状物料推至机筒前端。(2)塑化如图5-22b所示，物料在注射机的机筒前端内加热熔化。(3)充模如图5-22c所示，在螺杆的前进推力下物料经前端的喷嘴快速注入温度较低的闭合模具内保压。(4)脱模如图5-22d所示，经过冷却定型，开启模具即得制品。图5-22注射模塑法成型过程示意图a)送料b)塑化c)充模d)脱模3.压延成型压延成型图5-23压延法生产软聚氯乙烯薄膜工艺流程

18、示意图1树脂料仓2电磁振动加料斗3自动磅秤4称量计5大混合器6齿轮泵7大混合中间贮槽8传感器9电子秤料斗10高速热机11高速冷机12集尘器13塑化机14、16、18、24输送带15、17辊压机19金属检测器20摆斗21四辊压延机22冷却导辊23冷却辊25运输辊26张力装置27切割装置28复卷装置29压力辊4.吹塑成型吹塑成型图5-24吹塑成型塑料瓶示意图a)将管状塑料预制品放入模具内b)合模、管状塑料预制品底部合拢c)空气压制预制品到成品1进气管2压模头3模具4型坯5.模压成型模压成型图5-25模压成型热固性塑料制品示意图a)原料置于上下模板型腔内b)闭模加压成型制品5.5.2橡胶的成型加工橡胶的成型加工(1)塑炼将处于高弹性态的强韧性生胶转变为柔软而具有可塑性胶料的工艺过程称为塑炼。(2)混炼将添加剂和塑炼胶按照配比制成质量均一混炼胶的工艺过程称为混炼。(3)橡胶制品的模压成型 1)与热塑性塑料加工类似，压延也是橡胶加工的重要基本工艺之一。2)用于塑料成型的挤出工艺也可用于橡胶的成型。(4)硫化工艺硫化是橡胶生产加工中的最后一道工艺过程，其温度、压力、时间称为硫化工艺三要素。5.5.3合成纤维的纺丝工艺合成纤维的纺丝工艺1.纺丝2.纺丝后加工1.纺丝