高分子材料热固性塑料课件(PPT 100页)

1、第1页，共100页。第2页，共100页。Thermosetting plasticsThermosetting plastics (thermosets) are polymer materials that irreversibly cure. The cure may be done through heat (generally above 200oC), through a chemical reaction (two-part epoxy, for example), or irradiation such as electron beam processing.Most often

2、, the cure process involves cross-linking which strengthens the polymer (setting).Thermoset materials are usually liquid or malleable prior to curing and designed to be molded into their final form, or used as adhesives. Others are solids like that of the molding compound used in semiconductors and

3、integrated circuits.第3页，共100页。Thermosetting plasticsCross-linked molecules CooledHeatedsoftensPermanently hardThermosetting means the plastic softens when initially heated , but sets permanently rigid once it has cooled or has been chemically crosslinked.It is similar to the relationship between a r

4、aw and a cooked egg.第4页，共100页。Preparation Strategy of thermosets+Multi functional monomer to crosslinked polymerMelamine resinPolyester resinPrepolymerto crosslinked polymerPhenolic resinUrea resin第5页，共100页。Phenolic resin 酚醛树脂Dr. Leo BaekelandFirst totally synthetic plastic (1907)Patented in 1909By

5、controlling the pressure and temperature applied to phenol and formaldehyde, he found he could produce his dreamed-of hard moldable plastic: bakeliteReplaced rubber for insulation in electricsDr. Leo H. BaekelandIn 1872，the famous Germany chemist, Adolf von Bayer had already observed the residue at

6、the bottom of the test tube using for the reaction of Phenol and formaldehyde, which was very hard to get rid of. However, his interesting was focused on the organic dye, he didnt research this reaction第6页，共100页。第7页，共100页。在酸性介质中，酚与醛的反应过程如下： 式中的n一般为412，其数值的大小与反应物中苯酚的过量程度有关。固化时，利用树脂中酚基上未反应的对位活泼氢与甲醛或六甲

7、基四胺作用，形成不溶不熔的热固性酚醛树脂。 OHOH CH2OCH2OHOHCH2OHOHH2OCH2OHOHCH2OHOHCH2OHnn二羟二苯基甲烷热塑性酚醛树脂第8页，共100页。第9页，共100页。第10页，共100页。热固性酚醛树脂的聚合原理热固性酚醛树脂的合成是苯酚与甲醛在碱性介质中缩聚而得。其中甲醛稍微过量，一般一般酚与甲醛的物质的量的比为67。反应的第一阶段形成各种羟基酚，第二阶段是各种羟基酚之间进行反应，第三阶段是形成网状大分子的反应： 第一阶段OH CH2OCH2OHOHCH2OHOH（邻羟甲基酚）（对羟甲基酚）CH2O第11页，共100页。CH2OHOHCH2OHOH（2

8、，6-二羟甲基酚）（2，4-二羟甲基酚）CH2OHOCH2第二阶段CH2OHCH2OHOHHOCH2CH2OH（2，4，6-三羟甲基酚）CH2OHOHCH2OHOHCH2OHCH2OHOH第12页，共100页。其它略CH2OHOHHOCH2CH2OHOHCH2OHCH2OHHOCH2CH2OHOHCH2OHCH2OHOHHOCH2CH2OHOHHOCH2CH2OHCH2OHOHHOCH2CH2CH2OHHOCH2OH第13页，共100页。第三阶段CH2CH2 HOCH2CH2OHCH2OHCH2OHOHCH2OHCH2CH2 CH2OHOHCH2CH2CH2CH2CH2CH2OHOHOHCH2

9、 CH2OHCH2OHOHCH2CH2CH2CH2HOCH2CH2OHCH2 OHOHOH第14页，共100页。Properties of Phenolic resin高温性能 酚醛树脂最重要的特征就是耐高温性，即使在非常高的温度下，也能保持其结构的整体性和尺寸的稳定性。粘结强度 酚醛树脂一个重要的应用就是作为粘结剂。酚醛树脂是一种多功能，与各种各样的有机和无机填料都能相容的物质。润湿速度特别快，并且在交联后可以为磨具、耐火材料，摩擦材料以及电木粉提供所需要的机械强度，耐热性能和电性能。高残碳率 在温度大约为1000 的惰性气体条件下，酚醛树脂会产生很高的残碳，这有利于维持酚醛树脂的结构稳定性

10、。也是它能用于耐火材料领域的一个重要原因。低烟低毒 与其他树脂系统相比，酚醛树脂具有低烟低毒的优势。在燃烧的情况下酚醛树脂系统将会缓慢分解产生氢气、碳氢化合物、水蒸气和碳氧化物。分解过程中所产生的烟相对少，毒性也相对低。抗化学性 交联后的酚醛树脂可以抵制大多化学物质的分解。例如汽油，石油，醇，乙二醇和各种碳氢化合物。第15页，共100页。第16页，共100页。Phenolic resin第17页，共100页。第18页，共100页。第19页，共100页。第20页，共100页。第21页，共100页。第22页，共100页。第23页，共100页。第24页，共100页。第25页，共100页。第26页，共

11、100页。第27页，共100页。第28页，共100页。Application of Phenolic resin第29页，共100页。Application of Phenolic resin酚醛树脂主要应用于电绝缘体铸件，用于电器外壳、设备和汽车的部件等。也有部分用于木材层板的粘合剂，用于家具和室内装修。通过浸渍木材和纸板得到的装饰薄板可用于工作台面、印刷电路、墙面装饰等。第30页，共100页。酚醛泡沫彩钢复合板第31页，共100页。第32页，共100页。Urea formaldehyde resin 脲醛树脂Urea-formaldehyde, also known as urea-met

12、hanal, named so for its common synthesis pathway and overall structure, is a non-transparent thermosetting resin or plastic, made from urea and formaldehyde heated in the presence of a mild base such as ammonia or pyridine. These resins are used in adhesives, finishes, MDF, and molded objects.Prepol

13、ymerCuringCNH2H2NOCNH2NHOCH2HOCH2OCH2OCNHNHOCH2()nCH2OCONCH2CH2NNCH2CH2NNCH2CH2NNCH2CH2NNCH2CH2NNCH2CH2NCOCOCOCOCOCOCOCatalyst-H2O-H2O第33页，共100页。Properties of Urea formaldehyde resin1924年，英国氰氨公司研制出脲醛树脂，1928年始出售产品，30年代中期产量达千吨，80年代世界年产量已超过1.5Mt。脲醛树脂成本低廉，颜色浅，硬度高，耐油，抗霉，有较好的绝缘性和耐温性，是开发较早的热固性树脂之一。脲醛树脂坚硬，耐

14、刮伤，耐弱酸弱碱及油脂等介质，价格便宜，具有一定的韧性，但它易于吸水，因而耐水性和电性能较差，耐热性也不高。脲醛树脂可用于耐水性和介电性能要求不高的制品，如插线板、开关、机器手柄、仪表外壳、旋纽、日用品、装饰品、麻将牌、便桶盖，也可用于部分餐具的制造。第34页，共100页。脲醛塑料制品表面有光泽，断面结构细，加入各种颜料及染料可以制得各种鲜艳色泽的制品，其外观很象大理石，形同玉石，所以俗称“电玉”。脲醛树脂是国内外木材工业的主要粘合剂。由于它胶合强度高、固化快、操作性好、生产成本低、原料丰富易得等一系列优点而得到广泛应用。但是脲醛树脂所含的游离甲醛具有毒性，树脂中的游离甲醛含量越低，其毒性就越

15、小。第35页，共100页。Application of Ureaformaldehyde resin第36页，共100页。第37页，共100页。Melamine formaldehyde resinThermosetting resins of the amino resin family, made by reacting melamine with formaldehyde. The lower molecular weight, uncured melamine resins are water soluble used for impregnating or laminating. G

16、lass fiber reinforced melamine can be processed by compression molding. Also known as MELAMINE PLASTICS or MELAMINE RESINS.Melamine formaldehyde resinNNNNH2H2NNH2CH2ONNNNHCH2OHHOCH2HNNHCH2OHCH2ONNNNNNHOH2CHOH2CCH2OHCH2OHCH2OHHOH2CCuringCuring-H2O-H2O第38页，共100页。Properties of melamineformaldehyde resi

17、n蜜胺树脂（三聚氰胺甲醛树脂）单体具有较大的化学活性，很高的胶接强度，耐水能力高，能经历三小时以上的沸水，热稳定性高，耐磨性好，固化快。蜜胺树脂成品比脲醛树脂成品硬度和耐磨性好，对化学药物的抵抗能力，电绝缘性能等都好。但是固化后胶层容易破裂不宜单独使用。储存期短，易变质，制成粉状可延长储存期限。蜜胺树脂加无机填料后制成模塑制品，色彩丰富，大多用于装饰板、餐具、日用品。餐具外观酷似瓷器或象牙，不易脆裂又适宜机械洗涤。蜜胺树脂与脲醛树脂混合可配制成胶粘剂，用于制造层压材料。用丁醇改性的密胺树脂可作涂料和热固性漆。第39页，共100页。Application of melamineformaldeh

18、yde resin第40页，共100页。第41页，共100页。第42页，共100页。Epoxy resinEpoxy or polyepoxide is a thermosetting polymer formed from reaction of an epoxide “prepolymer with polyamine or cyclic anhydride as hardener. Epoxy has a wide range of applications, including fiber-reinforced plastic materials and general purpose

19、 adhesives.Structure of unmodified bisphenol-A epoxy prepolymer. n denotes the number of polymerized subunits and is in the range from 0 to about 25.ToughnessToughnessHigh temperature performanceand RigidityReactive sites, Adhesion, and WetabilityReactive sites第43页，共100页。各结构单元赋予树脂以下功能：环氧基和羟基赋予树脂反应性，

20、使树脂固化物具有很强的内聚力和胶接力；醚键和羟基是极性基团，有助于提高浸润性和黏附力；醚键和C-C键使大分子具有柔韧性；苯环赋予聚合物以耐热性和刚性。第44页，共100页。第45页，共100页。第46页，共100页。第47页，共100页。Curing agent of epoxy resin 常用环氧树脂固化剂有胺类固化剂 包括脂肪胺、脂环胺、芳香胺等酸酐类固化剂低分子量聚酰胺类固化剂咪唑类固化剂三级胺类固化剂常温或低温固化一般选用胺类固化剂，加温固化则常用酸酐、芳香类固化剂。RNH2H2NCOCOORNHCO()nRNNNNRNN环氧种类产量比例%双酚A81溴化环氧13酚醛环氧3脂肪族环氧1

21、其它2第48页，共100页。Curing of epoxy resinpolyamine as hardenerMaleic anhydride and styrene as hardenerROORNH2NH2H2NH2N+RNHNHHNHNRCHOHCHOHCH2RCHOHCHOHCH2CH2CH2ROO+COCOOCHCHROOCHCHCOCO()nROOCHCHCOCO()nCHCHPhCHCHPhCHCHPhCH2CH2CHCHOO第49页，共100页。第50页，共100页。第51页，共100页。第52页，共100页。环氧树脂的辅助剂通常有：（1）稀释剂（2）增韧剂（3）填料（4）色

22、料（1）稀释剂 其作用是降低环氧树脂的粘度，提高流动性。活性稀释剂： 降低树脂粘度的同时，参与固化反应的稀释剂。改善工艺性能的同时也改善材料的性能。非活性稀释剂： 只起降低树脂粘度的作用，不参与固化反应的稀释剂。树脂固化时部分逸出，部分残留在制品内。第53页，共100页。常用活性稀释剂： 环氧丙烷丙烯醚、环氧丙烷丁基醚、脂环族环氧树脂、甘油环氧树脂等。常用非活性稀释剂： 丙酮、甲乙酮、苯乙烯、环己酮、苯、甲苯、二甲苯等。非活性稀释剂的使用，可使制品收缩率增加，降低粘结力，用量一般控制在515以内。第54页，共100页。（2）增韧剂非活性增韧剂（增塑剂） 不带有活性基团，不参与固化反应。常用的有

23、邻苯二甲酸二甲酯、二乙酯、二丁酯，磷酸三丁酯等，掺加量520。活性增韧剂： 参与固化反应。其增韧作用又称“内增塑”。 常用的有聚酰胺（650，651），是一种多元胺，黄褐色粘稠液体（同时又是固化剂），用量是树脂的4580，不需要另加其他固化剂。固化条件是： 65时3h； 室温时24h。第55页，共100页。（3）填料作用： 降低成本；减少制品成型过程的收缩性，降低制品的热膨胀系数和制品的收缩率。 常用的填料有陶土、滑石粉、石英粉、石墨、金属粉等。有时填料对制品的电性能、机械性能、耐磨性能也有影响。（4）色料 为使制品美观，在树脂中加入色料。 通常加入无机颜料的树脂糊，也有加有机颜料的，但是应保

24、证有机颜料不参与反应，否则容易退色。 颜料糊制备的目的是：使均匀分布，不产生颜料团。第56页，共100页。第57页，共100页。第58页，共100页。Properties of epoxy resin 形式多样。各种基体、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。 固化方便。选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在0180温度范围内化。 粘附力强。环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。 收缩性低。环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成

25、反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于2%）。 力学性能。固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。 电性能。固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。 化学稳定性。通常，固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。像固化环氧体系的其它性能一样，化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂，可以使其具有特殊的化学稳定性能。 尺寸稳定性。上述的许多性能的综合，使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。 耐霉菌。固化的环氧

26、树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻的热带条件下使用。第59页，共100页。第60页，共100页。Application of epoxy resin第61页，共100页。第62页，共100页。Polyester resin 聚酯树脂Polyester resin, also known as alkyd resin醇酸树脂, are resin formed by the reaction of polyols (also known as polyhydric alcohols, organic compounds with multiple alcohol or hydroxy functi

27、onal groups) and polycarboxylic. the term alk-yd from alcohol and acid or anhydride.Typical polyols used are glycols such as ethylene glycol. The usual polycarboxylic acids used are unsaturated carboxylic acid such as phthalic acid, maleic acid, oleic acid. Water, which is a by-product of this ester

28、ification reaction, is removed from the reaction mass as soon as it is formed to drive the reaction to completion.the unsaturated groups react with oxygen from the air, causing the oils to crosslink and harden.第63页，共100页。Glyptal resin甘酞树脂COCOOHOCH2CH2CH2OHOHCOCOOCH2CH2CH2OOH()n+COCOOCH2CH2CH2OO()nCO

29、COOCH2CH2CH2OO()nCOCOCOCOOPrepolymer在适当的温度条件下，甘油的两个伯羟基先与二酸反应得到的线性预聚物，而当温度升高后，预聚物中残留的仲羟基将继续发生反应将线形的分子链交联。第64页，共100页。Unsaturated polyester 不饱和聚酯Unsaturated polyester resins may be obtained by polymerization of unsaturated acids (e.g., maleic anhydride) with a diol such as propylene glycol or diethylen

30、e glycol. Corporation of the saturated acid serves to decrease crosslink density and consequently resin brittleness. Fumaric acid may be used in place of maleic acid to increase impact resistance. The low-molecular-weight prepolymer is soluble in styrene, which can then participate in a crosslinking

31、 step with the double bonds of the prepolymer during initiation by peroxides.COCOOROHHOROOCHCHCOCO()n-H2OCHCHROOCHCHCOCO()nROOCHCHCOCO()nCHCHPhCHCHPhCHCHPh+prepolymer第65页，共100页。第66页，共100页。第67页，共100页。第68页，共100页。第69页，共100页。第70页，共100页。第71页，共100页。Properties of unsaturatedpolyester resin工艺性能优良。这是不饱和聚酯树脂最

32、大的优点。可以在室温下固化，常压下成型，工艺性能灵活，特别适合大型和现场制造玻璃钢制品。固化后树脂综合性能好。力学性能指标略低于环氧树脂，但优于酚醛树脂。耐腐蚀性，电性能和阻燃性可以通过选择适当牌号的树脂来满足要求，树脂颜色浅，可以制成透明制品。品种多，适应广泛，价格较低。缺点是固化时收缩率较大，贮存期限短，含苯乙烯，有刺激性气体，长期接触对身体健康不利。聚酯树脂主要用于胶粘玻璃钢、硬质塑料、混凝土、电气罐封等。第72页，共100页。第73页，共100页。第74页，共100页。第75页，共100页。FRP (Fiberglass Reinforced Plastics 亦称作GRP，Glass

33、 Reinforced Plastics，或Glass fibre reinforced plastics (GFRP) 即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。最为广泛使用的醇酸树脂是玻纤增强的不饱和聚酯树脂，是热固性树脂中用量最大的，也是玻璃钢复合材料制品生产中用得最多的树脂。虽然隶属于醇酸树脂，但是因为多用途和高使用量，已经发展成为一个单独的行业。Application of unsaturatedpolyester resin第76页，共100页。Application of unsaturatedpolyester resin第77页，共100页。第7

34、8页，共100页。第79页，共100页。4.1.6.6 有机硅塑料硅树脂，学名聚硅氧烷树脂；英文名：Silicone resin。硅树脂是4大有机硅材料之一，具有一般有机树脂难以达到的耐高温、耐候及耐化学品性。近年来，有关硅树脂的研究工作进展相当快，一些成果已在工业上得到应用。硅树脂是Si-O-Si为主链，硅原子上连接有机基团的交联型半无机高聚物，由多官能度的有机硅烷经水解缩聚而制成的，在加热或有催化剂存在下可进一步转变成三维结构的不溶不熔的热固性树脂。硅树脂具有优异的耐热性及耐候性，兼具优良的电绝缘性、耐化学药品性、憎水性及阻燃性，还可通过改性获得其他性能。因此，以硅树脂为基料做成的电绝缘漆

35、、涂料、模塑料、层压材料、脱膜剂、防潮剂等各类产品，在电机、电器、电子、航空、建筑等工业部门获得了广泛的应用。聚硅氧烷还被广泛地运用于生物医用材料，例如人工皮肤、植入材料等。SiOCH3CH3()n聚甲基硅氧烷Polydimethylsiloxane第80页，共100页。Silicon resinSilicone resins are a type of silicone material which is formed by branched, cage-like oligosiloxanes with the general formula of Rn-Si-Xm-Oy, where R

36、is a non reactive substituent, usually Me or Ph, and X is a functional group H, OH, Cl or OR. These groups are further condensed in many applications, to give highly crosslinked, insoluble polysiloxane networksSilicone resins are prepared by hydrolytic condensation of various silicone precursors. In

37、 early processes of preparation of silicone resins sodium silicate and various chlorosilanes were used as starting materials.第81页，共100页。Preparation of silicon resinClSiClRRH2O-HClHOSiOHRROHSiORRSiORRSiOHRR()n-H2OClSiClRRClSiClRClH2O-HCl+HOSiOHRRHOSiOHROH+-H2OOHSiORRSiORRSiOHRR()nSiOOR()mOHSiORRSiORR

38、SiOHRR()nSiOR()mCrosslinkedLinearR = CH3, C2H5, Ph, H, etc第82页，共100页。有机硅：即聚有机硅氧烷，其主链由硅氧键构成，侧基为 有机基团。与硅原子相连的侧基主要有以及其他有机基团。分类线型低聚物：液态（硅油）、半固态（硅脂）。高分子量线型聚合物：弹性体（硅橡胶）。树脂状流体（硅树脂）：具有反应活性（主要是 基团）含支链低聚物。第83页，共100页。Properties of Silicon resin热稳定性。硅树脂的 Si-O 键有较高的键能（363kJ/mol），所以比较稳定，耐热性和耐高温性能均很高。一般说来其热稳定性范围可达

39、200250，特殊类型的树脂可以更高一些。力学性能。硅树脂固化后的力学性能不高，若在大分子主链上引进氯代苯基，可提高力学性能。硅树脂玻璃纤维层压板的层间粘接强度较差，受热时弯曲强度有较大幅度的下降。若在主链中引入亚苯基，可提高刚性、强度及使用温度。电性能。硅树脂具有优良的电绝缘性能，它的击穿强度、耐高压电弧及电火花性能均较优异。受电弧及电火花作用时，树脂即使裂解而除去有机基团，表面剩下的二氧化硅同样具有良好的介电性能。憎水性。硅树脂的吸水性很低，水珠在其表面只能滚落而不能润湿。因此，在潮湿的环境条件下，有机硅树脂玻璃纤维增强复合材料仍能保持其优良的性能。耐腐蚀性能。硅树脂玻璃纤维增强复合材料可

40、耐浓度（质量）10%30%硫酸、10%盐酸、10%15%氢氧化钠、2%碳酸钠及3%过氧化氢。醇类、脂肪烃和润滑油对它的影响较小，但耐浓硫酸及某些溶剂（如四氯化碳、丙酮和甲苯）的能力较差。第84页，共100页。Application of silicon resin第85页，共100页。4.1.6.7 聚氨酯 PU第86页，共100页。第87页，共100页。DiisocyanateNCOCH3NCOtoluene diisocyanate(TDI)NCOCH2OCNdiphenylmethane diisocyanate(MDI)NCOOCNp-phenylene diisocyante(PPDI)NCONCOnaphthalene diisocyanate(NDI)NCOOCNCH3H3Co-tolidine diisocyanate(TODI).(CH2)6NCOOCNhexamethylene diisocyanate(HDI)NCOOCNcyclohexane diisocyanate(CHDI)Aromatic diisocyanateAliphatic diisocyanate第88页，共100页。PolyolCH2CH2OHHOOH(CH2)3HOO(CH2)3CH2CH2OHOH()nBi-functionalGl