第8章土工聚合物

第8章工程聚合物

广西工学院土木工程系本章主要内容与目的：

介绍聚合物基本概念和常用的工程聚合物种类，在此基础上介绍聚合物在公路工程中的应用。

计划课时与上课手段：以课堂讲授为主。

广西工学院土木工程系第一节聚合物的基本概念

广西工学院土木工程系

所谓聚合物是通过聚合的方式将成千上万的小分子连接而成的一类物质，由于这类物质聚合成的分子量很大，所以又称为高分子或高聚物。第一节聚合物的基本概念一、聚合物定义及命名1．聚合物定义广西工学院土木工程系

聚合物可分成天然和合成两大类型。如自然界有淀粉、蛋白质、纤维和橡胶等聚合物，但工程中所使用的聚合物往往是指人工合成的聚合物，常见的有聚乙烯、聚苯乙烯、丁苯橡胶等。

广西工学院土木工程系尽管聚合物的分子量很大，但其化学结构却比较简单，大多是由一种或几种小分子物质聚合而成，所以聚合物分子结构是这小分子物质结构的重复组合。如常见的日用工程塑料聚氯乙烯是由单个氯乙烯分子聚合在一起形成。广西工学院土木工程系这里可以看出，聚合物的结构实际上是小分子结构的多次重复组合，将构成聚合物结构重复组合单元的小分子称为单体，众多单体聚合形成的每一个聚合物分子就是一个高分子链，每个分子链的最小机构单元称为链节，而将链节的数目称为聚合度，用n表示。显然，当知道某一聚合物的聚合度，则很容易由构成聚合物单体物质的分子量，计算出该聚合物的分子量来。广西工学院土木工程系

如聚合物由一种单体聚合而成，在构成聚合物的单体前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯等；

如聚合物由两种或两种以上单体聚合而成，则将单体名称的缩写放在前面，在其后根据用途加上“树脂”、“橡胶”等名称。如酚醛树脂（由苯酚和甲醛聚合而成）、丁苯橡胶（由丁二烯和苯乙烯聚合而成）。2．聚合物材料的命名（1）根据单体名称命名：广西工学院土木工程系

在很多情况下，聚合物常常采用习惯的方式或采用商品名称进行命名，如由己二酸类和己二胺聚合成的己二酰己二胺，常习惯称作聚酰胺66，或采用商品名称——尼龙66。另外类似的还有有机玻璃、环氧树脂等。

另外，为简化起见，聚合物在使用或文献中常采用英文缩写字母来表示，如聚乙烯表示为PE、聚氯乙稀表示为PVC等。（2）习惯命名和商品命名：广西工学院土木工程系

（1）加聚反应：由带有双键的不饱和小分子物质通过加成反应合成聚合物，其中根据聚合时的参与反应的单体数目又分为均聚和共聚两种。

二、聚合物的合成与结构

1．聚合物合成反应

广西工学院土木工程系均聚合反应——由一种单体进行聚合的过程，如由乙烯的均聚合过程得到聚乙烯：

广西工学院土木工程系共聚合反应——由两种或两种以上单体共同聚合的过程，如由丁二烯和苯乙烯共聚合得到的嵌段聚合物，简称为SBS，是一种热塑性橡胶，其结构式如下：

广西工学院土木工程系2）缩聚反应：由带有两个或两个以上官能团的单体物质，通过自身或相互之间反复缩合反应生成聚合物，同时还析出诸如水、氨、醇、氯化氢等低分子副产物。过程如下列方程所示。广西工学院土木工程系：

聚合物具有一些特殊的性质，如高弹性、较好的耐候性以及良好的变形性等，之所以具有这些特性，关键在于聚合物具有特殊的结构特征。2．聚合物结构特征

广西工学院土木工程系聚合物在合成过程中，除了形成一维的线型链之外，在一定条件下还可形成带有支链的结构，甚至还能在链与链之间通过交联形成三维的立体型结构。对于线型或支链型聚合物，具有可塑化、熔融的特点，并能溶解于适当的溶剂；但体型的聚合物就无法溶解，也不能熔融。所以前者呈现出较低的硬度、熔点及抗拉强度，但断裂伸长率较高；而后者具有较高刚性和良好的尺寸稳定性。

广西工学院土木工程系

由于聚合物的分子链很长，通常长链呈现卷曲状，在外力作用下分子链伸展开来，外力停止又重新收缩恢复卷曲状，从而表现出极好的弹性特点。同时在较长的分子链之间通过分子间力相互影响，相互作用，可抵御较大的拉力作用。所以在受拉时，即使是分子链被拉断，聚合物的分子链也难以滑脱。广西工学院土木工程系与小分子等其他物质不同，高聚物可以呈现三种不同结构状态：玻璃态、高弹态和粘流态。广西工学院土木工程系在温度较低时，聚合物分子链之间的作用力很大，分子链只能在原有的位置上振动，受到外力时只能发生瞬时的微小形变，外力卸除形变立即恢复，这种状态就是玻璃态。当温度升高时，高分子链有了较大的活动能力，分子链变得柔软可以旋转，在外力作用下可以产生较大变形，外力卸除后会逐渐恢复原状，呈现显著的弹性特点，此时的状态称为高弹态。随温度进一步的升高，聚合物分子链达到可以相互滑动、整体迁移的状态，受力时极易变形，外力卸除后形变无法恢复，此时称为粘流态。

广西工学院土木工程系

在三种状态变换过程中，存在两种温度，一是从玻璃态到高弹态的玻璃化转变温度，简称玻璃化温度，另一个是从高弹态到粘流态的粘流温度。显然常温下，处于玻璃态的聚合物适宜作塑料或纤维使用，处于高弹态的聚合物适宜作橡胶使用，而利用聚合物的粘流状态易于生产加工。广西工学院土木工程系

所以，用作塑料和纤维的聚合物，希望其玻璃化温度要高一些，以保证在较宽的温度范围里使这两种材料具有良好的变形稳定性；而对于橡胶材料，却希望其玻璃化温度越低越好，这样可在严寒条件下，可保持高弹态而具有优良的弹性。

广西工学院土木工程系第二节常用的工程聚合物材料

广西工学院土木工程系

工程聚合物材料是以聚合物为主要原料加工而成的塑料、合成橡胶、合成纤维和胶结剂等，也被称为高分子建材。广西工学院土木工程系

塑料是以合成树脂为主要原料，加入填充剂、增塑剂、润滑剂、颜料等添加剂，在一定温度和压力下制成的一种有机高分子材料。塑料是多功能材料，可以通过调整配合比参数及工艺条件制得不同性有的材料，具有较高的比强度和优良的加工性能，因此在土建工程中也得到广泛的应用。

一、塑料

广西工学院土木工程系

合成橡胶是由石油、天然气、煤、石灰石以及粮食等原料经加工而取得的。常用原料如甲烷、丙烷、乙烯、丁烯、戊烯、苯和甲苯以及乙炔等。这些原料与水作用或脱水反应就可成丁二烯，而丁二烯是很多合成橡胶的单体原料。

二、合成橡胶

广西工学院土木工程系合成橡胶的特征是在较小的外力作用下，能产生大的变形，外力去除后能迅速恢复原状，具有良好的伸缩性、储能能力和耐磨、隔声、绝缘等性能，是应用广泛的材料。

广西工学院土木工程系生胶原料有天然橡胶和合成橡胶二大类，而天然橡胶远远不能满足生产发展的需要，而石化工业的迅速发展可生产大量的合成橡胶原料，因此人工合成橡胶是主要原料来源，所制成的橡胶制品的性能因单体和制造工艺的不同而异，某些性能（如耐油、耐热、耐磨等）甚至较天然橡胶为优。

广西工学院土木工程系

合成纤维是以有机高分子聚合物为原料，经熔融或溶解后纺制成的纤维，如聚酰胺、聚酯纤维等，与纤维素纤维和蛋白质纤维等人造纤维一样均属于有机化学纤维。而玻璃纤维、陶瓷纤维等则属于无机化学纤维，自然界还有石棉等无机天然纤维及动植物纤维等有机天然纤维。三、合成纤维广西工学院土木工程系第三节聚合物在道路工程中的应用

广西工学院土木工程系

随着路用性能要求的不断提高，对常用的筑路材料也有了更高的要求。在公路建设过程中使用聚合物或利用聚合物材料对现有路用材料进行改性，是满足这种需要的一个有效方法。广西工学院土木工程系

由于道路石油沥青自身的原因，使得其在高温抗变形能力、低温的抗开裂性、与集料的粘附性和抗老化性上存在明显的不足。在沥青中掺入聚合物，利用聚合物特有性能对沥青改性，可以有效地提高沥青路用性能。

一、聚合物改性沥青广西工学院土木工程系

目前常用的聚合物改性沥青类型有热塑弹性体改性沥青、橡胶类改性沥青和热塑性树脂改性沥青等，其中以采用SBS热塑弹性体聚合物进行沥青改性效果最为显著。

广西工学院土木工程系SBS是以丁二烯1,3和苯乙烯为单体，采用共聚合的方式制成的线型或星型嵌段聚合物，即每个聚合物分子链在中间部位是柔性的丁二烯段，该段的两端是刚性的苯乙烯段。其中星型SBS是丁二烯链段通过偶联方式在中心部位连接起来，形成类似放射形的星型结构。广西工学院土木工程系无论是线型还是星型的SBS，其中聚苯乙烯链段（S）在两端，分别聚集在一起，形成物理交联区域，即所谓的硬段约束区；而聚丁二烯链段（B）则形成软段，即连续相高弹区。

广西工学院土木工程系SBS硬段作为分散相分布在连续相聚丁二烯之间，起着物理交联点固定链段和聚丁二烯补强作用。在SBS结构中，硬段的聚苯乙烯端赋予材料足够的强度，中间的嵌段聚丁二烯又使聚合物具有特别好的弹性。正是SBS这种结构，使其具有两个玻璃化温度，Tg1为-80℃（聚丁二烯段），Tg2为80℃（聚苯乙烯段）。广西工学院土木工程系所以，将SBS加入到沥青充分混合时，依靠SBS的特殊结构和特性，一方面在夏季相对较高的环境里，由于环境温度仍在Tg2之下，依靠硬段聚苯乙烯，使沥青保持较高的抗变形能力，抵御高温车辙的形成；另一方面在冬季低温环境下，又依靠柔性段很低的Tg1，使沥青材料仍具有较好的低温柔性，防止沥青材料的开裂，从而使沥青材料在高温和低温时，性能都得到显著的改善。广西工学院土木工程系

聚合物混凝土是在普通水泥混凝土技术中结合聚合物材料的应用，从而改善原水泥混凝土技术性能的一种新型材料。其中根据混凝土和聚合物两种材料相互间的结合方式不同，将这种新材料可分为：二、聚合物混凝土广西工学院土木工程系1．聚合物浸渍混凝土——它是将硬化的混凝土加热、干燥、抽取孔隙中的空气，以有机单体（如甲基丙稀酸甲脂、丙稀腈等）浸渍，然后用加热或辐射等方法使孔隙中的单体聚合而成。具有高强、耐蚀、抗渗、耐磨等优良性能。广西工学院土木工程系2．聚合物水泥混凝土——是在拌和混凝土时掺如聚合物（如聚丙烯酸、乳胶等）或单体（如丙稀腈、苯乙烯等），通过聚合物与水泥水化产物相互穿透包裹，形成致密的网状结构，因而改善混凝土的性能，具有粘结性能好，抗拉强度高、耐久性、耐磨性和耐蚀性高的特点。主要用于机场跑道、混凝土路面或桥梁面层等构造物。

广西工学院土木工程系

3．聚合物胶结混凝