第10章 有机高分子材料

第10章有机高分子材料有机高分子材料是指以有机高分子化合物为主要成分的材料。有机高分子材料分为天然高分子材料和合成高分子材料两大类。木材、天然橡胶、棉织品、沥青等都是天然高分子材料；而现代生活中广泛使用的塑料、橡胶、化学纤维以及某些涂料、胶粘剂等，都是以高分子化合物为基础材料制成的，这些高分子化合物大多数又是人工合成的，故称为合成高分子材料。高分子材料是现代工程材料中不可缺少的一类材料。由于有机高分子合成材料的原料（石油、煤等）来源广泛，化学合成效率高，产品具有多种建筑功能且质轻、强韧、耐化学腐蚀、功能多、易加工成型等优点，因此在建筑工程中应用日益广泛，不仅可用作保温、装饰、吸声材料，还可用作结构材料代替钢材、木材等。10.1高分子化合物的基本知识1．高分子化合物的定义及反应类型2．高分子化合物的分类及主要性质10.2建筑塑料塑料是以合成高分子化合物或天然高分子化合物为基本材料，与其他原料在一定条件下经混炼、塑化成型，在常温常压下能保持产品的形状不改变的材料。塑料在一定温度和压力下具有较大的塑性，容易做成各种形状尺寸的制品，而成型后，在常温下又能保持所需的形状和必需的强度。1．塑料的基本组成塑料大多数以合成树脂为基本材料，再按一定比例加入填充料、增塑剂、固化剂、着色剂和其他化学溶剂等加工而成。其主要组分是合成树脂，它约占塑料总质量的30%～60%。(1)合成树脂由人工合成的一类高分子聚合物。为粘稠液体或加热可软化的固体，受热时通常有熔融或软化的温度范围，在外力作用下可呈塑性流动状态，某些性质与天然树脂相似。它是塑料的主要组成材料，在塑料中起着胶粘剂的作用。合成树脂是由单体合成的高聚物，根据合成方法不同，可分为加聚类和缩聚类两种。①加聚类合成树脂加聚类合成树脂是经过加聚反应而成，其结构多为线型。线型高分子化合物，一般能溶解在适当的溶剂里。加聚类树脂，多属于热塑性，即遇热软化，冷却硬化，重复加热或冷却不失去塑性。②缩聚类合成树脂缩聚类合成树脂是经缩聚反应而成，其结构可为线型，可交联为体型。体型高分子化合物，因链间的相对位移困难，不能溶解在任何溶剂里，加热时也不融化，温度过高则有分解现象，这种性质称为热固性。体型结构的缩聚类树脂，有热固性。(2)填充料填充料又称为填充剂，它是为调节塑料的物理化学性能，提高机械强度，扩大使用范围而加入的粉状或纤维状无机化合物。如加入玻璃纤维可提高塑料的机械强度；加入云母可增强塑料的电绝缘性；加入石棉可改善塑料的耐热性。加入填充料后还可降低塑料的成本。常用的填充料还有石灰石粉、滑石扮、铝粉、碳黑、木屑、木粉及其他纤维等。(3)增塑剂为提高塑料加工时的可塑性，使其在较低的温度和压力下成形而加入的化学物质就是增塑剂。有些增塑剂还能改善塑料的强度、韧性、柔顺性。常用的增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸二甲酚酯、二苯甲酮、樟脑等。(4)稳定剂它是为使塑料长期保持工程性质而加入的物质。常用的稳定剂有抗老化剂、热稳定剂等，如硬脂酸盐及环氧树脂等。(5)固化剂固化剂是调节塑料固化速度，使树脂硬化的物质。通过选择固化剂的种类和掺量，可取得所需要的固化速度和效果。常用的固化剂有胺类、酸酐、过氧化物等。(6)着色剂塑料中加入着色剂是为获得所需的色彩。塑料中加入的着色剂应能与树脂相混熔和混溶，在加热加工和使用中应稳定。(7)其他助剂为使塑料获得某种性能还可加入润滑剂、发泡剂、阻燃剂等。2．塑料的主要性质塑料具有质轻、比强度高、电绝缘性能优良、耐化学腐蚀性好、富有装饰效果、抗震、消声、防水和隔热等诸多优点。其原料来源广泛，可按使用意图调整配方，塑制成不同性状的制品，因此，得到了快速的发展。但通用塑料尚普遍存在着易老化、可燃、刚度差、热变形大等不足，因此正在不断的改进中。由于塑料的无法自然降解性，目前已经导致许多动物的悲剧。比如动物园的猴子，鹈鹕，海豚等动物，都会由于误吞游客随手丢弃的塑料瓶，导致不消化而痛苦的死去；望去美丽纯净的海面上，走近了看，其实飘满了各种各样的无法为海洋所容纳的塑料垃圾，在多只死去海鸟样本的肠子里，发现了各种各样的无法被消化的塑料。综上所述，塑料及其制品在生活以及生产中广泛应用，但是不能忘记它也能产生巨大的危害，随着科技的不断进步，对塑料及其制品会有更多作用体现，也会解决塑料及其制品所带来的危害。3．常用的建筑塑料(1)使用特性分类根据各种塑料不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料五种类型。①通用塑料一般是指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料。通用塑料有五大品种，即聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)，聚苯乙烯(PS)及丙烯青一丁二烯一苯乙烯共聚合物(ABS)。它们都是热塑性塑料，工程塑料（见图10-1）。②工程塑料工程塑料一般指能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。在工程塑料中又将其分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。通用工程塑料包括：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。特种工程塑料又有交联型和非交联型之分。交联型的有：聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树酯等。非交联型的有：聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)等。③特种塑料一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅塑料具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用，增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能，这些塑料都属于特种塑料的范畴。④增强塑料增强塑料原料在外形上可分为粒状（如钙塑增强塑料）、纤维状（如玻璃纤维或玻璃布增强塑料）、片状（如云母增强塑料）三种。按材质可分为布基增强塑料（如碎布增强或石棉增强塑料）、无机矿物填充塑料（如石英或云母填充塑料）、纤维增强塑料（如碳纤维增强塑料）三种。(2)常用的建筑塑料建筑工程中常用的塑料按形成方式分为热固性和热塑性两种，按照合成方式主要有以下几种①聚合类树脂和塑料聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、ABS塑料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)。②缩合类树脂和塑料环氧树脂(EP)、有机硅(SI)、酚醛树脂、脲醛树脂(UF)、三聚氰胺甲醛树脂(MF)、不饱和聚酯(UP)。(3)常用的建筑塑料制品建筑工程中塑料制品主要是用于装饰材料、给排水工裎、电气工程、防水工程、保温隔热工程等建筑安装工程，以及其他用途的材料等。①塑料装饰板材

塑料装饰板，是用于建筑装修的塑料板。原料为树脂板、表层纸与底层纸、装饰纸、覆盖纸、脱模纸等。将表层纸、装饰纸、覆盖纸、底层纸分别浸渍树脂，经干燥后组坯，经热压后即为贴面装饰板。塑料贴面装饰板的类型分为：单面装饰板、双面装饰板、单面浮雕装饰板、双面浮雕装饰板、底层纸中加有金属板的增强装饰板、底层纸中加有玻璃纤维布的装饰板、铝板为基材装饰板、底层纸为基材铝箔装饰板、刨切单板混合结构的装饰板、人造板为基材的装饰板等。塑料贴面装饰板采用特殊原纸和树脂制成，在制造过程中可以仿制各种人造材料和天然材料的花纹图案，如桃花心木、花梨木、水曲柳、大理石、孔雀石、桔皮、皮革、纤维织物等的纹理或设计其他不同图案。装饰板的品种多样，色调鲜艳，装饰性强，适用范围较广。表层、装饰层使用的是氨基树脂，基层使用的是酚醛树脂，所以表面坚硬、耐磨损、耐热。而且这种板材耐水性能好，密度大，尺寸稳定性好，能耐一般酸、碱、油脂及酒精的腐蚀。装饰板具有韧性，可以弯曲成一定弧度，便于曲面的装饰，并易于与其他材料胶贴。装饰板具有轻质高强的特点，静曲强度在800kg／cm2以上，比重一般为1.0～1.4g／cm3，略重于水，而比铝约轻1／2，比钢铁约轻3／4，在使用方面可以代替某些轻金属和钢材，如车辆、船舶、室内的装修等。代替金属和木材的数量，塑料装饰板的耐久性优于涂料，其使用寿命比油漆能延长4～5倍。保养简单，易于清洁，维护费用较低。塑料装饰板的生产工艺简单，加工成型方便，劳动生产率较高，创造价值较大。②塑料壁纸塑料壁纸包括涂塑壁纸和压塑壁纸。涂塑壁纸是以木浆原纸为基层，涂布氯乙烯一醋酸乙烯共聚乳液与钛白、瓷土、颜料、助剂等配成的乳胶涂料烘干后再印花而成。聚氯乙烯塑料壁纸是聚氯乙烯树脂与增塑剂、稳定剂、颜料、填料经混练、压延成薄膜，然后与纸基热压复合，再印花、压纹而成。两种均具有耐擦洗、透气好的特点。③塑料地板

以高分子化合物（树脂为主要原料）所制成的地板覆盖材料称为塑料地板。塑料地板，即用塑料材料铺设的地板。塑料地板按其使用状态可分为块材（或地板砖）和卷材（或地板革）两种。按其材质可分为硬质、芈硬质和软质（弹性）三种。按其基本原料可分为聚氯乙烯(PVC)塑料、聚乙烯(PE)塑料和聚丙烯(PP)塑料等数种。塑料地板有许多优点，如防水防滑、超强耐磨、质轻、导热保暖性好、保养方便、绿色环保、防火阻燃、耐酸碱等。塑料地板在使用时需注意：表面应平整、光滑、无压痕、折印、脱胶；周边方正，切口整齐。它有以下特点：价格适度与地毯、木质地板、石材和陶瓷地面材料相比，其价格相对便宜。兼具多种功能：足感舒适，有暖感，能隔热、隔音、隔潮。施工铺设方便：消费者可亲自参与整体构思，选材和铺设。易于保养：易擦，易洗，易干，耐磨性好，使用寿命长。④塑料门窗塑料门窗即采用U-PVC塑料型材制作而成的门窗。塑料门窗具有抗风、防水、保温等良好特性。按材质可分为PVC塑料门窗和玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）门窗。塑钢门窗的性能好：抗风压性能、水密性、气密性能、单位缝长空气渗透量、保温性能。(4)玻璃钢玻璃钢(FRP)亦称作GRP，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。以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称为玻璃纤维增强塑料，或称为玻璃钢。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。优点：轻质高强、耐腐蚀性能好、电性能好、热性能良好、工艺性能好；缺点：弹性模量低、长期耐温性差、老化现象、层间剪切强度低。玻璃钢是复合材料的一种，玻璃钢材料因其独特的性能优势，已在航空航天、铁道铁路、装饰建筑、家居家具、广告展示、工艺礼品、建材卫浴、游艇泊船、体育用材、环卫工程等等相关十多个行业中广泛应用，并深受赞誉，成为材料行业中新时代商家的需求宠儿。玻璃钢制品也不同于传统材料制品，在性能、用途、寿命属性上大大优于传统制品。其易造型、可定制、色彩随意调配的特点，深受商家和销售者的青睐，占有越来越大的市场份额，前景广阔。10.3建筑涂料涂料是指应用于物体表面能结成坚韧保护膜的物料的总称，建筑涂料是涂料中的一个重要类别。在我国，一般将用于建筑物内墙，外墙，顶棚，地面，卫生间的涂料称为建筑涂料。1．建筑涂料的功能和分类(1)建筑涂料的功能建筑涂料具有装饰功能、保护功能和居住性改进功能。①装饰功能

装饰功能是通过建笳物的美化来提高它的外观价值的功能。主要包括平面色彩、图案、光泽方面的构思设计及立体花纹的构思设计。但要与建筑物本身的造型和基材本身的大小和形状相配合，才能充分的发挥出来。②保护功能

保护功能是指保护建筑物不受环境的影响和破坏的功能。不同种类的被保护体对保护功能要求的内容也各不相同。如室内与室外涂装所要求达到的指标差别就很大。有的建筑物对防霉、防火、保温隔热、耐腐蚀等有特殊要求。③居住性改进功能

各种功能所占的比重因使用目的不同而不尽相同。居住性改进功能主要是对室内涂装而言，就是有助于改进居住环境的功能，如隔音性、吸音性、防结露性等。(2)建筑涂料的分类按照建筑涂料的形态分为液态涂料、粉末涂料等。按照主要成膜物质的性质分为有机涂料、无机涂料和复合涂料。按照涂膜的状态分为平面涂料、彩砂涂料和复层涂料。按建筑物的使用方法分为外墙徐料、内墙涂料、顶棚涂料、地面涂料和屋面涂料。按涂膜的性能分为防水涂料、防火涂料、防腐涂料、防霉涂料、防虫涂料、助锈涂料和防结露涂料。2．建筑涂料的组成涂料中各种不同的物质经混合、溶解、分散而组成涂料。按照涂料中各种材料在涂料的生产、施工和使用中所起作用的不同，可将这些组成材料分为主要成膜物质、次要成膜物质、溶剂和助剂等。3．有机建筑涂料有机建筑涂料根据其所使用的分散介质不同。可分为溶剂型涂料和水性涂料（包括水溶性涂料、乳液型涂料）。溶剂型涂料有聚氨酯类、环氧树脂类、氯化橡胶和过氯乙烯涂料等种类。以水为溶剂，以树脂材料为基料的则属于有机水性乳液型或水溶液型涂料。这类涂料的使用最为普遍，例如聚醋酸乙烯乳液、苯丙乳液、乙丙乳液、纯丙乳液和氯偏乳液等。4．无机建筑涂料无机建筑涂料主要是无机高分子涂料，包括水溶性硅酸盐（碱金属硅酸盐）、硅溶胶和有机硅及无机聚合物等。目前应用最多的还是碱金属硅酸盐的硅酸钾，硅酸钠和硅溶胶无机建筑涂料。传统的无机建筑涂料有水泥、石灰等材料。与有机建筑涂料相比，无机建筑涂料的耐水性、耐碱性、抗老化性等性能特别优异；其粘接能力强，对基层要求不是很高，适用于混凝土墙体、水泥砂浆抹面墙体、水泥石膏板、砖墙和石棉板等基层；温度适应性好，可在较低温度下施工，负温度也可固化；颜色均匀，保色性好；耐热性好，且遇火不燃、无毒；资源丰富，生产工艺简单，施工方便等。无机建筑涂料按主要成膜物质的不同，可分为以下两类。A类：碱金属硅酸盐及其混合物为主要成膜物质，如JH80-1型无机建笳涂料。B类：硅溶胶为主要成膜物质，如JH80-2型无机建筑涂料。5．无机一有机复合涂料复合涂料主要有两种复合形式，一种是两类涂料在品种上的复合，另一种则是两类涂料涂层的复合装饰。两类涂料在品种上的复合就是把水性有机树脂与水溶性硅酸盐等配制成混合液或分散液（例如聚乙烯醇水玻漓涂料和苯丙一硅溶胶涂料等），或者是在无机物的表面上使用有机聚合物接枝制成悬浮液。这类复合涂料中的有机聚合物或者树脂可以改善无机材料（例如硅溶胶）在成膜后发硬变脆的弊端，同时又减轻或避免了有机材料易老化、不耐污染、耐热性差等问题。两类涂料涂层的复合装饰是指在建筑物的墙面上先涂覆一层有机涂料的涂层，然后再涂覆一层无机涂料涂层，利用两层涂膜的收缩不同，使表面一层无机涂料涂层形成随机分布的裂纹纹理，以便得到镶嵌花纹状涂膜的装饰效果。6．建筑涂料的发展涂料是施工最方便，价格低廉，效果明显，附加价值率高的一种化工产品。它应用于建筑、船舶、车辆、桥梁、机械、化工设备、电子电器、军械、食品罐头、文教用品等各个领域。近年来，中国涂料行业在高速成长的房地产、汽车、船舶等行业的推动下，迅猛发展。10.4建筑胶粘剂胶粘剂是指具有良好的粘接性能，能在两物体表面形成粘接膜，并牢固将两物体粘接起来的一类物质。与焊接、铆接、机械连接等连接方式相比，胶粘接具有很多优越性：如粘接是表面的全面连接，受力分部均匀，耐疲劳性好；具有良好的密封性；粘接方法简单等。因此在建筑工程施工中应用越来越广泛，成为不可缺少的辅助材料。胶接（粘合、粘接、胶结、胶粘）是指同质或异质物体表面用胶粘剂连接在一起的技术，具有应力分胶粘剂布连续，重量轻，或密封，多数工艺温度低等特点。胶接特别适用于不同材质、不同厚度、超薄规格和复杂构件的连接。胶接近代发展最快，应用行业极广，并对高新科学技术进步和人民日常生活改善有重大影响。因此，研究、开发和生产各类胶粘剂十分重要。1．胶粘剂的组成能将两种或两种以上同质或异质的制件（或材料）连接在一起，固化后具有足够强度的有机或无机的、天然或合成的一类物质，统称为胶粘剂或粘接剂、粘合剂，习惯上简称为胶。胶粘剂是一种多组分的材料，一般由粘料、稀释剂、固化剂、硫化剂、引发剂、促进剂、增塑剂、增韧剂、软化剂、增粘剂、发泡剂、交联剂、修补剂、加速剂、抗氧剂、防霉剂、增强荆、催化剂、填充剂、接着剂、干燥剂、清洁剂、防锈剂、乳化剂、阻聚剂、偶联剂、防老剂、消泡剂、增稠剂、氧化剂、阻燃剂、光敏剂、防腐剂、润滑剂、乳液、单体、助剂、溶剂、合成橡胶与弹性体、天然聚合物、合成树脂以及其他溶剂。其主要分类如下。粘料也称粘接物质，它是胶粘剂中的基本组分，起粘接作用，其性质决定了胶粘剂的性能、用途和使用条件。稀释剂又称为溶剂，主要起降低胶粘剂稠度的作用，以便于操作，提高胶粘剂的湿润性和流动性。常用的有有机溶剂、丙酮、苯、甲苯、酒精等。固化剂是促使粘接物质通过化学反应加快固化组分，它可增加胶层里的内聚力，提高粘接强度。固化剂也是胶粘剂的主要成分，其性质和用量对胶粘剂的性能起重要的作用。填料即是填充料，一般在胶粘剂中不发生化学反应，它能使胶粘剂的稠度增加，降低热膨胀系数，减少收缩性，提高胶粘剂的抗冲击韧性和连接强度。常用的有滑石粉、石棉粉、铝粉等。为了使我们的胶粘剂适应生产、生活的需要，我们需要对其使用性能进行开发。在满足生产、生活的需要过程中，我们要使用不同性能的胶粘剂，让它具备我们要求的性能，这个时候就不需要加入不同的助剂来改变胶粘剂的相关性能。如增加胶结强度，加入偶联剂；还可以加入防老剂、消泡剂、增稠剂、氧化剂、阻燃剂、光敏剂、防腐剂、润滑剂等，发挥胶粘剂在建筑工程中的应用。2．胶粘剂的分类胶粘剂的品种繁多，组成各异，分类方法也不同，但是按照形成方式总体可以分为有机胶粘剂、无机胶粘剂两大类，见表10-3。胶粘剂的分类方法很多。(1)按应用方法可分为热固型、热熔型、室温固化型、压敏型等。(2)按应用对象分为结构型、非结构型或特种胶。(3)接形态可分为水溶型、水乳型、溶剂型以及各种固态型等。(4)合成化学I作者常喜欢将胶粘剂按粘料的化学成分来分类。3．影响胶结强度的因素主要有胶粘剂的性质、被粘物的性质，被粘物的表面粗糙度和表面处理方法、被粘物表面被胶粘剂浸润的程度及含水状况、粘结层厚度、粘结工艺、环境因素和接头形式等。4．常用胶粘剂建筑工程中常用的胶粘剂如表10-4所示。5．使用胶粘剂应注意的问题(1)储存期每种产品均有储存期，根据国际标准及国内标准，储存期指在常温(24℃)情况下。丙烯酸酯胶类为20℃。(2)胶粘剂对丙烯酸酯类产品，温度越高储存期越短。对水基类产品温度在零下1℃以下，直接影响产品质量。(3)强度世界上没有万能胶，不同的被粘物，最好选用专用胶粘剂。如果被粘物本身的强度低，那么不必选用高强度的产品，否则，将大材小用，增加成本。不能只重视初始强度高，更应考虑耐久性好。高温固化的胶粘剂性能远远高于室温固化，如要求强度高、耐久性好的，要选用高温固化胶粘剂。氰基丙烯酸酯胶(502强力胶)除了应急或小面积修补和连续化生产外，对要求粘接强度高的材料，不宜采用。(4)环保问题胶粘剂的环保问题主要是对环境的污染和人体健康的危害，这是由于胶