材料科学第五章高分子材料

材料科学第五章高分子材料第1页，共65页，2023年，2月20日，星期五多种多样的高分子材料第2页，共65页，2023年，2月20日，星期五多种多样的高分子材料第3页，共65页，2023年，2月20日，星期五防弹衣高比强度的降落伞绳索多种多样的高分子材料第4页，共65页，2023年，2月20日，星期五高分子材料的结构高分子材料的类型常见的高分子材料及其应用本章主要内容高分子材料概论高分子材料的性能特点第5页，共65页，2023年，2月20日，星期五5.1高分子材料概论第6页，共65页，2023年，2月20日，星期五高分子(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、辅以各种添加剂和填料等物质经加工而成的一种材料。分子量很大（104~107，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？第7页，共65页，2023年，2月20日，星期五5.1.2

高分子材料发展简史天然高分子的利用—棉、麻、丝、毛、竹、木天然高分子改性天然橡胶硫化（1839年）硝化纤维(赛璐珞)（1868年）粘胶纤维(人造丝)（1893~1898年）合成高分子20世纪初，出现了第一种合成树脂-酚醛树脂1920年，Staudinger提出高分子概念30年代、40年代，飞速发展70年代，特种性能的高分子(液晶高分子等)近年，高分子发展的主流方向-高分子改性、高性能和功能高分子第8页，共65页，2023年，2月20日，星期五创立高分子化学的施陶丁格

HermannStaudinger1881一1965

TheNobelPrizeinChemistry1953“forhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry”高分子材料发展简史第9页，共65页，2023年，2月20日，星期五2000年化学奖授予了黑格(A.J.Heeger，美国)、马克迪尔米德(A.G.MacDiarmid，美国)和白川英树(H.ShiraKawa，日本)三人，他们发现了导电聚合物。

A.J.Heeger(美国)A.G.Macdiarmid(美国)H.ShiraKawa(日本)高分子材料发展简史第10页，共65页，2023年，2月20日，星期五简单流程如下：5.1.3高分子材料的形成过程第11页，共65页，2023年，2月20日，星期五1、质量轻、自重小。一般高分子材料的密度在0.9~2.3g/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高分子材料的性能第12页，共65页，2023年，2月20日，星期五6、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。高分子材料的性能第13页，共65页，2023年，2月20日，星期五高分子的链结构高分子的凝聚态结构5.1.5高分子的结构第14页，共65页，2023年，2月20日，星期五链结构:近程结构远程结构高分子的链结构第15页，共65页，2023年，2月20日，星期五高分子的链结构—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--键接序列第16页，共65页，2023年，2月20日，星期五高分子的链结构—远程结构针对高分子链而言：--高分子链的尺寸（相对分子质量）--高分子链的形态第17页，共65页，2023年，2月20日，星期五高分子链的形态第18页，共65页，2023年，2月20日，星期五高分子链的形态第19页，共65页，2023年，2月20日，星期五①非晶态结构②晶态结构③取向结构④液晶态⑤高分子合金高分子的凝聚态结构第20页，共65页，2023年，2月20日，星期五5.2高分子材料的类型第21页，共65页，2023年，2月20日，星期五1.碳链高分子主链以C原子间共价键相联接，通过加聚反应制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯等聚乙烯按结构单元的化学组成分类5.2.1

高分子的类型第22页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.杂链高分子主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应制得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）、聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等涤纶高分子的类型第23页，共65页，2023年，2月20日，星期五3.元素有机高分子主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O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，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。硅橡胶高分子的类型第24页，共65页，2023年，2月20日，星期五4.无机高分子主链既不含C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，故聚合物分子量不高，并易水解。二硫化硅聚二氯一氮化磷高分子的类型第25页，共65页，2023年，2月20日，星期五按材料来源分类天然高分子合成高分子按材料性能和用途分类塑料橡胶（称为三大合成材料）纤维涂料粘合剂功能高分子5.2.2高分子材料的类型第26页，共65页，2023年，2月20日，星期五5.3常见的高分子材料概述第27页，共65页，2023年，2月20日，星期五塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料全世界产量1亿多吨塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等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（PET）、尼龙、聚丙烯腈、聚丙烯等三大合成高分子材料第28页，共65页，2023年，2月20日，星期五三大高分子材料的比较三大合成高分子材料第29页，共65页，2023年，2月20日，星期五5.3.1常见的高分子材料塑料第30页，共65页，2023年，2月20日，星期五塑料（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。

塑料第31页，共65页，2023年，2月20日，星期五现代生活中的高分子材料－塑料第32页，共65页，2023年，2月20日，星期五现代生活中的高分子材料－塑料第33页，共65页，2023年，2月20日，星期五塑料的组成

塑料是以有机合成树脂为基础，再加入添加剂所组成的。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。填料在塑料中主要起增强作用。

(2)、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。用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。

(4)、稳定剂。用以防止受热、光等的作用使塑料过早老化。塑料第34页，共65页，2023年，2月20日，星期五常用的塑料分类方法有下述两种：

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(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，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(thermosettingplastics)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。塑料的分类第35页，共65页，2023年，2月20日，星期五二、按使用范围分类

1、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、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。

塑料的分类第36页，共65页，2023年，2月20日，星期五性能：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。主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、饱和聚酯（PET、PBT）等塑料的分类性能：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。主要有：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等通用塑料工程塑料第37页，共65页，2023年，2月20日，星期五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(PE)第38页，共65页，2023年，2月20日，星期五聚乙烯制品第39页，共65页，2023年，2月20日，星期五性能要求保鲜、保洁、自粘安全、无毒市场上的保鲜膜聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯乙烯及其他材质保鲜膜第40页，共65页，2023年，2月20日，星期五聚乙烯从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（PE）第41页，共65页，2023年，2月20日，星期五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（PE）第42页，共65页，2023年，2月20日，星期五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（PE）第43页，共65页，2023年，2月20日，星期五给水用HDPE管聚乙烯（PE）第44页，共65页，2023年，2月20日，星期五超高分子量聚乙烯（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（PE）第45页，共65页，2023年，2月20日，星期五聚乙烯生产线第46页，共65页，2023年，2月20日，星期五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0.90～0.91g/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(PP)第47页，共65页，2023年，2月20日，星期五聚丙烯制成电容器外皮聚丙烯管子聚丙烯(PP)第48页，共65页，2023年，2月20日，星期五聚氯乙烯（PVC）

聚氯乙烯分子链中存在取代基，极性氯原子，增大了分子间力，阻碍单键内旋，所以强度、刚度均比聚乙烯高。常见聚氯乙烯制品有软、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，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，会污染食品。第49页，共65页，2023年，2月20日，星期五聚氯乙烯（PVC）第50页，共65页，2023年，2月20日，星期五聚苯乙烯结构是典型的线型无定型高聚物，由于有取代基苯环，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0.033g/cm3，是隔音、包装、救生的极好材料。

聚苯乙烯（PS）第51页，共65页，2023年，2月20日，星期五PS保温板PS光纤聚苯乙烯（PS）第52页，共65页，2023年，2月20日，星期五ABS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。第53页，共65页，2023年，2月20日，星期五摩托车挡泥板ABS塑料第54页，共65页，2023年，2月20日，星期五聚酰胺(PA)

聚酰胺(PA)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，有尼龙610、66、6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，强度较高(因吸水不同而异)；耐蚀性好，如耐水、油、一般溶剂、许多化学药剂，抗霉、抗菌，无毒；成形性能也好。制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、螺钉、螺母等。第55页，共65页，2023年，2月20日，星期五

尼龙轴套尼龙拉杆聚酰胺(PA)第56页，共65页，2023年，2月20日，星期五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℃

，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锅。

氟塑料第57页，共65页，2023年，2月20日，星期五氟塑料第58页，共65页，2023年，2月20日，星期五

聚甲基丙烯酸甲脂，俗称有机玻璃，是典型的无定形结构，取代基为极性集团。

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，105～150℃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(PMMA)第59页，共65页，20