材料概论高分子材料

材料概论高分子材料第1页/共86页4.1概述4.2高分子的合成工艺4.3高分子的结构与性能4.4高分子材料各论4.5高分子材料的应用及发展趋势本章主要内容第2页/共86页多种多样的高分子材料第3页/共86页高分子材料第4页/共86页高分子材料第5页/共86页高分子材料第6页/共86页5.1引言概述---高分子材料发展简史高分子的概念始于20世纪20年代，但其应用更早。1839年，美国人Goodyear发明硫化橡胶。1855年，英国人Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。1889年，法国人DeChardonnet（夏尔多内）发明人造丝。1907年，酚醛树脂诞生。第7页/共86页1920年，德国人Staudinger发表了“论聚合”的论文，首次提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。1935年，Carothers发明尼龙66，1938年工业化。30年代，一系列烯烃类加聚物被合成出来并工业化，聚氯乙烯（PVC），聚醋酸乙烯（PVAC），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚苯乙烯（PS），高压聚乙烯（PE）等聚合物都是通过自由基聚合制成的。高分子材料发展简史第8页/共86页高分子溶液理论在30年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。Flory为此获得诺贝尔奖。40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（1937），丁腈橡胶（1937），丁基橡胶（1940），有机氟材料（1943），ABS（1947），涤纶树脂（1940～1950）。50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂，制得高密度聚乙烯和有规聚丙烯，低级烯烃得到利用。高分子材料发展简史第9页/共86页50年代后期至60年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚（1964），聚酰亚胺（1962）。60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。特种高分子：高强度、耐高温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。高分子材料发展简史第10页/共86页80年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现和发展。新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、活性自由基聚合、等离子聚合等等。高分子材料发展简史第11页/共86页什么是高分子？第12页/共86页高分子的特点

与小分子比较分子量不确定，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物；分子量很大（104~107，甚至更大）。没有固定熔点，只有一段宽的温度范围；分子间力很大，没有沸点，加热到200℃~300℃以上，材料破坏（降解或交联）。第13页/共86页高分子单体通过聚合反应能制备高分子化合物的物质称做单体。例如乙烯是单体，能聚合生成聚乙烯：第14页/共86页高分子材料分类

按材料来源分：由小分子化合物用化学方法聚合得到的高分子化合物天然高分子：合成高分子：棉花、蚕丝、淀粉第15页/共86页高分子材料分类第16页/共86页高分子材料分类第17页/共86页三大合成高分子材料的比较高分子材料分类第18页/共86页高分子材料分类第19页/共86页高分子材料分类第20页/共86页高分子材料分类第21页/共86页高分子材料分类第22页/共86页高分子材料分类第23页/共86页高分子的命名第24页/共86页根据单体来源或制法命名第25页/共86页根据聚合物的结构特征命名第26页/共86页根据商品命名第27页/共86页根据商品命名第28页/共86页根据商品命名第29页/共86页IUPAC的系统命名法第30页/共86页合成高分子的制备方法第31页/共86页高分子的合成工艺第32页/共86页高分子的结构1.大分子链的结构

高分子链的结构一般有线型、支链型和网型。

线型结构的高分子在拉长或低温下易呈直线形状，而在较低温度下或稀溶液中，则易成卷曲形状。支链型结构的高分子是在线型大分子的主链上又接出一些短的支链。第33页/共86页

具有线型和支链型结构的高分子化合物可以溶解在适当的溶液中，加热时能熔融流动。通常称为热塑性高分子化合物。基于这一点，具有这两种结构的高分子材料易于加工，可以反复使用。高分子的结构

网型结构的高分子是在长链大分子之间有若干支链把他们交联起来，形成三维网状结构，属于体型结构。这种高分子化合物不溶于溶剂，受热时也不能熔融流动，称为热固性高分子化合物。第34页/共86页

2、高分子的聚集态结构高聚物的聚集态结构分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区。晶区熔点、密度、强度、硬度、刚性、耐热性、化学稳定性高，而弹性、塑性、冲击强度下降。高分子的结构第35页/共86页高分子材料的性能力学性能:电学性能:热学性能:导热性，线膨胀系数高弹性和粘弹性绝缘体光学性能:透光率溶解性:第36页/共86页4.3高分子材料各论

高分子工程材料包括塑料、合成纤维、橡胶和胶粘剂等。第37页/共86页塑料制品

塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。塑料第38页/共86页塑料的分类

按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。通用塑料产量大、价格低、用途广。工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。第39页/共86页按树脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。

塑料的分类1.热塑性塑料：受热后软化，冷却后又变硬，可重复循环。常见的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜等。这类塑料可反复成型和再生使用，但耐热性与刚性较差。

第40页/共86页塑料的分类2.热固性塑料：

由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回到可塑状态。这类塑料有酚醛塑料（电木）、氨基塑料、环氧树脂、有机硅塑料等。第41页/共86页

塑料一般以合成树脂（高聚物）为主要组分，再加入各种添加剂，经一定温度和压力塑制成型，且成型后在常温或一定温度范围内能保持其形状不变的材料。其主要组成如下：塑料的组成1．合成树脂

合成树脂及人工合成线性高聚物，是塑料的基本原料，对塑料的性能起着决定作用，绝大多数塑料以树脂的名称命名。合成树脂受热时呈软化或熔融状态，可起粘接作用，使塑料具有良好的成形能力。第42页/共86页

2．填充剂（填料）主要用来提高塑料的力学性能、耐热性能、电学性能；同时降低成本。常用的填料有无机填料如滑石粉、石墨粉、云母、玻璃纤维、玻璃布等；有机材料如棉布、棉花、木粉、木片、纸等。塑料的组成3．增塑剂改进塑料的可塑性、柔软性，并使塑料易于加工成型。4．着色剂使塑料具有一定的色彩，以满足使用要求。第43页/共86页塑料的组成5．固化剂

与树脂起化学作用，形成不溶不熔的交联网状结构。为得到热固性塑料，须加入固化剂。6．稳定剂

防止塑料在使用过程中，因受热、氧气、光线等的作用而老化，以延长塑料的使用寿命。稳定剂应具有耐水、耐油、耐化学药品、与树脂相溶、成形过程中不分解等特性。包装食品的塑料制品还应选择无毒且无味的稳定剂。7．润滑剂使塑料在加工成型时易于脱模，表面光亮美观。第44页/共86页塑料的组成8．抗静电剂

提高塑料表面的电导率，防止静电积聚，防止在加工和使用过程中由于摩擦产生静电而妨碍正常生产和安全。9．其他添加剂为了改善塑料的使用性能和加工性能，往往加入一些其他组分，如防老化剂、发泡剂、阻燃剂等。第45页/共86页塑料的性质

塑料质轻，比强度高优良的耐蚀性多数塑料对酸、碱、盐等化学药品具有良好的耐腐蚀性能耐磨，自润滑性好优异的电绝缘性导热性差多数塑料制品有透明性，并富有光泽，能着鲜艳色彩塑料成型加工方便，能大批量生产。第46页/共86页塑料的性质与其他材料相比：1．塑料不耐高温，低温容易发脆。2．塑料制品易变形。温度变化时尺寸稳定性差，成型收缩较大。3．塑料有老化现象。塑料在长时间使用和贮藏过程中，由于受周围环境（如氧气、光、热、雨雪、腐蚀气体、溶剂等）的作用，塑料的色泽改变，力学性能降低，变得硬脆或软粘而无法使用，称为塑料的老化，是塑料制品性能中的一个严重缺陷。第47页/共86页塑料成型方法挤出成型注射成型模压成型压延成型吹塑成型层压成型浇铸成型塑料的成型第48页/共86页塑料注射成型

在螺杆或柱塞加压下，受热融化的塑料向前移动通过机筒前端的喷嘴注入闭合模具，经一定时间冷却定形，脱模后得制品。第49页/共86页塑料挤出成型

借助于螺杆或柱塞的挤压作用，使受热融化的塑料在压力的推动下连续通过模口，成为具有恒定截面的连续型材。第50页/共86页塑料吹塑成型

将挤出或注射成形所得半熔融态管坯置于各种形状的模具中，在管坯中通入压缩空气将其吹胀紧贴于模腔壁，经冷却脱模得中空制品。第51页/共86页塑料压延成型

将加热塑化的塑料通过一系列相同旋转着的水平辊筒间隙，使物料受挤压和延展作用，成为规定尺寸的连续片状制品。第52页/共86页塑料模压成型

将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的塑料放入具有一定温度的闭合模具内，经加热、加压并保温一定时间而固化成型。适应于热固性塑料第53页/共86页橡胶1.天然橡胶：目前全世界98%以上从三叶橡胶树采集而得。2.合成橡胶：丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶七个品种。

定义：具有高弹性的高分子化合物；拉伸时能伸长到原来的几倍，张力消除又能回复到原来的尺寸。

特点：相对分子量大；分子间的相互作用力小；分子的对称性小，不易形成结晶结构；具有交联结构。第54页/共86页5.3.2.2橡胶成型加工橡胶的成型加工橡胶制品由生胶制成干胶制品。整个生产过程包括素炼、混炼、成型和硫化等四个步骤。乳胶制品干胶制品由乳胶制成乳胶制品。第55页/共86页干胶制品生产素炼：混炼：在炼胶机上进行，炼胶机由两个以不同线速度旋转的辊筒组成。生胶受机械的、热的和化学的三种作用使分子量下降，因而弹性降低，塑性增加。通过机械作用，使各种配合剂均匀地分散在胶料中。配合剂有硫化剂、硫化促进剂、助促进剂、防老剂、增强剂、填充剂、着色剂等。第56页/共86页成型：硫化：将混炼胶通过压延机制成一定厚度的胶片，或通过螺旋压出机制成具有一定断面的半成品，如胶管、胎面胶或内胎等，再把各部件按橡胶制品形状组合起来。成型品在一定温度、压力下形成网络结构的过程，使制品失去塑性，同时获得高弹性。干胶制品生产第57页/共86页乳胶制品生产浓缩乳胶配合剂硫化胶混合乳胶浸渍干燥脱模硫化浸渍制品（如医用手套、劳保手套、气球等）压出凝固硫化压出制品（如胶丝、胶管等）注模凝固干燥脱模硫化注模制品（如防毒面具、球胆玩具等）打泡注模凝固硫化脱模海绵制品（如座垫、床垫、枕芯等）(半硫化)第58页/共86页纤维1.天然纤维（棉、羊毛、蚕丝、麻等）2.化学纤维人造纤维：由天然高分子物质经化学处理而制得。

合成纤维：由合成聚合物制得，如涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶、氯纶等。长度比直径大上百倍的均匀线、丝状材料。第59页/共86页5.3.2.3纤维成型加工化学纤维的纺丝熔体纺丝湿法纺丝聚合物在螺杆挤压机中熔融后被压至纺丝部位,经纺丝泵定量送入纺丝组件,从喷丝板的毛细孔中压出形成细流,在纺丝甬道中被空气冷却成型。聚合物制成溶液，经过喷丝板或帽挤出，形成纺丝液细流,然后该细流经凝固浴凝固形成丝条。第60页/共86页

纺丝后加工

上述各种纺丝方法得到的纤维，分子链排列不规整，物理力学性能差，不能直接用于织物加工，须进行一系列后加工，以改进纤维结构，提高其性能。包括上油、拉伸、卷曲、热定形、切断、加捻和络丝等使高分子链沿纤维轴向排列，加强分子链间作用力，提高纤维强度，降低延伸度可消除纤维的内应力，提高纤维的尺寸稳定性，改善其物理力学性能，使拉伸和卷曲的效果得以保持第61页/共86页

胶粘剂

胶粘剂是指按照规定程序，把纸、布、皮革、木、金属、玻璃、橡皮或塑料之类的材料粘合在一起的物质。胶粘剂分类在胶接条件下容易聚合的液态单体具有活性基团的低聚物线性聚合物第62页/共86页

胶接理论

吸附理论机械理论化学理论扩散理论第63页/共86页涂料

涂料是一种涂布于物体表面能形成坚韧保护膜的物质，可使被涂物体的表面与大气隔绝，起保护、装饰、标志等作用以及其它特殊作用。

涂料组成：成膜物质（树脂）、颜料、稀料和各种辅料。第64页/共86页涂料的分类

一、按涂料的形态分类

固态涂料，即粉末涂料

液态涂料：溶剂型涂料、水溶性涂料、水乳型涂料

二、按涂料的光泽分类

高光型或有光型涂料、丝光型或半定型涂料、无光型或亚光型涂料。

三、按涂刷部位分类

内墙涂料、外墙涂料、地坪涂料、屋顶涂料、顶棚涂料