工程化学(周祖新)52 化学与材料科学

5.3．合成资料〔有机合成资料〕塑料合成橡胶合成纤维优点：强度大、密度小；缺陷：不耐高温塑料常见塑料：聚乙烯〔PE〕聚氯乙烯〔PVC〕聚苯乙烯〔PS〕有机玻璃〔PMMA〕电木塑料〔bakelite〕合成纤维五光十色的纺织品橡胶天然橡胶合成橡胶天然橡胶：合成橡胶的性能和用途它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能，因此广泛运用于农业、国防、交通及日常生活中。人工合成橡胶高分子化合物资料5.3.1.高分子化合物概述

nCH2=CH2单体链接聚合度5.3.1.1.高分子化合物的根本概念2．高分子化合物的构造特点〔1〕高分子化合物通常构造并不复杂，往往由简单的构造单元反复衔接而成；如聚乙烯中：

〔A〕－CH2－CH2－叫聚乙烯的构造单元〔或链节〕；〔B〕n表示每个高分子化合物中链节的反复次数，叫聚合度；n越大，相对分子质量越大；〔C〕合成小分子的物质叫单体。如乙烯是聚乙烯的单体。这些高分子化合物大部分是由小分子聚合而成的，所以也常被称为聚合物。例如，聚乙烯分子是由成千上万个乙烯分子聚合而成的高分子化合物。聚乙烯分子模型5.3.高分子化合物的命名(1)习惯命名法在单体名前加“聚〞或在单体称号后加“树脂〞．(２)商品称号命名法如：聚酰胺的商品称号是尼龙，尼龙－６６表示聚已二酰已二胺．〔３〕系统命名法把高分子化合物的链节按有机化合物系统命名法命名，再在其前面加“聚〞字．５.３.１.３高分子化合物的合成由低分子化合物经过聚合构成高分子化合物的化学反响称为聚合反响．聚合反响可分为加聚反响和缩聚反响．〔１〕加聚反响由一种或多种单体经过加成反响相互结合生成高分子化合物的反响称为加聚反响．〔２〕缩聚反响由两个或两个以上官能团的单体相互缩合构成高分子化合物，同时析出某些由低分子化合物〔如水、醇、氨等〕的反响称为缩聚反响．５.３.１.４高分子化合物的分类〔１〕按分子主链构造分类按分子主链构造，高分子化合物可分为碳链，杂链，元素有机，芳、杂环等四大类。〔２〕按聚合反响类型分类按聚合反响类型，可将聚合产物分为加成聚合物〔加聚物〕和缩合聚合物〔缩聚物〕。〔３〕按高分子资料的运用性能分类按高分子资料的运用性能，可分为塑料、橡胶和纤维。５.３.２高分子化合物的构造和性能５.３.２.１高分子化合物的构造５.３.２.２高分子化合物的三种物理形状玻璃态黏流态高弹态形变温度TgTf高分子化合物的形变与温度的关系(1)玻璃态分子的形状和相对位置被固定住,当加外力时形变很小,链段只作瞬时的微小申缩和转向,当外力去除后,形变立刻恢复,此时,高分子化合物象玻璃一样巩固,故称玻璃态。常温下塑料就是玻璃态。Tg较高。〔2〕高弹态热运动能量添加，虽然整个分子链还不能运动，但链段可以自在转动，能产生较大形变，外力去除后，恢复原状，表现出很高弹性，称高弹态。Tg较低。〔3〕黏流态当温度上升到适当范围，整个分子链都能运动，高分子化合物就能成为流动的黏流状液体。〔1〕弹性和塑性线型高分子化合物分子链呈卷曲形状，具有柔顺性。当受外力拉伸时，分子链由卷曲形状变成伸展形状，外力除去后，分子链又恢复原状，表现出弹性。线型高分子化合物都表现出不同程度的弹性。橡胶具有较好的弹性。体型高分子化合物的弹性普通很差。〔2〕力学性能高分子化合物的力学性能〔例如抗压、抗拉、抗冲击、抗弯等〕的衡量目的是机械强度、刚性和抗冲击强度等。高分子化合物的力学性能主要取决于影响分子链之间作用力的要素。〔3〕电绝缘性能对于直流电，绝大多数高分子化合物都具有良好的电绝缘性能，但是，有些分子链节具有不对称极性基团或极性链节〔例如聚氯乙烯〕的高分子化合物，在交流电场中，极性基团或极性链节会随交变电场方向作周期性挪动，具有一定的导电性。５.３.２.3.高分子化合物的性能(4)溶解性高聚物的溶解进展得很慢，且经过溶胀过程。向盛有适量去离子水的烧杯中参与NaCl少许，搅拌使其溶解，再参与适量白色的聚乙烯醇粉末，静置，可察看到聚乙烯醇经溶胀直至完全溶解，构成无色透明的溶液，且放出大量的热。高聚物的溶解性服从以下规那么：(a)“类似相溶〞规那么聚乙烯醇能溶于水有机玻璃能溶于丙酮及本身的单体中天然橡胶、丁苯橡胶能溶于汽油、苯中聚苯乙烯能溶于苯、甲苯及本身的单体中(b)溶度参数相近规那么溶度参数即高聚物内聚能密度的平方根当高聚物和溶剂的内聚能密度接近时，普通以为当|δ1–δ2|<3.1(J·cm–3)½时便可溶胀及溶解。Ⅰ，烃类非极性溶剂及卤代烃类（弱亲电子性溶剂）δ1/(J·cm–3)1/2

Ⅱ，醚、醛、酮、酯、酰胺及胺类（给电子性溶剂）δ1/(J·cm–3)1/2

Ⅲ，醇、腈、硝基、磺基等（强亲电子性或强氢键溶剂）δ1/(J·cm–3)1/2

正己烷14.9乙醚15.1正丁醇23.3环己烷16.8乙醛20.0乙腈24.3四氯化碳17.6环己酮20.2乙醇26.0苯18.8丙酮20.4乙酸26.4三氯甲烷19.0吡啶22.3甲酸27.6二氯甲烷19.8二甲基甲酰胺24.5苯酚29.6二硫化碳20.4水47.8水47.8表5.2一些溶剂的溶度参数〔t=25℃〕(5).化学稳定性和老化高分子化合物在运用过程中，由于环境的影响，其强度、弹性、硬度等特性会逐渐变坏，这种景象叫老化。老化的缘由①光老化RH＋hv→R-H﹡(+O2)→R·+·O-OH→分解成单体②热老化热和氧综协作用，过程与光老化类似。③化学试剂老化水解或酸解高分子化合物。高分子化合物的防护〔1〕添加防老化剂如：抗氧剂、光稳定剂〔2〕改性如：共混、共聚、交联等方法。〔3〕物理方法外表附一层维护层，如：涂漆、镀金属等。5.3.3.传统高分子资料按材料的性质分塑料橡胶纤维按高分子主链的构造分碳链杂链元素高分子按应用功能分通用高分子特殊高分子功能高分子仿生高分子医用高分子等塑料是可塑性资料的简称。普通所说的塑料是指合成树脂〔作为主要成分，约占总分量的40%~100%〕参与填料、增塑剂、稳定剂、着色剂、发泡剂等制成的资料。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯〔统称“四烯〞〕、酚醛塑料和氨基塑料是产量最大、用途广、价钱廉价的六大通用塑料。塑料的主要特点是塑性。线型构造的树脂加热软化后变为黏稠流体，可塑制成型，冷却后固化定型；但假设再加热，又将变软而可以重塑〔热塑性〕。体型构造的树脂在塑制成型后，再加热时就能固化成不溶的聚合物〔热固性〕。5.3.3.1塑料聚氯乙烯聚乙烯性能：强极性，绝缘性好，耐酸碱，难燃，具有自熄性。缺陷是介电性能差，在100~120℃即可分解出氯化氢，热稳定性差。用途：制造水槽，下水管；制造箱、包、沙发、桌布、窗帘、雨伞、包装袋；还可做凉鞋、拖鞋及布鞋的塑料底等。构造式:聚氯乙烯性能：化学性质非常稳定，耐酸、碱，耐溶剂性能好，吸水性低，无毒，受热易老化。用途：制造食品袋、各种饮水瓶、容器、玩具等；还可制各种管材、电线绝缘层等。构造式:聚乙烯性能：无毒、无味，易溶于酮、醛、酯等有机溶剂。耐磨性、抗冲击性能好。ABS塑料用途：用于家用电器、箱包、装饰板材、汽车收音机等零部件。构造式:电热水器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，

●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。

在汽车零件上的运用开展很快，如作挡泥板、扶手、热空气调理导管，以及小轿车车身等。

作纺织器材、电讯器件都有很好的效果。

摩托车挡泥板聚四氟乙烯酚醛树脂硅橡胶聚丙烯

7.聚碳酸酯(PC)

(双酚A)

聚碳酸酯誉称"透明金属"，

●具有优良的综合性能。冲击韧性和延性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模量较高，不受温度的影响；

●抗蠕变性能好，尺寸稳定性高；

●透明度高，可染成各种颜色；

●吸水性小；

●绝缘性能优良，在10℃～130℃间介电常数和介质损耗近于不变。

制造精细齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条等。

利用其高的电绝缘性能，制造垫圈、垫片、套管、电容器等绝缘件，并可作电子仪器仪表的外壳、护罩等。

由于透明性好，在航空及宇航工业中，是一种不可短少的制造信号灯、挡风玻璃，座舱罩、帽盔等的重要资料。

双酚A构造双酚A制品(诱发儿童性早熟)

有机玻璃顶棚9.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

俗称有机玻璃。

●有机玻璃的透明度比无机玻璃还高,透光率达92%;

●密度只需无机玻璃的一半,为1.18g/cm3。

●机械性能比普通玻璃高得多(与温度有关)。

制造仪表护罩、外壳、光学元件、透镜等。

1.酚醛塑料(PF)

由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下缩聚合成酚醛树脂,再参与添加剂而制得的高聚物。普通为热固性塑料。

●酚醛塑料具有一定的机械强度和硬度,耐磨性好；

●绝缘性良好,耐热性较高，耐蚀性优良。

●缺陷是性脆，不耐碱。

制造插头、开关、机、仪表盒、

汽车刹车片、内燃机曲轴皮带轮、

纺织机和仪表中的无声齿轮、

化工用耐酸泵日用器具等。

酚醛塑料制品热固性塑料橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高分子化合物。它们在很宽的温度范围内〔普通在-40~80℃〕处于高弹态，某些特种橡胶可以在-100~200℃坚持高弹性。这类橡胶还有优良的收缩性，良好的储能才干和耐磨、隔音、绝缘等性能，因此广泛运用于密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。5.3.3.2合成橡胶它们能在200~300℃下运用，硅橡胶甚至可在425℃时短时间运用。硅橡胶还耐低温，在-60℃时仍坚持弹性。耐低温性能较好的还有顺丁橡胶。氟橡胶不怕酸、碱、燃料油，耐热，可在不同条件下运用。硅橡胶也是特种绝缘橡胶。各种橡胶中，耐热性能较好的是氟橡胶和硅橡胶。例如(俗称Viton)和，性能：耐水，耐老化性能，特别是耐磨性和气密性好。缺陷是不耐油和有机溶剂，抗撕强度小。用途：为合成橡胶中最大的种类〔约占50%〕，广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封资料和电绝缘资料。构造式:丁苯橡胶丁苯橡胶性能：耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性都很好；缺陷是密度较大，耐寒和弹性较差。用途：制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎等。构造式:氯丁橡胶(万能橡胶)性能：弹性、耐老化性和耐低温性、耐磨性，都超越天然橡胶；缺陷是抗撕裂才干差，易出现裂纹。用途：为合成橡胶的第二大种类〔约占15%〕，大约60%以上用于制造轮胎。构造式:顺丁橡胶硅橡胶涂料是人们经常运用的一类物品，它兼有维护、装饰、标志等功能。早期人类运用的涂料主要是天然涂料，如桐油、大漆等。随着工业消费的开展和人民生活的改善，涂料的种类和运用领域在不断的增多和扩展。5.3.3.3涂料涂料的组成成膜物质颜料助剂溶剂高固体成分、水溶性涂料的开展方向5.3.4功能高分子资料5.3.4.1高分子液晶资料高分子液晶是具有类似于低分子液晶有序构造的一类化合物。它与分子链的构造和组成有关，高分子主链或侧链中含有可构成液晶的单体时，那么高分子普通也可显示出液晶的特点。近晶型构造中，链节平行陈列，且链节的质心分层作层状陈列；向列型构造中，链节近似于平行的单轴陈列。当高分子的侧链含有可构成液晶的单体时，各层中侧链平行陈列而呈梳子状，类似近晶型构造，高分子主链呈无规那么形状，位于侧链的有序陈列之间。某些生物高分子液晶显示出生物组织的功能，为人工合成具有特定生物活性的生物膜提供了能够性。近年来，高分子液晶开展迅速。液晶是新型显示资料，在工程上运用非常广泛。比如，液晶显示器、电子体温计等。液晶的用途液晶分子在弱电场〔1V量级〕控制下改动其取向，从而改动液晶层的光学特性，实现有史以来最省电的平板显示技术，成为与运算半导体集成电路在功率与电压上直接匹配的现代仪表、计算机的最正确同伴。可以说，没有液晶显示，就不能够有当今信息时代涌现出的笔记本电脑、挪动电脑终端、汽车雷达卫星定位系统和多种平板飞机航空仪表。有些高分子化合物本身即可导电。如聚乙炔，1958年合成，到20世纪70年代人们发现它有导电性能；继此，人们又陆续发现聚苯乙炔、聚乙烯吡啶等具有导电性。导电缘由是这些分子中存在共轭π键，π电子在共轭体系中可自在流动。假设用I2、Br2等卤素或BF3、AsF3等搀和后，其电导率可达金属程度〔约103S·cm–1〕，因此被称为合成金属。用这些导电资料可做太阳能电池、电极、半导体资料等，也可制成有金属光泽的薄膜。随着高分子科学的开展，新的导电高分子资料将不断涌现。5.2.4.2导电高分子资料5.3.4.3光敏高分子资料光敏高分子资料是指在光的作用下可以显示特殊性能的聚合物，如感光资料、光刻胶、光固化涂料等。5.3.4.4医学生物高分子资料医学生物高分子资料是指用于生物体或治疗过程的高分子资料，按来源可分为天然高分子资料和人工合成高分子资料。医学生物高分子资料运用广泛，可运用组织修复、人工器官、治疗用器材、药物释放等。5.3.4.5离子交换树脂〔1〕离子交换树脂的种类离子交换树脂是一种不溶、不熔的体型高分子化合物，有阳离子交换树脂和阴交换树脂之分。〔2〕离子交换树脂的交换作用当含有阳离子〔例如Ca2＋〕或阴离子〔例如Cl－〕的溶液流经交换柱时，这些阳离子或阴离子就与树脂上的H＋或OH－发生交换反响。交换下来的H＋或OH－结合生成水，交换过后的水中含电解质极少。〔3〕离子交换树脂的再生“再生〞处置就是用强的无机酸或碱溶液浸泡已失去交换才干的交换树脂，使其发生离子交换反响的逆过程，即用H＋或OH－再将树脂上的阳离子〔例如Ca2＋〕或阴离子〔例如Cl－〕交换出来。5.4复合资料

5.4.1复合资料中的基体资料和加强资料在复合资料中，通常有一种资料为延续相，称为基体；另一种资料为分散相，称为加强资料。加强资料分散分布在整个延续的基体资料中，各相之间存在着相界面。(1)基体资料基体主要起三种作用：把加强资料粘在一同；向加强资料传送载荷和平衡载荷；维护加强资料不受环境破坏。(2)加强资料能提高基体资料力学性能的物质均称为加强资料。加强资料通常是纤维，也可以是颗粒资料。加强资料是主要的承力组分，在复合资料中起加强作用，使得资料的力学性能得到大大改善。1.比强度和比模量高比强度〔抗拉强度与密度之比〕和比模量(弹性模量与密度之比)高，阐明资料轻而且刚性大。2.良好的抗疲劳性能疲劳是资料在循环应力作用下的性质。复合资料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。复合资料的性能3.减振性能好在任务过程中振动问题非常突出，复合资料为多相系统，大量的界面对振动有反射吸收作用。且自振动频率高，不易产生共振。4.高温性能好复合资料在高温下强度和模量根本不变。5.4.2复合资料的分类根据加强的方式，复合资料可分为纤维加强复合资料、颗粒加强复合资料和夹层加强复合资料等。假设按基体资料种类来分那么可分为聚合物基复合资料、金属基复合资料和无机非金属基复合资料三大类。5.4.3聚合物基复合资料聚合物基复合资料是以有机聚合物为基体，延续纤维为加强资料复合而成的。(1)玻璃纤维加强塑料(玻璃钢)先将玻璃纤维截断后与环氧树脂、酚醛树脂等混合均匀，再将所得的混合原料经模具挤压、涂漆即得质轻、耐磨、耐腐蚀的