《合成高分子材料》PPT课件.ppt

第十一章第十一章 合成高分子材料合成高分子材料 n第一节 合成高分子材料的基本知识 n第二节 建筑塑料 n第三节 粘合剂 第一节 合成高分子材料的基本知识 n一、聚合物的分类 n（1）根据来源可分为： n天然高分子化合物，如天然橡胶、淀粉、 植物纤维等； n合成高分子化合物，如聚氯乙烯等； n半天然高分子材料，如醋酸纤维、改性淀 粉等。 一、聚合物的分类 n（2）根据分子结构可分为： n线型聚合物 n分子结构中碳原子（有时可能有氧、硫等原 子）彼此连接成长链，有时带有支链，如聚 氯乙烯。 线型聚合物的特点: n一般来说，具有线型结构的树脂，强度较低 ，弹性模量较小，变形较大，耐热、耐腐蚀 性较差，加热可熔化，并能溶于适当溶剂中 。 n支链型聚合物因分子排列较松，分子间作用 力弱，因而密度、熔点及强度等低于线型聚 合物。 n分子结构中长链之间通过原子或短链连接起来而构 成三维网状结构，又称为体型结构，如酚醛树脂。 n由于体型结构中化学键的结合力强，且交联形成一 个“巨大分子”，因此，一般来说其强度较高，弹 性模量较大，变形较小，较硬脆，耐热性、耐腐蚀 性较好；交联程度浅的网状结构，受热时可以软化 ，适当溶剂可使其溶胀；交联程度深的体型结构， 加热时不软化，也不易被溶剂所溶胀，但在高温下 会发生降解。 体型聚合物 n（3）根据受热变化特点可分为： n热塑性聚合物 n热塑性高分子化合物受热软化，冷却时硬化，并且 可以反复塑制，如聚乙烯。线型结构多属热塑性。 n热固性聚合物 n热固性高分子化合物受热时软化，受热至一定温度 后发生化学反应，致使相邻的分子相互交联而逐渐 硬化。加热成型后受热不再软化，即成型固化过程 具有不可逆性，如环氧树脂。热固性聚合物多为体 型结构。 一、聚合物的分类 一、聚合物的分类 n（4）根据制备时的反应类型可分为： n由单体加成而聚合起来的反应叫加聚反应，该反应 无副产品，产物的化学组成和反应物（单体）的化学 组成基本相同，如聚氯乙烯的制备： n nC2H2 (C2H2) n n式中n表示聚合度。加聚物多为线型结构。 n 由两种或两种以上的含有官能团（H、OH、Cl 、NH、COOH）的单体共聚，同时产生低分子副 产品（如水、氨、醇或氯化氢等）的反应叫缩聚反应 ，其生成的聚合物叫缩聚物。缩聚反应生成物的化学 组成与反应物的化学组成完全不同，如苯酚与甲醛反 应制得的酚醛树脂。缩聚物的结构可为线型或体型。 一、聚合物的分类 n（5）根据高分子材料的性质及用途可分为： n塑料 n塑料是有机高聚物，在一定条件下（加热、 加压）可塑制成型，而在常温常压下可保持 固定形状的材料叫塑料。 n纤维 n合成纤维为合成树脂制成的纤维。 n橡胶 n合成橡胶是指物理性能类似于天然橡胶的有 弹性的高分子化合物。 二、聚合物的命名 n常用的聚合物命名方法为习惯命名法，该法主要 是根据聚合物的化学组成来命名,比较简单。 n对于由同一种单体经加聚反应而制得的聚合物， 通常是在其单体名称前冠以“聚”字。如聚乙烯等 。而有两种或两种以上单体经加聚反应而得到的 聚合物，则称为共聚物，如丙烯腈苯乙烯的 共聚体，可称为腈苯共聚物。 n对于缩聚物，常常是在其原料的名称之后缀以“树 脂”二字。 n在习惯命名法中，天然聚合物用专有名称，如纤 维素、淀粉、蛋白质等。另外有的聚合物还有一 些习惯名称或商业名称，如将聚苯二甲酸乙二醇 酯叫做涤纶，聚丙烯腈叫做腈纶等。 三、聚合物的基本性质 n1. 聚合物的聚集态结构 n按其分子在空间排列规则与否，固态聚合中并存 着晶态与非晶态两种聚集状态。 n晶态结构的聚合物与低分子量晶体有很大不同。 由于线型高分子难免有弯曲，故聚合物的结晶为 部分结晶，即在结晶聚合物中存在“晶区” 和 “非晶区”，且大分子链可以同时跨越几个晶区 和非晶区。晶区所占的百分比称为结晶度。 n一般来说，结晶度越高，聚合物的密度、弹性模 量、强度、耐热性、折光系数等越高，而冲击韧 性、粘附力、断裂伸长率、溶解度越低。晶态聚 合物一般为不透明或半透明状，而非晶态聚合物 则一般为透明状。体型聚合物只有非晶态结构。 2. 聚合物的物理状态 n在不同温度下呈现出玻璃态、高弹态、粘流态三种 物理状态。 n(1)玻璃态：非晶态聚合物在低于某一温度时，分子 动能很低，大分子链的运动和分子链段的旋转都被 冻结，聚合物在外力作用下，产生的变形较小，弹 性模量较大。 n聚合物保持玻璃态的温度上限 称为玻璃化温度（Tg）。如温 度继续下降，当聚合物表现为 不能拉伸或弯曲的脆性时的温 度称为“脆化温度”，简称“脆点”。 2. 聚合物的物理状态 n(2)高弹态： TgTTf ，分子动能增加，分子链段 能运动，但大分子链的运动仍被冻结，聚合物弹性 模量较小，在外力作用下，产生较大的变形，在外 力去除后又会恢复原状，聚合物保持高弹态的上限 温度称为粘流温度（Tf）。 n(3)粘流态：TTf以上，分子动能增加到 链段和大分子链都可以运动，聚合 物成为可以流动的粘稠液体。此时， 聚合物在外力作用下，分子间会相 互滑动，产生流动变形，外力去除 后，变形不可恢复。 2. 聚合物的物理状态 n对于结晶化的聚合物，其变形 与温度的关系如图11-3所示。 n结晶聚合物中虽然有无定形相 的存在，但由于结晶相承受的 应力要比非结晶相大得多，所 以在Tg温度其变形并不发生显 著改变，只有到了熔点Tm，晶 格被破坏，晶区熔融，聚合物 直接进入粘流态（如图中曲线 1所示），或先进入高弹态再 进入粘流态（如图中曲线2所 示）。 2. 聚合物的物理状态 nTg和Tm是聚合物使用时耐热性的重要指标， 甚至也是聚合物其它性能的重要指标。聚合 物的使用目的不同，对各个转变温度的要求 也不同。 n通常，玻璃化温度低于室温的称为橡胶，高 于室温的称为塑料，也就是说玻璃化温度Tg 是塑料的最高使用温度，但却是橡胶的最低 使用温度。 n粘流温度Tf在室温以下的高聚物可作为胶粘 剂或涂料使用。熔点Tm是高度结晶聚合物的 使用上限温度。 3. 聚合物的老化 n聚合物在使用过程中，由于光、热、空气等的作用 而发生结构或组成的变化，从而出现性能劣化现象 ，如变色、变硬、龟裂、发软、发粘、斑点、机械 强度降低等，称为聚合物的老化。 n聚合物的老化受到众多因素的影响，因此是一个复 杂的过程。一般可将聚合物的老化分为两种类型， 即聚合物分子的交联与降解。 n交联是指聚合物的分子结构从线型变为体型的过程 。当发生这种老化作用时，表现为聚合物失去弹性 、变硬、变脆，并出现龟裂现象。降解是指聚合物 的分子链发生断裂，其分子量降低，但其化学组成 并不发生变化。当老化以降解为主时，聚合物会出 现失去刚性、变软、发粘、出现蠕变等现象。 3. 聚合物的老化 n根据老化机理的不同，可将聚合物的老化分为热老 化和光老化两种。 n光老化聚合物在阳光（特别是紫外线）的照射 下，其中一部分分子（或原子）被激活而处于高能 的不稳定的状态，并可与其它分子发生光敏氧化作 用，致使聚合物的结构和组成发生变化，并且性能 逐渐恶化的现象。 n热老化聚合物受热时，尤其是在较高温度下暴 露于空气中时，聚合物的分子链由于氧化、分解等 作用而发生断裂、交联，其化学组成与分子结构发 生变化，从而其各项性能发生变化的现象。 n因此大多数聚合物材料的耐高温及大气稳定性都较 差。 第二节 建筑塑料 n一、建筑塑料的特性 n（1）表观密度小 n（2）比强度高，但弹性模量低 n（3）加工性能优良 n（4）耐化学腐蚀性好 n（5）减震、吸声、保温隔热性好 n（6）装饰性好 n（7）耐水性和耐水蒸气性好 n（8）电绝缘性能好 n（9）不耐高温和易燃烧 n（10）易受热变形 二、建筑塑料的基本组成 n绝大多数都是以合成树脂和添加剂组成的多组分材 料，但也有少量建筑塑料制品例外，例如“有机玻 璃”，它是由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）合成树脂 ，在聚合反应中不加入其它组分，而制成的具有较 高机械强度和良好抗冲击性能、高透明度的合成高 分子材料。 n（1）合成树脂基本组成材料 n合成树脂在塑料中起胶结其它组分形成坚实的整体 。其性质在很大程度上决定了塑料的性质。 n合成树脂在一般塑料中的含量在30%60%。因此塑 料通常也以所用的合成树脂命名，如聚乙烯塑料、 聚氯乙烯塑料。 二、建筑塑料的基本组成 n（2）添加剂 n为了改善塑料的某些性质而加入的物质统称为添加 剂。不同的塑料因其要改善的性能不同，加入的添 加剂也会不同。下面介绍几类常用的添加剂： n1)填料可提高塑料的强度和刚度或耐燃性或耐 磨性和大气稳定性; n2)增塑剂提高塑料加工时的可塑性及流动性， 改善塑料制品的柔韧性; n3)固化剂使树脂具有热固性，形成稳定而坚硬 的塑料制品 n4)稳定剂防止塑料在热、光及其它条件下过早 老化; n5)着色剂赋予塑料制品特定的色彩和光泽。 二、常用建筑塑料及制品 n1. 建筑塑料的常用品种 n（1）聚乙烯（PE）塑料结晶型聚合物 n高压聚乙烯的结晶度低、密度小；低压聚乙烯结晶 度高、密度大。随结晶度和密度的增加，聚乙烯的 硬度、软化点、强度等随之提高，而冲击韧性和伸 长率则下降。 n聚乙烯塑料为白色蜡状半透明材料，具有较高的化 学稳定性和耐水性，强度虽不高，但低温柔韧性好 ，比水轻，无毒。 n聚乙烯容易光氧化、热氧化、臭氧分解，紫外线作 用下容易发生光降解，而炭黑对聚乙烯有优异的光 屏蔽作用，因此适量的掺加可以提高聚乙烯塑料的 抗老化性能。另外聚乙烯易燃烧。 1. 建筑塑料的常用品种 n（2）聚氯乙烯（PVC）塑料 n聚氯乙烯塑料是由氯乙烯单体聚合而成，是 目前工程上常用的一种塑料。聚氯乙烯塑料 成本低，产量大、化学稳定性高、抗老化性 好。加入不同的添加剂可加工成软质和硬质 的多种产品。 n聚氯乙烯塑料的耐热性差，在100以上时会 发生分解、变质而破坏，通常其使用温度应 在6080以下。 1. 建筑塑料的常用品种 n（3）聚苯乙烯（PS）塑料结晶聚合物 n聚苯乙烯是由苯乙烯单体聚合而成。聚苯乙烯的透 明度高达8890%，有光泽，易于着色，化学稳定 性高，耐水，耐光，导热系数不随温度变化，具有 较高的绝热能力，成型加工方便，价格较低。但是 聚苯乙烯性脆，抗冲击性差，易燃，耐热性差。 n为改善聚苯乙烯的抗冲击性和耐热性，发展了一些 改性聚苯乙烯，ABS是其中最重要的一种，它是丙 烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体的共聚体，丙烯腈 使ABS具有良好的化学稳定性和表面硬度，丁二烯 使ABS坚韧和具有良好的耐低温性能，苯乙烯则赋 予ABS良好的加工性能。ABS的总体性能取决于这三 种单体的组成比例。 1. 建筑塑料的常用品种 n（4）聚丙烯（PP）塑料 n聚丙烯是由丙烯聚合而成。聚丙烯为白色蜡状材料 ，外观与聚乙烯相近，但密度比聚乙烯小，约为 0.9g/cm3，因此其质轻；聚丙烯耐热性较高（ 100120），刚性、延性和抗水性好，其拉伸强 度高于PE，但低温抗冲击强度低于PE。聚丙烯的不 足之处是低温脆性显著，抗大气性差，故适用于室 内。近年来，聚丙烯的生产发展迅速，聚丙烯已与 聚乙烯、聚氯乙烯等共同成为建筑塑料的主要品种 。 1. 建筑塑料的常用品种 n（5）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） n由甲基丙烯酸甲酯加聚而成的热塑性塑料，俗称有 机玻璃。它的透光性好，低温强度高，吸水性低， 耐热性和抗老化性好，成型加工方便。缺点是耐磨 性差，价格较贵。 n（6）酚醛树脂（PF） n酚醛树脂是由酚和醛在酸性或碱性催化剂的作用下 缩聚而成，是典型的热固性塑料。酚醛树脂的粘结 强度高，耐光、耐水、耐热、耐腐蚀、电绝缘性好 ，但性脆。在酚醛树脂中掺加填料、固化剂等制成 的酚醛树脂制品表面光洁，坚固耐用，成本低，是 常用的塑料品种之一。 1. 建筑塑料的常用品种 n（7）有机硅树脂（OR）热固性塑料 n它是由一种或多种有机硅单体水解而成。特点是不 燃，介电性能优异，耐热（250以下）、耐寒、耐 水、耐化学腐蚀，但机械性能不佳，粘结力不高。 n（8）环氧树脂（EP） 热固性塑料 n它是由双酚A和环氧氯丙烷缩聚而成。环氧在未固化 时是高粘度液体或脆性固体，易溶于丙酮或二甲苯 等溶剂。加入固化剂后可在室温和高温下固化，固 化后具有坚韧、收缩率小、耐水、耐腐蚀等特点。 环氧树脂的最大特点是与各种材料均有很强的粘结 力。 n（9）聚酯树脂（PR） 热固性塑料 n聚酯树脂是由二元或多元醇和二元或多元酸缩聚而 成。聚酯树脂具有优良的胶结性能，弹性和着色性 好，柔韧，耐热，耐水。 2. 常用建筑塑料制品 n（1）塑料门窗 n塑料门窗是改性后的硬质聚氯乙烯 （PVC），加入适量的添加剂，经 混炼、挤出等工艺制成的异型材经 过加工、组装成的建筑物门窗。 n改性后的聚氯乙烯具有较好的可加工性、稳定性 、耐热性和抗冲击性。塑料门窗与其它门窗相比 具有良好的耐水性、耐腐蚀性、气密性、水密性 、保温隔热性、隔声性、装饰性等，同时该门窗 保养维修方便，节能显著。 2. 常用建筑塑料制品 n（2）塑料管材 n塑料管材与金属管材相比，具有 质轻、不生锈、不生苔、管壁光 滑、对流体阻力小、安装加工方 便、节能等特点。因此，近年来 塑料管材的生产和应用得到了较 大的发展。 n塑料管材有软管和硬管之分。按 主要原料可分为聚氯乙烯管、聚 乙烯管、聚丙烯管、ABS管、聚 丁烯管、玻璃钢管等。主要用于 建筑给水排水管材与管件、热燃 用埋地管材与管件、排污水用管 材、流体输送用管材等。 2. 常用建筑塑料制品 n（3）泡沫塑料 n泡沫塑料是在聚合物中 加入发泡剂，经发泡、 固化及冷却等工序制成 的多孔塑料制品。泡沫 塑料的孔隙率高达95% 98%