第0章绪论.ppt

15 41 课程简介 材料是科学与工业技术发展的基础 高分子材料科学已经和金属材料 无机非金属材料并驾齐驱 在国际上被列为一级学科 现代材料科学的范围定义为研究材料性质 结构和组成 合成和加工 材料的性能这四个要素以及它们之间的相互关系 加工过程中高分子表现出形状 结构 和性质等方面的变化 材料的结构转变包括高分子的组成 组成方式 材料宏观与微观结构的变化等 一般通过配方设计 材料的混合 采用不同加工方法和成型条件来实现 15 41 课程进度安排 绪论 2学时 化学纤维成型加工 12学时 1 聚酯纤维2 聚酰胺纤维3 聚丙烯腈纤维4 粘胶纤维5 高技术纤维塑料成型加工 16学时 1 合成树脂2 助剂3 物料混合4 挤出成型5 注塑成型6 热固塑料成型7 其它成型方法橡胶制品的成型加工 9学时 聚合物胶粘剂及涂料 3学时 课程复习 3学时 课程作业及复习问题解答 3学时 共48学时 15 41 课程学习要求 1 课前预习2 上课认真听讲 作好笔记3 课后独立完成课后小作业4 积极组织协调完成大作业 15 41 绪论 一 高分子材料以及主要产品的分类高分子材料的分类定义 主要是指以有机高分子化合物 不包括无机高分子化合物 为主体组成的或加工而成的 具有实用性能的材料 按照来源分类 天然高分子材料和合成高分子材料 前者主要成为为天然高聚物 后者主要成分为合成高聚物 按照用途分类 塑料 化学纤维 橡胶 胶粘剂 涂料和复合材料等几类 其中塑料 合成纤维和合成橡胶产量最大 品种最多 统称为三大合成材料 15 41 绪论 按照材料学观点 高分子材料分为结构高分子材料和功能高分子材料 前者主要利用强度 弹性等力学性能 后者利用声 光 电 磁 热及生物等功能 15 41 绪论 2 化学纤维纤维 Fiber 聚合物经一定的机械加工 牵引 拉伸 定型等 后形成细而柔软的细丝 形成纤维 纤维具有弹性模量大 受力时形变小 强度高等特点 有很高的结晶能力 分子量小 一般为几万 1 按原料分类分为再生纤维和合成纤维 15 41 绪论 再生纤维 又称人造纤维 是利用自然界的天然高分子化合物 纤维素或蛋白质作原料 如木材 棉籽绒 稻草 甘蔗渣等纤维或牛奶 大豆 花生等蛋白质 经过一系列的化学处理与机械加工而制成类似棉花 羊毛 蚕丝 一样能够用来纺织的纤维 如人造棉 人造丝等 合成纤维 是用合成高聚物为原料纺制的纤维 根据大分子的结构 又分为杂链类纤维 分子链中含有其它非碳元素 如氮 硫 氧等 和碳链类纤维 分子主链为碳 碳键 15 41 绪论 2 按纤维的长度分类分为长丝与短纤维两类长丝是指其长度很长 通常以千米计算的联系丝条 一束长丝如果又单根或由6根以下单丝组合而成 可通称为单丝 由数以十计的单丝组成的长丝 则称为复丝 短纤维是指切成短段状的纤维 又称切断纤维 仿棉花的短纤维粗度较小 长度一般为35 38mm 称为棉型短纤维 仿羊毛的短纤维粗度较大 长度一般为75 150mm 称为毛型短纤维 15 41 绪论 目前世界上生产的化学纤维品种繁多 最主要的是 聚酯纤维 涤纶或称的确良 聚酰胺纤维 锦纶 聚丙烯纤维 丙纶 聚丙烯腈纤维 腈纶或称人造羊毛 粘胶纤维 其次是聚乙烯醇纤维 聚氨酯弹性纤维 氨纶或称莱卡 和聚氯乙烯纤维等 15 41 绪论 15 41 绪论 3 塑料塑料是以高分子化合物为基本成分 在加工过程可塑制成一定形状和尺寸 在固化后能保持其形状 并能满足不同领域应用要求的有机材料 1 按照加工性能分类 热塑性塑料和热固性塑料 前者可反复受热软化或熔化 可经过多次成型加工 后者经固化成型后 再受热则不能熔化 强热则分解 15 41 绪论 2 按照塑料使用特点分类 分为通用塑料 工程塑料 通用塑料产量大 用途广 价格相对较低 用于生产日用品和一般工农业用品 工程塑料产量相对较小 但具有优良的机械性能或耐磨 耐热 耐化学腐蚀等特性 用于制造某些性能要求较高的制品 如轴承 齿轮等零件 可以代替金属 陶瓷等材料 15 41 15 41 绪论 4 橡胶橡胶通常是指以生胶为基本原料制造的具有实用性能的弹性体 塑料与橡胶最本质的区别在于塑料发生形变时塑性变形 而橡胶是弹性变形 橡胶可分别为天然橡胶及合成橡胶两大类 15 41 绪论 1 天然橡胶 由橡胶树干切割口 收集所流出的胶浆 经过去杂质 凝固 烟熏 干燥等加工程序 而形成的生胶料 2 合成橡胶 由石化工业所产生的副产品 依不同需求 合成不同物性的生胶料 常用的如 SBR NBR EPDM BR IIR CR Q FKM等 15 41 绪论 橡胶的化学成分 通过对天然橡胶的化学成分进行剖析 发现它的基本组成是异戊二烯 于是启发人们用异戊二烯作为单体进行聚合反应 得到了合成橡胶 称为异戊橡胶 异戊橡胶的结构与性能基本上与天然橡胶相同 由于当时异戊二烯只能从松节油中获得 原料来源受到限制 而丁二烯则来源丰富 因此以丁二烯为基础开发了一系列合成橡胶 如顺丁橡胶 丁苯橡胶 丁腈橡胶和氯丁橡胶等 15 41 15 41 绪论 二 高分子材料工业的发展及其在国民经济中的作用1 高分子材料工业的发展概况作为工业发展而论 橡胶工业不足200年 化学纤维不足100年 而塑料工业的发展也仅100多年 高分子材料工业的发展史 可大致划分为两个阶段 前段以天然高分子材料的生产应用与开发研究为主 后阶段以合成高分子材料的研究开发与生产应用为主 15 41 绪论 1 天然高分子材料成产 应用与研究开发这时期 最初是以天然高分子材料的收集和经简单的加工处理后直接应用为基本特征 如将天然纤维 棉花 麻 羊毛 蚕丝等 经简单加工后织成织物 从三叶橡胶树等植物中采集胶乳加工成橡胶制品 利用桐油 天然漆经适当处理制成油漆 或加工成漆器 利用植物纤维经简单处理后手工造纸 15 41 绪论 1 天然高分子材料成产 应用与研究开发其后的发展 是将天然高聚物进行深加工 通过化学 物理等方法 一方面对原有天然材料改性 另一方面利用天然高聚物 研制和生产了一批人造材料 典型例子 19世纪的20 40年代 相继发现天然橡胶的塑炼和硫化方法 从根本上改善了天然橡胶的加工性能和使用性能 19世纪后半期 以植物纤维中提取的纤维素为原料 成功地研制开发化学纤维 最早成功的是硝酸纤维素纤维 15 41 绪论 2 合成高分子材料的研究 开发 生产与应用20世纪初 由于工业与科技的发展 需要寻找和开发新的高分子材料 1907 成功生产了世界上第一种合成高聚物 酚醛树脂 1910年 第一种合成橡胶的生产为甲基橡胶 而第一种工业化生产的合成纤维品种是1939年生产的聚酰胺66纤维 15 41 绪论 2 合成高分子材料的研究 开发 生产与应用从20世纪60年代开始 合成高分子工业进入分子工程 又称分子设计 时期 分子工程的含义是通过分子设计以合成具有预想结构和性能的高聚物 并制成材料或制品 白川英树 15 41 绪论 2 合成高分子材料的研究 开发 生产与应用今后一段时间内 可能不会有新的塑料 合成纤维及合成橡胶的大品种商业化以取代现有的主要品种 发展的重点 仍在于对于现有材料品种的改性及其下游产品的开发以及复合材料和功能材料的开发 继续研究探索成型加工的新工艺 新技术和新设备 15 41 绪论 2 高分子材料工业在国民经济中的作用高分子材料的产量巨大 品种繁多 性能多样化 不仅在数量上弥补了天然材料的不足 而且在某些性能上优于天然材料 高分子材料及其制品的应用 几乎进入了国民经济的所有领域 不仅满足人们日常生活 而且成为高新技术领域中不可缺少的重要材料 15 41 绪论 三 化学纤维 塑料及橡胶品质的表征材料的品质 首先决定于材料固有的性质 也决定于材料及制品加工的品种 加工工艺和加工方法 1 化学纤维的品质指标 1 物理性能指标 线密度 密度 光泽 吸湿性 热性能 电性能等 2 力学性能指标 断裂强度 断裂伸长 初始模量 断裂功 回弹性 耐多次变形性能等 3 稳定性能指标 耐高低温稳定性 耐光 耐气候稳定性 耐化学试剂稳定性 耐燃性 耐老化性等 4 加工性能指标 纤维的抱合性能 起静电性 摩擦系数 染色难易 均匀性等 15 41 第一章绪论 化学纤维的主要指标 1 线密度线密度表征纤维的粗细程度 其法定计量单位为特 tex 或者分特 dtex 1000m长纤维的重量克数称为 特 1000m长纤维重量的分克数称为 分特 1000m长纤维重量为1g 则该纤维的线密度为1tex或者10dtex 15 41 绪论 化学纤维的主要指标 2 断裂强度断裂强度是指纤维的抗拉强度 以纤维的单位线密度所受力的大小表示 则测定的断裂强度为 相对断裂强度 法定计量单位为N tex 3 断裂伸长率断裂伸长是表征纤维的延伸性 一般纺织纤维的断裂延伸度在10 30 4 初始模量初始模量是指纤维受拉伸使其伸长大原长的1 时所需的负荷 其单位为N Tex 15 41 绪论 化学纤维的主要指标 5 回弹性回弹性是指纤维受拉力而伸长 当外力撤除后伸长的可回复程度 纤维回弹性可用回弹率表征 6 耐疲劳性耐疲劳性是反映纤维对多次变形作用的稳定程度 通常是以耐双折挠次数表示 经受的次数越多 纤维的耐疲劳性能越好 15 41 绪论 2 塑料的品质指标反映塑料品质的指标主要有 1 物理性能指标 密度 吸水性 光学特性 热性能 电性能等 2 力学性能指标 抗张 抗弯 抗压强度 模量 断裂伸长率 耐磨性 硬度等 3 稳定性能指标 耐老化性能 耐化学品性能 耐热性能 阻燃性能及耐生物作用性能等 15 41 绪论 3 橡胶的品质指标反映橡胶品质的主要指标有 1 物理性能指标 密度 硬度 热性能 电性能 脆折温度 挥发组分含量 灰分含量等 2 生胶的加工性能 可塑度 门尼粘度和门尼焦烧等 3 硫化胶的力学性能 抗张强度 定伸强度 伸长率 弹性模量 耐磨性 耐疲劳性能等 15 41 绪论 下面介绍几个主要指标 1 定负荷压缩塑形 威氏可塑度 利用威廉姆氏塑性计测定的一定时间 一定温度和一定负荷作用下试样的压缩形变量及去负荷后的形变恢复能力 用以表征胶料的可塑性 15 41 绪论 2 门尼粘度 用门尼粘度计测定胶料的转动粘度 实际上是测定硫化胶料在一定温度 100 压力 3 4MPa 5 9MPa 下作用4min时的抗剪切能力 根据门尼粘度的大小可以预测橡胶加工性能的好坏 其单位为牛顿 米 N m 3 门尼焦烧是根据门尼粘度的变化 测定混炼胶料在一定温度 120 压力 3 4MPa 5 9MPa 下开始硫化的时间 min 15 41 绪论 四 高分子材料加工过程及方法概述高分子材料加工 是将高聚物转变成实用材料或制品的过程 过程一般包括四个阶段 1 原材料准备 如高聚物和添加物的预处理 配料 混合等 2 使原材料产生变形或流动 并成为所需的形状 3 材料或制品的固化 4 后加工和处理 以改善材料或制品的外观 结构和性能 15 41 绪论 高分子材料成型加工通常有以下几种形式 1 高聚物熔体加工 如热塑性树脂熔体挤出纺制化学纤维 以挤出 注射压延或模压等方法制备热塑性塑料型材和制品 15 41 第一章绪论 高分子材料成型加工通常有以下几种形式 2 高聚物溶液加工 如溶液法纺制化学纤维 流延法制薄膜 油漆 涂料和粘合剂等大多用溶液加工法 15 41 绪论 高分子材料成型加工通常有以下几种形式 3 类橡胶状聚合物的加工 如采用真空成型 压力成型或其它热成型技术等制造各种容器 大型制件和某些特殊制品 15 41 绪论 高分子材料成型加工通常有以下几种形式 4 低分子聚合物或预聚物的加工 如丙烯酸脂类 环氧树脂 不饱和聚脂树脂以及浇铸聚酰胺等用该技术制造整体浇铸件或增强材料 15 41 绪论 高分子材料成型加工通常有以下几种形式 5 高聚物悬浮体的加工 如以橡胶乳 聚乙酸乙烯酯乳或其它胶乳以及聚氯乙烯糊等生产多种胶乳制品 涂料 胶粘剂等制品 15 41 绪论 1 化学纤维成型加工化学纤维的成型通常称为纺丝 主要采用熔体纺丝和湿法纺丝 其次是干法纺丝 熔体纺丝条件 成纤高聚物必须是线型高聚物 其中 只有其分解温度 Td 高于熔点 Tm 或流动温度 Ts 的线型高聚物才能采用熔体纺丝 15 41 绪论 1 化学纤维成型加工溶液纺丝 是将固体高聚物溶解在溶剂中调配成一定浓度的溶液 常称为原液 然后再进行纺丝 根据纺丝时所使用的凝固介质不同 又分为湿法和干法两种 湿法纺丝的凝固介质是含有凝固剂的溶液 又称凝固浴 干法纺丝的凝固介质是干气流 15 41 绪论 2