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合成高分子材料 1合成高分子材料的分子特征及性能特点1 1合成高分子材料的分子特征1 2合成高分子材料的性能特点2土木工程中的高分子材料2 1建筑塑料2 2胶粘剂 1 本章学习指导 本章共2节 本章的学习目标是 1 熟悉合成高分子材料的性能特点及主要的高分子材料品种 2 熟悉土木工程中合成高分子材料的主要制品及应用 包括塑料型材 管材及胶粘剂 本章的难点是从合成高分子材料的组成来理解它的性能 正确地根据工程实际选用合适的合成高分子材料 建议在学习中通过对比来理解不同种类的高分子材料的性能及应用 2 高分子化合物又称高分子聚合物 简称高聚物 高聚物是组成单元相互多次重复连接而构成的物质 因此其分子量很大 但化学组成都比较简单 都是由许多低分子化合物聚合而形成的 例如 聚乙烯分子结构为 第7章合成高分子材料 3 可见聚乙烯是由低分子化合物乙烯聚合而成的 这种可以聚合成高聚物的低分子化合物 称为 单体 而组成高聚物最小重复结构单元称为 链节 如 CH2 CH2 高聚物中所含链节的数目N称为 聚合度 高聚物的聚合度一般为1 103 1 107 因此其分子量必然很大 第7章合成高分子材料 4 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 1 1合成高分子材料的分子特征高分子化合物按其链节在空间排列的几何形状 可分为线型聚合物和体型聚合物两类 1 线型聚合物线型聚合物各链节连接成一个长链 图7 1A 或带有支链 图7 1B 5 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 6 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 这种聚合物可以溶解在一定溶剂中 可以软化 甚至熔化 属于线型无支链结构的聚合物有 聚苯乙烯 PS 用低压法制造的高密度聚乙烯 HDPE 和聚酯纤维素分子等 属于线型带支链结构的聚合物有 低密度聚乙烯 LDPE 和聚醋酸乙烯 PVAC 等 7 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 2 体型聚合物体型聚合物是线型大分子间相互交联 形成网状的三维聚合物 图7 1C 这种聚合物制备成型后再加热时不软化 也不能流动 属于体型高分子 网状结构 的聚合物有 酚醛树脂 PF 不饱和聚酯 UP 环氧树脂 EP 脲醛树脂 UF 等 8 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 1 2合成高分子材料的性能特点高分子材料之所以能在建筑中得到如此广泛的应用 是由于它与其他建筑材料相比 其性能具有七方面的优点和三方面的缺点 9 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 1 合成高分子材料的性能优点 1 优良的加工性能 如塑料可以采用比较简便的方法加工成多种形状的产品 2 质轻 如大多塑料密度在0 9 2 2g cm3之间 平均为1 45g cm3 约为钢的1 5 3 导热系数小 如泡沫塑料的导热系数只有0 02 0 046W m K 约为金属的1 1500 混凝土的1 40 砖的1 20 是理想的绝热材料 10 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 4 化学稳定性较好 一般塑料对酸 碱 盐及油脂均有较好的耐腐蚀能力 其中最为稳定的聚四氟乙烯 仅能与熔融的碱金属反应 与其他化学物品均不起作用 5 电绝缘性好 6 功能的可设计性强 可通过改变组成配方与生产工艺 在相当大的范围内制成具有各种特殊性能的工程材料 如强度超过钢材的碳纤维复合材料 密封 防水材料等 11 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 7 出色的装饰性能 如各种塑料制品不仅可以着色 而且色彩鲜艳耐久 并可通过照相制版印刷 模仿天然材料的纹理 如木纹 花岗石 大理石纹等 达到以假乱真的程度 装饰涂料可根据需要调成任何颜色 甚至多彩 12 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 2 合成高分子材料的性能缺点 1 易老化 老化是指高分子化合物在阳光 空气 热以及环境介质中的酸 碱 盐等作用下 分子组成和结构发生变化 致使其性质变化 如失去弹性 出现裂纹 变硬脆或变软 发粘失去原有的使用功能的现象 塑料 有机涂料和有机胶粘剂都会出现老化 目前采用的防老化措施主要有改变聚合物的结构 加入防老化剂的化学方法和涂防护层的物理方法 13 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 2 可燃性及毒性 高分子材料一般属于可燃的材料 但可燃性受其组成和结构的影响有很大差别 如聚苯乙烯遇火会很快燃烧起来 聚氯乙烯则有自熄性 离开火焰会自动熄灭 部分高分子材料燃烧时发烟 产生有毒气体 一般可通过改进配方制成自熄和难燃甚至不燃的产品 不过其防火性仍比无机材料差 在工程应用中应予以注意 14 1合成高分子材料的分子特征和性能特点 3 耐热性差 高分子材料的耐热性能普遍较差 如使用温度偏高会促进其老化 甚至分解 塑料受热会发生变形 在使用中要注意其使用温度的限制 我们应根据合成高分子材料的性能特点正确地使用 15 2土木工程中的高分子材料 2 1建筑塑料1 建筑塑料的基本组成建筑上常用的塑料制品绝大多数都是以合成树脂 即合成高分子化合物 和添加剂组成的多组分材料 但也有少部分建筑塑料制品例外 如 有机玻璃 它是由聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 的合成树脂 在聚合反应中不加入其他组分 制成的具有较高机械强度和良好抗冲击性能 且有高透明度的有机高分子材料 16 2土木工程中的高分子材料 1 合成树脂合成树脂在塑料中主要起胶结作用 通过胶结作用把填充料等胶结成坚实整体 因此 塑料的性质主要取决于树脂的性质 在一般塑料中合成树脂约占30 60 2 添加剂为了改善塑料的某些性能而加入的物质统称为添加剂 不同塑料所加入的添加剂不同 常用的添加剂类型有 17 2土木工程中的高分子材料 1 填料填料又称填充剂 它是绝大多数建筑塑料制品中不可缺少的原料 占塑料组成材料的40 70 其作用有 提高塑料的强度和刚度 减少塑料在常温下的蠕变现象及改善热稳定性 降低塑料制品的成本 增加产量 在某些建筑塑料中 填料还可以提高塑料制品的耐磨性 导热性 导电性及阻燃性 并可改善加工性能 常用的填充料有木屑 滑石粉 石灰石粉 炭黑 铝粉和玻璃纤维等 18 2土木工程中的高分子材料 2 增塑剂增塑剂在塑料中掺加量不多 但是不可缺少的助剂之一 其作用为 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 常用的增塑剂有 用于改善加工性能及常温柔韧性的邻苯二甲酸二丁酯 DBP 邻苯二甲酸二辛酯 DOP 属于耐寒增塑剂的脂肪族二元酸酯类增塑剂等 19 2土木工程中的高分子材料 3 其他添加剂根据建筑塑料使用及成型加工中的需要 还有着色剂 固化剂 稳定剂 偶联剂 润滑剂 抗静电剂 发泡剂 阻燃剂 防霉剂等等 20 2土木工程中的高分子材料 2 建筑塑料的分类及主要性能建筑上常用的塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料 其主要性能见表7 1 21 2土木工程中的高分子材料 22 2土木工程中的高分子材料 3 塑料型材及管材 1 塑料型材1 塑料地板塑料地板包括用于地面装饰的各类塑料块板和铺地卷材 塑料地板不仅起着装饰 美化环境的作用 还赋予步行者以舒适的脚感 御寒保温 对减轻疲劳 调整心态有重要作用 塑料地板可应用于绝大多数的公用建筑 如办公楼 商店 学校等地面 23 2土木工程中的高分子材料 2 塑料门窗由于塑料具有容易加工成型和拼装上的优点 因之其门窗结构形式的设计 有更大的灵活性 常见的塑料窗是侧开窗 又称推拉窗 和平开窗两种 塑料门按其结构形式主要有以下三种 镶板门 框板门和折叠门 塑料门窗与钢木门窗及铝合金门窗相比有以下特点 24 2土木工程中的高分子材料 A 隔热性能优异 常用聚氯乙烯 PVC 的导热系数虽与木材相近 但由于塑料门窗框 扇均为中空异型材 密闭空气层导热系数极低 所以它的保温隔热性能远优于木门窗 比钢门窗可节约大量能源 B 气密性 水密性好 塑料门窗所用的中空异型材 挤压成形 尺寸准确 而且型材侧面带有嵌固弹性密封条的凹槽 使密封性大为改善 25 2土木工程中的高分子材料 C 装饰性好 塑料制品可根据需要设计出各种颜色和样式 门窗尺寸准确 一次成型 具有良好的装饰性 考虑到吸热及老化问题 外窗多为白色 D 加工性能好 利用塑料易加工成型的优点 只要改变模具 即可挤压出适合不同风压强度要求及建筑功能要求的复杂断面的中空异型材 26 2土木工程中的高分子材料 E 隔音性能好 塑料窗的隔音效果优于普通窗 按德国工业标准DIN4109试验 塑料门窗隔音达30db 而普通窗的隔音只有25db 另外 塑料门窗应具有较好的耐老化性能 生产时应在塑料门窗用树脂中加入适当的抗老化剂 使其抗老化性有可靠的保证 德国最早使用的塑料门窗至今已有30余年 除光泽稍有变化外 性能无明显变化 27 2土木工程中的高分子材料 3 塑料墙纸塑料墙纸是以一定材料为基材 表面进行涂塑后 再经过印花 压花或发泡处理等多种工艺而制成的一种墙面装饰材料 它是目前国内外使用广泛的一种室内墙面装饰材料 也可用于天棚 梁柱以及车辆 船舶 飞机的表面装饰 塑料墙纸一般分为三类 即普通墙纸 发泡墙纸和特种墙纸 28 2土木工程中的高分子材料 4 玻璃钢建筑制品常见的玻璃钢建筑制品是用玻璃纤维及其织物为增强材料 以热固性不饱和聚酯树脂 UP 或环氧树脂 EP 等为胶粘材料制成的一种复合材料 它的质量轻 强度接近钢材 因此人们常把它称为玻璃钢 常见的玻璃钢建筑制品有玻璃钢波形瓦 玻璃钢采光罩 玻璃钢卫生洁具等 29 2土木工程中的高分子材料 2 塑料管材1 硬质聚氯乙烯 UPVC 塑料管UPVC管是使用最普遍的一种塑料管 约占全部塑料管材的80 UPVC管的特点有较高的硬度和刚度 许用应力一般在10MPa以上 价格比其他塑料管低 故硬质聚氯乙烯管在产量中居第一位 硬聚氯乙烯管的使用范围很广 可用作给水 排水 灌溉 供气 排气等管道 住宅生活用管道 工矿业工艺管道以及电线 电缆套管等 30 2土木工程中的高分子材料 2 聚乙烯 PE 塑料管聚乙烯管的特点是比重小 强度与重量比值高 脆化温度低 80 优良的低低温性能和韧性使其能抗车辆和机械振动 冰冻和解冻及操作压力突然变化的破坏 聚乙烯管性能稳定 在低温下亦能经受搬运和使用中的冲击 不受输送介质中液态烃的化学腐蚀 管壁光滑 介质流动阻力小 31 2土木工程中的高分子材料 聚乙烯管材中 中密度和高密度管材最适宜作城市燃气和天然气管道 特别是中密度聚乙烯管材更受欢迎 低密度聚乙烯管宜作饮用水管 电缆导管 农业喷洒管道 泵站管道 特别是用于需要移动的管道 32 2土木工程中的高分子材料 3 聚丙烯 PP 塑料管聚丙烯 PP 塑料管与其他塑料管相比 具有较高的表面硬度和表面光洁度 流体阻力小 使用温度范围为100 以下 许用应力为5MPA 弹性模量为130MPA 聚丙烯管多用作化学废料排放管 化验室废水管 盐水处理管及盐水管道等 33 2土木工程中的高分子材料 4 其他塑料管A ABS塑料管ABS塑料管使用温度为90 以下 许用压力在6MPa以上 由于ABS管具有比硬聚氯乙烯管 聚乙烯管更高的冲击韧性和热稳定性 因此可用作工作温度较高的管道 在国外 ABS管常用作卫生洁具下水管 输气管 污水管 地下电气导管 高腐蚀工业管道等 34 2土木工程中的高分子材料 B 聚丁烯 PB 塑料管聚丁烯管柔性与中密度聚乙烯相似 强度特性介于聚乙烯和聚丙烯之间 聚丁烯具有独特的抗蠕变性能 因此需要较大负荷才能达到破坏 这为管材提供了额外安全系数 使之能反复绞缠而不折断 聚丁烯管在化学性质上不活泼 能抗细菌 藻类或霉菌 因此 可用作地下埋设管道 聚丁烯管主要用作给水管 热水管 楼板采暖供热管 冷水管及燃气管道 35 2土木工程中的高分子材料 C 玻璃钢 GRP 管玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢 玻璃钢管具有强度高 重量轻 耐腐蚀 不结垢 阻力小 耗能低 运输方便 拆装简便 检修容易等优点 玻璃钢管主要用作石油化工管道和大口径给排水管 36 2土木工程中的高分子材料 D 复合塑料管随着材料复合技术的迅速发展 以及各行各业对管材性能愈来愈高的要求 出现了塑料管材的复合化 复合的类型主要有如下几种 热固性树脂玻璃钢复合热塑性塑料管材 热固性树脂玻璃钢复合热固性塑料管材 不同品种热塑性塑料的双层或多层复合管材 以及与金属复合的管材等 37 2土木工程中的高分子材料 2 2胶粘剂1 胶粘剂的基本要求胶粘剂是能将各种材料紧密地粘结在一起的物质的总称 为将材料牢固地粘结在一起 胶粘剂必须具有以下基本要求 适宜的粘度 适宜的流动性 具有良好的浸润性 能很好的浸润被粘结材料的表面 在一定的温度 压力 时间等条件下 可通过物理和化学作用固化 并可调节其固化速度 具有足够的粘结强度和较好的其他性能 38 2土木工程中的高分子材料 2 胶粘剂的基本组成材料胶粘剂一般都是由多组分物质所组成 常用胶粘剂的主要组成成分有 1 粘结料它是胶粘剂中最基本的组分 它的性质决定了胶粘剂的性能 用途和使用工艺 一般胶粘剂是用粘料的名称来命名的 39 2土木工程中的高分子材料 2 固化剂有的胶粘剂 如环氧树脂 若不加固化剂本身不能变成坚硬的固体 固化剂也是胶粘剂的主要成分 其性质和用量对胶粘剂的性能起着重要作用 3 增韧剂为了提高胶粘剂硬化后的韧性和抗冲击能力 常根据胶粘剂种类 加入适量的增韧剂 40 2土木工程中的高分子材料 4 填料加入填料可以改善胶粘剂的机械性能 同时 填料价格便宜 可显著降低胶粘剂的成本 5 稀释剂加稀释剂主要是为了降低胶粘剂的粘度 便于操作 提高胶粘剂的湿润性和流动性 41 2土木工程中的高分子材料 6 改性剂为了改善胶粘剂某一性能 满足特殊要求 常加入一些改性剂 如为提高胶结强度 可加入偶联剂 另外还有防老化剂 稳定剂 防腐剂 阻燃剂等多种 42 2土木工程中的高分子材料 3 土木工程常用的胶粘剂性能特点及应用 1 热塑性树脂胶粘剂聚醋酸乙烯胶粘剂是常用的热塑性树脂胶粘剂 俗称白乳胶 它是一种使用方便 价格便宜 应用广泛的一种非结构胶 它对各种极性材料有较高的粘附力 但耐热性 对溶剂作用的稳定性及耐水性较差 只能作为室温下使用的非结构胶 43 2土木工程中的高分子材料 2 热固性树脂胶粘剂1