第六章-高分子材料.ppt

2020 3 31 第六章高分子材料 高分子材料 2020 3 31 内容简介 本章介绍了高分子材料的制备方法和高分子材料的组成 高分子的结构 性质以及成型加工 本章重点 6 1高分子的制备反应和高分子材料的组成 6 2高分子的结构及性能 6 3高分子材料的成型加工 2020 3 31 概述 高分子材料是一类古老而年轻的材料 通常指塑料 橡胶 化学纤维 涂料 粘合剂等 高分子化合物是具有很大分子 很高相对分子质量且具有多分散性的化合物 在现代生活中起到越来越重要的作用 第一节高分子的制备反应和高分子材料的组成学习目标 1 掌握高分子材料的特点 2 了解高分子材料的制备反应特点 高分子的制备反应 一 高分子的制备反应 一 高分子和高分子材料的基本概念高分子化合物常简称高分子 它是由许多相同的 简单的结构单元通过共价键重复连接而成 相对分子量一般高达104 106 高分子又被称做聚合物 高聚物 高分子树脂 而高分子材料是指由聚合物与添加剂经过加工后制成的制品 例如 聚乙烯 高分子的分类及命名 二 高分子的分类及命名1 高分子的分类按高分子材料的来源分为天然高分子和合成高分子 按聚合方式分加聚物和缩聚物 按化学组成分作有机高分子和无机高分子 按工程应用分作纤维 塑料 橡胶 涂料 胶粘剂等几大类 塑料是其中一大类 它基本上是高分子材料的代名词 塑料最常用的分类办法是按合成树脂在受热后所表现的性能不同来划分 即热塑性塑料和热固性塑料两大类 高分子的分类及命名 2 高分子的命名最常用的简单命名法系参照单体名称来定名 对于一种单体经加聚制成的聚合物 常以单体名为基础 前面冠以 聚 字 就成为聚合物的名称 例如氯乙烯的聚合物称做聚氯乙烯 聚苯乙烯是苯乙烯的聚合物 聚乙烯 PE 聚丙烯 PP 等 聚合物均可按这种方法命名 这种叫结构系统命名法 由两种不同单体聚合成的产物 常摘取两种单体的简名 后缀 树脂 两字来命名 如苯酚和甲醛 尿素和甲醛的缩聚产物分别称做酚醛树脂 脲醛树脂 高分子的分类及命名 以聚合物的结构特征来命名的 如聚酰胺 聚酯等 对于合成纤维的命名常在合成纤维商品名的后面加 纶 字 如涤纶 聚对苯二甲酸乙二 醇 酯 锦纶 尼龙 6 等 许多合成的生橡胶是共聚物 往往从共聚单体中各取一字 后缀 橡胶 二字来命名 如丁 二 烯苯 乙烯 橡胶 丁 二烯 丙烯 橡胶 乙 烯 丙 烯 橡胶等 高分子的制备反应 聚合反应 三 高分子的制备反应 聚合反应1 聚合反应的分类由低分子单体合成聚合物的反应称做聚合反应 聚合反应有许多种类型 可以从不同角度进行分类 1 按单体和聚合物在组成和结构上发生的变化分类将为数不多的聚合反应分成加聚反应和缩聚反应两大类 单体加成而聚合起来的反应称做加聚反应 缩聚反应 其反应物为缩聚物 缩聚反应往往是官能团间的反应 除形成缩聚物外 根据官能团种类的不同 还有水 醇 氨或氯化氢等低分子副产物产生 高分子的制备反应 聚合反应 大部分缩聚物是杂链聚合物 容易被水 醇 酸等药品所水解 醇解和酸解 随着高分子化学的发展 陆续出现了许多新的聚合反应 如开环聚合 异构化聚合 氢转移聚合 成环聚合等 按聚合机理和动力学分类 2 按聚合机理和动力学分类聚合反应机理和动力学 聚合反应分成连锁聚合和逐步聚合两大类 连锁聚合需要活性中心 活性中心可以是自由基 阳离子或阴离子 因此而有自由基聚合 阳离子聚合或阴离子聚合 连锁聚合的特征是整个聚合过程由链引发 链增长 链终止等几步基元反应组成 逐步聚合反应其特征是在低分子转化成高分子的过程中反应是逐步进行的 即每一步的反应速率和活化能大致相同 聚合反应的实施方法 2 聚合反应的实施方法聚合反应的实施方法主要有本体聚合 溶液聚合 悬浮聚合或乳液聚合 本体聚合反应在单体中进行的反应 它的最大问题是温度的控制 溶液聚合 在溶液中进行的聚合反应 它的优点是 在溶液中反应能够稀释反应物 同时稀释反应体系粘度 强化搅拌 这样可以有效地排除热量 便于控制温度 但缺点是需要回收溶剂 溶剂还会带来防火与毒害的问题 悬浮聚合或乳液聚合 反应在悬浮液或乳液中进行的聚合反应 悬浮聚合是排除热量的一种有效方法 将单体在水中猛烈搅拌分散成细滴 聚合反应就在这些细滴中进行 随着反应的进行 单体液滴逐渐变成单体与聚合物的混合物 粘度不断提高 为防止液滴彼此粘在一起 假如聚乙烯醇 明胶一类分散剂或悬浮剂以保持稳定 工业上还有间歇法和连续法之分 高分子材料的组成 二 高分子材料的组成主干高分子 各种添加剂等是高分子材料的组成部分 适宜的材料组成 正确的成型加工方法和合理的成型机械及模具是制备性能良好的高分子材料的三大关键因素 高分子材料的组成 高分子材料的添加剂是实现高分子材料成型加工工艺过程并最大限度地发挥高分子材料制品的性能或赋予其某些特殊功能性必不可少的辅助成分 不同类型的的高分子材料需要不同类型的添加成分 例如 塑料 增塑剂 稳定剂 润滑剂 增韧剂 增强剂 颜料 填料等 橡胶 硫化剂 促进剂 防老剂 补强剂 填料 软化剂等 涂料 颜料 催干剂 增塑剂 稳定剂 润湿剂 悬浮剂等 稳定剂 1 稳定剂高分子材料在制备 合成和干燥 贮存 成型加工和应用的各个阶段 由于其分子结构 成型加工选用的添加剂及其用量 成型加工方法等的内在因素 在外界因素 光 热 应力 电场 射线等 化学因素 氧 臭氧 重金属离子 化学介质 和生物因素 微生物 昆虫等的破坏 的作用下 会发生多种老化过程 防止的方法有 添加稳定剂使高分子材料稳定化 引进某些带功能性基团的单体使发生共聚改性 如将含有抗氧剂基团的单体和其它乙烯基单体共聚 对活性的单体进行消活 稳定处理 如均聚甲醛的酯化和醚化 稳定剂 稳定剂的分类 按老化的方式通常将稳定剂分为 1 热稳定剂 2 光稳定剂 根据其作用机理可分为四种 光屏蔽剂 炭黑 某些无机颜料和填充剂 紫外光吸收剂 二苯甲酮类和苯并三唑类 猝灭剂 镍的有机化合物 及自由基捕捉剂 受阻胺类 3 抗氧剂抗臭氧剂 抗氧剂有两大类 一类是链终止型抗氧剂 另一类是预防性抗氧剂 包括过氧化物分解剂和金属离子钝化剂 抗臭氧剂是指可以阻止或延缓高分子材料发生臭氧破坏的化学物质 通常分为两类 物理保护方法和化学保护方法 增塑剂 润滑剂 2 增塑剂增塑作用 增塑剂是指以使高分子材料塑性增加 改进其柔软性 延伸性和加工性能的物质 3 润滑剂润滑剂的作用 降低熔体与加工机械 如筒体 螺杆 之间和熔体内部的摩擦和粘附 改善流动性 促进加工成型 提高生产能力和制品外观质量及光洁度等 4 交联剂及其它添加剂 1 交联方法 加热交联 辐射交联 添加交联剂交联 以添加交联剂交联的方法应用最为普遍 2 交联作用 经过交联 材料的物理机械性能 如拉伸强度 抗撕裂强度 回弹性 硬度 定伸强度等上升 伸长率 永久变形下降 耐热性 高温下的尺寸稳定性和耐化学药品性提高 交联剂及其它添加剂 第二节高分子的结构和性能学习目标 1 掌握高分子材料的结构特点 2 了解高分子材料的典型的性能 高分子的结构 一 高分子的结构 一 高分子的结构分类 按其研究单元的不同可分为两大类 一为分子内结构 即高分子的链结构 包括一次结构和二次结构两个层次 另一为分子间的结构 即高分子的聚集态结构 也称超分子结构 包括三个结构以上的各个层次 高分子链原子类型与排列共五类 碳链高分子 杂链高分子 元素有机高分子 无机高分子 梯形和双螺旋形高分子 高分子的化学结构 二 高分子的化学结构1 高分子结构单元的键接顺序 头 头键接 头 尾键接 尾 尾键接三种 2 高分子链结构的成分共聚物的结构主要有 无规共聚 A B B A B A B A A B 交替共聚 B A B A B A B A B 嵌段共聚 A A A A B B B B A A A B 接枝共聚 高分子的化学结构 3 高分子链的支化 交联与端基 1 高分子链的支化对高分子材料的性质是有影响的 支化程度越高 支化链越复杂 则影响越大 2 交联能使产品在使用过程中克服分子间的流动 提高强度 耐热性及抗溶剂能力 3 不同端基的存在直接影响高分子的性能 尤其是热稳定性的影响更明显 高分子的化学结构 4 高分子链的构型 链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列 分子链中结构单元的空间排列是规整的 称为有规立构高分子 包括旋光异构和几何异构 其规整程度称为立构规整度或等规度 有规立构高分子大部分能结晶 而无规立构高分子则不能 分子排列规整和易于结晶的性能提高了聚合物的硬度 密度和软化温度 降低了在溶剂中的溶解度 高分子的化学结构 5 高分子的分子量和分子量分布 1 高分子的分子量是将大小不等的高分子分子量进行统计所得的平均值来表征的 高分子的分子量对它的物理机械性能有重要影响 2 高分子的分子量分布对高分子材料的加工性能有重要的影响 对具有相同平均分子量的两个高分子试样来说 分子量分布宽的比窄的易于加工 即流动性好 分子量分布窄的比宽的有较好的耐冲击强度和耐疲劳强度 对结晶聚合物来讲 聚合物低分子部分多时 使结晶速度增快 但容易引起应力开裂 高分子的聚集态结构 三 高分子的聚集态结构 1 高分子的聚集态结构类型 结晶结构 非晶结构 液晶态结构和取向结构等 2 影响聚合物的聚集态结构的因素 1 高分子链结构2 聚合方法3 成型方法 1 熔融温度和熔融时间 2 成型压力 3 冷却速度 高分子的性能 二 高分子的性能 一 高分子的高弹性 粘流性和粘弹性1 高分子的高弹性 橡胶等一类聚合物 由于具有高度的弹性形变能力 所以说它们处在称为 高弹态 的力学状态 2 高分子的粘流性 聚合物在某一温度范围时处于流动态 但由于聚合物有粘性特点 故称之为粘流性 影响聚合物熔体流动性的因素主要是分子链的结构 分子量及其分布 成型过程中的温度 压力 低分子添加物 高分子的性能 3 高分子的粘弹性 在有些聚合物中 粘性和弹性这两种不同机理的形变总是同时并存的 粘性和弹性的结合 总称为粘弹性 聚合物的力学性质随时间而变化的现象 总称为力学松弛现象或粘弹性现象 高分子的性能 二 高分子材料的力学性能1 聚合物力学性能概述 1 聚合物力学行为的表征和特点 聚合物材料的破坏过程常伴有不可逆形变 即流动 通常以应力与应变曲线来反映 材料破坏有两种方式 脆性破坏和韧性破坏 可将聚合物分为 软而弱 软而韧 硬而脆 硬而强和硬而韧 2 聚合物的力学特点 力学性能的数值范围很宽 强度低 模量低 与性能和结构有关在不同成型条件下制成的材料在不同的热历史和环境中 它们的力学性能有很大差异 高分子的性能 2 聚合物中的内聚力及聚合物的断裂 聚合物内链和键之间有很强的内聚力 当在强烈的负载下聚合物有较快断裂 蠕变断裂 静态疲劳 疲劳 动态疲劳 磨损 环境应力开裂等 高分子的性能 三 高分子材料的化学性能 1 聚合物的化学反应 聚合物化学反应有共同点就是官能团的反应 利用官能团的化学反应 可进行聚合物改性 制备新的聚合物 进行聚合物的接枝 交联等 2 高分子材料的老化聚合物及其制品在使用或储存过程中由于环境 光 热 氧 潮湿 应力 化学浸蚀等 的影响 性能 强度 弹性 硬度 颜色等 逐渐变坏的现象称为老化 高分子的性能 四 高分子材料的电性能聚合物 如PTFE PE PVC 环氧树脂 酚醛树脂等 是极好的电器材料 聚合物的电性能主要由其化学结构所决定 受显微结构影响较小 第三节高分子材料的成型加工学习目标 1 了解塑料 橡胶的主要组成 2 了解塑料 橡胶的主要加工成型方法 3 了解塑料 橡胶的加工成型设备 塑料的成型加工 一 塑料的成型加工 一 塑料的类型及特性按组分数目分为单组分塑料和多组分塑料 按热行为分为热塑性塑料和热固性塑料两大类 按塑料的使用范围可分为通用塑料和工程塑料两大类 常用的工程塑料 二 常用的工程塑料 主要品种有聚酰胺 聚碳酸酯 聚甲醛 改性聚苯醚 聚酯 聚砜 聚苯硫醚等8种 1 热塑性工程塑料常用的聚酰胺 聚碳酸酯 聚甲醛 聚苯醚 PPO 聚对苯二甲酸二丁酯 PBT 和二乙酯 PET 聚酰亚胺 PI 聚砜 PSF 等2 热固性工程塑料工业上重要的品种有酚醛塑料 氨基塑料 环氧塑料 不饱和聚酯塑料及有机硅塑料等 成型前的准备 混合 三 成型前的准备 混合1 混合的分类按混合形式分为非分散混合和分散混合 按物料状态分为固体 固体 固体 液体 液体 液体 2 混合状态的判定 混合效果的评定可以直接从均匀程度和分散程度两方面考虑 也可通过测定混合物试样或制品的力学性能来间接判定混合状态 3 混合设备设备按操作方式分为间歇式和连续式 按混合过程特征分为分布式和分散式 按混合强度大小分为高强度 中强度 低强度混合设备 目前较常用的是间歇设备 而最常用的间歇混合设备是Z形捏合机 高速混合机 开炼机和密炼机 它主要用于塑料的初混 连续混合设备主要有单螺杆挤出机 双螺杆挤出机 行星螺杆挤出机以及由密炼机发展而成的连续混炼机 如FCM混炼机等 塑料的成型加工 四 塑料的成型加工 塑料的成型加工方法已有十多种 其中最主要的是挤出 注射 压延 吹塑及模压 它们所加工的制品质量约占全部塑料制品的80 以上 前四种方法是热塑性塑料的主要成型加工方法 热固性塑料则主要采用模压 铸塑及传递模塑 塑料的成型加工 1 塑料的挤出成型 塑料挤出成型亦称挤塑或挤出模塑 几乎能成型所有的热塑性塑料 也可用于热固性塑料 但仅限于酚醛等少数几种热固性塑料 且可挤出的制品种类也很少 塑料挤出的制品有管材 板材 棒材 片材 薄膜 单丝 线缆包覆层 各种异型材以及塑料及其它材料的复合物等 挤出设备有螺杆挤出机和柱塞式挤出机两大类 前者是连续式挤出 后者是间歇式挤出 螺杆挤出机又分为单螺杆和多螺杆挤出机 塑料的成型加工 2 塑料的注塑成型 塑料的注射成型又称注射模塑 或简称注塑 注射成型是间歇生产过程 不但常用于树脂的直接注射 也可用于复合材料 增强塑料及泡沫塑料的成型 也可同其它工艺结合起来 如与吹胀相互配合而组成的注射 吹塑成型 简称注 吹成型 用到的主要设备是注射机 塑料的成型加工 3 塑料的压延成型 压延成型广泛用于橡胶和热塑性塑料成型加工中 主要设备是压延机 分为双辊 三辊 四辊 五辊甚至六辊 通常辊的排列形式有I型 三角形 四辊则有I型 L型 倒L型 Z型 斜Z型等4 热固性塑料的压制成型 压制成型是指主要依靠外压的作用 实现成型物料造型的一次成型技术 压制成型可分为模压成型和层压成型两大类 前者是指热固性塑料