第九、十章-高分子材料

第九章，第十章高分子材料，第一节介绍第二节高分子材料的结构第四节高分子材料的合成第四节高分子材料的特性，高分子材料组成的材料或基于高分子化合物的适当添加剂，经过一定加工而成的材料。聚合物化合物是指许多原子团或结构单位通过共价键结合的聚合物化合物。例如，PVC分子由多个氯乙烯分子结构单元CH2CHCl重复接合。简介，1，定义，20世纪30年代以来高分子科学技术的快速发展。高分子材料由于其自身的卓越特性，已经在信息、医学等新技术领域，以及在工业、农业、国防、交通等领域发挥着重要作用。没有用于制造汽车轮胎的合成橡胶，就没有现代汽车工业。没有高分辨率光刻胶和塑料树脂的开发，今天的计算机技术超大规模集成电路的成功将是不可能的。有机光缆和光信息存储材料的出现也不能在信息高速公路发展中。聚对苯二甲酸酯纺制的聚酯，如高分子材料消耗率、蚕丝、棉、羊毛、麻合成纤维大量生产的“聚酰胺”:用：尼龙袜等聚酰胺制成的尼龙(尼龙)聚丙烯腈发射的丙烯腈，轻巧暖和，不发霉，易于洗涤。聚乙烯甲醛制成的维纶，维纶织物具有透气性和舒适的穿着感。生活聚合物服装，生活聚合物食物，客厅，生活聚合物-生活，电视，电脑，电话盒；油漆、壁纸、复合地板、天花板等；墙、地面、窗户等装饰材料；此外，墙面上看不到的隔热泡沫电源开关、浴室、牙刷、牙杯人造大理石梳妆台(用不饱和聚酯、石灰石和颜料制成)FRP浴缸塑料椅子、塑料盆、活动室：用苯酚或脲醛树脂压成板材，便于拆装运输。整体成型住宅：由玻璃增强纤维和树脂制成。这些轻便、实用、可以快速拆卸的房子为制造临时展厅、建设现场使用室、救灾和现场调查室等提供了很大的便利。生活聚合物排，塑料部件，轨距，缓冲器，油箱内饰部件，坐垫等，农用塑料：薄膜(透光率，强度，耐老化)灌溉管道，应用领域，塑料温室，PVC管道，建筑行业：塑料门窗采用钢聚氯乙烯(UPVC)型材，用热熔焊机焊接，插入钢衬。为了提高强度，钢衬填充在塑料型材腔中，因此通常被称为塑料门窗。包装行业：塑料薄膜：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PA)，一般称为尼龙等。中空容器：PET、PE、PP等。泡沫：PE、聚氨酯(PU)、PS等。塑料盒、塑料桶、聚苯乙烯泡沫塑料、聚丙烯(PP):保险杆、仪表、挡泥板、空调系统部件等、聚氨酯(PUR):板材、室内地板、减震器、保护板、PC 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，有机玻璃(PMMA):后挡板、遮阳篷罩、灯罩、聚苯醚(PPO):冲击格栅，酚醛树脂(PF):汽化器，汽车产业：塑料部件，轨距，保险杠，人工心脏、人工关节、人工肾脏、医疗和卫生的应用：人工心脏、人工器官、人工肾脏、人工肌肉、(智能凝胶)输液管、血袋、注射器、可溶性缝合浅释药。碳纤维比钢大，铝密度小，比不锈钢耐蚀性高，比耐热钢耐高温，像铜一样导电，具有宝贵的电、热和机械特性的新材料。碳纤维主要由碳纤维增强塑料制成并应用。这种强化塑料比钢、玻璃钢优越，并有很多种用途，如火箭、宇宙飞船等重要材料的制造；制造喷气发动机等。军工产业：固体燃料、低聚糖、复合纤维等(飞机和火箭)，第二节高分子材料分类，1，按来源分类：天然高分子、合成聚合物、半合成高分子材料。自然聚合物，自然聚合物(naturalpolymers)是不人工合成，自然存在于动物、植物和微生物内部的大分子有机化合物。一般天然聚合物，例如多糖(纤维素、淀粉)、橡胶、蛋白质、树脂等。天然橡胶、马铃薯淀粉、膳食纤维、松香(天然树脂)、合成聚合物辅料通过简单的小分子化合物聚合。合成橡胶、合成纤维、合成塑料、涂层、粘合剂等。合成聚合物，合成橡胶，合成纤维，涂层，粘合剂，半合成聚合物辅料是基于淀粉衍生物，纤维素衍生物，聚氧乙烯蓖麻油等天然高分子材料的改性和诱导剂。半合成高分子材料，2，按用途分类，表9-4高分子材料按用途分类，3，根据主链结构，高分子材料的分子链一般不是直线，构成高分子骨架的原子是交错排列的，单个键可以在三维空间中旋转和弯曲。第三节高分子材料的结构，图9-4高分子链结构，1，高分子材料的形状，图9-5单高分子链分子因键旋转而存在大量随机屈曲和缠绕，图9-6碳数100的链结构模拟图，由许多原子组成的单键链可以有大量弯曲、折叠和扭曲，因此，聚合物材料的某些一般热和机械性质是应用应力和热负载时链旋转的能力。旋转的灵活性取决于单体的结构和化学性质。例如，具有双连接的链旋转是刚性的。另外，大分子和测深原子的引入限制了旋转，就像聚苯乙烯因苯环而比聚乙烯链更难旋转一样。高分子材料的物理特性不仅与相对分子质量和形状有关，还与分子链结构的差异有关。典型高分子材料的结构为线性、分支、交联和网状。图9-7分子结构图a)线型b)分支c)交联d)网状(三维)，1，线型高分子材料，线型高分子材料是指单链单体单元末端相接的高分子材料。这种长链是灵活的，可以认为是细长线的集合。线性高分子材料链和链之间有大量的范德华键和氢键的力量。比较常见的线性高分子材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙等。线型高得分链可以根据链的灵活性和外部条件拉伸或卷曲，通常是随机线。适当的溶剂可以溶解，加热可以熔化。2，分支高分子材料，主链上有侧链的高分子材料，分支高分子材料。作为主链的一部分，源自高分子材料合成中出现的副作用的分支链通过聚合反应自然形成或人为地通过反应嫁接。链的累积效率随着侧链的形成而减少，聚合物材料的密度下降。分支聚合物材料可以在适当的溶剂中溶解，加热可以熔化。图9-7分子结构图a)线型b)分支c)交联d)网状(三维)以及分子链的结构差异对分子材料的特性影响很大，例如顺式聚丁二烯是性能好的橡胶，反式聚丁二烯是塑料。(-CH2-ch=ch-CH2n-)，3，交联聚合物材料，交联聚合物材料中相邻线性聚合物材料链用共用键在多个位置连结在一起。交联产物在合成中获得，或在高温下通过不可逆化学反应获得，通常添加的原子或分子通过共价键结合在链中。大多数橡胶弹性材料是交联型的，在橡胶中被称为硫化。“体形聚合物”可以看作是线状或分支链大分子通过化学键交联而成，此时许多大分子键合并成没有一个大分子的一个。交联程度浅可软化，适当溶剂可融化，交联程度深不融化，不融化。图9-7分子结构图a)线型b)分支c)交联d)网状(三维)，4，网状高分子材料，三功能单体单位，即具有三个活性共价键的单体，三维网状，网状高分子材料。实际高度交联聚合物分类为网状高分子材料。环氧树脂和酚醛树脂属于这一类别。高分子材料通常不是简单的构成。例如，线型式聚合物材料可以具有有限的分支和交联。图9-7分子结构图a)线性b)分支c)交联d)网状(三维)，2，聚合物组成，1，序列结构，高分子链的微观结构复杂。在高分子链中，如果结构单元的化学组成相同，连接方式和空间排列也不同。对于具有两个或多个侧原子的聚合物材料，侧基阵列的不规则性和对称性对性能有显着影响。具有置换体的乙烯基单体可以有头-尾或头-头或尾-尾连接。有置换的碳原子是头，没有置换的碳原子是尾。大部分高分子材料的尾部和尾部是主要成分，通常在头部构成的r组之间出现极性排斥。2，3-d异构体，(1)所有异构体(Isotactic)，(2)之间的有理数(syniotactic)，(3)无证结构(Atactic)，3，顺理性体，2 .反式异构，图9-8高分子材料的分子特性分类流程图根据温度对高分子材料特性的变化进行分类。热塑性塑料(热塑性聚合物材料)和热硬化性树脂(热硬化性高分子材料)是两个分支。热塑性树脂加热软化(最终液化)冷却时硬化-此过程完全可逆且可重复。在分子水平温度升高，子原子结合力下降(由于分子运动恶化)，施加应力时，相邻链的相对运动变得更容易。如果熔化的热塑性聚合物材料的温度升高到足以阻碍主要化学结合的程度，则可能发生不可逆转的分解。此外，热塑性树脂比较柔软，一些具有大部分线性高分子材料和灵活链的分支结构高分子材料是热塑性材料。这种材料通常是由加热压力加工的。第三，热塑性和热固性聚合物材料，热固化树脂加热时永久硬化再加热时不能软化。在初始热处理中，相邻分子之间形成了共享交联点。这些键将链锚连接在一起，以防止高温下链的振动和旋转。交联通常是宽值，因为10%-50%的链单体单位交联在一起。只有加热到极高的温度，才会发生这种交联的破裂和高分子材料的分解。热固性聚合物材料一般是比热塑料聚合物材料，坚硬，坚固，尺寸稳定性好。交联和网状聚合物材料(包括硫化橡胶、环氧和酚醛、某些聚酯树脂)的大部分是热固性的。商业上使用的高分子材料必须使用带有小分子的原料合成，这个过程称为聚合。高分子材料的特性可以多种多样，我们期待的成品零件也要加工制造。四节高分子材料的合成，1，聚合工艺，从小分子单体转变为大分子链的高分子材料的过程称为聚合。一般来说，合成高分子材料的原料来自煤和石油产品。聚合机制通常可分为添加反应和缩聚反应两类。，1，添加反应，添加反应(有时称为连锁反应)由单体添加表示聚合反应，反应产物称为加成聚合物。合成产生的分子是原始分子单位的整数倍。添加反应经常是烯烃单体添加聚合，没有官能团结构特性，主要是碳链高分子材料；聚合物的元素组成与单体相同，只有电子结构发生变化。聚合物的相对分子质量是单体相对分子质量的整数倍。加成反应特性：2，缩聚反应，缩聚反应是多官能单体缩合形成高分子物质的反应，对低分子缩合聚合成聚合物具有双重意义，反应产物称为缩聚。例如，聚酯的合成是由乙二醇和己二酸之间的反应引起的，分子间的反应如下。缩聚反应通常是官能团之间的聚合反应。水、酒精、胺等低分子量副产品的反应。缩聚经常保持-oco-nhco-等官能团的结构特征，因此大部分缩聚都是杂链高分子材料。中轴合物的结构单位比单体的原子略少，因此相对分子质量不再是单体相对分子质量的整数倍。缩聚反应特性：第二，聚合物加工助剂和添加剂，高分子材料的特性受分子结构控制，可以简单地改变分子结构，改变其机械、化学和物理特性。聚合物材料中称为添加剂的其他物质，可以在异地提高或改善高分子材料的特性，也可以延长高分子材料的使用寿命。典型高分子材料添加剂包括填料、增塑剂、稳定剂、着色剂和阻燃剂。1，将填料、填料添加到高分子材料中，可以提高高分子材料的抗拉强度、压力强度、抗磨损性、灵活性、热稳定性等特性。一般来说，原料包括木粉(超细木屑)、石英粉、石英砂、玻璃纤维、粘土、滑石、石灰石和一些合成高分子材料。填充物粒子大小的范围是10nm到宏观可见的大小。因为，这种便宜的填料代替了部分昂贵的高分子材料的体积，最终产品费用就会减少。2，又称为增塑剂、增塑剂、增塑剂，是业界广泛使用的高分子材料添加剂，在塑料处理中添加此材料，可减少高分子材料的硬度，增强灵活性，易于加工。增塑剂通常是蒸汽压力低、相对分子质量低的液体，种类有100多种，但最广泛使用的是邻苯二甲酸酯的化合物。增塑剂的作用机制是增塑剂分子插入聚合物分子链之间，削弱聚合物分子链之间的应力，是对抗聚合物分子链，即塑化的主要因素。3，稳定剂，稳定剂是高分子材料防止或抑制光、热、氧、真菌等引起老化作用的添加剂。稳定剂主要有热稳定剂、光稳定剂、化学稳定剂、抗氧化剂等。常用稳定剂的主要成分分类可分为盐系、脂肪酸皂、有机锡化合物、复合热稳定剂和纯有机化合物。4，着色剂，着色剂可赋予高分子材料一定的颜色，是对产品进行着色的有机和无机、天然和合成色素的总称。染料：染料应用于基板，是带颜色的强力着色剂。颜料：颜料粒度大，通常是不能溶于一般溶剂的有机物或无机物。触变是指添加到树脂中，当树脂粘合剂停止时，能被高一致性、外力变成低一致性流体的物质。常用的触变物是气相二氧化硅、沉淀二氧化硅。其他触变剂包括石棉、高岭土、凹凸棒土、乳液氯乙烯化合物等。5，触变，6，阻燃剂，阻燃剂是防止高分子材料点火或抑制火焰插入的添加剂的一种。最常见和最重要的是阻燃剂是磷、溴、氯、锑和铝的化合物。，聚合物加工一般包括两个过程。首先，让原材料变形或流动，确保所需形状，然后保持确保的形状。加工技术大体上是1。包括混合、熔融和均化四个过程；2.转移和挤压；3.拉伸或吹塑；4.冷却和硬化(包括热固性聚合物的交联和橡胶的硫化)。第三，聚合物材料加工工艺、塑料成型、塑料成型一般包括原料准备和准备、成