土木工程材料第章合成高分子材料

第8章合成高分子材料

本章学习目标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、胶粘剂及涂料。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。

有机高分子材料是由高分子化合物组成的材料。在土木工程中所涉及的主要有塑料、橡胶、化学纤维、胶粘剂和涂料。本章主要介绍塑料、胶粘剂和涂料。这些有机高分子材料的基本成分是人工合成的高分子化合物，简称高聚物。由高聚物加工而成，或高聚物对传统材料改性所制得的土木工程材料，习惯上称为化学合成建筑材料，即化学建材。8.1合成高分子化合物的基本知识

8.1.1高分子化合物的分类

1、按分子链的形状分类

线型高分子化合物的主链原子排列成长链状，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

支链型高分子化合物的主链也是长链状的，但带有大量的支链，如ABS树脂等。

体型高分子化合物的长链被许多横跨链交联成网状，或在单体聚合过程中二维或三维空间交联形状空间网络，分子彼此固定。如环氧、聚酯等树脂的最终产物。

根据分子链的形状不同，可将高分子化合物分为线型、支链型和体型三种。聚合物的物理状态及性能特点按温度区域可划分为玻璃态、高弹态和粘流态。当温度较低时，聚合物受外力作用时产生的变形较小，弹性模量大，且变形可恢复，此状态称为玻璃态。玻璃态是塑料的使用状态，凡室温下处于玻璃态的聚合物都可用作塑料。当温度升高至玻璃化转变温度以上，聚合物受外力作用时产生变形较大，弹性模量较小，外力除去后又会逐步恢复原状，且变形是可逆的，此状态称为高弹态。高弹态是橡胶的使用状态，凡室温下处于高弹态的聚合物均可用作橡胶，因此高弹态也叫橡胶态。粘流态是聚合物成型时的状态。在室温下，聚合物总是处于玻璃态、高弹态和粘流态三种状态之一，其中，高弹态是聚合物所特有的状态。当温度一定时，不同聚合物可能处于不同的物理状态，因此表现出不同的力学性能。2、

按对热的性质分类

按受热时的特点可分为热塑性和热固性两类。热塑性高聚物在加热时呈现出可塑性，甚至熔化，冷却后又凝固硬化。这种变化是可逆的，可以重复多次。这类的高分子化合物其分子间作用力较弱，为线型及带支链的高聚物。热固性高聚物是一些支链高分子化合物，加热时转变成粘稠状态，发生化学变化，相邻的分子相互连接，转变成体型结构而逐渐固化，其分子量也随之增大，最终成为不能熔化、不能溶解的物质。这种变化是不可逆的，大部分缩合树脂属于此类。

8.1.2高分子化合物的合成及命名

将低分子单体经化学方法聚合成为高分子化合物常用的合成方法有加成聚合和缩聚聚合两种。

加成聚合

加成聚合又叫加聚反应，是聚合物最主要的聚合方式之一，通常是在催化剂的存在下，含有双键的单体打开双键，相互连接而得到聚合物长链分子。在加聚反应过程中无副产物，由一种单体加聚而得的称为均聚物，如乙烯加聚得到聚乙烯，氯乙烯加聚得到聚氯乙烯等。

由两种或两种以上单体共加聚称为共聚，通过单体的共聚可以得到各种性能优良的塑料，如丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）共聚可以制造性能优异的工程塑料（ABS），可用作电器开关、外壳、装饰板等；乙烯、丙烯共聚可以得到耐老化性能极好的乙丙橡胶，可用作高档防水卷材的主要原料；由丁二烯、苯乙烯共聚可以制造丁苯橡胶，可以制造建筑上用的胶板、胶粘剂、减振件等。由加聚反应得到的树脂称为聚合树脂，其命名一般是在其原料名称前面加以“聚”字，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

缩聚聚合

缩聚又称缩聚反应，是含有活性官能团的单体经缩合反应相互连接而得到高分子量的聚合物。缩聚反应过程中有副产物——小分子化合物产生，所以由缩聚反应制成的树脂其化学组成与单体不同。若参加缩聚反应的单体只有两个官能团，则只能生成直链聚合物，如聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）；若参加缩聚反应的单体有两个以上的官能团，则聚合后就会生成不溶、不熔的三维网状聚合物，也称为热固性树脂。

缩聚反应生成物的树脂称为缩合树脂，其命名一般是在原料名称后加上“树脂”两字，如环氧树脂、聚酯树脂等。8.1.3高分子化合物物的基本性质质1、高分子材料料的性能优点点①优良的加工性性能。如塑料可以采采用比较简便便的方法加工工成多种形状状的产品。②质轻。如大多塑料料密度在0.9～2.2g/m3之间，平均为为1.45g/cm3，约为钢的1/5。③导热系数小小。如泡沫塑料的的导热系数只只有0.02～0.046W/（m·K），约为金属属的1/1500，混凝土的1/40，砖的1/20，是理想的绝绝热材料。④化学稳定性性较好。一般塑料对酸酸、碱、盐及及油脂均有较较好的耐腐蚀蚀能力。其中中最为稳定的的聚四氟乙烯烯，仅能与熔熔融的碱金属属反应，与其其它化学物品品均不起作用用。⑤电绝绝缘缘性性好好。。⑥功功能能的的可可设设计计性性强强。。可通通过过改改变变组组成成配配方方与与生生产产工工艺艺，，在在相相当当大大的的范范围围内内制制成成具具有有各各种种特特殊殊性性能能的的工工程程材材料料。。如如强强度度超超过过钢钢材材的的碳碳纤纤维维复复合合材材料料、、密密封封材材料料、、防防水水材材料料等等。。⑦出出色色的的装装饰饰性性能能。。如各各种种塑塑料料制制品品不不仅仅可可以以着着色色，，而而且且色色彩彩鲜鲜艳艳耐耐久久，，并并可可通通过过照照相相制制版版印印刷刷，，模模仿仿天天然然材材料料的的纹纹理理（（如如木木纹纹、、花花岗岗石石、、大大理理石石纹纹等等）），，达达到到以以假假乱乱真真的的程程度度。。2、合成成高分分子材材料的的性能能缺点点易老化化所谓老老化是是指高高分子子化合合物在在阳光光、空空气、、热以以及环环境介介质中中的酸酸、碱碱、盐盐等作作用下下，分分子组组成和和结构构发生生变化化，致致使其其性质质变化化，如如失去去弹性性、出出现裂裂纹、、变硬硬、变变脆或或变软软、发发粘失失去原原有的的使用用功能能的现现象。。塑料料、有有机涂涂料和和有机机胶粘粘剂都都会出出现老老化。。目前前采用用的防防老化化措施施主要要有改改变聚聚合物物的结结构，，加入入各种种防老老化剂剂的化化学方方法和和涂防防护层层的物物理方方法。。耐热性性差高分子子材料料的耐耐热性性能普普遍较较差，，如使使用温温度偏偏高会会促进进其老老化，，甚至至分解解；塑塑料受受热会会发生生变形形，在在使用用中要要注意意其使使用温温度的的限制制。可燃性性及毒毒性高分子子材料料一般般属于于可燃燃的材材料，，但可可燃性性受其其组成成和结结构的的影响响有很很大差差别。。如聚聚苯乙乙烯遇遇火会会很快快燃烧烧起来来，聚聚氯乙乙烯则则有自自熄性性，离离开火火焰会会自动动熄灭灭。部部分高高分子子材料料燃烧烧时发发烟，，产生生有毒毒气体体。一一般可可通过过改进进配方方制成成自熄熄和难难燃甚甚至不不燃的的产品品。不不过其其防火火性仍仍比无无机材材料差差，在在工程程应用用中应应予以以注意意。8.2建筑塑塑料塑料是以以聚合物物为基本本材料，，加入各各种添加加剂后，，在一定定温度和和压力下下混合、、塑化、、成型的的材料或或制品的的总称。。7.2.1建筑塑料的特特性A、质量轻塑塑料的密度为为1～2g/cm3，为钢材的1/8～１/４，可大大减减轻建筑物的的自重，对高高层建筑更具具特殊意义。。B、比强度高比强度是强度度与表观密度度之比。塑料的强度度较高，而表表观密度低，，其比强度远远超过传统的的土木工程材材料，是一种种优质的轻质质高强材料。。C、可塑性好具有优良的加加工性能，塑塑料可按需要要调节制品硬硬度、密度、、色泽，用多多种加工工艺艺塑制成不同同形状的产品品，适应建筑筑上不同用途途的需要。D、耐腐蚀性好好其化学稳定性性良好，是憎憎水性材料，，对弱酸弱碱碱的抵抗性强强。E、耐水性好塑料具有较高高的耐水性。。F、耐热性能塑料的耐热性性一般都不好好，软化温度度为100-200℃。塑料的热膨膨胀系数高，，是传统材料料的3～4倍。G、老化在阳光、氧、、热等条件作作用下，塑料料中聚合物的的组成和结构构发生变化，，致使塑料性性质恶化，这这种现象称为为老化。塑料料存在老化问问题，但通过过一定措施，，塑料制品的的使用寿命可可以和其他材材料媲美，有有的甚至能高高于传统材料料。H、可燃性塑料大多可可燃，且在在燃烧时会会产生大量量有毒的烟烟雾。这是是它作为土土木工程材材料的一个个弱点。目目前正在研研究具有自自熄性、难难燃甚至准准不燃的塑塑料。8.2.2塑料的组成成合成树脂塑料的基本本组成材料料，起着胶胶结剂的作作用，含量量为30%-60%。塑料的主主要性能决决定于所采采用的合成成树脂。填充料填充充料料的的作作用用：：节节约约树树脂脂，，降降低低成成本本，，调调节节塑塑料料的的物物理理化化学学性性能能。。含含量量40%-70%。常用用的的有有机机填填充充料料有有木木粉粉、、纸纸屑屑、、废废棉棉、、废废布布等等；；常常用用无无机机填填充充料料有有滑滑石石粉粉、、石石墨墨粉粉石石棉棉、、玻玻璃璃纤纤维维等等。。添加加剂剂为了了改改善善或或调调节节塑塑料料的的某某些些性性能能，，以以适适应应使使用用或或加加工工时时的的特特殊殊要要求求而而加加入入的的辅辅导导材材料料，，如如增增塑塑剂剂、、固固化化剂剂、、着着色色剂剂、、阻阻燃燃剂剂、、稳稳定定剂剂等等。。增塑塑剂剂增塑塑刑刑一一般般为为沸沸点点较较高高、、不不易易挥挥发发、、与与树树脂脂有有良良好好相相溶溶性性的的低低分分子子油油状状物物，，不不仅仅使使塑塑料料加加工工成成型型方方便便、、而而且且可可改改善善塑塑料料的的韧韧性性和和柔柔顺顺性性等等机机械械性性能能。。常常用用的的增增塑塑剂剂有有邻邻苯苯二二甲甲酸酸二二丁丁酯酯、、邻邻苯苯二二甲甲酸酸二二辛辛酯酯等等。。固化化剂剂主要要作作用用是是在在聚聚合合物物中中生生成成横横跨跨键键、、使使线线型型高高聚聚物物交交联联成成体体型型高高聚聚物物，，从从而而使使树树脂脂具具有有热热固固性性，，制制得得坚坚硬硬的的塑塑料料制制品品。。着色色剂剂主要要作作用用是是可可使使塑塑料料具具有有鲜鲜艳艳的的色色彩彩和和光光泽泽。。着着色色剂剂除除满满足足色色彩彩要要求求外外，，还还应应具具有有分分散散性性好好，，附附着着力力强强，，不不与与塑塑料料成成分分发发生生化化学学反反应应，，不不腿腿色色等等特特性性。。阻燃燃剂剂加入入后后能能提提高高塑塑料料的的耐耐燃燃性性和和自自熄熄性性。。常常用用的的有有氢氢氧氧化化铝铝，，三三氧氧化化锑锑等等。。稳定定剂剂防止止和和缓缓解解高高聚聚物物的的老老化化，，延延长长塑塑料料制制品品的的使使用用寿寿命命。。8.2.3常用用建建筑筑塑塑料料常用用热热塑塑性性塑塑料料的的种种类类有有聚氯氯乙乙烯烯（（PVC）聚乙烯（（PE）聚丙烯（（PP）聚苯乙烯烯（PS）ABS塑料聚碳酸酯酯、聚甲甲醛、聚聚酰胺等等常用的热热固性塑塑料有酚醛、环环氧、不不饱和聚聚酯、有有机硅等等它是建筑筑中用量量最大的的一种塑塑料。硬硬质聚氯氯乙烯的的密度为为1.38～1.43g/cm3，机械强强度高，，化学稳稳定性好好，使用用温度范范围一般般在-15～+55℃℃之间，适适宜制造造塑料门门窗、下下水管、、线槽等等。聚氯乙烯烯（PVC）聚乙烯塑料在建筑上主要用于给排水管、卫生洁具。

聚乙烯（PE）聚丙烯的的密度在在所有塑塑料中是是最小的的，约为为0．90左右。聚聚丙烯常常用来生生产管材材、卫生生洁具等等建筑制制品。聚丙烯（（PP）聚苯乙烯烯（PS）聚苯乙烯烯为无色色透明类类似玻璃璃的塑料料。聚聚苯乙烯烯在建筑筑中主要要用来生生产泡沫沫隔热材材料、透透光材料料等制品品。ABS塑料

ABS塑料是改性聚苯乙烯塑料，以丙烯睛（A）、丁二烯（B）及苯乙烯（S）为基础的三组分所组成。ABS塑料可制作压有花纹图案的塑料装饰板等。塑料在土土木工程程中常用用于制作作塑料门门窗、管管材和型型材等塑料在土土木工程程中的应应用塑料门窗窗塑料门窗窗分为全全塑门窗窗及复合合塑料门门窗两类类，全塑塑门窗多多采用改改性聚氯氯乙烯树树脂制造造。塑料料门窗具具有隔热热、隔音音、气密密性好、、耐腐蚀蚀、维护护费用较较低等优优点，但但其线膨膨胀系数数较高，，硬度较较低，不不耐磨。。复合塑塑料门窗窗常用的的种类为为塑钢门门窗，它它是在塑塑料门窗窗框内部部嵌入金金属型材材制成。。塑料管材材和型材材塑料管有有热塑性性塑料管管和热固固性塑料料管两大大类。塑塑料管的的种类有有：硬质质聚氯乙乙烯（UPVC）塑料管管、聚乙乙烯（PE）塑料管管、聚丙丙烯（PP）塑料管管和PPR塑料管、、聚丁烯烯（PB）塑料管管、玻璃璃钢（FRP）管和复复合塑料料管等。。8.3胶粘剂胶粘剂是能将各各种材料料紧密地地粘结在在一起的的物质的的总称。。用胶粘粘剂粘结结建筑构构件、装装饰品等等不仅美美观大方方，工艺艺简单，，还能将将不同材材料的构构件很容容易地联联结在一一起并有有足够的的结合强强度，此此外粘合合剂还可可以起到到隔离、、密封和和防腐蚀蚀等作用用。除此此之之外外，，胶胶粘粘剂剂还还必必须须对对人人体体无无害害。。我我国国已已制制定定了了GB18583－2001《室内装修材料料胶粘剂中有有害物质限量量》的强制性国家家标准。8.3.1胶粘剂的组组成、要求求及分类胶粘剂的基基本组成材材料有粘料、固化化剂、填料料和稀释剂等。此外，，为使胶粘粘剂具有更更好的性能能，还应加加入一些其其它的添加加剂，如增增韧剂、抗抗老化剂、、增塑剂等等。①粘料粘料是胶粘粘剂的基本本组分，或或称基料，，它使胶粘粘剂具有粘粘附特性。。粘料通常常由一种或或几种聚合合物配合而而成。用于于胶接结构构受力部位位的胶粘剂剂是以热固固性树脂为为主；用于于非受力部部位和变形形较大部分分的胶粘剂剂是以热塑塑性树脂和和橡胶为主主。②固化剂固化剂（在在橡胶中称称硫化剂））能使线型型分子形成成网状的体体型结构，，使胶粘剂剂固化。在在选择固化化剂时，应应按粘料的的特性及对对固化后胶胶膜性能（（如硬度、、韧性和耐耐热等）的的要求来选选择。③填料料加入填料可可改善胶粘粘剂的性能能（如提高高粘度，降降低膨胀系系数或收缩缩性等），，并降低成成本。常用用填料有石石英粉、滑滑石粉，以以及各种金金属、非金金属氧化物物粉，在建建筑工程中中水泥也是是广泛应用用的填料。