第8章合成高分子材料

第10章建筑塑料§10.1高分子化合物的基本知识§10.2合成高分子材料在土木工程中的应用⑴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；⑵熟悉土木工程中合成高分子材料的主要制品及应用，包括塑料型材和管材。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。§

10.1高分子化合物的基本知识10.1.1基本概念高分子化合物又聚合物，或高聚物，指的是分子量很大的天然或合成的有机物质，由这些物质组成的材料又称为聚合物材料或高分子材料。塑料、橡胶和纤维等均属于高分子化合物。10.1.2聚合物的分类与命名1.分类分类原则种类来源天然高分子人工合成高分子半天然高分子聚合物主链元素碳链高分子杂链高分子元素有机高分子用途塑料纤维橡胶（弹性体）涂料粘合剂功能高分子10.1.3聚合物的结构与性能特点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，其中线型聚合物包括线型和支链型。线型结构的合成树脂可反复加热软化，冷却硬化，故称为热塑性树脂。体型结构的合成树脂仅在第一次加热时软化，并且分子间产生化学交联而固化，以后再加热不会软化，故称为热固性树脂。图10-1聚合物分子形状示意图图聚合物分子形状示意图10.2合成高分子材料在土木工程中的应用10.2.1塑料的基本组成、分类及主要性能1.塑料的组成

塑料是以聚合物为基本材料，加入各种添加剂后，在一定温度和压力下混合、塑化、成型的材料或制品的总称。塑料按组成成份的多少，可分为单组分塑料和多组分塑料。单组分塑料仅含合成树脂，如“有机玻璃”就是由一种被称为聚甲基丙烯酸甲酯的合成树脂组成。多组分塑料除含有合成树脂外，还含有填充料、增塑剂、固化剂、着色剂、稳定剂及其他添加剂。建筑装饰上常用的塑料制品一般都属于多组分塑料。

（一）树脂

树脂是塑料的基本组成材料，在多组分塑料中约占30%-70%，单组分的塑料中含有树脂几乎达100%。树脂在塑料中主要起胶结作用，把填充料等其他组分胶结成一个整体。因此，树脂是决定塑料性质的最主要因素。

（二）填充料

又称填充剂或填料。是为了改善塑料制品某些性质如提高塑料制品的强度、硬度和耐热性以及降低成本等而在塑料制品中加入的一些材料。填料在塑料组成材料中约占40%-70%，常用的填料有木粉、滑石粉、硅藻土、石灰石粉、铝粉、炭黑、云母、二硫化钼、石棉、玻璃纤维等。其中纤维填料可提高塑料的结构强度；石棉填料可改善塑料的耐热性；云母填料能增强塑料的电绝缘性；石墨、二硫化钼填料可改善塑料的磨擦和耐磨性能等。此外，由于填料一般都比合成树脂便宜，故填料的加入能降低塑料的成本。（三）增塑剂

为了提高塑料在加工时的可塑性和制品的柔韧性、弹性等，在塑料制品的生产、加工时要加入少量的增塑剂。增塑剂通常是具有低蒸气压、不易挥发的分子量较低的固体或液体有机化合物。主要为酯类和酮类。常用的有邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸二辛酯、磷酸二甲苯酯、己二酸酯、二苯甲酮等。

（四）固化剂

固化剂又称硬化剂或熟化剂。其主要作用是使某些合成树脂的线型结构交联成体型结构，从而使树脂具有热固性。不同品种的树脂应采用不同品种的固化剂。酚醛树脂常用六亚甲基四胺；环氧树脂常用胺类、酚酐类和高分子类；聚酯树脂常用过氧化物等。（五）稳定剂

许多塑料制品在成型加工和使用过程中，由于受热、光氧的作用，过早地发生降解，氧化断链、交联等现象，使材料性能变坏。为了稳定塑料制品的质量，延长使用寿命，通常要加入各种稳定剂，如抗氧剂（酚类化合物等）、光屏蔽剂（炭黑等）、紫外线吸收剂（2-羟基二苯甲酮、水杨酸苯酯等）、热稳定剂（硬脂酸铝、三盐基亚磷酸铅等）。（六）着色剂

为使塑料制品具有特定的色彩和光泽，可加入着色剂。着色剂按其在着色介质中的溶解性分为染料和颜料。染料皆为有机化合物，可溶于被着色的树脂中；颜料一般为无机化合物，不溶于被着色介质，其着色性是通过本身的高分散性颗粒分散于被染介质，其折射率与基体差别大，吸收一部分光，而又反射另一部分光线，给人以颜色的视觉。颜料不仅对塑料具有着色性，同时兼有填料和稳定剂的作用。

此外，根据建筑塑料使用及成型加工中的需要，有时还加入润滑剂、抗静电剂、发泡剂、阻燃剂及防霉剂等。塑料挤出成型工艺流程挤出过程：加料——在螺杆中熔融塑化——机头口模挤出——定型——冷却——牵引——切割注射成型原理2.塑料的分类(1)按塑料受热时的变化特点，塑料分为热塑性塑料和热固性塑料

热塑性塑料的特点是受热时软化或熔融，冷却后硬化，再加热时又可软化，冷却后又硬化，这一过程可反复多次进行，而树脂的化学结构基本不变，始终呈线型或支链型。常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯，ABS塑料等。热固性塑料的特点是受热时软化或熔融，可塑造成型，随着进一步加热，硬化成不熔的塑料制品。该过程不能反复进行。大分子在成型过程中，从线型或支链型结构最终转变为体型结构。常用的热固性塑料有酚醛、环氧、不饱和聚酯、有机硅塑料等。3.塑料的主要性能

(1)密度小，比强度高。塑料的密度一般为0.8—2.2g/cm3，与木材的密度相近，约为钢的1/8—1/4，铝的1/2，混凝土的1/3—2/3。塑料的比强度(强度与表观密度之比)接近甚至超过钢材，是普通混凝土的5—15倍。是一种很好的轻质高强材料。例如，玻璃纤维和碳纤维增强塑料就是很好的结构材料，并在结构加固中得到广泛应用。碳纤维增强塑料碳纤维的发明可追溯到爱迪生时代。碳纤维原料来源广、成本低、性能好，是很有发展前途的增强材料。碳纤维增强材料是由树脂基体经加热氧化、高温碳化而得到的高强度碳纤维。可以根据使用温度的不同选择不同的树脂基体。新一代的运动器材如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球拍、滑雪杖、撑杆、弓箭等都用碳纤维增强塑料制成，为运动员创造世界记录做出了贡献。美国科学家发现，在混凝土中加入微量短碳纤维后，其电阻会随外加应力的变化而成比例改变。这种混凝土的应用可使桥梁充当高灵敏度的压力和应力探测器。碳纤维增强塑料片碳纤维加固

碳纤维加固是近年来美日等国家所研发的应用在土木工程中的新型加固补强技术。该方法采用同一方向排列的碳纤维织物，在常温下用环氧树脂胶粘贴于混凝土结构表面，利用其紧密粘着于混凝土结构表面，使二者作为一个新的整体，共同受力，是一种非常简单且优良的加固补强方法，与传统的粘钢加固不同，碳纤维加固在不增加结构物的荷重的前题下达到高效加固的目的。(2)可加工性好，装饰性强。塑料可以采用多种方法加工成型，制成薄膜、薄板、管材、异型材等各种产品；并且便于切割、粘结和“焊接”加工。塑料易于着色，可制成各种鲜艳的颜色；也可以进行印刷、电镀、印花和压花等加工，使得塑料具有丰富的装饰效果。(3)耐化学腐蚀性好，耐水性强。大多数塑料对酸、碱、盐等的耐腐蚀性比金属材料和部分无机材料强，特别适合做化工厂的门窗、地面、墙壁等；热塑性塑料可被某些有机溶剂所溶解，热固性塑料则不能被溶解，仅可能出现一定的溶胀。塑料对环境水也有很好的抵抗腐蚀能力，吸水率较低，可广泛用于防水和防潮工程。(4)隔热性能好，电绝缘性能优良。塑料的导热性很小，导热系数一般只有0.024一0.69w／m·K，只有金属的1／100。特别是泡沫塑料的导热性最小，与空气相当。常用于隔热保温工程。塑料具有良好的电绝缘性能，是良好的绝缘材料。(5)弹性模量低，受力变形大。塑料的弹性模量小，是钢的1／l0一1／20。且在室温下，塑料在受荷载后就有明显的蠕变现象。因此，塑料在受力时的变形较大．并具有较好的吸振、隔声性能。(6)耐热性、耐火性差，受热变形大。塑料的耐热性一般不高，在高温下承受荷载时往往软化变形，甚至分解、变质，普通的热塑性塑料的热变形温度为60—120℃，只有少量品种能在200℃左右长期使用。部分塑料易着火或缓慢燃烧，燃烧时还会产生大量有毒烟雾，造成建筑物失火时的人员伤亡。塑科的线膨胀系数较大，比金属大3—10倍。因而，温度变形大，容易因为热应力的累积而导致材料破坏。10.2.2建筑中常用的塑料制品塑料在土木工程的各个领域均有广泛的应用。它既可用做防水、隔热保温、隔声和装饰材料等功能材料；也可制成玻璃纤维或碳纤维增强塑料，用做结构材料。塑料可以加工成塑料壁纸、塑料地板、塑料地毯、塑料门宙和塑科管道等在建筑中应用。本节主要介绍塑料门窗和塑料管材。

1.塑料门窗

塑料门窗是由硬质聚氯乙烯型材经切割、焊接、拼装、修整而成的门窗制品，现有推拉门窗和平开门窗等几大类系列产品。与传统的钢、木门窗相比，塑料门窗具有美观耐用、安全、节能等一系列的优点。由于塑料容易加工成型和拼装，塑料门窗的结构型式灵活多样。在塑料门窗中，为了增加聚氯乙烯材料的刚性，常在门窗框、窗扇的异型材空腔内，插入金属增强材料，故又称塑钢门窗。塑料门窗的应用始于20世纪50年代，至今已有40多年的应用历史，应用技术十分成熟。塑钢门窗、铝合金门窗孰优孰劣塑钢门窗作为一种新型建筑产品，近两年在门窗市场异军突起，市场份额大大超过普通的木质、钢质门窗、彩板门窗，直逼铝合金门窗。更有资料表明，下世纪将是塑钢门窗之天下，届时，铝合金门窗将退居一隅，进入被淘汰的行列。那么，塑钢门窗与铝合金门窗到底孰优孰劣呢？我们不妨通过下列性能特征来进行比较。１、隔音性能据资料表明，塑钢门窗的隔音性能大大优于铝合金门窗。比方说：达到同样噪音要求的建筑物，安装铝合金门窗的建筑与交通干道的距离需在５０米以外，如果用塑钢门窗则可缩短到１６米以内。２、隔热性能提到隔热性能，我们需从材质基础技术参数比较，例如ＰＶＣ材料的导热系数为０．１４，而铝合金则为１10５。也就是说，在同等条件下，就材质导热能力而言，铝材是ＰＶＣ材料的１２５０倍。当然，如果将ＰＶＣ制成门窗，进行能耗比较，就很难一概而论。因为室内散失热量，通常与屋面、地面、墙壁和门窗有关。但科研资料表明，作为普通住宅，同样开启空调，装塑钢门窗的房间比装铝合金门窗的房间每天节电要超过５度。

３、耐腐蚀性塑钢门窗能耐酸耐碱及其它化学物质的腐蚀，故不怕城市环境污染、盐酸和酸雨等的侵蚀。而铝合金则不然，遇腐蚀后容易导致表面氧化，缩短使用寿命。４、门窗的安装性能及使用寿命塑钢门窗自重大大低于铝合金门窗，更由于是整体成型，安装速度很快，从而使得整个工效大为提高。使用寿命方面，塑钢门窗的正常使用寿命为３０至５０年，低于铝合金门窗。５、产品款式及工艺性能塑钢门窗与铝合金门窗均可根据设计人员的设计要求制作成平开、推拉、上悬及弧形窗，造型美观大方新颖。塑钢门窗表面可着色、覆膜、多色共挤；铝合金门窗表面可喷涂、电泳，色泽也可做到多样化。６、产品使用途径及价格塑钢门窗及铝合金门窗均可应用于各种工业与民用建筑上，普通塑钢门窗的价格在２００至５００元／平方米，双层塑钢门窗的价格在５００元／平方米以上，高档塑钢