材料导论高分子材料

关于材料导论高分子材料第一节塑料

概述

塑料是在玻璃态下使用的、具有可塑性的高分子材料。它以树脂为主要组分，加入各种添加剂，能在一定温度和压力下加工成形的各种材料的总称。

塑料的组成：1）树脂:

塑料的主要组分。它胶粘着塑料中的其它一切组成部分，并使其具有成型性能。绝大多数塑料就是以所用树脂命名的。

第2页,共75页，2024年2月25日，星期天2）填充剂（填料）:

提高塑料的力学、电学性能或降低成本等。它在塑料占有相当大的比例。如加入铝粉可提高光反射能力和防老化；加入二硫化钼可提高润滑性。

常用填充剂有云母粉、石墨粉、炭粉、氧化铝粉、木屑、玻璃纤维、碳纤维等。

3）增塑剂:

提高塑料的可塑性和柔软性。常用熔点低的低分子化合物来增加大分子链间距离，从而达到增加大分子链的柔顺性的目的。常用增塑剂有甲酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡等。

第3页,共75页，2024年2月25日，星期天4）稳定剂:

提高塑料对热、光、氧等的稳定性，延长使用寿命。常用热稳定剂有硬酯酸盐、环氧化合物和铅的化合物等。光稳定剂有炭黑、氧化锌等遮光剂。5）增色剂:

赋予塑料制品各种色彩。常用的着色剂是一些有机染料和无机颜料。有时也采用能产生荧光或磷光的颜料。第4页,共75页，2024年2月25日，星期天6）润滑剂:

提高塑料在加工成形过程中的流动性和脱模能力，同时可使制品光亮美观。常用润滑剂有硬酯酸、盐类等。7）固化剂:

与树脂发生交联反应，使受热可塑的线型结构变成热稳定好的体型结构。常用的固化剂如六次甲基四胺、过氧化二苯甲酰等。8）其他:

还有发泡剂、催化剂、阻燃剂等。第5页,共75页，2024年2月25日，星期天

塑料的分类：1）按塑料热性质分类：

热塑性塑料：受热时软化或熔融、冷却后硬化，韧性好，可反复成形。它包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯醚、聚四氟乙烯等。

热固性塑料：在加热、加压并经过一定时间后即固化为不溶、不熔的坚硬制品，不可再生。具有更好耐热性和抗蠕变能力。常用热固性塑料有酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、有机硅树脂等。第6页,共75页，2024年2月25日，星期天2）按塑料的功能和用途分类：

通用塑料：产量大用途广价格低的塑料。主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料等，产量占塑料总产量的75%以上。

工程塑料：具有较高性能，能替代金属制造机械零件和工程构件的塑料。聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂等。

功能塑料：导电塑料、导磁塑料、感光塑料等。第7页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：

热塑性塑料

聚乙烯（PE－polyethylene）：——CH2—CH2——［］2）

支化结构：

右图：（a）高密度PE分子链（b）低密度PE分子链（c）线性低密度PE分子链第8页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）性质：①耐化学腐蚀；

②良好的电绝缘性和高频介电性能；

③韧性、耐寒性好；④较低的摩擦系数；⑤不易吸水；

⑥不耐热，不耐大气老化。第9页,共75页，2024年2月25日，星期天

4）应用：聚乙烯是塑料中产量最大的一类品种，属于结晶性塑料，外观乳白，半透明。低密度聚乙烯(LDPE)

：日用制品、薄膜、软质包装材料、层压板、电线电缆包覆等。高密度聚乙烯(HDPE)：小负荷齿轮和轴承、化工管道、阀门、高频电缆绝缘层、硬质包装材料等。第10页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：

聚氯乙烯（PVC－polyvinylchloride

）：2）

性质：具有较高的强度、刚性；良好的电绝缘性、耐化学腐蚀性；能溶于四氢呋喃和环已酮等有机溶剂；具有阻燃性；但热稳定性较差，使用温度较低，介电常数、介电损耗较高。——CH2—CH2——［］Cl│第11页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）应用：

纯聚氯乙烯属无规立构，无色透明，硬而脆，很少应用。常利用橡胶和增塑剂对其改性处理。

硬聚氯乙稀：用于工业管道、给排水系统、板件、管件、建筑及家用防火材料，化工防腐设备及各种机械零件。

增塑（软）聚氯乙稀：用于窗帘、桌布、雨衣、手提箱、人造革、墙纸；农用薄膜、耐酸碱软管及电线电缆包覆层等。第12页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：

聚丙烯（PP-polypropylene)）：2）

性质：无毒、无味、无臭、半透明蜡状固体。密度小，力学性能高于聚乙烯；耐热性、耐水性良好，化学稳定性好；但不耐芳香族和氯化烃溶剂，耐寒性差，易老化。——CH2—CH2——［］CH3│第13页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）应用：

聚丙烯属等规立构，结晶性塑料，外观乳白半透明。主要用于家庭厨房用具、包装薄膜、医疗器械、高频绝缘材料；化工管道、家用电器部件等，以及汽车及机械零部件，如车门、方向盘、齿轮、接头等。第14页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：

聚苯乙烯（PS-polystyrene

）：2）

性质：

无毒、无味、无色透明状固体。电绝缘性优良，介电损耗极小；耐化学腐蚀性优良，但不耐苯、汽油等有机溶剂；强度较低，硬度高，脆性大，不耐冲击，耐热性差，易燃。——CH2—CH2——［］│第15页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）应用：

聚丙烯属无规立构，非晶性塑料，高度透明（透光率为88～92％）。

主要用于日用、装潢、包装及工业制品；仪器仪表外壳、灯罩、光学零件、装饰件、透明模型、玩具、化工储酸槽，包装及管道的保温层，冷冻绝缘层等。第16页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-polymethylmethacrylate

）：2）

性质：

较高的强度和韧性、优良的光学性能，透光率比普通硅玻璃好（透光率约为91～93％）；优良的电绝缘性；耐化学腐蚀性好，热导率低；但硬度低，表面易擦伤，耐磨性差，耐热性不高。——CH2—C—C——［］│CH3COOCH3│第17页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）应用：聚甲基丙烯酸甲酯又称有机玻璃，属无规立构，非晶性塑料。

主要用于飞机、汽车的窗玻璃和罩盖，光学镜片，仪表外壳，装饰品，广告牌，灯罩，光学纤维，透明模型，标本，医疗器械等。

第18页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：

聚四氟乙烯（PTFE）：2）

性质：

出色的耐热、耐寒能力（-180～+260℃长期使用）；摩擦系数极低，有自润滑效果；化学稳定性极佳，俗称“塑料王”；极好的电绝缘性和介电性；但强度低，抗蠕变性较差，不易加工成形。——CF2—CF2——［］第19页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）应用：聚四氟乙烯属结晶性塑料，外观呈瓷白色，一般在360～380℃烧结成形。

主要用于轴承、垫圈等自润滑材料；高温电缆绝缘材料、电器元件；化工管道及零件；不粘锅涂层等。第20页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构：

尼龙的品种很多，如尼龙6、尼龙66、尼龙610等。数字表示基本单元中的碳原子数目。所有尼龙分子结构单元中都有一个相同的特征基团－酰胺基：

聚酰胺（尼龙或锦纶）（PA－polyamides

）：——C—N——［］‖OH│第21页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）应用：纤维增强尼龙主要用于轴承、齿轮、高压密封圈、阀门、包装材料、输油管、汽车保险杠及丝织品等。2）

性质：聚酰胺属结晶性塑料，半透明，乳白，略带黄色。由于酰胺基的存在，分子之间有很强的氢键作用，因此聚酰胺的强度高，韧性好；另外耐磨性和自润滑性好，摩擦系数低；具有良好的耐油、耐溶剂性、阻燃性；但吸水性大，热膨胀系数大，耐热性不高。第22页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：

聚甲醛（POM-polyformaldehyde

）：——CH2—O——［］2）

性质：具有较高的强度、硬度、刚性、韧性、耐磨性和自润滑性，耐疲劳性能高，吸水性小，摩擦系数小，耐化学品腐蚀性好，电绝缘性能良好，但热稳定性差，易燃。具有较高的综合性能，可以替代一些金属和尼龙。第23页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）均聚甲醛的改性：

工业上利用共聚反应来生成共聚甲醛，来改善热稳定性。共聚甲醛的结构单元为：

4）应用：聚甲醛属结晶性塑料，乳白色。部分取代有色金属和合金，用于制造低载荷齿轮、轴承，塑料弹簧等。—CH2—O—［］x—CH2-CH2-CH2-CH2-O—［］y，第24页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：

聚碳酸酯（PC-polycarbonate

）：2）

性质：

①低温冲击韧性极佳；

②高模量、高强度、抗蠕变，尺寸稳定性好；—O—C—O——［］│O———C—││CH3CH3第25页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）应用：由于聚碳酸酯具有优异的综合力学性能，又高度透明，故俗称“透明金属”。

纤维增强聚碳酸酯可部分取代钢、有色金属等制造仪器仪表的机械传动部件。未增强聚碳酸酯用于制作车灯罩、护目镜、安全帽、门窗玻璃甚至防弹玻璃等。

③透光率高，约为86～92％；

④电绝缘性好。第26页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：丙烯晴(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体（共聚生成）

ABS塑料：2）

性质：

丙烯晴能提高强度、硬度、耐热性和耐腐蚀性，丁二烯能提高韧性，苯乙烯能提高电性能和成型加工性能。ABS塑料具有较好的抗冲击性能、尺寸稳定性和耐磨性，成型性好，不易燃，耐腐蚀性好，但不耐酮、醛、酯、氯代烃类溶剂。第27页,共75页，2024年2月25日，星期天

3）应用：

ABS作为“坚韧、质硬且刚性”的材料，是最早被人类认识和使用的“高分子合金”。用于轻载齿轮、轴承，电器外壳，汽车部件，各类容器、管道等。第28页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

结构单元：

聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）：2）

性质：结晶性塑料，呈乳白色，工程上常用玻璃纤维增强PBT作为结构材料。—CH2－CH2－CH2－CH2－O－C——C—［］O‖‖O第29页,共75页，2024年2月25日，星期天1）

聚砜（PSF）：

其他热塑性塑料：

聚砜是含硫的透明树脂，其耐热性抗蠕变性突出，长期使用温度可达150~174℃，脆化温度-100℃。广泛用于电器、机械、交通和医疗领域。2）

聚苯醚（PPO）：聚苯醚是线性非晶态工程塑料，综合性能好，使用温度宽-190～190℃，耐磨性、电绝缘性和耐水蒸气性能好。主要用作在较高温度下工作的齿轮、轴承、凸轮、化工管道、阀门和外科医疗器械等。第30页,共75页，2024年2月25日，星期天3）聚酰亚胺：

聚酰亚胺是含氮的环形结构的耐热性树脂，其强度硬度较高，使用温度可达260℃；但加工性较差，脆性大，成本高。主要用于特殊条件下工作的精密零件，如喷气发动机供燃料系统的零件，耐高温高真空用自润滑轴承及电气设备，是航空航天工业中常用的高分子材料。第31页,共75页，2024年2月25日，星期天

热固性塑料

热固性塑料是树脂经固化处理后获得的。所谓固化处理就是树脂中加入固化剂并压制成型，使其由线型聚合物变为体型聚合物的过程。热固性塑料具有耐热性高，刚度大，抗蠕变性能好，尺寸稳定性高；但脆性大，不易成形。第32页,共75页，2024年2月25日，星期天

酚醛塑料（PF-bakelite

）：

酚醛塑料中的酚醛树脂是酚类和醛类的缩聚产物。根据酚类和醛类的反应摩尔比及反应介质PH值的差异，可以分别得到热固性和热塑性两类材料。苯酚上与羟基邻位或对位的3个氢原子都很活泼，均能与甲醛发生两种情形下的缩聚反应：PH值甲醛与苯酚摩尔比链结构产物＜70.8～0.9线性热塑性＞71.1～1.5交联热固性1）

酚醛树脂：

第33页,共75页，2024年2月25日，星期天苯酚邻位氢原子与甲醛的缩聚反应如下：热塑性酚醛树脂：只有加入能与之反应的固化剂，才能固化。热固性酚醛树脂：制备时反应不彻底，在热的作用下可继续进行缩聚反应形成高度交联网状结构。第34页,共75页，2024年2月25日，星期天2）

酚醛塑料：

热塑性酚醛树脂固化剂添加剂压塑粉

压坯

成品混合模压加热①以热塑性酚醛树脂为原料：第35页,共75页，2024年2月25日，星期天

通常作粘胶剂或浸渍增强剂压制成层状塑料。②以热固性酚醛树脂为原料：

有一定的强度和硬度、良好的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性及电绝缘性、热导率低，成本低廉。酚醛塑料所用的填料分为粉状、纤维状、层状。③应用第36页,共75页，2024年2月25日，星期天

以木粉为原料的酚醛塑料粉又称胶木粉或电木粉，它价格低廉，但性脆、耐光性差，用于制造手柄、瓶盖、电话及收音机外壳、灯头、开关、插座等。

以云母粉、石英粉、玻璃纤维为填料的塑料粉可用来制造电闸刀、电子管插座、汽车点火器等。

以石棉为填料的塑料粉可用于制造电炉、电熨斗等设备上的耐热绝缘部件。

以玻璃布、石棉布等为填料的层状塑料的可用于制造轴承、齿轮、带轮、各种壳体等。第37页,共75页，2024年2月25日，星期天

环氧塑料（EP-epoxyplastics

）：

环氧塑料是以环氧树脂为基，加入填料及其它添加剂而制成。树脂中每个分子含有两个或两个以上环氧基团：1）

环氧树脂：

（CH2—CH—）O

环氧树脂中最常用的是双酚A型环氧树脂：n＝0～7第38页,共75页，2024年2月25日，星期天

其中，R为2）

环氧塑料：

环氧树脂有“万能胶”之称。其粘性好，强度高，具有良好的耐热性、耐腐蚀性、尺寸稳定性，优良的电绝缘性能。

主要用于：仪表构件、塑料模具、精密量具、电子元件的密封和固定、粘合剂、复合材料等。第39页,共75页，2024年2月25日，星期天

塑料制品的成形工艺

将塑料原料放入成型模加热熔化，加压，使塑料充满整个型腔，同时发生交联反应而固化。模压成型主要用于热固性塑料，适用于形状复杂或带有复杂嵌件的制品，但生产率低、模具成本较高。

模压成形：第40页,共75页，2024年2月25日，星期天

将塑料原料在注射机料筒内加热熔化，通过推杆或螺杆向前推压至喷嘴，迅速注入封闭模具内，冷却后即得塑料制品。

注射成型：第41页,共75页，2024年2月25日，星期天

主要用于热塑性塑料。能生产形状复杂、薄壁、嵌有金属或非金属的塑料制品。第42页,共75页，2024年2月25日，星期天

挤出成型：

将原料在料筒中加热至流动状态，同时通过螺杆向前推压至机头，通过不同形状和结构的口模连续挤出，获得不同形状的型材，如管、棒、带、丝、板等。

挤出成形的生产效率高，可自动化连续生产，一般使用热塑性塑料作原料。第43页,共75页，2024年2月25日，星期天第44页,共75页，2024年2月25日，星期天第45页,共75页，2024年2月25日，星期天

吹塑成形：

熔融态的塑料坯通过挤出机或注射机挤出后，置于模具内，用压缩空气将此坯料吹胀，使其紧贴模内壁成型而获得中空制品。第46页,共75页，2024年2月25日，星期天

吹塑成型还可以用压缩空气将型坯连续吹胀成薄膜。第47页,共75页，2024年2月25日，星期天

真空成形（吸塑成形）：

将热塑性塑料板（片）材置于模具上，四周加紧并加热；待塑料进入高弹态后，对模腔抽真空，使板材在大气压作用下紧贴模腔内壁，冷却后硬化成形。抽真空前抽真空后第48页,共75页，2024年2月25日，星期天

浇注成形：

又称浇塑法，根据浇注方式的差异可分为静态铸型、嵌铸型和离心铸型等。

在液态树脂中加入适量固化剂，然后浇入模具型腔中，在常压或低压及常温或适当加热条件下固化成型。此法主要用于生产大型制品，设备简单，但生产率低。第49页,共75页，2024年2月25日，星期天第二节橡胶

橡胶是以高分子化合物为基础的、具有良好高弹性的材料。以生胶为原料加入适量配合剂而形成的高分子弹性体。第50页,共75页，2024年2月25日，星期天

橡胶的组分

橡胶是以生胶为主要成分，添加各种配合剂和增强材料制成的。

生胶

生胶是指无配合剂、未经硫化的橡胶。按原料来源有天然橡胶和合成橡胶。第51页,共75页，2024年2月25日，星期天

用来改善橡胶的某些性能。常用配合剂有硫化剂、硫化促进剂、活化剂、填充剂、增塑剂、防老化剂、着色剂等。

①硫化剂:

用来使生胶的结构由线型转变为交联体型结构，从而具有一定强度、韧性、高弹性。常用硫化剂有硫磺和含硫化合物，有机过氧化物，胺类化合物、树脂类化合物、金属氧化物等。

配合剂第52页,共75页，2024年2月25日，星期天③活化剂：用来提高促进剂的作用。常用活化剂有氧化锌、氧化镁、硬酯酸等。②硫化促进剂:

缩短硫化时间，降低硫化温度，改善橡胶性能。常用促进剂有二硫化氨基甲酸盐、黄原酸盐类、噻唑类、硫脲类和部分醛类及醛胺类等有机物。

第53页,共75页，2024年2月25日，星期天④填充剂：用来提高橡胶的强度、改善工艺性能和降低成本。用于提高性能的填充剂称为补强剂，如炭黑、二氧化硅、氧化锌、氧化镁等；另外还有用于降低成本的填充剂，如滑石粉、硫酸钡等。

⑤增塑剂：

用来增加橡胶的塑性和柔韧性。常用增塑剂有石油系列、煤油系列和松焦油系列增塑剂。第54页,共75页，2024年2月25日，星期天

⑥防老剂：用来防止或延缓橡胶老化。主要有石蜡、胺类和酚类防老剂。

橡胶的制备及成形

硫化

聚异戊二烯的硫化反应第55页,共75页，2024年2月25日，星期天

生胶流动温度高、粘度大，它与各种配合剂的混合，需要通过塑炼和混炼来实现。

混合1）

塑炼：

强迫生胶反复通过两个转速不同的滚筒之间的间隙，使之在强剪切力作用下长分子链被切断，相对分子量减小，从而流动性增加（即塑性增加）的工艺过程。塑炼一般在螺杆式塑炼机或两辊式塑炼机上进行。第56页,共75页，2024年2月25日，星期天2）

混炼：

将塑炼后的生胶和配合剂混合均匀的过程。混炼的加料顺序是：塑炼胶、防老剂、填充剂、增塑剂、硫化剂及硫化促进剂等。混炼时要注意严格控制温度和时间。常用的混炼机有密炼机和开炼机，通常联合使用。第57页,共75页，2024年2月25日，星期天第58页,共75页，2024年2月25日，星期天开炼后的状态第59页,共75页，2024年2月25日，星期天

2）注射法：与热固性塑料注射成形类似。

成形

大多数橡胶制品都是被加热到硫化温度以上，在模具中成形。

1）模压法：将预压好或经称重的型坯直接放入模腔，合模加热加压，使产品硫化直至定型。第60页,共75页，2024年2月25日，星期天

常见橡胶

天然橡胶

具有较高的弹性、较好的力学性能、良好的电绝缘性及耐碱性。主要用于制造轮胎、胶带、胶管等。

由丁二烯和苯乙烯共聚而成的。其耐磨性、耐热性、耐油、抗老化性均比天然橡胶好。缺点是生胶强度低、粘接性差、成型困难、硫化速度慢。

丁苯橡胶第61页,共75页，2024年2月25日，星期天

由丁二烯聚合而成。其弹性、耐磨性、耐热性、耐寒性均优于天然橡胶，是制造轮胎的优良材料。缺点是强度较低，加工性能差、抗撕性差。

顺丁橡胶

由乙烯和丙稀的共聚物。由于主链不含双链，分子链十分柔软。它具有优异的耐老化和耐高、低温特性。用于制作一般橡胶制品及内外轮胎等。

乙丙橡胶第62页,共75页，2024年2月25日，星期天

由丁二烯与丙烯睛聚合而成。其耐油性好，耐热、耐燃烧、耐磨、耐碱、耐有机溶剂。缺点是耐寒性差，其脆化温度为-10℃～-20℃。

丁腈橡胶

由氯丁二烯聚合而成。具有天然橡胶和一般通用橡胶所没有的优良性能。故有“万能橡胶”之称。缺点是耐寒性差，密度大，生胶稳定性差。用于制造矿井的运输管、胶管、电缆、高速带、垫圈等。

氯丁橡胶第63页,共75页，2024年2月25日，星期天

以碳原子为主链，含有氟原子的聚合物。其化学稳定性高、耐蚀性能居各类橡胶之首，耐蚀性好，最高使用温度为300℃。主要用于国防和高技术中的密封件。

氟橡胶

由二甲基硅氧烷与其它有机硅单体共聚而成。具有高耐热性和耐寒性，抗老化能力强、绝缘性好。缺点是强度低、耐磨性、耐酸性差，价格较贵。

硅橡胶第64页,共75页，2024年2月25日，星期天

苯乙烯和丁二烯的三嵌段共聚物。分子链的两端是柔性较小的聚苯乙烯段，中间是柔性很好的聚丁二烯。兼有硫化橡胶和热塑性橡胶的优点。强度高，弹性好，可反复回收利用。

SBS热塑弹体第65页,共75页，2024年2月25日，星期天第三节合成纤维

凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料均称纤维。它可分为天然纤维和化学纤维。化学纤维又可分为人造纤维和合成纤维。人造纤维是用自然界的纤维加工制成，如：“人造丝”、“人造棉”。合成纤维是以石油、煤、天然气为原料制成的，它发展很快。第66页,共75页，2024年2月25日，星期天1）涤纶

即聚酯纤维，又叫的确良，具有高强度、耐磨、耐腐蚀，易洗快干等优点，是很好的衣料纤维。

2）尼龙

即聚酰胺，又称棉纶，其强度大、耐磨性好、弹性较好，主要缺点是耐光性差。

3）腈纶

即聚丙烯腈，有人造羊毛之称。第67页,共75页，2024年2月25日，星期天4）维纶

性能与棉花相似，且强度高，缺点是弹性差，织物易皱。5）丙纶

即聚丙烯，以轻、牢、耐磨著称，缺点是可染性较差，且晒易老化。6）氯纶

难燃、保暖、耐晒、耐磨、弹性好，但染色性差，热收缩大，限制了它的应用。

第68页,共75页，2