土木工程材料 课件 9合成高分子材料

土木工程材料CivilEngineeringMaterials【工程案例导入】“黑科技”滑雪板：高分子材料引领冰雪装备革新滑雪板及内芯2022年北京冬奥会，聚氨酯被广泛应用于制造滑雪板板芯。CONTENT合成高分子材料概述01合成高分子材料应用02第九章

合成高分子材料01合成高分子材料概述1.高分子材料概述

高分子材料是以高分子化合物为基础，由相对分子质量较高的化合物构成的材料，高分子也是生命存在的形式，所有的生命体都可以看作是高分子的集合。

合成高分子材料由合成高分子化合物构成的材料，通常指有机的，如塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、土工合成材料等。

高分子材料用于建筑行业有如下特殊的优势：1）优异的性能2）节能环保3）节约木材，节约钢材2.高分子材料的分类1）按照聚合物的来源分类

按照聚合物的来源，可将高分子材料分为天然高分子材料，如天然橡胶、淀粉、植物纤维等；改性的天然高分子材料，如由纤维素制备的硝基纤维素；合成高分子材料，如由小分子原料经化学反应和聚合方法合成的PE、PVC、PP等；改性合成高分子材料，即聚合物再经化学、物理方法改性而得到的材料。2.高分子材料的分类2）按照聚合物的分子结构分类

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：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。2.高分子材料的分类2）按照聚合物的分子结构分类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：高分子化合物的结构示意图（a）线型聚合物分子结构；（b）支链型聚合物分子结构；（c）体型聚合物分子结构（a）（b）（c）2.高分子化合物分子特征

高分子化合物又称高分子聚合物（简称高聚物），高聚物是组成单元相互多次重复连接而构成的物质，因此分子量很大，但化学组成都比较简单，都是由许多低分子化合物聚合而形成的。(1)单体例如：

CH2=CH2为乙烯单体而聚乙烯分子结构为：

CH2-CH2…CH2-CH2…CH2-CH2…

写作：-[-CH2-CH2-]n-2.高分子化合物分子特征

高分子化合物又称高分子聚合物（简称高聚物），高聚物是组成单元相互多次重复连接而构成的物质，因此分子量很大，但化学组成都比较简单，都是由许多低分子化合物聚合而形成的。(2)链节如-CHs-CH2-就是链节(3)聚合度

聚合度用

n

表示，它代表链节重复的次数(4)多分散性

分子量的不均一性就是多分散性2.高分子材料的分类3）按照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。3.高分子材料的合成方式

聚合物的合成是将小的有机单体，通过聚合反应，连接成分子量很大的聚合物，按聚合反应方式的不同，分为加成聚合与缩聚聚合。3.高分子材料的合成方式加成聚合：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。3.高分子材料的合成方式缩聚又称缩聚反应：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，其命名般是在原料名称后加上“树脂”两字，如环树脂聚酯树脂等。4.合成高分子材料的性能特点合成高分子材料有七方面的性能优点：1）优良的加工性能；2）质轻；3）弹性好，韧性好；4）导热系数小；5）化学稳定性较好；6）电绝缘性好；7）高耐磨性；8）耐水性和耐湿性好。

4.合成高分子材料的性能特点合成高分子材料有三方面的性能缺点：1）易老化；2）可燃性及毒性；

高分子材料一般属于可燃的材料，但可燃性受其组成和结构的影响有很大差别。如聚苯乙烯遇火会很快燃烧起来，聚氯乙烯则有自熄性，离开火焰会自动熄灭。部分高分子材料燃烧时发烟，产生有毒气体。一般可通过改进配方制成自熄和难燃甚至不燃的产品。不过其防火性仍比无机材料差，在工程应用中应予以注意。3）耐热性差。

02合成高分子材料应用1.建筑涂料

建筑涂料主要用于建筑物内外墙、顶棚、地面，还包括门窗、走廊、楼梯扶手、水箱、屋面防水等工程表面及所有附属金属构件和木质件表面的涂覆。目前，我国建筑涂料的主要基料有聚乙烯醇、聚醋酸乙烯及其共聚物、丙烯酸酯及其共聚物、环氧树脂、氯化橡胶、聚氨酯树脂等。其中以丙烯酸酯及其共聚物的乳液使用最为广泛。今后建筑涂料主要向低VOC（有机挥发物）、功能化和复合化、高性能、高品质、水性化、环保、抗污和抗菌化方向发展。

1.建筑涂料建筑涂料2.建筑塑料塑料的组成

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。塑料管道塑料模板2.建筑塑料塑料的组成（1）树脂

树脂是塑料的最主要成分，其在塑料中的含量一般在40%~100%。由于含量大，而且树脂的性质常常决定了塑料的性质，所以人们常把树脂看成是塑料的同义词。（2）填充剂

填充剂又叫填料，是塑料的另一重要组分，约占塑料重量的20%~50%。它可以提高塑料的强度和耐热性能，并降低成本。2.建筑塑料塑料的组成（3）增塑剂

增塑剂是能够增加树脂的可塑性、改善加工性、赋予制品柔韧性的一种添加剂。可降低脆性，使塑料易于加工成型。增塑剂一般是能与树脂混溶，无毒、无臭，对光、热稳定的高沸点有机化合物，最常用的是邻苯二甲酸酯类。（4）固化剂

又称硬化剂或交联剂，是一类受热能释放游离基来活化高分子链，使它们发生化学反应，由线型结构转变为体型结构的一种添加剂。其主要作用是在聚合物分子链之间产生横跨链，使大分子交联。2.建筑塑料塑料的组成（5）润滑剂

润滑剂的作用是防止塑料在成型时不粘在金属模具上，同时可使塑料的表面光滑美观。常用的润滑剂有硬酯酸及其钙镁盐等。（6）着色剂

主要为有机染料或无机颜料。塑料用着色剂必须色泽鲜明、着色力强、分散性好、耐热耐晒且与塑料结合牢靠。同时，在成型加工温度下，着色剂不能变色，不能起化学反应，也不能因加入着色剂，而降低塑料性能。2.建筑塑料塑料的组成（7）稳定剂

为了防止合成树脂在加工和使用过程中受光和热的作用分解和破坏，延长使用寿命，要在塑料中加人稳定剂。（8）其他添加剂

塑料添加剂除上述几种外，还有发泡剂、抗静电剂、阻燃剂等。并非每一种塑料都要加入全部添加剂，而是根据塑料的品种和使用要求加入某些添加剂。

2.建筑塑料建筑塑料的特性：1）质量轻、比强度高；2）可塑性好；3）耐腐蚀性好；4）耐水性好；5）耐热性差、热膨胀系数高、易老化、可燃等。

2.建筑塑料常用的建筑塑料：1）常用热塑性塑料的种类有：聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、ABS塑料、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰胺等2）常用的热固性塑料有：酚醛、环氧、不饱和聚酯、有机硅等。

2.建筑塑料常用建筑塑料及制品：塑料在土木工程中常用于制作塑料门窗、管材和型材等。①塑料门窗②塑料管材和型材

2.建筑塑料常用建筑塑料及制品：塑料管有热塑性塑料管和热固性塑料管两大类，塑料管的种类有：硬质聚氯乙烯（UPVC）塑料管聚乙烯（PE）塑料管聚丙烯（PP）塑料管和PPR塑料管聚丁烯（PB）塑料管玻璃钢（GRP）管复合塑料管

观察与讨论塑料管与镀锌铁管优缺点比较请观察使用两年后的塑料管和镀锌铁管的照片，如图A和图B所示，对其优缺点予以比较。

图A塑料管

图B镀锌铁管工程实例分析PVC下水管破裂原因分析

广东某企业生产硬聚氯乙烯下水管，在广东省许多建筑工程中被使用，由于其质量优良而受到广泛的好评，当该产品外销到北方时，施工队反应在冬季进行下水管安装时，经常发生水管破裂的现象。

3.胶黏剂胶粘剂是能将各种材料紧密地粘结在一起的物质的总称。

用胶粘剂粘结建筑构件、装饰品等不仅美观大方，工艺简单，还能将不同材料的构件很容易地联结在一起并有足够的结合强度。此外粘合剂还可以起到隔离、密封和防腐蚀等作用。

3.胶黏剂胶粘剂的基本组成材料

胶粘剂的基本组成材料有粘料、固化剂、填料和稀释剂等。此外，为使胶粘剂具有更好的性能，还应加人一些其它的添加剂，如增韧剂、抗老化剂、增塑剂等。

3.胶黏剂常用胶黏剂①热塑性树脂胶粘剂②热固性树脂胶粘剂③合成橡胶胶粘剂

4.建筑涂料建筑涂料的组成及功能1）成膜物质

成膜物质又称基料、胶粘剂或固化剂，它的作用是将涂料中的其他组分粘结在一起，并能牢固地附着在基层表面，形成连续均匀、坚韧的保护膜。具有较高的化学稳定性和一定的机械强度。

4.建筑涂料建筑涂料的组成及功能2）颜填料

颜填料是指涂料中所用的颜料和填料，它们是构成涂膜的组成部分，并以微细粉状均匀地分散于涂料介质中，赋予涂膜以色彩、质感，使涂膜具有一定的遮盖力，减少收缩，还能增加膜层的机械强度，防止紫外线的穿透作用，提高涂膜的抗老化性、耐候性。

4.建筑涂料建筑涂料的组成及功能3）溶剂

溶剂又称稀释剂，是涂料的挥发性组分，它的主要作用是使涂料具有一定的粘度，以符合施工工艺的要求。常用的溶剂有松香水、酒精、200号溶剂汽油、苯、二甲苯、丙酮等。

4.建筑涂料建筑涂料的组成及功能4）助剂

助剂是为进一步改善或增加涂料的某些性能，在配制涂料时加入的物质，其掺量较少，一般只占涂料总量的百分之几到万分之几，但效果显著。常用的助剂有如下几类：

(1)硬化剂、干燥剂、催化剂等。

(2)增塑剂、增白剂、紫外线吸收剂、抗氧化剂等。

(3)防污剂、防霉剂、阻燃剂、杀虫剂等。此外还有分散剂、增稠剂、防冻剂、防锈剂、芳香剂等。

4.建筑涂料1）外墙涂料

外墙涂料的主要功能是装饰和保护建筑物的外墙，使建筑物外观整洁美观，达到美化环境的作用，延长其使用时间。外墙涂料一般应具有以下特点：（1）装饰性好。（2）耐水性良好。（3）防污性能良好。（4）良好的耐候性。

4.建筑涂料2）内墙涂料

内墙涂料亦可用作顶棚涂料，它的主要功能是装饰及保护内墙墙面及顶棚，建立一个美观舒适的生活环境。内墙涂料应具有以下性能：（1）色彩丰富、细腻、协调（2）耐碱、耐水性好，不易粉化（3）好的透气性、吸湿排湿性（4）涂刷方便、重涂性好（5）无毒、无污染

5.土工合成材料

土工合成材料是工程建设中应用的与土、岩石或其他材料接触的聚合物材料（含天然的