教学材料《材料》-项目十五

15.1基本概念高分子化合物是相对分子质量特别大的化合物的总称，所以又称为高聚物或聚合物。一般相对于分子质量小于500的称为低分子材料;相对于分子质量大于500的称为高分子材料。高分子材料分为无机高分子材料和有机高分子材料两类;若按来源，又有天然高分子材料和人工合成高分子材料之分。天然有机高分子材料如松香、淀粉、纤维素、蛋白质、天然橡胶等。人工合成制得的有机高分子材料在工程上应用较广，主要有塑料、合成橡胶、合成纤维等。无机高分子材料是在它们的分子组成中没有碳元素，如硅酸盐材料、玻璃、水泥以及陶瓷等。有机高分子材料，主要是由含碳、氢、氧、氮、硅等非金属原子的低分子化合物在一定条件下聚合而成。下一页返回15.1基本概念如聚乙烯塑料就是由乙烯聚合制成的，丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯聚合而成的。化学上把一些低分子化合物聚合起来形成高分子化合物的过程称为聚合反应。在反应中，能够聚合成大分子链的低分子化合物称为单体。聚乙烯的单体是乙烯，丁苯橡胶的单体是丁二烯和苯乙烯。所以单体是人工合成高分子材料的原料。大分子链中的重复结构单元称为链节，如聚乙烯的大分子链中的重复结构单元，即为聚乙烯分子链的链节。一个大分子链的链节重复次数称为聚合度。显然，聚合度越大，大分子链中重复排列的链节数就越多，分子链越大，高分子材料的相对分子质量就越大。因此，高分子材料的相对分子质量大小与聚合度有直接关系，即上一页下一页返回15.1基本概念M=nm式中M为个大分子链的相对分子质量;

n为大分子的聚合度;

m为一个链节的相对分子质量。由单体聚合为高聚物的方法有加成聚合反应和缩聚聚合反应两种。1.加成聚合反应加成聚合反应简称加聚反应，它是一种或多种单体经反复多次地相互加成而生成聚合物的反应。由一种单体经加聚而成的高聚物叫均聚物，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等;而由两种或多种单体同时加聚生成的高聚物叫共聚物，如丁苯橡胶、ABS塑料等。上一页下一页返回15.1基本概念加聚反应有以下特点:(1)反应一旦开始，就进行得较快，直到形成最后产物为止，中间不能停留在某一阶段上，也得不到中间产物;(2)产物中链节的化学结构与单体的化学结构相同;(3)反应中没有小分子副产物生成。目前产量较大的高分子化合物品种，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和合成橡胶等，都是加聚反应的产品。所以，加聚反应是当前高分子合成工业的基础，大约有80%的高分子化合物是利用加聚反应生成的。2.缩合聚合反应上一页下一页返回15.1基本概念缩合聚合反应简称缩聚反应，它是具有两个或两个以上活泼官能团的单体，互相缩合聚合成高聚物，同时有低分子副产物析出的反应。由同一种单体进行的缩聚反应叫均缩聚，其产物叫均缩聚物。如由氨基乙酸进行均缩聚生成聚酞胺6(尼龙6)。由两种或多种单体进行的缩聚反应叫共缩聚，其产物叫共缩聚物。如由己二胺和己二酸进行共缩聚生成尼龙66，并有水析出。缩聚反应有以下特点:(1)缩聚反应由若干步聚合反应构成，因此它是逐步进行的，可以停留在某个阶段上得到的中间产物;(2)缩聚产物的链节化学结构与单体的化学结构不完全相同;上一页下一页返回15.1基本概念(3)在缩聚过程中总有小分子副产品析出。缩聚反应有很大的实用价值，如涤纶、尼龙、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯,有机硅树脂等重要的高分子化合物都是由缩聚反应合成的。上一页返回15.2高分子材料的性能特点高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构、易改性和易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域，并已成为现代社会生活中衣、食、住、行用各个方面不可缺少的材料。很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。一般称在生活中大量采用的，已经形成工业化生产规模的高分子为通用高分子材料，称具有特殊用途与功能的为功能高分子。下一页返回15.2高分子材料的性能特点高分子材料有如下优点:(1)质轻。密度平均为1.45g/cm3，约为钢的1/5，铝的1/2;(2)比强度高。接近或超过钢材，是一种优良的轻质高强材料;(3)有良好的韧性。即高分子材料在断裂前能吸收较大的能量;(4)减摩、耐磨性好。有些高分子材料在无润滑和少润滑的摩擦条件下，它们的耐磨、减摩性能是金属材料无法比拟的;(5)电绝缘性好。可与陶瓷、橡胶媲美;(6)耐蚀性。化学稳定性好，对一般的酸、碱、盐及油脂有较好的耐腐蚀性;上一页下一页返回15.2高分子材料的性能特点(7)导热系数小。如泡沫塑料的导热系数只有0.02~0.046W/(m·K)，约为金属的1/1500，是理想的绝热材料。高分子材料有四方面的性能缺点:(1)易老化。高分子材料能在光、空气、热及环境介质的作用下，分子结构产生逆变，机械性能变差，寿命缩短;(2)易燃及毒性。塑料不仅可燃，而且燃烧时发烟，产生有毒气体;(3)耐热性。高分子材料的耐热性是指温度升高时其性能明显降低的抵抗能力。热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。上一页下一页返回15.2高分子材料的性能特点(4)刚度小。如塑料弹性模量，只有钢材的1/10~1/20，且在荷载长期作用下易产生蠕变。但在塑料中加入纤维增强材料，其强度可大大提高，甚至可超过钢材。因此，我们应根据合成高分子材料的性能特点正确地使用。上一页返回15.3常用的高分子材料人工合成的高分子材料按工艺性质分为塑料、橡胶、胶黏剂和纤维素。下一页返回15.3常用的高分子材料15.3.1塑料1.塑料的组成塑料是以合成树脂(合成高分子化合物)为主要成分，加入为改善某些性能的多种添加剂而制成的高分子材料。

(1)合成树脂。树脂是塑料的基本组成材料，在多组分塑料中占30%~70%，单组分的塑料中含有树脂达100%。树脂在塑料中主要起胶黏作用，把填充料等其他组分胶黏成一个整体。因此，树脂是决定塑料性质的最主要因素。(2)填充料。填充料又称填充剂或填料，是为了改善塑料制品的某些性质，如为提高塑料制品的硬度和耐热性，以及降低成本等，而在塑料制品中加入的一些材料。填料在塑料组成上一页下一页返回15.3常用的高分子材料材料中占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、二硫化钥、石棉和玻璃纤维等。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、二硫化钥填料可改善塑料的摩擦和耐磨性能等。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。(3)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汽压、不易挥发的相对分子质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、己二酸酯和二苯甲酮等。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料(4)固化剂。固化剂又称硬化剂和熟化剂，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、酚配类和高分子类;聚酯树脂常用过氧化物等。(5)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(水杨酸苯酯等)、热稳定剂(硬脂酸铝、三盐基亚磷酸铅等)。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料(6)着色剂。为使塑料制品具有特定的色彩和光泽，可加着色剂。着色剂按其在着色介质中的溶解性可分为染料和颜料。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，其拆射率与基体差别大，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，同时兼有填料盒稳定剂的作用。(7)润滑剂。作用是防止材料在成型过程中粘模，便于脱模，同时使塑料制品表面光洁美观。常用的润滑剂有硬脂酸及其盐类。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。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料2.塑料的分类(1)按塑料的物理化学性能分，可分为热塑性塑料和热固性塑料。①热塑性塑料。在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，如聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料等。②热固性塑料。因受热或其他条件能固化成不溶性物料的塑料，如酚醛塑料、环氧塑料等。(2)按塑料用途分，可分为通用塑料、工程塑料和特殊塑料。①通用塑料。一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等;②工程塑料。一般指能承受一定的外力作用，并有良好的力学性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料可以作为工程结构件的塑料，如ABS、尼龙、聚矾等。③特殊塑料。一般指具有特种功能(如耐热、自润滑等);应用于特殊要求的塑料，如氟塑料、有机硅等。3.塑料的成形加工塑料的成型加工是指由合成树脂制造厂制造的聚合物制成最终塑料制品的过程。加工方法(通常称为塑料的一次加工)包括压塑(模压成型)、挤塑(挤出成型)、注塑(注射成型)、吹塑(中空成型)及压延等。(1)压塑也称模压成型或压制成型，压塑主要用于酚醛树脂、脉醛树脂、不饱和聚酯树脂等热固性塑料的成型。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料(2)挤塑又称挤出成型，是使用挤塑机(挤出机)将加热的树脂连续通过模具，挤出所需形状的制品的方法。挤塑有时也用于热固性塑料的成型，并可用于泡沫塑料的成型。挤塑的优点是可挤出各种形状的制品，生产效率高，可自动化、连续化生产;缺点是热固性塑料不能广泛采用此法加工，制品尺寸容易产生偏差。

(3)注塑又称注射成型。注塑是使用注塑机(或称注射机)将热塑性塑料熔体在高压下注入到模具内经冷却、固化获得产品的方法。注塑也能用于热固性塑料及泡沫塑料的成型。注塑的优点是生产速度快、效率高、操作可自动化，能成型形状复杂的零件，特别适合大量生产。缺点是设备及模具成本高，注塑机清理较困难等。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料

(4)吹塑又称中空吹塑盒中空成型。吹塑是借助压缩空气的压力使闭合的模具中的热的树脂型坯吹胀为空心制品的一种方法，吹塑包括吹塑薄膜及吹塑中空制品两种方法。用吹塑法可生产薄膜制品，各种瓶、桶、壶类容器及儿童玩具等。

(5)压延是将树脂和各种添加剂经预期处理(捏合、过滤等)后，通过压延机的两个或多个转向相反的压延辊的间隙加工成薄膜或片材，随后从压延机辊筒上剥离下来，再经冷却定型的一种成型方法。压延是主要用于聚氯乙烯树脂的成型方法，能制造薄膜、片材、板材、人造革和地板砖等制品。4.塑料的性能上一页下一页返回15.3常用的高分子材料(1)化学性能。塑料具有良好的耐蚀性能，一般能耐酸、碱、油、水和大气的腐蚀，其中聚四氟乙烯能耐“王水”的腐蚀。因此，塑料广泛用于制造在腐蚀条件下的零部件和化工机械零件。(2)物理性能。①密度。塑料密度小，不加任何填料或增强材料的塑料，其密度为0.85~2.20g/cm3，只有钢的1/8~1/4;泡沫塑料的密度仅为0.02~0.2cm3。②热性能，塑料的热性能不及金属，受热易老化、分解，故大多数塑料只能在100℃以下使用，极少数塑料(如聚四氟乙烯、有机硅塑料)可在250℃左右长期使用。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料塑料是良好的绝热材料，热导率仅为金属的1/600~1/500，但其易摩擦发热，影响使用性能。塑料线膨胀系数大，一般为钢的3~10倍。故塑料零件的尺寸精度不稳定，与环境温度的变化有很大关系。③电性能。塑料的电绝缘性好，但当塑料的组分发生变化时，电绝缘性也随之发生变化，如塑料中的填充剂、增塑剂都使电绝缘性降低。(3)力学性能。塑料的强度、刚度和韧性一般都比较差，其强度为30~150MPa,且受温度影响较大。塑料的刚度仅为钢的1/10，所以塑料只能作受力不大的构件。但塑料的密度小，故比强度(材料拉伸强度与密度之比)比较高。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料塑料硬度虽低于金属，但摩擦系数小，因此塑料具有很好的减摩性。此外，塑料自润滑性好，所以它适合于制造轴承、轴套、丝杆螺母等要求减摩性好的零件，特别对在无润滑或少润滑摩擦条件工作的零件尤为适合。金属在较高温度时，才会出现明显的蠕变现象，但塑料在室温承受载荷后就会出现蠕变，如架空的电线套管在电线和自重的作用下会缓慢挠曲变形，就是蠕变。同时还会出现应力松弛现象，如塑料管接头经一定时期使用后，由于应力松弛导致泄露。此外，塑料还具有良好的减振性和消音性。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料5.常用工程材料

(1)热塑性塑料。热塑性塑料受热时软化，冷却后固化，再受热时又软化，具有可塑性和重复性。这类工程塑料常用的有聚酞胺、聚甲醛、聚碳酸酯等。①聚酞胺(PA)。通常称为尼龙。尼龙的耐磨性好，机械强度高，化学性能稳定，耐油且摩擦系数小，弹性小，较易成形。但其缺点是耐热性不高，吸水性较大，吸水后电性能及尺寸稳定性下降。可用作一般机械零件，如齿轮、轴、凸轮、螺钉、螺母、导轨贴合面等。②聚甲醛(POW)。聚甲醛具有较高的冲击韧性、耐疲劳性能，化学稳定性和尺寸稳定性都较好。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料良好的减摩性和自润滑性。但成形时收缩较大，热稳定性和耐热性较差。广泛用来制造齿轮、轴承、制动闸瓦、阀门、仪表外壳、门把手、开关板等。③聚碳酸酯(PC)。聚碳酸酯具有优良的综合性能，其抗拉强度为66~77N/mm3，耐冲击性特别好。透明、耐热、耐寒、尺寸稳定、电性能好，但摩擦系数大。常用于各种机械、电器、仪表中的零件，如齿轮、轴承、凸轮等，也可作防盗、防弹窗玻璃等。

(2)热固性塑料。热固性塑料大多是以缩聚树脂为基础，加入多种添加剂而成。其特点是初次加热时软化，可注塑成型，但冷却固化后再加热时不再软化和熔融，不溶于有机溶剂，不能再成形使用。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料这类工程塑料常用的有酚醛塑料、环氧塑料等。①酚醛塑料(PF)。可根据性能要求不同而加入不同的填料，就可以制成各种酚醛塑料。以木粉为填料制成酚醛压塑粉，俗称胶木粉，经常压制成电器开关、插座、灯头等。它绝缘性能好，且有较好的耐热性、较高的硬度、刚性和一定的强度。以纸片、棉布、玻璃布等为填料制成的层压酚醛塑料，具有强度高、耐冲击性好以及耐磨性好等特点。常用做受载要求较高的机械零件，如齿轮、轴承、汽车刹车片等。②环氧塑料(EP)。环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂(胺类和酸配类)后形成。它的强度较高，韧性较好，且具有良好的化学稳定性、绝缘性、耐热性、耐寒性，成形工艺性好，可制作塑料模具、船体、电子零部件等。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料环氧树脂是优良的黏结剂，有“万能胶”之称，广泛用于各种工程结构黏结剂和制备各种复合材料，如玻璃钢等。其他常用工程塑料的性能见表15-1。常用工程塑料的特性及应用见表15-2.上一页下一页返回15.3常用的高分子材料15.3.2橡胶橡胶也是一种高分子材料，是高聚物中具有高弹性的一种物质。橡胶在受到较小外力作用时能产生较大的变形(一般在100%~1000%，当外力去除后又能恢复到原来的状态，这是橡胶区别于其他物质的主要标志。橡胶除了高弹性外，还具有很高的可挠性、良好的耐磨性、电绝缘性、隔音性及吸振性。橡胶应用广泛，可制作轮胎、密封元件、减振及防振件、传动件等。1.橡胶的分类上一页下一页返回15.3常用的高分子材料根据原料来源不同，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两类。天然橡胶是橡胶树流出的胶乳，经采集和适当加工后制成的弹性固状物，其主要化学成分是聚异戊二烯;合成橡胶主要成分是合成高分子化合物。根据用途不同，橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶，通用橡胶主要用于制作轮胎、输送带、胶管、胶版等，主要品种有丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等;特种橡胶主要作高温、低温、酸、碱、油和辐射条件下工作的橡胶制品，主要有丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。2.橡胶的组成橡胶的原料是生胶，性能不好，加入配合剂后才能制成所需的各种产品。上一页下一页返回15.3常用的高分子材料(1)生胶。未加配合剂的天然或合成橡胶称为生胶，是橡胶制品的主要组分，它不仅决定了橡胶制品的性能，而且也是把各种配合剂和骨架材料黏成一体的黏结剂。(2)配合剂。为了改善橡胶制品的某些性能而有意识加入的物质称为配合剂。配合剂一般有硫化剂、硫化促进剂、增塑剂、填充剂、防老化剂等。①硫化剂。其作用是使橡胶的分子间产生交联，形成立体网络结构，获得富有弹性的硫化胶，生产中常用的硫化