合工大机械工程材料教案第9章 高分子材料

第九章高分子材料§9.1概述高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物，又称高分子或大分子等。高分子化合物中分子所含的原子数可达数万，甚至数十万，而低分子化合物分子的原子数不过几个，最多数百个。习惯上将分子量小于500的，称为低分子化合物，分子量大于5000的称为高分子化合物。高聚物的分子量虽大，但其化学组成却比较简单，它通常由C、H、O、N、S等元素构成。高分子材料以其特有的性能：重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、绝缘性好，被大量地应用于工程结构中。

§9.2工程塑料一.塑料的涵义与组成塑料是一类以天然或合成树脂为基本原料，在一定温度、压力下可塑制成形，并在常温下能保持其形状不变的高聚物材料。塑料常被用作耐腐蚀材料、电绝缘材料、绝热保温材料、摩擦材料，难以应用到高温、高强度的场合中。根据塑料的组成不同，可分简单组分和复杂组分两类。简单组分的塑料基本上由一种物质(树脂)组成，如聚四氟乙烯、聚苯乙烯等，仅加入少量色料、润滑剂等辅助物质。复杂组分的塑料除树脂外，还须加入添加剂，如酚醛塑料、环氧塑料等。树脂是塑料的主要成分，在常温下呈固体或黏稠液体，但受热时软化或呈熔融状态。树脂主要决定塑料的类型(热塑性或热固性)，也决定塑料的基本性能。因此，大多数塑料就是以所用树脂的名称命名。塑料添加剂(即助剂)是指那些为改善塑料的使用性能和成型加工特性而分布于树脂中，但对树脂的分子结构无明显影响的物质，包括增塑剂、稳定剂(防老化剂)、填充剂(填料)、固化剂(硬化剂)、润滑剂、着色剂(染料)、发泡剂、催化剂和阻燃剂等。

二.塑料的分类根据树脂受热行为的不同，可分为热塑性塑料和热固性塑料。1.热塑性塑料它的特点是：受热软化、熔融，具有可塑性，冷却后坚硬，再受热又可软化，如此反复其基本性能不变；可溶解在一定的溶剂中(即具有可溶可熔性)；成型工艺简便，形式多种多样，生产效率高，可直接注射、挤压、吹塑成所需形状的制品，而且具有一定的物理、力学性能。缺点是：耐热性和刚性都较差，最高使用温度一般只有120℃左右，否则就会变形。但近期发展的氟塑料、聚酰亚胺等有突出的性能，如更优良的耐腐蚀、耐高温等性能，成为性能相当优越的工程塑料。2.热固性塑料它的特点是：在一定温度下，经过一定时间的加热或加入固化剂后，即可固化成型。固化后的塑料质地坚硬、性质稳定，不再溶于溶剂中，也不能用加热方法使它再软化(即具有不溶不熔性)，强热则分解、破坏；抗蠕变性强，受压不易变形，耐热性较高，即使超过其使用温度极限，也只是在表面产生碳化层，不会立即失去功能。缺点是：树脂性质较脆，机械强度不高，必须加入填料或增强材料以改善性能，提高强度；成型工艺复杂，大多只能采用模压或层压法，生产效率低。

三.塑料的性能特点塑料的优点是：1.相对密度小、质轻质轻是塑料最大特性之一，一般塑料的相对密度为0.9～2.3具有很好的比强度。2.良好的减摩、耐磨和自润滑性能塑料的摩擦系数较小，同时许多塑料如聚四氟乙烯、尼龙等具有良好的自润滑性能。3.电绝缘性能好4.耐腐蚀性能好一般塑料对酸、碱、大气腐蚀等化学介质具有良好的抵抗能力。5.具有消音吸震性用它制作传动零件可减少噪音，改善环境。工程塑料也存在一些严重的缺点：1.强度、刚度低这是塑料作为工程结构材料使用的最大障碍之一。2.冲击韧性低3.蠕变温度低塑料在室温下受到载荷作用后即有显著的蛹变现象产生冷流性至发生蠕变断裂。4.耐热性低、线膨胀系数大载荷大大多数塑料只在100℃以下使用，只少数在200℃左右的环境下长期使用。塑料的线膨胀系数比金属要大3—10倍，因此难以与金属件紧密结合。5.有老化现象

四.常用工程塑料简介1.聚乙烯(PE)聚乙烯由单体乙烯聚合而成，一般可分为低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)两种。前者分子量、密度及结晶较低、质地柔软，且耐冲击，常用于制造塑料薄膜、软管等。后者分子量、密度及结晶均较高，比较刚硬、耐磨、耐蚀，绝缘性也较好，所以可作结构材料，如耐蚀管道等”。2.聚氯乙烯(PVC)聚氯乙烯是以氯乙烯为单体制得的高聚物。PVC的密度、强度、刚度及硬度均高于PE。PVC加入少量添加剂时，可制得软、硬两种PVC。硬质PVC塑料具有较高的机械强度，良好的耐蚀性、耐油性和耐水性，常被用于化工、纺织工业和建筑业中。软质PVC塑料坚韧柔软、耐挠曲，弹性和电绝缘性好，吸水率低，难燃及耐候性好，广泛用于制造农用塑料薄膜、包装材料、防雨材料及电线电缆的绝缘层等，用途十分广泛。3.聚丙烯(PP)聚丙烯是以丙烯为单体聚合制得的高聚物。PP的相对密度小(塑料中最轻的)，耐热性能良好(可以加热至150C不变形)，机械强度、刚度、硬度高，具有优良的电绝缘性。应用于机械、化工、电气等工业。4.ABS塑料ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物，三种单体相对含量可任意变化，制成各种树脂。ABS兼有三种组元的共同性能，A使其耐化学腐蚀、耐热，并有一定的表面硬度，B使其具有高弹性和韧性，S使其具有热塑性塑料的加工成型特性并改善电性能。因此ABS塑料是一种原料易得、综合性能良好、价格便宜、用途广泛的“坚韧、质硬、刚性”材料。ABS塑料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业及化工中获得了广泛的应用。5.聚酰胺(PA，称尼龙或锦纶)聚酰胺(PA)是指主链节含有极性酰胺基团(—CO—NH—)的高聚物。最初用作制造纤维的原料，后来由于PA具有强韧、耐磨、自润滑、使用温度范围宽等优点，成为目前工业中应用广泛的一种工程塑料。PA广泛用来代替铜及其他有色金属制作机械、化工、电器零件，如柴油发动机燃油泵齿轮、水泵、高压密封圈；输油管等。6.聚甲醛(POM)聚甲醛是指大分子链中以—CH2O—链节为主的高聚物。POM的疲劳强度、耐磨性和自润滑性比大多数工程塑料优越，并且还有高弹性模量和强度，吸水性小，同时尺寸稳定性、化学稳定性及电绝缘性也好，是一种综合性能良好的工程材料。POM主要用于代替有色金属制作各种结构零部件。用量最大的是汽车工业、机械制造、精密机器、电器通讯设备乃至家庭用具等领域。7.聚碳酸酯(FC)聚碳酸酯的大分子链中既有刚性的苯环，又有柔性的醚键，所以具有优良的力学、热和电性能。FC常被人们誉为“透明金属”。FC最突出的优点是冲击韧性极高，并耐热耐寒(可在—100～130℃范围内使用)，具有良好的电性能、抗化学腐蚀性和耐磨性。导热系数小，但线膨胀系数比金属大得多。FC不但可代替某些金属和合金，还可代替玻璃、木材等，广泛应用于机械、电气、光学、医药等部门。8.聚四氟乙烯(PTFE或F-4，俗称塑料王)PTFE是由四氟乙烯(的聚合物。性能特点是突出的耐温性能(长期使用温度为—180—250℃)，极低的摩擦系数，因而可作为良好的减摩、自润滑材料；优越的化学稳定性，不论是强酸、强碱还是强氧化物对它都不起作用。其化学稳定性超过了玻璃、陶瓷、不锈钢及金、铂，故有‘“塑料王”之称；优良的电性能，它是目前所有固体绝缘材料中介电损耗最小的。PTFE主要用于特殊性能要求的零部件，如化工设备中的耐蚀泵。9.酚醛塑料(PF)酚醛塑料是以酚醛树脂为主，加入添加剂而制成的。它是酚类化合物和醛类化合物缩聚而成，其中以苯酚与甲醛缩聚而得的酚醛树脂最为重要。PF具有一定机械强度和硬度，绝缘性能良好，兼有耐热、耐磨、耐蚀的优良性能，但不耐碱，性脆。PF广泛应用于机械、汽车、航空、电器等工业部门，用来制造各种电气绝缘件(电木)，较高温度下工作的零件，耐磨及防腐蚀材料，并能代替部分有色金属(铝、铜、青铜等)制作零件。10.环氧塑料(EP)环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂填料或其他添加剂后制成的热固性塑料。环氧树脂是很好的胶黏剂，俗称“万能胶”。在室温下容易调合固化，对金属和非金属都有很强的胶黏能力。EP具有高的机械强度，较好的韧性，优良的耐酸、碱及有机溶剂的性能，还能耐大多数霉菌、耐热、耐寒，能在苛刻的热带条件下使用，具有突出的尺寸稳定性等。用环氧树脂浸渍纤维后，于150℃和130～140MPa的压力下成型，成为环氧“玻璃钢”，常用作化工管道和容器、汽车、船舶和飞机等的零部件。

§9.3橡胶材料橡胶是指常温下弹性特别好的高聚物材料，它们的弹性变形可达到100％～1000％。由于它具良好的伸缩性、储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，因而广泛用于弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料，起着其他材料所不能替代的作用。橡胶材料是工业、国防上的重要战略物资，人们日常生活也离不开它。

一.橡胶的组成橡胶是以生胶为原料，加入适量的配合剂以后所组成的高分子弹性体。生胶按其来源可分为天然生胶和合成生胶。天然生胶一般从热带的橡树上取得。生胶是橡胶制品的重要组成部分，但它受热发黏、遇冷变硬、强度差、不耐磨、也不耐溶剂，只能在5—35℃范围内保持弹性，故不能直接用来制造橡胶制品。通常要在生胶中加入硫化剂、促进剂、活化剂、填充剂、增塑剂、防老剂、着色剂、发泡剂、硬化剂等，统称为配合剂。

二.橡胶的主要性能特点1.高弹性橡胶由若干细长而柔顺的分子链组成。分子链通常蜷曲成无规线团状，相互缠曲。当受外力拉伸时分子链就伸直，外力去除后又恢复蜷曲。橡胶的弹性模量低，变形量大，形变快速可逆。2.机械强度橡胶的实际机械强度是决定橡胶使用寿命的重要因素。指标包括抗撕裂强度和定伸强度(即把橡胶拉伸至一定长度所需要的应力值)。3.耐磨性耐磨性即橡胶抵抗磨损的能力。通常橡胶强度愈高，耐磨性越好。

三.常用橡胶材料1.天然橡胶(NR)NR的来源是橡树的胶乳。NR有较好的弹性和机械强度，有较好的耐碱性能，但不耐强酸，在非极性溶剂中膨胀，故不耐油。它能吸收空气中的氧，造成橡胶发黏和龟裂等。NR广泛用于制造轮胎、胶带、胶管、胶鞋等各种橡胶制品。2.通用合成橡胶天然橡胶资源有限，而合成橡胶由于原料价格便宜，来源丰富，且具有高弹性、不透水、耐油、耐磨、耐寒等优异性能，所以获得长足发展。丁苯橡胶(SBR)：与NR相比，SBR具有较好的耐磨性、耐热性、耐老化性，质地均匀、价格低，它能与NR以任意比例混用。SBR在大多数情况下可代替NR使用。$BR的缺点是生胶强度低，黏性差，成型困难，制成的轮胎在使用中发热量大，弹性差。氯丁橡胶(CR)：人们常称之为“万能橡胶”。CR的耐油性、耐磨性、耐热性、耐燃烧性