工程材料 第九章 高分子材料.ppt

1、第九章 高分子材料,2,一、高分子的基本知识,1. 主要术语及概念,高分子 Polymer molecule, Macromolecule,也叫聚合物分子或大分子，具有高的相对分子量，其结构必须是由多个重复单元所组成，并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。,高分子化合物 Polymeric Substance,或称聚合物，是由许多单个高分子(聚合物分子)组成的物质。,相对分子质量5000，分子长度102104nm高分子化合物 相对分子质量500， 分子长度0.1102nm低分子化合物 相对分子质量5005000，只要具有高分子的性能高分子,3,单体 Monomer,能够进行聚

2、合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子,大分子链,通过共价键连接起来的很长链状结构的大分子，通常称为大分子链。,4,链节,组成大分子链的重复结构单元叫做链节。,-CH2-CH2-,聚合度 Degree of Polymerization，DP,大分子链中链节的重复次数称为聚合度，以下标“n”表示。,5,相对分子质量,由于高分子化合物的大分子链是由大量的链节组成的，所以每一各大分子链的相对分子质量(M)应该是重复结构单元的相对分子质量(m)与聚合度(n)的乘积，即： M =mn,多分散性,高分子化合物中各个分子的相对分子质量不相等的现象叫做相对分子质量的多分散性。,平均分子量愈大，则高分子

3、化合物的强度愈高； 若太大，熔融态的粘度大，流动性差，加工困难； 若太小，性能差， 聚苯乙烯，25万，性能好；10极易粉碎，无应用价值,6,2. 高分子化合物的合成方法,高分子化合物的合成，就是把低分子化合物(单体)聚合起来形成高分子化合物的过程，或是形成高聚物的过程。这个过程的化学反应又称为聚合反应。,根据单体与其生成的聚合物之间在分子组成与结构上的变化把聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。,7,(1) 加聚反应,加聚反应是指聚合产物的重复结构单元的组成与单体相同的聚合反应，其聚合产物称加聚物。,加聚反应主要特点是参加反应的单体一般本身不具活性、但可在光、热、压力或引发剂等的作用下，低分子化合物

4、中的双键打开，并由单键连接，形成大分子的反应。该反应过程中无低分子物质析出。,8,被引发后的活性单体不断与其他单体连接起来的过程链增长过程。,9,加聚反应是高分子合成工业的基础，大约80%高分子化合物是利用加聚反应合成生产的。 聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀、合成橡胶,均聚物由一种单体经加聚方法生成的高分子化合物。,共聚物由两种或两种以上单体经过加聚反应生成的高分子化合物。,10,(2) 缩聚反应,缩聚反应是指聚合产物的分子组成比单体分子少若干原子，即在聚合反应过程中伴随有水等小分子副产物生成，其聚合产物称缩聚物。 缩聚反应的单体，一般都是具有两个或两个以上活泼官能团(如羟基-OH、胺基-NH2)的

5、低分子有机化合物。当它们受到热或催化剂的作用时，其官能团相互作用，在分子间形成新的化学键，使低分子化合物逐步结合成大分子高聚物，并生成低分子的析出物。,11,12,缩聚反应可分为均缩聚和共缩聚,均缩聚含有两个或两个以上相同或不同官能团的一种单体进行的缩聚反应。其产物为均缩聚物。,共缩聚含有不同官能团的两种或两种以上单体缩聚反应。其产物为共缩聚物。,13,3. 高分子化合物的分类及名称,来 源,天然高分子：自然界天然存在的高分子。,半天然高分子：经化学改性后的天然高分子。,碳链高分子：主链（链原子）完全由C原子组成。,杂链高分子：链原子除C外，还含O,N,S等杂原子。,元素有机高分子：链原子由S

6、i,B,Al,O,N,S,P等杂原子组成。,合成高分子：由单体聚合人工合成的高分子。,主链元素(链原子)组成,分类：,14,热行为,热塑性高聚物具有加热时可以软化，冷却时又硬化成形，再加热可再软化，且材料的基本结构和性能不改变的特点，如：烯类高聚物。,热固性高聚物具有受热时发生化学变化并固化成形，成形后再受热也不会软化变形的特点，如：酚醛树脂、环氧树脂。,按性质和用途可分为：塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂等,15,二、高分子材料的结构与性能,1. 大分子链的形态,伸直链(线型分子链)较好的弹性及热塑性，不仅易于加工、还可反复使用。 带支链型(枝化型)分子链性能与伸直链高聚物基本相同，也属于线型

7、高聚物。,热软冷硬，可重复成型的工程塑料称为热塑性塑料，分子结构具有线型结构。,16,网状链(体型或交联型)分子链在线型或支化型分子链之间, 沿横向通过链节以共价链连接起来, 形成的三维(空间)网状大分子。弹性、塑性低(甚至失去弹性、塑性)，硬而脆耐热性、难熔性、热固性好，不能反复使用,17,Tb为脆化温度 Tg 为玻璃化温度 Tf为粘流温度 Td 为分解温度,2. 高聚物的三态,18,3. 高聚物的性能,(1) 力学性能特点,高聚物的理论强度是由大分子链内部的共价键与大分子间的范德瓦尔键力共同决定的： 0.1E 但实际强度仅为理论强度的1/100。, 强度低, 弹性高、弹性模量低, 高聚物的

8、弹性变形量大，可达到100%1000，高聚物的弹性模量低，约为2MPa20MPa, 一般金属材料为103MPa2105MPa。,19, 粘弹性,高聚物力学性能随时间变化的现象称为粘弹性,20,(2) 物理化学性能特点, 低密度,高聚物的相对密度：1.02.0g/cm2, 最小：0.83g/cm2 钢的1/81/4, 普通陶瓷的1/2以下, 绝缘性,高聚物分子是良好的绝缘体，绝缘性能与陶瓷相当。对热、声也有良好的绝缘性能。,21,热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。常用热塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等，长期使用温度一般在100以下；热固性塑料如酚醛塑料的为130150；耐高温塑料如有机硅塑料等

9、，可在200300使用。, 耐热性, 化学稳定性,高聚物的化学稳定性很高。它们耐水和无机试剂、耐酸和碱的腐蚀。尤其是被誉为塑料王的聚四氟乙烯，不仅耐强酸、强碱等强腐蚀剂，甚至在沸腾的王水中也很稳定。耐蚀性好是塑料的优点之一。,22,三、高分子材料,1. 塑料,塑料是以聚合物(通称树脂)为基，再加入适量得填料、增塑剂、防老化剂及固化剂等添加剂组成得高分子材料。 特点： 密度小、电绝缘性好、耐化学腐蚀、容易加工成形等。,23,(1) 常用塑料,根据塑料得应用范围，可将其分为通用塑料和工程塑料。,通用塑料：生产量大、价格低廉、力学性能一般，主要用于非结构材料使用的塑料。 聚乙烯(PE)、聚氯乙稀(P

10、VC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP),24,(2) 工程塑料,工程塑料指力学性能较好，并能在较高温度下长期使用的塑料，主要有： 聚酰胺(PA)、聚甲醛、聚砜、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(塑料王)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 、ABS塑料(丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物)、酚醛塑料(PE)、环氧塑料(EP)、,25,2. 橡胶,应用：弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料。,橡胶是在室温下仍保持其高弹态的高分子材料,性能特点： 弹性变形量可达1001000，而且回弹性好，回弹速度快。 有一定的耐磨性，很好的绝缘性和不透气、不透水性。,26,天然橡胶,合成橡胶,用石油、天然气、煤等加工而成： 丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、异戊橡胶、丁基橡