gc09-高分子材料

1、1,工程材料及应用,多媒体教案,ENGINEERING MATERIALS,五邑大学机电工程学院,第九章,2,第九章 高分子材料,3,第一节 概述,一、高分子材料的基本概念 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称聚合物或高聚物。 高分子化合物的分子量一般104 。 高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。,4,高分子化合物的相对分子质量虽然很大，但其化学组成一般却比较简单。,例 聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯结合而成：,简写：,单体聚合成高分子化合物的低分子化合物,链节组成高分子链的重复结构单元,聚合度高分子链所含链节的数目,聚乙烯分子链,5,1 基本概

2、念,高聚物与具有明确分子量的低分子化合物不同，同一高聚物因其聚合度不同，大分子链的长短各异，其分子量也就各不相同。具有“多分散性”。是多分子的混合物。通常所说高聚物的分子量是指其分子量的统计平均值。 如：聚氯乙烯 的分子量为20000160000。,6,聚合反应,高分子化合物的合成反应,加成聚合反应（加聚反应）,聚合反应由小分子单体合成聚合物的化学反应,缩合聚合反应（缩聚反应）,二、高分子化合物的合成方法,7,共聚物往往可兼具两种或两种以上均聚物的一些优异性能，因此通过共聚方法可以改善产品的性能。,加聚反应由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开环相互结合成聚合物的反应。,1加聚反应,8,缩

3、聚反应由一种或多种单体相互缩合生成高聚物，同时有低分子物质（如水、卤化氢、氮、醇等）析出的反应。,例如癸二酸和己二胺合成为尼龙-610的反应：,2缩聚反应,9,（2）按主链结构分类,（1）按来源分类 天然高分子和合成高分子。,碳链聚合物 主链完全由碳原子组成。如聚乙烯：,杂链聚合物 主链除碳原子外，还含有氧、氮、硫等杂原子。如聚己二酰己二胺（尼龙-66）：,三、高分子化合物的分类及名称,10,元素有机聚合物 主链由硅、硼、铝与氧、氮、硫、磷等组成，侧链是有机基团。如聚二甲基硅氧烷：,（3）按性能和用途分类 塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂和功能高分子六大类。,（4）按功能分类 通用高分子、工程材

4、料高分子、功能高分子、仿生高分子等 。,元素无机聚合物 主链和侧链均由无机元素或基团组成。如聚二氯磷腈：,11,12,1高分子化合物的命名,（1）按原料单体或聚合物的结构特征命名,在单体名称前面冠以“聚”字：聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙二酰己二胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。,在单体名称后面加“树脂” ：酚醛树脂、环氧树脂等。,高分子化合物的命名,（2）按商品名命名,*我国习惯以“纶”作为合成纤维商品名的后缀，如涤纶、氯纶、腈纶、锦纶、丙纶等。,有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯。,尼龙或锦纶聚酰胺，如尼龙-610。,13,表1 一些聚合物的名称、商品名称、符号及单体,14,15,大分子链结构,聚集态结构,宏观

5、结构,微观结构,线型 支链型 体型,实质:分子链的键接方式,结晶,无定型态,玻璃态,高弹态,粘流态,重复单元结构,序列结构,立体结构,构象,对映体结构,几何异构,第二节 高分子化合物的结构(理解),高分子化合物的结构,16,二、微观结构,结构单元的元素组成、排列、重复单元的连接方式、空间排列等。,1 、重复单元结构：决定聚合物性能最主要因素,多层次的大分子微结构与结构单元变化有关，包括结构单元本身的结构、结构单元相互链接的序列方式、结构单元在空间排布的立体异构等。,17,2 、序列结构 : 分子链中结构单元的连接顺序.,例如:具有取代基的乙烯基单体可能存在头尾或头头或尾尾连接. 有取代基的碳原

6、子为头，无取代基的碳原子为尾.,聚氯乙烯分子中的头头结构多达16.,单体结构和反应条件影响结构单元的连接顺序， 可分为： 头尾连接; 头头连接; 尾尾连接.,18, 大分子链的形状 按照大分子链的几何形状，可将高分子化合物分为线型结构、支链型结构和体型结构。 线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料。支链型结构近于线型结构 。体型结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性材料。,19,线型结构高分子物质 分子中有独立的大分子存在，分子链中以单键相连的相邻两链节之间还可以保持一定的键角而旋转，因此，一个分子链在无外力作用时会有众多的分子空间形态，绝大部分为卷曲状。高分子链这种强烈

7、卷曲的倾向称为（分子）链的柔顺性，它对高聚物的弹性和塑性等有重要影响。,键角固定的高分子链节的旋转示意图,大分子链的构象,20,21,5、高分子的聚集态结构 固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。,一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区。晶区熔点、密度、强度、硬度、刚性、耐热性、化学稳定性高，而弹性、塑性、冲击强度下降。,22,非晶态高分子化合物中，常具有三种力学性能不同的 状态： 玻璃态、高弹态、粘流态。 由于这三种状态是在不同的温度范围内出现，因而也称为热机械状态。,一、高聚物的变形与温度,第三节高聚物的物理形态,23,玻璃态 分子链节或整

8、个分子链无法产生运动，高聚物呈现如玻璃体状的固态。例如常温下的塑料。,高弹态 链节可以较自由地旋转，但整个分子链不能移动。例如常温下的橡胶。高弹态是高聚物所独有的罕见的一种物理形态，能产生很大形变，除去外力后能可逆恢复原状。,粘流态 高聚物分子链节可以自由地旋转，整个分子链也能自由移动，从而成为能流动的粘液，比液态低分子化合物的粘度要大得多，又称为塑性态。例如胶粘剂或涂料。,第三节高聚物的物理形态,线性非晶态聚合物的物理形态与温度的关系,24,玻璃化温度 由高弹态向玻璃态转变的温度，用Tg 表示。,粘流化温度 由高弹态向粘流态转变的温度，用Tf 表示。,塑料与纤维: 要求Tg 高， Tf 低（

9、较耐热，加工成型温度不高）,橡胶：要求Tg 低， Tf 高（耐寒又耐热）,一些非晶态高聚物的Tg和Tf值： 聚氯乙烯 Tg =81 Tf =175 聚苯乙烯 Tg =100 Tf =135 聚丁二烯(顺丁橡胶) Tg =-108 天然橡胶 Tg =-73 Tf =122,25,三高聚物的基本特性,（1）机械性能 低强度 高弹性和低弹性模量 粘弹性 高耐摩性 （2）物理、化学性能 高绝缘性 低耐热性 低导热性 高热膨胀性 高化学稳定性 老化,26,高聚物一般化学稳定性好，耐酸碱腐蚀，但不耐高温，易老化。,5化学稳定性和老化,老化是指高聚物及其材料在加工、贮存和使用过程中，长期受化学、物理（热、光

10、、电、机械等）以及生物（霉菌）因素的综合影响，发生裂解或交联，导致性能变坏的现象。例如，塑料制品变脆、橡胶龟裂、纤维泛黄、油漆发粘等。,老化是物理性质变坏的不可逆过程。主要有两种过程：,降解 链断裂，Mr变小 发粘、变软、丧失机械强度,交联 线型变体型变硬、变脆、丧失弹性，如天然胶、聚氯乙烯的老化,（2）老化,27,防老化的措施： 表面防护：使其与外界致老化因素隔开。 减少大分子链结构中的某些薄弱环节，提高其稳定性，推迟老化过程。 加入防老化剂，使大分子链中上的活泼基团钝化，变成比较稳定的基团，以抑制链式反应的进行。,28,高分子化合物的回收及再利用的基本意义：,解决了环境污染问题,由于高分子

11、化合物的化学稳定性好，难以分解，日积月累，会污染环境、危害生态。,充分利用自然资源,5.3.3 高分子化合物的回收及再利用,高分子化合物的回收、利用包括：,再生利用和改性利用,热分解回收化工原料,焚烧回收热能,掩埋处理,光降解和微生物降解,29,从上世纪60年代开始，塑料(主要指聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯)进入广泛实用阶段。由于塑料具有很多优点：它取材容易，价格低廉，加工方便，质地轻巧，因此塑料一问世，便深受欢迎，它迅速渗入到社会生活的方方面面，塑料被制成碗、杯、袋、盆、桶、管等。创造了巨大的社会和经济效益。塑料被列为20世纪最伟大的发明之一，塑料的普及被誉为白色革命。,随着塑料产量不

12、断增大，成本越来越低，我们用过的大量农用薄膜、包装用的塑料袋和一次性塑料餐具在使用后被抛弃在环境中，给景观和环境带来很大破坏。由于塑料包装物大多呈白色，它们造成的环境污染被称为白色污染。,* 塑料的贡献与白色污染,30,第四节工程高分子材料,工程高分子材料包括塑料、合成纤维、橡胶和胶粘剂等。本节主要介绍工程上常用的高分子工程材料。,31,一、工程塑料,塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。 1、工程塑料概述 塑料的组成,塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂。 树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。,塑料制品,32,添加剂是为改善塑料

13、某些性能而加入的物质。 填料主要起增强作用； 增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性； 固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构； 稳定剂用于防止塑料老化，延长其使用寿命； 润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上, 使制品光亮； 着色剂用于塑料制品着色。 其他的还有发泡剂、催化 剂、阻燃剂、抗静电剂等。,添加剂,33, 塑料的分类 按树脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。 按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。 通用塑料产量大、价格低、用途广。 工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。,特种塑料是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合。

14、,热固性塑料制品,34, 塑料的性能特点 塑料的优点： 相对密度小(一般为0.9 2.3)；耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；有消音吸振性能 。,塑料的缺点： 刚性差(为钢铁材料的1/1001/10)，强度低；耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小(只有金属的1/2001/600)；蠕变温度低、易老化。,35,2、常用工程塑料 一般结构用塑料 包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)和ABS塑料等。 聚丙烯具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。 ABS塑料 “坚韧、质硬、刚性” ，应用广泛。,36,聚酰胺又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好

15、，广泛用作机械、化工及电气零件。 聚甲醛具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、电气仪表、农机等工业 。,聚碳酸酯具有优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。, 摩擦传动零件用塑料 包括聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。,37,聚四氟乙烯俗称“塑料王”，具有极优越的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只有0.04。缺点是强度低、加工性差。主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。,38, 耐蚀用塑料 耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。 氯化聚醚的化

16、学稳定性仅次于聚四氟乙烯，但工艺性比聚四氟乙烯好，成本低。在化学工业和机电工业获得广泛应用，如化工设备零件、管道、衬里等。,氯化聚醚防腐蝶阀,39, 耐高温件用塑料 有聚砜(PSF)、聚苯醚(PPO)、聚酰亚胺(PI)及氟塑料等。 聚砜的热稳定性高是其,聚酰亚胺层压板,最突出的特点。使用温度达150174。用于机械设备等工业。 聚苯醚具有良好的综合性能,用于机电等方面。 聚酰亚胺在260下可长期使用。主要用于特殊条件下使用的精密零件。,40,塑料制品的成型方法很多，随零件所选用材料的不同，零件形状和尺寸以及生产批量的不同，所采用的成型工艺也不同。常用的成型方法有以下几种： 挤出成型 注射成型

17、压制成型 浇注成型 吹塑成型 真空成型,3.塑料成型工艺简介,41,2020/9/15,41,注模法 把塑料原料放入料筒中,经过加热熔化,使之成为高粘度的流体称为“熔体”，用柱塞或螺杆作为加压工具，使熔体通过喷嘴以较高的压力注入模具型腔中，经过保压、冷却、凝固阶段，而后从模具中脱出，成为塑料制品。,螺杆式塑化系统,42,2020/9/15,42,压模法,将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的热固性塑料原料直接加入敞开的模具加料室内；然后合模加热，使塑料熔化，在合模压力的作用下，熔融塑料充满型腔各处；这时，型腔中的塑料产生化学交联反应熔融塑料逐步转变为不熔的硬化定型的塑料制件，最后脱模将塑件从模取出。,

18、43,塑料成形方法：,（4）挤出成形及挤出模：利用挤出机的螺杆旋转加压，连续地将熔融状态的塑料从料筒中挤出，通过特定截面形状的机头口模成形并借助于牵引装置将挤出的塑料均匀拉出，同时冷却定型，获得截面形状一致的连续型材。,44,2020/9/15,44,多层挤出生产线,45,二、合成橡胶,橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。 1、橡胶的组成和性能特点 工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合剂并未经硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。 橡胶最大的特点是高弹性。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。,46,一、生胶,生胶是一种高弹性聚合物材料

19、，是制造橡胶制品的基础材料，一般情况下不含配合剂，在橡胶工业中也称胶料或橡料。橡胶制品的性质主要决定于生胶的性质。 生胶按其原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶。,1. 天然橡胶,天然橡胶是橡胶树上流出的胶乳，呈中性乳白色液体，经过一定的加工处理制成浓缩胶乳或生胶，橡胶的质量分数在9295%，是以聚异戊二烯为主要成分的不饱和状态的天然高分子化合物。天然橡胶的比重为0.910.93。,47,天然橡胶结构和组成,天然橡胶主要成分是橡胶烃另含7左右的非橡胶成分，如蛋白质、丙酮抽出物，灰分等,主要成分橡胶烃是顺式1，4聚异戊二烯的线型高分子化合物，结构式： CH3H CH2CCCH2 n,天然橡胶具有良好的物理力学性能和加工性能,48,巴西橡胶树,49,天然橡胶的制备与分类,烟片胶： 经凝固、压片、烟熏等工艺制成的表面带菱形花纹的棕色