高分子材料及工程塑料

二、非金属材料的发展：
1.金属材料的优点及局限性： 使用性能：高强韧性；导电导热性；
优点
工艺性能：切削加工；铸、锻、焊；
柯垂尔：金属今后一段时间仍是主要的工程材料。
局限性：难以适用密度小、耐腐蚀、电绝缘、减
震、消音、耐高温等。
密度：钢7.8、铝 2.7、高分子 0.8-2.0； 耐腐蚀：金属难以与陶瓷相比； 耐高温：金属耐热钢＜800℃、镍基合金＜1000℃、
高分子化合物总是由不同大小的分子组成，这一现象 称为高分子化合物的分子量的多分散性。
例：聚苯乙烯： 分子量 10000～300000 聚丙烯脂： 分子量 60000～500000
分子量的分散性对性能产生影响。
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③平均分子量 M
ⅰ、平均分子量用 M 表示，具有统计概念。
ⅱ、平均分子量和分布宽窄（分散性大小） 影响高聚物的物理、力学性能。
晶态
部分晶态
非晶态
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结晶度越高，分子间作用力越强，因此高分子化合 物的强度、硬度、刚度和熔点越高，耐热性和化学稳 定性也越好；而与键运动有关的性能，如弹性、伸长 率、冲击韧性则降低。 （1）高聚物不存在完全晶态的高聚物，通常把结晶超过 50%的高聚物称为结晶 高聚物。 结晶高聚物中：晶区、 非晶区。结晶度一般 为50～90%
|x
g
CN
共聚
ⅰ、共聚反应表达式：n(xA yB) (Ax-By)n
ⅱ、注意：共聚物不能理解为混合物，而是主链中包 含两种或两种以上单体链节的新型聚合物。
ⅲ、共聚物中单体链节的排列方式：A、B表示两种单体 无规共聚：—A—B—A—A—B—A—B—B—B—
交替共聚：—A—B—A—B—A—B—A—B—A—
2. 大分子链形态：
1)线型分子链：
由许多链节组成的长链， 通常是卷曲成线团状。
这类结构高聚物的特点 是弹性、塑性好，硬度低， 是热塑性材料的典型结构。
2)支化型分子链：
在主链上带有支链。 这类结构高聚物的性能和加工都 接近线型分子链高聚物。
3)体型分子链 ：
分子链之间由许多链节相互横向交联。 这类结构的高聚物硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性 材料的典型结构。
嵌散共聚：—A—A—B—B—A—A—B—B—A
接枝共聚：
ⅳ、共聚物的性能类似于合金，通过改变共聚物的单体 和比例，可以改善高聚物的性能。
例：ABS中，随 A , HB ; B ,韧性 .
2. 缩聚反应：
由一种单体或多种单体相互缩合生成聚合物， 同时析出其它低分子化合物（如水、氨、醇、 卤化物等）的反应称为缩聚反应。
ⅱ、大分子链的构象：
由于单链内旋转运动引起原子在空间位置的变化而 构成大分子链的各种形象称为大分子链的构象。
（2）、大分子链的柔顺性：
ⅰ、大分子链上单链的内旋转运动，造成整个大分子 链的形状及末端距离每一瞬间都不相同，大分子链 时而蜷曲，时而伸展，该特性称为大分子链的柔顺性。
柔顺性：大分子链构象变化而获得不同蜷曲程度的特性。
均缩聚反应：由一种单体进行的缩聚反应。
共缩聚反应：由两种或两种以上的单体进行
的缩聚反应。
特点： 官能团之间反应，缩聚物有特征结构官能团； 有低分子副产物； 缩聚物和单体分子量不成整数倍。
四、高分子材料的分类
①按来源： ⅰ、天然聚合物：天然橡胶，纤维素，蛋白质等。 ⅱ、人造聚合物：经人工改性的天然聚合物。
（2）影响结晶度的因素：
ⅰ、分子链的结构：结构简单、分子链短，利于结晶。 ⅱ、外力的影响：拉伸促进高聚物的结晶。
原因：沿拉伸方向伸展开，增加了分子链的接触面积和
减少距离，提高了分子间的作用力和结晶能力。 例如：尼龙绳、包装带越拉越强。 ⅲ、冷却速度：从熔融态缓慢冷却有利于结晶，快冷 不利于结晶。 ⅳ、温度：高聚物对应结晶速度最快的温度TK，在
High polymer Material
绪论
高分子结构 高分子性能 橡胶材料 工程塑料 纤维与涂料
绪论
一、非金属工程材料的定义：
金属材料之外的所有工程材料。 金属材料：钢铁、有色金属；
工程材料 高分子材料：塑料、橡胶、复合材料；
无机非金属材料：陶瓷，玻璃、水泥；
三大固体材料，称为材料的三大支柱。
M 越大，强度越高，硬度越高，但融熔粘度增
大，流动性差。分散性大；熔融温度范围变宽， 有利于加工成型，但抗撕裂性差。 ⅲ、生产中，通过控制产品的分子量大小和分布 情况，改善性能以满足不同的需要。
分子量过高部分使聚合物的强度增加，但加工成型时塑 化困难；低分子量部分使聚合物强度降低，但易于加工 不同用途的聚合物应有其合适的分子量分布:
三、高分子化合物的聚合：
1. 加聚反应： 加成聚合反应 定义：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称为加聚反应。
均聚物:由一种单体经过加聚反应生成的高分子化合物；
例如：聚乙烯、聚苯乙烯等。
均聚反应表达式：nA A A A A 或（A）n
特点：聚合物的结构单元与单体组成相同；
交联分子结构
三维空间分子结构
线型→体型的转化：（不可逆）
一定条件下，线形可以转化成体型。即固化或交联。 例：橡胶的硫化等。
结构转化带来很大的性能变化。例如： 低密度聚乙烯：有弹性，做薄膜、奶瓶等； 高密度聚乙烯：做较硬的水杯、工程塑料； 交联聚乙烯：做海底电缆的包皮，有出色的绝 缘性， 耐热性。
不同结构聚乙烯的性能
TK温度保温，结晶可充分进行。 例如：天然橡胶，TK=-24℃，若轮胎在低于TK温度 下工作，就会发生结晶而失去弹性。
功能材料：光导纤维；
的主力军。
（3）复合材料：高的比强度、高的刚度、低的密度 等，是单一材料和合金难以比拟的。
（4）非金属材料不是金属材料的代用品，而是具有 优越性能的不可缺少的材料。例如;
美国“哥伦比亚”号航天飞机，机身覆盖一万多 块隔热绝热陶瓷，以保护飞机。
三、非金属材料的发展趋势：
1、研制具有优良性能的新材料； 2、对现有材料进行改性；例如加入添加剂改性，是
①高聚物的分子量是M： M m n
m:链节分子量； n:聚合度 分子量不同，高聚物的性能和 物理状态不同。例：聚乙烯
分子量 n=8 M=224
n>50 M>1400
n>200～2000 M>5600～560000
室温状态 气+液
软态固体 固体
②高聚物分子量的多分散性：
低分子化合物有确定而均一的分子量。 例：H2O，18；CO2，44。
合成纤维：分子量分布宜窄； 塑料、橡胶：分子量分布可宽；
常用的聚合物的分子量（万）
其中氯乙烯
的单体.
就是聚氯乙烯
就是聚氯乙烯分子键的链节， n就是聚合度。聚合度反映了大分子链的长短和分子量的 大小，高分子化合物的分子量（M）是链节的分子量（M0）
与聚合度（n）的乘积。M= M0×n
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其中C链这最多。
C链结构
大分子链的特点：
①一般为共价链连接，不易失去和获得电子。 ②比重小，都是轻元素：C、H、O、N。故高分子材料
比重小，0.29～2.0g/cm3。 ③组成元素不同，性能差别很大。如聚乙烯中的H被F
原子代替，即聚四氟乙烯，是耐王水腐蚀的塑料王。
聚乙烯： ( CH2 CH2 ) 四氟乙烯： ( CF2 CF2 )
（2）陶瓷材料：传统陶瓷指：陶器、瓷器、玻璃、水 泥，性能硬、脆； 现代陶瓷指：所有无机非金属材料的总称。
近三十年来，以氧化物（例Al3O2)、氮化物（例Si3N4) 和碳化物（例SiC）等高纯化合物为原料，经过传统陶 瓷生产工艺制成的无机多晶产品，已成为：
高温材料：例：火箭喷气口、高温电炉发热体；
万 万 百万
2、高分子材料:以高分子化合物为主要组分的材料。
主要包括：塑料、橡胶、化学纤维等。
二、高分子化合物的组成
高分子化合物的分子量虽很大，但其化学组成并不 复杂，通常由一种或几种低分子化合物聚合而成。
例：n(CH 2 CH 2) 聚乙烯
1、高分子化合物的单体、链节和聚合度:
①单体：
定义：组成高分子化合物的简单低分子化合物。
分子量是单体分子量的整数倍； 聚合过程无副产物生成。
共聚物: 由两种或两种以上的单体经过加聚反应生
成的高分子化合物。
例：ABS塑料。A：丙烯脂 B：丁二烯 S：苯乙烯
n[xCH=CH+gCH2 =CH-CH=CH2 +zCH=CH2 ]
|
A
B
S
CN
共聚
[ CH2 CH ) ( CH2 CH CH CH2 ) ( CH2 CH )z ]n
180-600 135
体型
4.大分子链的构象
——链的柔顺性及热运动特点：
（1）大分子链的构象：
ⅰ、大分子链的热运动：
b3
大分子链和其它的物质一样，
处于不停的热运动中，其运
b2
动方式是共价单链的内旋转。
b1
如图：分子链可以在保持链长
和链角不变的情况下自旋转。
大量的单链都随时进行着旋转。
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工程材料的主要发展方向。 3、研制复合材料：传统的纤维增强树脂复合；
现在:金属基复合、陶瓷基复合、功能复合材料， 例建筑屋顶，集构件、发电、采暖于一体。 4、新型功能塑料的研制：例如：导电塑料、导磁塑 料、医用塑料、人工降解塑料等。
第一节
基本概念
Basic Concept
一、高分子材料的基本概念
低密度聚乙烯 高密度聚乙烯 交联聚乙烯
密 度 g/cm3 抗拉强度 MPa 断裂伸长率 ％ 工作温度 ℃
熔 点℃ 大分子链结构