第十章 高分子化合物与材料

聚甲醛
• POM是一种坚韧有弹性的材料，即使在低温 下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳定性和抗冲 击性。POM既有均聚物材料也有共聚物材料。 均聚物材料具有很好的延展强度、抗疲劳强度， 但不易于加工。共聚物材料有很好的热稳定性、 化学稳定性并且易于加工。无论均聚物材料还 是共聚物材料，都是结晶性材料并且不易吸收 水分。POM具有很低的摩擦系数和很好的几 何稳定性，特别适合于制作齿轮和轴承。由于 它还具有耐高温特性，因此还用于管道器件 （管道阀门、泵壳体），草坪设备等。
以上方法的优点：简明易记。 缺点：不能充分反映聚合物组成和结构特征。 有时用不同单体可制出同一种聚合物，这就容易造成 混乱。为此国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC） 制定了系统命名法，这种命名法虽然严谨，但又过于 烦琐，在此不予介绍。
10.1.3 高分子化合物的合成
1、加聚反应：由一种或多种单体经过加成反应 相互结合生成高分子化合物的反应。生成的聚合物 结构单元与其单体相比较，除电子结构有改变外， 其所含原子的种类、数目均未变化。
丁腈橡胶
• 丁腈橡胶由丁二烯与丙烯腈共聚而 成，由于高分子链中含有极性极强 的－CN基，具有很强的极性，具有 强度高、耐磨、耐高温、耐老化， 对化学药品的稳定性高等特点。主 要用于制造各种耐油制品及密封垫 圈，运输带及耐热橡胶制品。
硅橡胶
• 硅橡胶（Silicone Rubber）是一种分子 键兼具无机和有机性质的高分子弹性 材料，它的分子主键由硅原子和氧原 子交替组成（--Si-o-Si-）硅氧键的键 能达370kj/mol,比一般的橡胶的碳-碳 结合键能240KJ/mol要大得多，这是硅 胶具有很高热稳定性的主要原因之一。
[ NH(CH 2) 6NHCO(CH 2) 4CO ]n +2nH 2O
线形缩聚物
体型缩聚物
网状高分子
10.1.4 高分子化合物的分类 1、按高分子主链结构分类 a、碳链高分子化合物 ：主链中均是C-C键 b、杂链高分子化合物：主链还引入了N、O等元 素，不仅有C-C键，而且还有C-N键、C-O键。 c、元素有机高分子化合物：主链中仅含有Si、P、 O等元素，而没有C原子。 d、芳、杂环高分子化合物：主链中含有大量芳 香环或杂环或芳、杂环兼有。
有的塑料，如聚氯乙烯，有毒，
不能用来制作食具或食品袋。 有的塑料如聚乙烯和聚丙烯， 无毒，可用来制作食品袋和 其它食具
有毒塑料的鉴别法
工程塑料： 一般指能承受
一定的外力作用，并有良好的 机械性能和尺寸稳定性，在高、 低温下仍能保持其优良性能， 可以作为工程结构件的塑料。 如ABS、尼龙、聚砜等。
丁苯橡胶
• 丁苯橡胶（SBR）是合成橡胶工业中最大的 基础胶种，占合成橡胶产量的40%以上。 SBR产量的60%左右用于制造轮胎。SBR有 乳聚丁苯橡胶（ESBR）和溶聚丁苯橡胶 （SSBR）两大类产品。SSBR约占SBR总产 量的15%-20%左右，品种牌号有上百个，由 于用其制造的轮胎滚动阻力低、抗湿滑性优、 耐磨性好和生热低，因此主要用于制造车胎、 子午胎和高性能胎。
CH 3
CH 3
n CH 2 = C
[ CH 2
C ]n
COOCH 3
COOCH 3
2、缩聚反应：由具有两个或两个以上官能团的 单体相互缩合形成高分子化合物，同时析出某些低分 子化合物（如水、氨、醇氯化氢等）的反应。所生成 的聚合物结构单元在组成上比其相应的原单体分子少 了一些原子。
nNH 2(CH 2) 6NH +nHOOC(CH )2 C4OOH
橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高分子化合
物。有良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能， 因而广泛用于制作密封件、轮胎、电线等制品。
10.2 高分子化合物的结构与性能 10.1.1 高分子化合物的结构 所谓结构，就是指在平衡态分子中原子的几何排列 （分子结构）及分子与分子之间的几何排列（聚集态 结构）。
合成纤维
• 合成纤维是由合成高分子为原料， 通过拉丝工艺获得纤维。合成纤维 的品种很多，最重要的品种是聚酯 （涤纶）、聚酰胺（尼龙、锦纶）、 聚丙烯腈（腈纶），它们占世界合 成纤维总产量的90%以上。此外还 有聚乙烯醇缩甲醛（维纶）、聚丙 烯（丙纶）、聚氯乙烯（氯纶）等。
一些合成纤维的性能
合成胶粘剂
• 胶粘剂又称粘合剂，俗称胶。 是能使两个物体表面粘合在 一起的物质。胶粘和其他的 连接方法相比，有重量轻、 连接部位应力分布均匀、强 度高、耐疲劳等优点。
环氧树脂胶粘剂
• 凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物 统称为环氧树脂。固化后的环氧树脂具有良 好的物理化学性能，它对金属和非金属材料 的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好， 变定收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高， 柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定，因而 广泛应用于国防、国民经济各部门，作浇注、 浸渍、层压料、粘接剂、涂料等用途。
由高弹态变到粘流态的温度称为粘流化温度，及 Tf表示。
聚合物使用的温度范围： 塑料在室温下大都处于玻璃态， Tg是其使用上 限温度。 橡胶处于高弹态， Tf是其使用下限温度。 大多数合成纤维是结晶聚合物，熔点Tm是其使 用上限温度。
聚合物玻璃化温度越高，耐热性越高。 若聚合物常温下处于玻璃态，则可用来做塑料。 常温下处于高弹态则可用来做橡胶。Tg∽Tf是 橡胶的使用温度范围。
2、按聚合物反应类型分类 加聚物和缩聚物
3、按高分子材料的使用性能分类 根据各类合成高分子的机械性能和使用状况,可将 其分为塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。 各类高分子材料之间并无严格的界限。
橡胶的特性是在室温下弹性高,即在很小的外力作 用下，能产生很大的形变(可达1000%)；外力去除后, 能迅速恢复原状。弹性模数小105 ～106N/m2。常用 的橡胶有异戊橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等。
(折叠)形成晶态，无规则的蜷曲形成非晶态；高分子 的分子与分子堆砌在一起。
晶态高分子
非晶态高分子
晶态和非晶体两种结构同时存于高分子中
结晶度对性质的影响：如果聚合物结晶程度比较 高，产品就会更坚硬结实但可塑性差，反之亦然。在 合成树脂、纤维和橡胶中，合成橡胶是结晶结构较少 的聚合物。
10.2.2 高分子化合物的三种物理状态 玻璃态：整个大分子被冻结，受力时能发生键长 和键角微小的改变，形变与外力成正比，外力除去， 形变能立即恢复，称为普弹形变。 高弹态：随着温度升高，分子热运动加剧，当升
1、分子的结构与形态 线型高分子链中含有很多的单键，这些单键均可 作内旋转，从而使高分子链很容易卷曲成各种不同形 状。线型高分子化合物分子链具有强烈的卷曲倾向， 称为链的柔顺性。
单键内旋转示意图
容易卷曲的称为柔顺链。 不容易卷曲的称为刚性链。
2、分子链的聚集态结构 高分子长链是曲曲折折的蜷曲形。有规则的蜷曲
类别
聚合物
通用工程塑料
尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚 苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚 乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共 聚物等
特种工 程塑料
非交联型
聚矾、聚醚矾、聚苯硫醚、聚芳酯、 聚酰亚胺、聚醚醚酮、氟树脂等
ຫໍສະໝຸດ Baidu交联型
聚矾、聚醚矾、聚苯硫醚、聚芳酯、 聚酰亚胺、聚醚醚酮、氟树脂等
工程塑料的优点
工程塑料与金属材料相比 ，有 许多优点：容易加工；生产效率高； 节约能源；绝缘性能好；质量轻，比 重约1.0～1.4，比铝轻一半，比钢轻 3/4；比强度高；具有突出耐磨、耐 腐蚀性等，是良好的工程机械更新换
防老化的措施：改变聚合物的结构 物理防老化：镀上一层金属，或涂一层涂料 化学防老化：加入防老化剂，如紫外线吸收剂、 抑制剂等。
10.3 几种重要的 高分子材料
• 工程塑料
• 合成橡胶
• 合成纤维
• 合成胶粘剂
塑料按使用性能又可分为
按
通用塑料
工程塑料
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。
硅橡胶的用途
• 可用于模压高电压缘子和其他电子元件； 用于生产电视机、计算机、复印机等， 还用作要求耐候性和耐久性的成型垫片、 电子零件的封装材料、汽车电气零件的 保护材料。可用于房屋的建筑与修复， 高速公路接缝密封及水库、桥梁的嵌缝 密封。此外，还有特殊用途的硅橡胶， 如导电硅橡胶、医用硅橡胶、泡沫硅橡 胶、制模硅橡胶、热收缩硅橡胶等。
工程塑料的应用
要求耐磨并有一定润滑性的，首推聚酰 胺、聚甲醛和聚四氟乙烯；
要求耐高温或低温且冲击性好，能作成 透明片材使用的，选聚碳酸酯；
作冷藏设备部件或电冰箱内胆，以ABS 较好。
合成橡胶
合成橡胶是以石油和天然气为原 料合成的一种高分子化合物。如丁苯 橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶及具特殊 性能的特种橡胶，如医疗、航空工业 上广泛应用的硅橡胶，耐高温的氟橡 胶和耐油性特别好的丁腈橡胶等。现 在的总产量已经超过天然橡胶的一倍 以上。
硅橡胶的结构式
• 甲基乙烯基硅橡胶
硅橡胶的特性
• 硅橡胶具有最广的工作温度范围（100～350oC），耐高低温性能优异，此 外，还具有优良的热稳定性、电绝缘性、 耐候性、耐臭氧性、透气性、很高的透 明度、撕裂强度，优良的散热性以及优 异的粘接性、流动性和脱模性，一些特 殊的硅橡胶还具有优异的耐油、耐溶剂、 耐辐射及在超高低温下使用等特性。
第十章 高分子化合物与材料
10.1 高分子化合物概述 10.2 高分子化合物的结构与性能
10.3 重要的高分子材料
10.1 高分子化合物概述
10.1.1 高分子化合物的基本概念 高分子化合物：由许多个结构相同的重复单元以
共价键相连，以长链分子为基础的大分子组成的化合物。 又称为聚合物或高聚物。
单体
ABS
• ABS树脂是一种热塑性塑料，以丙烯腈、 丁二烯和苯乙烯三种单体组成。ABS有 很多特殊的品种，包括一般用途、高冲 击性、耐高热、阻燃级等，并且在汽车、 电器、电子工业等方面有着非常广泛的 应用
聚四氟乙烯塑料
• 聚四氟乙烯（PTFE）塑料是一种 性能优异的工程塑料，它具有自润 滑性能好，磨擦系数低，耐高低温， 耐腐蚀以及良好的绝缘性能和不粘 性，且长期使用温度范围在－ 200～260℃，有“塑料王”之称 。 被广泛应用于机械，电子，石油， 化工，食品、轻工等行业。
10.2.3 高分子化合物的性能 1、弹性与塑性
可塑性 热塑性 热固性 2、机械性能 机械性能主要取决于分子链之间的作用力。 3、电绝缘性 大部分高分子化合物不导电。 4、溶解性 “相似相溶”规则
5、化学稳定性和老化
高分子在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫
外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐
工程塑料的应用
作齿轮、轴承、泵叶、汽车零部件、仪器仪表元 件等宜选用聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚和聚砜；
作汽车传动万向节轴承乙聚甲醛最能胜任；作 高度防腐蚀部件、容器或衬里选聚四氟乙烯或氯 化聚醚为宜；
作电子、电器等复杂形状的部件，要用ＡＢＳ或 ＤＡＰ；
要求耐高温的电绝缘材料，可从聚酰亚胺、聚芳 砜、聚芳酯或和聚四氟乙烯中选用；
高到玻璃化温度以上，链段可随外力作用的方向而运 动，产生很大的形变，外力解除后，能恢复原状，即 发生高弹形变，所处状态称为高弹态。
由玻璃态转变到高弹态的温度称为玻璃化温度， 用Tg表示。
粘流态：温度再升高，整个大分子链都能发生相 对移滑动，同小分子液体类似，这种流动形变是不可 逆的，称为粘流形变，聚合物所处状态叫粘流态。
渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、
变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象， 叫做高分子化合物的老化。
高分子的老化过程主要包括交联和裂解两种反应。 交联是指在大分子链之间形成化学键，从线型变 为体型结构的过程。导致高分子失去弹性、变脆、变 硬。 降解又称裂解，是指大分子链发生断裂，聚合物 相对分子质量明显降低的过程。使高分子变软、变粘 并失去机械强度。
链节
聚合度（DP）
10.1.2 高分子化合物的命名 1、根据单体名称命名：是按组成高聚物的单体名 称来命名的,具体的就是在单体名称前冠以“聚”字。 由两种单体缩聚而成的聚合物，如果结构比较复
杂，则往往在单体名称后对塑料而言加上“树脂”二 字；对橡胶则加上“橡胶”二字；对纤维则加上“纶”
2、商品名称及英文缩写符号