高分子材料与陶瓷材料介绍

高分子材料与陶瓷材料

高分子材料

高分子材料来源丰富，生产成本低廉。在生产以及日常生活中已经成为不可缺少的一类材料。

按照用途可以将高分子材料分为塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等。

高分子材料又称为高聚物。

一、高分子材料的基本概念

1.高分子化合物是分子量特别大的一类化合物。

一个高分子化合物种可能包含成千上万个原子。高分子化合物的分子量可以高达几万、几十万甚至上百万。

原子之间以共价键连接起来。

自然界中存在的纤维素、淀粉、蛋白质和天然橡胶都是由高分子化合物组成的。人工合成的各种塑料、橡胶和纤维也是由高分子化合物组成的。

2.高分子化合物的分子量虽然很大，但其化学成分组成一般都比较简单。

组成高分子的元素主要是碳、氢、氧、氮和硅等少数几种元素。

整个高分子只不过是许多简单的结构单元重复连接起来的长链。

合成高分子所用的小分子原料称为单体，在高分子中称重复结构单元，又叫链节。

高分子中包含的重复结构单元的数目称为聚合度。聚合度越大，高分子的分子量越大。

高分子材料由大量的大分子链聚集而成。合成时大分子链长短不一，其数量呈统计规律分布。高分子材料的分子量是大量分子链分子量的平均值。以各级分子量取平均值得到的平均分子量叫做重均分子量。

二、高分子材料的人工合成

高分子材料可使用小分子单体通过加聚反应或缩聚反应制备得到。

1.加聚反应

含有双键的低分子化合物（单体）在光、热或引发剂的引发下使双键打开，由共价键互相连接而形成大分子链的反应。

由一种单体加聚而成的聚合物叫均聚物，如乙烯聚合得到聚乙烯。

如果聚合物链由两种或两种以上的单体聚合而成，则称为共聚物，如ABS树脂是由丙烯腈（Acrylonitrile）、1,3-丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene）三种单体聚合得到的。

加聚反应得到的高分子其分子量等于单体分子量的加和。

2.缩聚反应

由两种或两种以上具有官能团（决定分子化学性质的特殊原子团）的低分子化合物（单体），通过官能团的相互缩合作用，逐步合成为一种大分子链，同时析出一个小分子副产物（如水、氨或醇）等的反应。

缩聚反应中，得到的高分子产物叫缩聚物。

由于缩聚反应中生成低分子副产物，缩聚高分子的组成不可能与原料单体的组成完全相同，缩聚高分子的分子量也不可能是单体分子量加和。但是在缩聚高分子链中仍保留着原料单体的结构特征。

三、高分子化合物的基本性质

1.质轻：高分子化合物都具有较小的密度，如各种塑料的相对密度大致为0.9~

2.2。

2.比强度高：高分子材料在不少场合已逐步取代金属材料的位置，如已有“全塑汽车”问

世。

3.弹性：高分子材料都具有弹性。广泛使用橡胶制造轮胎、减震密封垫片即是利用其高的

弹性。

4.可塑性：在常温，或加热到一定温度下，高分子材料在压力作用下都可发生塑性变形，

易于加工成形。

5.耐磨性：由于高分子材料具有弹性，用高分子材料制成摩擦副在相对运动时不易咬合。

而且聚四氟乙烯等高分子材料还有自润滑性，所以高分子材料一般耐磨损。

6.绝缘：高分子材料是电和热的绝缘体。

7.耐腐蚀：高分子材料不会发生电化学腐蚀。但高分子的老化可认为是一种广义的腐蚀破

坏。

四、高分子材料的力学状态

高分子材料随温度变化，可呈现不同的力学状态，对高分子材料的加工成形和使用都具有重要意义。

在恒定载荷作用下，线型无定型高聚物在不同温度范围存在三种状态：

1.玻璃态

温度较低时，高聚物呈刚性固体状，在外力作用下只发生很小的且可恢复的形变。

一般以塑料形式使用的状态是高分子材料的玻璃态。所有室温下处于玻璃态的高聚物都叫塑料。

2.高弹态

在超过玻璃化转变温度Tg后，高聚物会变成柔软的弹性体。在载荷的作用下，形变明显增加。去掉外力后，形变可回复，但需要时间。

高弹态又称橡胶态，是橡胶的使用状态，所有室温下处于高弹态的高分子材料都叫橡胶。

3.粘流态

温度高于软化温度Tf时，高聚物处于粘性流体状态，可以流动。

粘流态是高聚物流变加工成形的工艺状态。

五、高分子材料的应力-应变行为

室温下高分子材料有四种典型的应力-应变行为：

1.刚而脆：弹性模量大，但强度低，断裂时形变小，呈现脆断特征。如聚苯乙烯塑料。

2.刚而强：弹性模量大，且强度高，断裂时形变小，呈现脆断特征。如有机玻璃、硬聚氯

乙烯等。

3.软而韧：弹性模量小，且强度低，断裂时形变大，具有一定的韧性。如聚酸脂和一部分

结晶高聚物。

4.刚而韧：弹性模量大，且强度高，断裂时形变大，具有一定的韧性。如多数橡胶材料。

与金属材料相比，高聚物的弹性模量和强度要低得多，最大可能的断裂伸长率又比金属高得多（即高分子材料具有更强的塑性）：

⏹高聚物的弹性模量范围为7~35GPa，金属材料的弹性模量范围为48~410Gpa。

⏹高聚物的最大强度为240MPa，金属材料中某些合金的强度可高达4100Mpa。

⏹高弹态高聚物的断裂伸长率可达到1000%，而一般金属塑性变形时最大的断裂伸长

率不超过100%。

高聚物的应力-应变行为受温度影响很大。随温度升高，弹性模量和强度下降，断裂伸长率增加。如有机玻璃，在40o C时是典型的刚而脆的材料，而到660o C时，变成典型的刚而韧的材料。

六、常用高分子材料

高聚物根据力学性能和使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类，但是各种高聚物之间并无严格的界限。同一种高聚物采用不同的合成方法和成形工艺，可以制成不同使用状态的产品。如尼龙，即可制成塑料，也可制成纤维。某些高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，很难明确归类为塑料或橡胶。如聚氨酯类高聚物。

1.塑料

塑料工业已有100多年的历史，是高分子材料工业中生产最早、发展最快、产量最大、应用最广的一个行业。每隔五年，世界塑料产量就翻一番。