第九章 高分子材料

9.1.1 高分子材料的分类和命名
• 高分子材料多采用习惯命名。常用的有: • ①在原料单体名称前加“聚”字，如聚乙 烯、聚氯乙稀等； • ②在原料单体名称后加“树脂”，如环氧 树脂、酚醛树脂等。 • ③采用商品名称，如聚酰胺称为“尼龙” 或“棉纶”、聚酯称为“涤纶”、聚甲基 丙烯酸称为“有机玻璃”等。 • ④采用英文字母缩写，如聚乙烯用“PE”、 聚氯乙稀用“PVC”等。
9.1.2 高分子材料的力学状态
• 1.线型非晶态高聚物的力学状态 • 根据高聚物在恒定应力条件下的温度-形变 曲线，即热-机曲线，可描述聚合物在不同 温度下出现3种力学状态，如图9－1所示。
9.1.2 高分子材料的力学状态
• (1)玻璃态 • 在低温下，分子运动能量低，链段不能运 动 ，在外力作用下，只能使大分子的原子 发生微量位移而发生少量弹性变形，这种 状态称为“玻璃态”。 • 高聚物呈玻璃钛的最高温度叫“玻璃化温 度”，用“Tg”表示。 • 在这种状态下使用的材料有塑料和纤维。
9.2.1 工 程 塑 料
• (2)塑料的分类 • 按树脂受热时的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、用途广泛。 • 主要包括聚乙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯、 聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。其产量 约占塑料总产量的3/4以上。
9.2.1 工 程 塑 料
• 聚碳酸脂具有优良的力学性能,尤以冲击强 度合尺寸稳定性为突出，透明无毒，广泛 用于机械、仪表、电讯、交通、航空、光 学照明、医疗器械等方面。如波音747飞机 上有2500个零件用聚碳酸脂制造，总重量 达2t。
9.2.1 工 程 塑 料
• 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,摩檫系数极 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。
9.2.2 合 成 橡 胶
• 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，它的弹性模量很 低，只有1MPa。橡胶有储能、耐磨、隔音、 绝缘等性能。 • 橡胶广泛用于制造密封件、减振件、轮胎、 电线等。
9.1.2 高分子材料的力学状态
• (2)高弹态 • 温度高于Tg,分子活动能力增加，大分子的 链段发生运动，因此产生很大的弹性变形, 可达100％～1000％，被称为“高弹态”。 • 在这种状态下使用的高聚物是橡胶。
9.1.2 高分子材料的力学状态
• (3)粘流态 • 由于温度高，分子活动能力很大，在外力 作用下，大分子链可以相对滑动。称为 “粘流态”。 • 粘流态是高分子材料的加工态，大分子开 始粘性流动的温度称为“粘流温度”，用 “Tf”表示。 • 一些常见高分子材料的Tg和Tf见表9－1。
9.2.1 工 程 塑 料
9.2.1 工 程 塑 料
9.2.1 工 程 塑 料
• 聚氯乙稀成本低,但有一定的毒性。 • 根据增塑剂用量的不同分为硬质和软质两 种。硬质 聚氯乙稀主要用于工业管道系统 及化工结构件等,软质聚氯乙稀用于薄膜、 电缆包覆等。 • 聚苯乙烯电绝缘性优良,但脆性大，主要用 于日用、装潢 、包装及工业制品,如仪器仪 表外壳、接线合、开关按钮、玩具、包装 及管道的保温层、耐油的机械零件等。
9.2.1 工 程 塑 料
• (3)耐蚀用塑料 • 主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚、聚丙烯等。 • 氯化聚醚的化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 业和机电工业中获得广泛应用,如化工设备零 件、管道、衬里等。
9.2.1 工 程 塑 料
• (4)耐高温件用塑料 • 这类塑料主要有聚砜、氯化聚醚、聚丙烯 等。 • 聚砜的热稳定性高是其最突出的特点。长 期使用温度可达150～174℃，且蠕变值极 低。它具有优良的力学性能和电性能，可 进行一般成型加工和机械加工，广泛用于 电气、机械设备。医疗器械、交通运输等 工业。
9.2.1 工 程 塑 料
• (3)塑料的性能特点 • 塑料的优点是: • 密度小（一般为0.9~2.3）耐蚀性、电绝缘 性、减磨、耐磨性好,并有消音吸振性能。 • 缺点是: • 刚性差(为钢铁的1/100~1/1000),强度低(最 高的玻璃纤维强化尼龙也只达到铸铁的强 度水平),耐热性差(少数塑料200℃以上),热 膨胀系数大(钢铁的10倍),导热系数小(金属 的1/200~1/600),蠕变温度低(常温下受力时 便会发生蠕变),易老化。
9.2.1 工 程 塑 料
• 聚苯醚具有良好的综合性能,蠕变值低，且 随温度变化小，使用温度宽(-190~190℃)。 ‘广泛用于机电、电器、化工、医疗器械 等方面。 • 聚酰亚胺是耐热性最高的塑料,其在260℃下 可长期使用,但加工性能差,成本高,主要用于 特殊条件下使用的精密零件,如喷气发动机 供燃料系统的零件、耐高温、高真空的自 润滑轴承及电气设备零件等。
9.2.1 工 程 塑 料
• 工程塑料是指在工程技术中用做结构材料 的塑料。 • 它们的力学性能较高，耐热、耐蚀性能也 比较好。 • 主要有聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸脂、ABS、 聚苯醚、聚砜、氟塑料等。 • 特种塑料是指具有某些特殊性能的塑料， 如耐高温、耐腐蚀等，这类塑料产量少， 价格贵，只适用于特殊场合。
9.2.1 工 程 塑 料
• 聚丙烯具有优良的综合性能,可用来制造各 种机械零件,如法兰、齿轮、接头、把手,各 种化工管道、容器，以及医疗器械、家用 电器部件等。 • ABS塑料由丙稀腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯 (S)三种单体共聚而成,兼具三组分的性能,是 具有“坚韧、质硬、刚性”的材料，在机 械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制 造业及化工工业中被广泛应用。
9.2.1 工 程 塑 料
• • • • 2.常用工程塑料 常用塑料 的综合性能及用途如表9－2所示。 (1)一般结构用塑料 一般结构用塑料包括聚乙烯、聚氯乙稀、聚 苯乙烯、聚丙烯和ABS塑料等。 • 聚乙烯合成方法有低压、中压、高压三种。 高压聚乙烯质地柔软，适于制造薄模。低压 聚乙烯质地坚硬，适于做结构材料，如化工 管道、电缆绝缘层、小负荷齿轮、轴承等。
9.1.1 高分子材料的分类和命名
• ⑷按主链上的化学组成可分为碳链聚合物、 杂链聚合物和元素有机聚合物。 • 碳链聚合物的主链由碳原子一种元素组成， 如－C－C－C－C－C－。 • 杂链聚合物的主链除碳外还有其他元素， 如-－C－C－O－C－，－C－C－N－C－, －C－C－S－C－等。 • 元素有机聚合物的主链由氧和其他元素组 成，如－O－Si－O－Si－O－等。
9.2.1 工 程 塑 料
• (2)摩檫传动零件用塑料 • 这类塑料主要包括聚酰胺、聚甲醛、聚碳 酸脂、聚四氟乙烯等。 • 聚酰胺又称尼龙或锦纶，品种很多，机械 工业常用尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙 1010、尼龙MC等 • 这类塑料强度较高、耐磨、自润滑性好、 广泛用于做机械、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、电气仪表农机等方面。
9.1.2 高分子材料的力学状态
• 由于高分子材料只是部分结晶,因而在非晶 区的Tg与晶区的Tm温度区间,非晶区柔性好, 晶区刚性好,处于韧性状态,称为“皮革态”。 • 体型高聚物的力学状态与交连点的密度有 关,密度小,链段仍可运动,具有高弹态,如轻 度硫化的橡胶。 • 交连点密度大则链段不能运动,此时Tg＝Tm, 高聚物变得硬而脆,如酚醛塑料。
9.2.1 工 程 塑 料
• 环氧塑料是以环氧树脂为基，加入填料及 其它添加剂而制成的。 • 环氧塑料强度高,耐热,耐蚀,电绝缘性好。 • 主要用于制作仪表构件、塑料模具、黏合 剂、复合材料等。
9.2.2 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.相交的组成和性能特点 • 工业橡胶是由生胶和橡胶配合剂组成。 • 生胶是指无配合剂、未经硫化的橡胶，其 来源有天然和合成两种。 • 生胶的性能随温度变化很大,如高温发粘， 低温变脆，必须加入配合剂，经硫化处理 后才能制成各种橡胶制品。
9.2
常用高分子材料
• 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材料。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9.2.1 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、压力下可塑制成形，并在常温 下保持形状不变。 • 塑料与橡胶、纤维的界限并不严格，橡胶 在低温下，纤维在定向拉伸前都是塑料。 • 由于塑料的原料丰富，制取方便，成形加 工简单，成本低，并且不同塑料具有多种 性能，因而应用广泛。
第九章
主讲
高分子材料
韩会民
9.1
概 述
• 高分子材料分为：天然高分子材料和人工 高分子材料两类。 • 天然的有：松香、淀粉、天然橡胶等。 • 人工的有：塑料、合成橡胶等。 • 工业用的高分子材料大都是人工合成的。
9.1.1 高分子材料的分类和命名
• 高分子材料的分类方法很多,常用的有以下 几种: • ⑴按用途分为:塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、 涂料等。 • 塑料在常温下有固定的形状,强度较大,受力 后能发生一定的变形。 • 橡胶在常温下具有很高的弹性,而纤维的单 丝强度高。 • 有时把聚合后未加工的聚合物称为树脂,如 电木未固化前称为“酚醛树脂” 。
9.1.2 高分子材料的力学状态
9.1.2 高分子材料的力学状态
• 2.线型晶态高聚物和体型高聚物的力学状态 • 晶态高聚物的热-机曲线如图9－2所示。
Tm－熔点； Tf－粘流温度；
9.1.2 高分子材料的力学状态
• 这种高聚物分为一般分子量和很大分子量两 种状态。 • 一般分子量的高聚物在低温时，链段不能活 动,变形小,因此在Tm以下与非晶态高聚物的 玻璃态相似,高于Tm相似则进入粘流态。 • 分子量很大的晶态高聚物存在高弹态(Tm~Tf)
9.1.3 常用高分子材料的化学反应
• 1.交连反应 是指大分子由线型结构变为体 型结构的过程。 • 交连反应使聚合物的力学性能、化学稳定 性提高。如树脂的固化、橡胶的硫化等。 • 2.裂解反应 是指大分子链在各种外界因素 (光、热、辐射、生物)作用下,发生链的断裂, 分量下降的过程。 • 3.聚合物的老化 是指高分子材料长期使用 过程中,由于受热、氧、紫外线微生物等因 素作用发生变硬变脆或发软发粘的现象。
9.2.1 工 程 塑 料
• (5)热固性塑料 • 是指在树脂中加入固化剂并压制成型的体 型聚合物。 • 酚醛树脂是由酚类和醛类合成的,应用最多 的是苯醛和甲醛的聚合物。 • 酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及 其他添加剂而制成的。这种塑料的性能因 填料不同而变化，广泛用于制作各种电讯 器材和电木制品(如插座、开关等)、耐热绝 缘件及各种结构件。
9.2.1 工 程 塑 料
• 1.工程塑料概述 • (1)塑料的组成 • 塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加 剂并塑制成型的材料。 • 树脂是塑料的主要成分，它对塑料的性能 起着主要作用。 • 添加剂是为了改善塑料某些性能而加入的 物质，其中填料起主要作用；
9.2.1 工 程 塑 料
• 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成型过程中粘在模具 上，并使制品表面光亮； • 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。
9.1.1 高分子材料的分类和命名
• ⑵按聚合物反应类型可分为加聚物和缩聚 物。 • 加聚物是由加成聚合反应(简称“加聚反 应”)得到，链节结构与单体结构相同，如 聚乙烯。 • 缩聚物是由缩合聚合反应(简称“缩聚反 应”)得到，聚合过程中有小分子副产品放 出。
9.1.1 高分子材料的分类和命名
• ⑶按聚合物的热行为可分为热塑性聚合物 和热固性聚合物。 • 热塑性聚合物的特点是热软冷硬，如聚乙 烯。热固性聚合物受热时固化，成形后再 受热不软化，如环氧树脂。