淺析高分子性能與組成和結構的關系介紹.doc

1、專家講座1.6淺析高分子材料性能與組成、結構的關系北京工商大學教授王錫臣一 概述1 高分子材料及其分類：相對分子質量超過 10000 的化合物稱之高分子材料， 又稱高聚物或聚合物。 高分子材料可分天然高分子 （如淀粉、 纖維素、 蠶絲、羊毛等） 和合成高分子， 通常所說高分子材料指的是后者。按其應用來分，高分子材料可分為塑料、橡膠、化纖、涂料和粘合劑五大類，有時又將塑料和橡膠合稱為橡塑。由于大量新材料的不斷出現(xiàn)，上述分類方法并非十分合理。2 決定高分子材料性能主要因素：（ 1）化學組成：高分子材料都是通過單體聚合而成，不同單體，化學組成不同，性質自然也就不一樣，如聚乙烯是由乙烯單體聚合而成，

2、聚丙烯是由丙烯單體聚合而成的， 聚氯乙烯是由氯乙烯單體聚合而成。由于單體不同，聚合物的性能也就不可能完全相同。（ 2）結構：同樣的單體即化學組成完全相同， 由于合成工藝不同， 生成的聚合物結構即鏈結構或取代基空間取向不同， 性能也不同。 如聚乙烯中的 HDPE 、LDPE 和 LLDPE ，它們的化學組成完全一樣，由于分子鏈結構不同即直鏈與支鏈，或支鏈長短不同，其性能也就不同。（ 3）聚集態(tài)高分子材料是由許許多多高分子即相同的或不相同的分子以不同的方式排列或堆砌而成的聚集體稱之聚體態(tài)。 同一種組成和相同鏈結構的聚合物， 由于成型加工條件不同， 導致其聚集態(tài)結構不同，其性能也大不相同。高分子材料

3、最常見的聚集態(tài)是結晶態(tài)、非結晶態(tài)，又稱玻璃態(tài)和橡膠態(tài)。聚丙烯是典型的結晶態(tài)聚合物，加工工藝不同，結晶度會發(fā)生變化，結晶度越高，硬度和強度越大，但透明降低。 PP 雙向拉伸膜之所以透明性好，主要原因是由于雙向拉伸后降低了結晶度，使聚集態(tài)發(fā)生了變化的結果。（ 4）分子量與分子量分布（相對分子質量與相對分子質量分布）：對于高分子材料來說，分子量大小將直接影響力學性能，如聚乙烯雖然都是由乙烯單體聚合而成，分子量不同，力學性能不同，分子量越大其硬度和強度也就越好。如PE 蠟，分子量一般為 5005000 之間，幾乎無任何力學性能，只能用作分散劑或潤滑劑。而超高分子量聚乙烯，其分子量一般為 70120 萬

4、，其強度都超過普通的工程塑料。表-1 列出 LDPE 性能與相對分子質量的關系。表-1LDPE 性能與數(shù)均相對分子質量（）的關系1043.22.82.42.0性能4.8熔體流動速率 /g/10min0.3272070拉伸強度 /MPa15.812.810.79.2斷裂伸長率 /%620600500300150缺口沖擊強度 /kJ/m25454545454110第二屆改性塑料新技術、新產品（配方設計與加工）推廣培訓班講 義高分子材料實際上是不同分子量的混合體，任何高分子材料都是由同一種組成而分子量卻不相同的化合物構成。 通常所說的分子量大小是指的平均分子量。分子量分布這一專用述語是用來表示該聚合

5、物中各種分子量大小的跨度。分子量分布越窄即跨度越小，同樣平均分子量的高分子材料其耐低溫脆折性和韌性越好，而耐長期負荷變形和耐環(huán)境應力開裂性下降。3 表征高分子材料性能常用的兩個物理量：（ 1）密度：單位體積物質的質量稱之密度，其單位一般用g/cm3 表示。對于高分子材料來說，密度大小表示高分子鏈之間接近的程度，或者說密堆積的程度。 同一種高分子材料，密度大小將表示支鏈化的程度。支鏈化程度越小，密度越大，材料的硬度強度越好，而韌性降低。表-2 列出聚乙烯性能與密度的關系。表 -2 聚乙烯性能與密度的關系密度 /g/cm 30.910.920.930.940.950.960.970.98性能相對硬

6、度 / 邵氏1234拉伸強度 /MPa14.417.524.533.540.0斷裂伸長率 /%5003001002025缺口沖擊強度 /kJ/m25427211618軟化點 /105118124127從表 -2 中所列數(shù)據(jù)可以看出，斷裂伸長率和缺口沖擊強度之間成正比關系，而與硬度和拉伸強度則成反比關系。這種規(guī)律幾乎適用于所有高分子材料。斷裂伸長率和缺口沖擊強度越大，材料的韌性越好，而強度相反越小。（ 2）熔體流動速率MFR ：熔體流動速率 （ MFR ）是指在規(guī)定的試驗條件下，10min 內擠出的熱塑性高分子材料的量（見GB/T2035-1996 ），其單位為 g/10min 。MFR 是通過

7、熔體流動速率測定儀測得的。 不同的高分子材料其測定條件并不相同， 如 PE 是在 1905、21.2N 負荷作用下測得， PP 是在 230 5、21.2N負荷作用下測得。MFR 是高分子材料分子量大小另一種表征形式，MFR 越大高分子材料的分子量越小。對于LDPE 來說， MFR 與數(shù)均分子量（）之間具有以下定量關系：MFR L 是表征高分子材料熔體表觀粘度（）大小的物理量，二者的關系如下式所示：以上兩個關系式只是近似定量關系式，主要適用高MFR 的高分子材料。從兩關系式可以看出， MFR 越大，越小， 也越小，材料的加工流動性越好。4 選擇載體樹脂的理論依據(jù)：載體樹脂是一種用來作填充料 （

8、填充母粒和色母粒） 的樹脂， 顧名思義是借助于該樹脂的作用將填充料分散到塑料制品中。為此，載體樹脂必須具備以下兩個條件：（ 1） MFR 要大：由以上討論所知MFR 越大，樹脂的分子量（）越小，熔體粘度（）也就越小，熔體的流動性越好， 對無機粉表面包覆越充分，最好能使無機粉每一顆原生粒子的表面都裹上一層載體111專家講座樹脂膜，才能使填料均勻地分散到塑料制品中。載體樹脂的MFR 最好為 1020，不同用途的填充母粒應有所不同。用作膜的填充母粒尤其是流延膜最好選MFR 為 1620 的樹脂。選用兩種不同MFR 的樹脂復配使用比單一樹脂的效果更好。復配后的混合樹脂的MFR 可以通過圖 -1 近似求

9、得。圖 -1 兩種不同 PE 混合后 MFR圖 -1 是一個示意圖。圖中的 A 點表示 60 份 MFR 為 20 的 PE 與 40 份 MFR 為 10.5 的 PE 混合物的 MFR ，為 16。B 點表示 40 份 MFR 為 20 的 PE 與 60 份 MFR 為 5.6 的 PE 混合物的 MFR ，為 10.8。 C 點表示 80 份 MFR 為 14 份的 PE 與 20 份 MFR 為 4 的 PE 混合物的 MFR ，為 11.6。（ 2）載體樹脂與制品中的基體樹脂相容性要好填充母粒中的載體樹脂的功能是將無機粉運載到制品基體樹脂中，并能與基體樹脂形成一個均勻體系。為此，載

10、體樹脂與基體樹脂必須相容性好。判斷樹脂間的相容性有兩種方法，即溶解度參數(shù)法和內聚能（或內聚能密度）法。表-3列出常見幾種聚合物的溶解度參數(shù)。表-4 列出聚合物中常見基團內聚能。聚合物內聚能等于分子中各種基團內聚能總和，所以從基團內聚能大小可以判斷不同聚合物之間內聚能的差異。表 -3 常見聚合物溶解度參數(shù)（ ）聚合物溶解度參數(shù)（ ）聚合物溶解度參數(shù)（ ）PE7.98.1有機玻璃9.3PP7.68.0PV9.59.7乙 -丙橡膠7.9聚氨酯10.0PS8.69.1PET10.7EVA9.4PA-6613.6112第二屆改性塑料新技術、新產品（配方設計與加工）推廣培訓班講 義表 -4聚合物中常見基團

11、內聚能基 團內聚能 /K 卡 /mol基 團內聚能 /K 卡 /mol CH31.78 OH7.25 CH20.994.270.385.5 O1.6316.20溶解度參數(shù)法只適用于非極性聚合物，如PE、 PP、PS 等。凡是兩種聚合物溶解度參數(shù)之差的絕對值小于0.5，二者相容，否則不相容。內聚能法適用于所有聚合物， 聚合物內聚能相同或相近、 相容，符合有機物相似相溶的基本規(guī)則。二 聚乙烯性能與結構的關系聚乙烯的合成單體都是乙烯，其組成相同。由于合成方法不同，聚乙烯的結構有所不同，其性能也不完全相同。1 高壓聚乙烯（低密度聚乙烯）LDPE ：LDPE 是在微量氧的存在下，通過高溫（200）高壓（

12、 1000 大氣壓）聚合而成。從聚合機理來說屬于自由基聚合，易引起鏈轉移，所以支鏈比較多，每1000 個 C 的主鏈上具有1530 個支鏈，而且支鏈比較長，鏈與鏈之間距離較大，密度小（0.9100.925g/cm 3），故又稱之低密度聚乙烯。2 低壓聚乙烯（高密度聚乙烯）HDPEHDPE 是在齊格勒納塔催化劑作用下，在 6595， 114 個大氣壓下聚合而成。從聚合機理來說屬于陰離子配位聚合，很少發(fā)生鏈轉移，支鏈很少，而且很短，每1000 個 C 主鏈上僅有0.53 個支鏈，分子量較大，為 730 104，幾乎是 LDPE 的 2倍以上。由于支鏈少，而且短，分子鏈之間靠的比較近，密度大（0.9

13、400.965 g/cm3），故又稱之高密度聚乙烯。3 線型低密度聚乙烯LLDPELLDPE 合成工藝基本上與 HDPE 相同，所不同的是所用單體除乙烯外，還有小部分-烯烴如 1-丁烯、丙烯、 1-己烯、 1-辛烯等。實際上LLDPE 是乙烯與 -烯烴共聚物。所謂線型指的是兩種單體在聚合過程中頭尾相接而成，并非無支鏈。 雖然也有許多支鏈， 但支鏈的長度僅僅是 -烯烴聚合后余下的部分，分子鏈之間距離較LDPE 小，密度比 LLDPE 大，但比 HDPE 小。三種聚乙烯從主鏈組成來看，都是以CH2為主體的鏈狀高分子化合物。所不同的只是結構上的差異即支鏈化程度和支鏈的長短不同。如圖-2 所示。圖 -

14、2三種 PE 分子鏈結構示意圖113專家講座盡管三種PE 只是在鏈結構上有所差異，卻直接影響到分子鏈間的距離，進而影響到材料的密度，正如表-2 所示，材料的密度主要由鏈結構所決定。而密度又直接影響材料性能，所以鏈結構不同性能自然也就不同。4 茂金屬聚乙烯mPEmPE 是以金屬茂（ MAO 即甲基鋁氧化物）為催化劑，用乙烯丙烯為原料，聚合而成。實際上是乙烯、丙烯共聚物。與普通乙烯丙烯共聚物最大區(qū)別是：由于金屬茂催化劑的強定向作用，使分子鏈中的丙烯單體和單體上的甲基呈有序排列，而且分子量分布窄。正由于 mPE 上述結構特征，使mPE 具有如下優(yōu)異特性：（ 1）韌性好、剛性大、透明性和清潔度比普通P

15、E 都好；（ 2）熔體強度大，不易發(fā)生破裂，適合加工超薄膜制品；（ 3）熔體粘度大，熱穩(wěn)定性好， 315以上才開始分解，可以在 288315下加工生產復合膜，膜與膜間粘合力大，復合膜強度好。（ 4）低溫熱封性好，比 LDPE 低 18，比 LLDPE 低 26，比 EVA 低 5，是至今低溫熱封性能最好的樹脂，可廣泛應用于食品包裝。三 聚丙烯性能與結構關系：工業(yè)上的聚丙烯（PP）有均聚物和共聚物兩大類型。1 PP 均聚物：通常所用的 PP 都是 PP 均聚物。它是以丙烯為原料在齊格勒納塔催化劑作用下，通過陰離子定向聚合而成。市場上銷售的有粉狀和粒狀兩種類型產品，后者是通過二次造粒制得的。與 P

16、E 相比 PP 最大區(qū)別是C 鏈上含有甲基，甲基的存在使分子鏈間距增大，密度減小，PP在所有樹脂中密度最?。?.900.91g/cm 3）。聚丙烯 C 鏈的甲基還能使叔C 原子活化，使PP 不穩(wěn)定，在空氣氧或陽光或加熱情況下容易分解；所以PP 在加工中應加入一定量穩(wěn)定劑（粒狀PP內已含有穩(wěn)定劑） 。PP C 鏈上的甲基在空間取向不同，PP 可分等規(guī)PP、間規(guī) PP 和無規(guī) PP 三種：等規(guī) PP間規(guī) PP無規(guī) PP等規(guī) PP 和間規(guī) PP C 鏈上的甲基在空間取向是規(guī)整有序的，或取向一致，或間隔取向。而無規(guī) PP C 鏈上的甲基在空間取向無規(guī)律性，隨意排布。也正由于這結構上的微少差異，使其性能

17、差別很大，等規(guī)PP 和間規(guī) PP 具有很好的力學性能（市場所售PP 為等規(guī) PP），而無規(guī)PP 呈蠟狀物，基本上無力學性能。等規(guī) PP 與 PE 在力學性能上最大區(qū)別是具有強的力的異向性。PP 沿著 C 鏈方向拉伸， 即縱向拉伸強度非常好，而沿著垂直 C 鏈方向拉伸則強度很弱。其原因同樣是甲基的存的，而且是規(guī)整的排列，使 PP 分子鏈無法靠近，分子鏈之間是靠范德華力相連接，而范氏力與分子間距離114第二屆改性塑料新技術、新產品（配方設計與加工）推廣培訓班講 義成反比。所以 PP 分子鏈間的范氏力遠遠小于PE。從上述討論， 可以看出， PP 的幾乎所有性能都與甲基和甲基的空間排布方式有關，PP與

18、PE性能上的差異完全由甲基的存在所決定。2 PP 共聚物：PP 共聚物主要是丙烯與乙烯共聚物。除前面介紹的mPE 外，丙烯與乙烯共聚物主要有以下幾種。（ 1）乙 -丙橡膠：PP 共聚物的性能與組成具有密切關系，當共聚物中丙烯含量為510% 時，與PE 相比，除韌性提高外，其它性能基本與PE 相同。當丙烯含量為4070% 時，則完全成為一種無定形的橡膠狀彈性體，稱之為乙-丙橡膠。主要用作其它樹脂改性劑，可提高材料的韌性和抗沖擊強度。當丙烯含量大于80% 時，則性能趨向PP，但比 PP 性能好。（ 2） PP 無規(guī)共聚物：PP 無規(guī)共聚物中，乙烯含量一般不超過20%。所謂無規(guī)是指乙烯單體在無規(guī)共聚

19、物分子鏈中呈無規(guī)則排列， 乙烯可起到阻止共聚物結晶作用， 使結晶度降低， 玻璃化溫度降低， 但透明性、柔軟性和光澤度提高。 PP 無規(guī)共聚物主要用來制作耐寒性薄膜、低溫熱封性包裝膜和透明性中空制品。（ 3） PP 嵌段共聚物PP 嵌段共聚物的分子鏈中乙烯和丙烯組分呈嵌段式排布。嵌段共聚物中乙烯含量為520%。與 PP 無規(guī)共聚物相比，軟化溫度降低很小，而脆化溫度卻提高很大。PP 嵌段共聚物與PP 等規(guī)均聚物相比，在剛性基本保持不變的情況下，耐低溫性、韌性和抗沖擊性卻得到較大提高。PP 嵌段共聚物與 HDPE 相比，耐熱性、抗應力開裂性、抗蠕變性和表面硬度都獲得提高，而收縮率降低。 PP 嵌段共

20、聚物主要用于耐沖擊的聚丙烯制品，如啤酒瓶等各種容器，管材、洗衣機內缸等家電制品。從上述 PP 共聚物的討論中，可以進一步證明，高分子材料的性能與其組成和結構有著密切關系。四 苯乙烯系列聚合物性能與組成關系：1 通用級聚苯乙烯PSPS 是苯乙烯的均聚物（），是一種線型無定型熱塑性樹脂，是苯乙烯系列聚合物中主要品種。PS 質輕堅硬，密度為1.05g/cm 3，無色、透明，具有較好剛性、透明性和表面光澤性，沖擊強度小，耐磨性差，軟化溫度為8090，熱容低，流動性好，易加工成型。主要用于日用小商品、包裝、建材和家用電器零部件等。其中用量較大的是發(fā)泡制品，即EPS 制品。EPS 是在合成 PS 過程中，

21、加入 58%的低沸蘭烴類發(fā)泡劑，如石油醚、丙烷、丁烷和戊烷等。為了提高發(fā)泡效果，還加入少量交聯(lián)劑、阻燃劑和孔尺寸控制劑等。2 抗沖擊聚苯乙烯HIPSHIPS 是苯乙烯與丁二烯的共聚物，結構式為：PS 性能上最大缺陷是性脆、韌性小，抗沖擊性差。為了克服它的不足，在合成過程中加入115專家講座68%的聚丁二烯橡膠， 實際上 HIPS 是聚丁二烯接枝苯乙烯的共聚物。 由于聚丁二烯是一種彈性體，它的引入可以明顯改善 PS 的韌性。 HIPS 的性能與聚丁二烯含量有密切關系， 含量增加韌性增大，沖擊強度增加，但拉伸強度和彎曲強度下降。一般控制聚丁二烯含量為68%為宜。HIPS 可以替代ABS 樹脂制作日

22、用器皿、家電部件和辦公用品等。3 丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯共聚物ABSABS 樹脂是目前價格適中，應用范圍較廣，性能較好的一種工程塑料。它是在PS 和 HIPS的基礎上設計發(fā)明的。其結構式為：ABS 是一種三組分組成的聚合物（即三元共聚物） ，聚苯乙烯具有較好的光澤性、透明性和加工性，聚丁二烯為橡膠彈性體，具有良好韌性和抗沖擊性，聚丙烯腈（俗稱人造毛）具有高度化學穩(wěn)定性、耐油性和表面硬度，三者結合為一體，可充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，成為一種綜合性能優(yōu)異的高分子材料。ABS 樹脂為無定形聚合物，熔融溫度為221245，熱分解溫度為270，耐熱性好，具有極好的低溫抗沖擊性能、尺寸穩(wěn)定性、電性能、耐磨性和成型加工性。可廣泛用于電子電器、儀器儀表、汽車零部件、家用電器和辦公用品等。由于分子中含有氰基（ CN），易吸潮水解，所以加工之前必須充分干燥。4 苯乙烯系列其它聚合物：（ 1）苯乙烯 -丙烯腈共聚物AS 樹脂AS 樹脂是由丙烯腈與苯乙烯共聚而成，結構式為：AS 樹脂與 PS 相比，具有更