材料概論高分子材料

材料概論高分子材料第1頁/共86頁4.1概述4.2高分子的合成工藝4.3高分子的結(jié)構(gòu)與性能4.4高分子材料各論4.5高分子材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢本章主要內(nèi)容第2頁/共86頁多種多樣的高分子材料第3頁/共86頁高分子材料第4頁/共86頁高分子材料第5頁/共86頁高分子材料第6頁/共86頁5.1引言概述---高分子材料發(fā)展簡史高分子的概念始于20世紀(jì)20年代，但其應(yīng)用更早。1839年，美國人Goodyear發(fā)明硫化橡膠。1855年，英國人Parks用硝化纖維素與樟腦混合制得賽璐珞。1889年，法國人DeChardonnet（夏爾多內(nèi)）發(fā)明人造絲。1907年，酚醛樹脂誕生。第7頁/共86頁1920年，德國人Staudinger發(fā)表了“論聚合”的論文，首次提出了高分子的概念，并預(yù)測了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的結(jié)構(gòu)。1935年，Carothers發(fā)明尼龍66，1938年工業(yè)化。30年代，一系列烯烴類加聚物被合成出來并工業(yè)化，聚氯乙烯（PVC），聚醋酸乙烯（PVAC），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚苯乙烯（PS），高壓聚乙烯（PE）等聚合物都是通過自由基聚合制成的。高分子材料發(fā)展簡史第8頁/共86頁高分子溶液理論在30年代建立，并成功測定了聚合物的分子量。Flory為此獲得諾貝爾獎。40年代，二次大戰(zhàn)促進了高分子材料的發(fā)展，一大批重要的橡膠和塑料被合成出來。丁苯橡膠（1937），丁腈橡膠（1937），丁基橡膠（1940），有機氟材料（1943），ABS（1947），滌綸樹脂（1940～1950）。50年代，Ziegler和Natta發(fā)明配位聚合催化劑，制得高密度聚乙烯和有規(guī)聚丙烯，低級烯烴得到利用。高分子材料發(fā)展簡史第9頁/共86頁50年代后期至60年代，大量高分子工程材料問世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚（1964），聚酰亞胺（1962）。60年代以后，特種高分子和功能高分子得到發(fā)展。特種高分子：高強度、耐高溫、耐輻射、高頻絕緣、半導(dǎo)體等。功能高分子：分離材料（離子交換樹脂、分離膜等）、導(dǎo)電高分子、感光高分子、高分子催化劑、高吸水性樹脂、醫(yī)用高分子、藥用高分子、高分子液晶等。高分子材料發(fā)展簡史第10頁/共86頁80年代以后，新的聚合方法和新結(jié)構(gòu)的聚合物不斷出現(xiàn)和發(fā)展。新的聚合方法：陽離子活性聚合、基團轉(zhuǎn)移聚合、活性自由基聚合、等離子聚合等等。高分子材料發(fā)展簡史第11頁/共86頁什么是高分子？第12頁/共86頁高分子的特點

與小分子比較分子量不確定，只有一定的范圍，是分子量不等的同系物的混合物；分子量很大（104~107，甚至更大）。沒有固定熔點，只有一段寬的溫度范圍；分子間力很大，沒有沸點，加熱到200℃~300℃以上，材料破壞（降解或交聯(lián)）。第13頁/共86頁高分子單體通過聚合反應(yīng)能制備高分子化合物的物質(zhì)稱做單體。例如乙烯是單體，能聚合生成聚乙烯：第14頁/共86頁高分子材料分類

按材料來源分：由小分子化合物用化學(xué)方法聚合得到的高分子化合物天然高分子：合成高分子：棉花、蠶絲、淀粉第15頁/共86頁高分子材料分類第16頁/共86頁高分子材料分類第17頁/共86頁三大合成高分子材料的比較高分子材料分類第18頁/共86頁高分子材料分類第19頁/共86頁高分子材料分類第20頁/共86頁高分子材料分類第21頁/共86頁高分子材料分類第22頁/共86頁高分子材料分類第23頁/共86頁高分子的命名第24頁/共86頁根據(jù)單體來源或制法命名第25頁/共86頁根據(jù)聚合物的結(jié)構(gòu)特征命名第26頁/共86頁根據(jù)商品命名第27頁/共86頁根據(jù)商品命名第28頁/共86頁根據(jù)商品命名第29頁/共86頁IUPAC的系統(tǒng)命名法第30頁/共86頁合成高分子的制備方法第31頁/共86頁高分子的合成工藝第32頁/共86頁高分子的結(jié)構(gòu)1.大分子鏈的結(jié)構(gòu)

高分子鏈的結(jié)構(gòu)一般有線型、支鏈型和網(wǎng)型。

線型結(jié)構(gòu)的高分子在拉長或低溫下易呈直線形狀，而在較低溫度下或稀溶液中，則易成卷曲形狀。支鏈型結(jié)構(gòu)的高分子是在線型大分子的主鏈上又接出一些短的支鏈。第33頁/共86頁

具有線型和支鏈型結(jié)構(gòu)的高分子化合物可以溶解在適當(dāng)?shù)娜芤褐?，加熱時能熔融流動。通常稱為熱塑性高分子化合物?；谶@一點，具有這兩種結(jié)構(gòu)的高分子材料易于加工，可以反復(fù)使用。高分子的結(jié)構(gòu)

網(wǎng)型結(jié)構(gòu)的高分子是在長鏈大分子之間有若干支鏈把他們交聯(lián)起來，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬于體型結(jié)構(gòu)。這種高分子化合物不溶于溶劑，受熱時也不能熔融流動，稱為熱固性高分子化合物。第34頁/共86頁

2、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類，晶態(tài)為分子鏈排列規(guī)則的部分，而排列不規(guī)則的部分為非晶態(tài)。一個大分子鏈可以穿過幾個晶區(qū)和非晶區(qū)。晶區(qū)熔點、密度、強度、硬度、剛性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性高，而彈性、塑性、沖擊強度下降。高分子的結(jié)構(gòu)第35頁/共86頁高分子材料的性能力學(xué)性能:電學(xué)性能:熱學(xué)性能:導(dǎo)熱性，線膨脹系數(shù)高彈性和粘彈性絕緣體光學(xué)性能:透光率溶解性:第36頁/共86頁4.3高分子材料各論

高分子工程材料包括塑料、合成纖維、橡膠和膠粘劑等。第37頁/共86頁塑料制品

塑料是在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。在一定溫度、壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。塑料第38頁/共86頁塑料的分類

按使用范圍可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料。通用塑料產(chǎn)量大、價格低、用途廣。工程塑料力學(xué)性能高，耐熱、耐蝕性能好。第39頁/共86頁按樹脂受熱時行為可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

塑料的分類1.熱塑性塑料：受熱后軟化，冷卻后又變硬，可重復(fù)循環(huán)。常見的熱塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜等。這類塑料可反復(fù)成型和再生使用，但耐熱性與剛性較差。

第40頁/共86頁塑料的分類2.熱固性塑料：

由單體直接形成網(wǎng)狀聚合物或通過交聯(lián)線型預(yù)聚體而形成，一旦形成交聯(lián)聚合物，受熱后不能再回到可塑狀態(tài)。這類塑料有酚醛塑料（電木）、氨基塑料、環(huán)氧樹脂、有機硅塑料等。第41頁/共86頁

塑料一般以合成樹脂（高聚物）為主要組分，再加入各種添加劑，經(jīng)一定溫度和壓力塑制成型，且成型后在常溫或一定溫度范圍內(nèi)能保持其形狀不變的材料。其主要組成如下：塑料的組成1．合成樹脂

合成樹脂及人工合成線性高聚物，是塑料的基本原料，對塑料的性能起著決定作用，絕大多數(shù)塑料以樹脂的名稱命名。合成樹脂受熱時呈軟化或熔融狀態(tài)，可起粘接作用，使塑料具有良好的成形能力。第42頁/共86頁

2．填充劑（填料）主要用來提高塑料的力學(xué)性能、耐熱性能、電學(xué)性能；同時降低成本。常用的填料有無機填料如滑石粉、石墨粉、云母、玻璃纖維、玻璃布等；有機材料如棉布、棉花、木粉、木片、紙等。塑料的組成3．增塑劑改進塑料的可塑性、柔軟性，并使塑料易于加工成型。4．著色劑使塑料具有一定的色彩，以滿足使用要求。第43頁/共86頁塑料的組成5．固化劑

與樹脂起化學(xué)作用，形成不溶不熔的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。為得到熱固性塑料，須加入固化劑。6．穩(wěn)定劑

防止塑料在使用過程中，因受熱、氧氣、光線等的作用而老化，以延長塑料的使用壽命。穩(wěn)定劑應(yīng)具有耐水、耐油、耐化學(xué)藥品、與樹脂相溶、成形過程中不分解等特性。包裝食品的塑料制品還應(yīng)選擇無毒且無味的穩(wěn)定劑。7．潤滑劑使塑料在加工成型時易于脫模，表面光亮美觀。第44頁/共86頁塑料的組成8．抗靜電劑

提高塑料表面的電導(dǎo)率，防止靜電積聚，防止在加工和使用過程中由于摩擦產(chǎn)生靜電而妨礙正常生產(chǎn)和安全。9．其他添加劑為了改善塑料的使用性能和加工性能，往往加入一些其他組分，如防老化劑、發(fā)泡劑、阻燃劑等。第45頁/共86頁塑料的性質(zhì)

塑料質(zhì)輕，比強度高優(yōu)良的耐蝕性多數(shù)塑料對酸、堿、鹽等化學(xué)藥品具有良好的耐腐蝕性能耐磨，自潤滑性好優(yōu)異的電絕緣性導(dǎo)熱性差多數(shù)塑料制品有透明性，并富有光澤，能著鮮艷色彩塑料成型加工方便，能大批量生產(chǎn)。第46頁/共86頁塑料的性質(zhì)與其他材料相比：1．塑料不耐高溫，低溫容易發(fā)脆。2．塑料制品易變形。溫度變化時尺寸穩(wěn)定性差，成型收縮較大。3．塑料有老化現(xiàn)象。塑料在長時間使用和貯藏過程中，由于受周圍環(huán)境（如氧氣、光、熱、雨雪、腐蝕氣體、溶劑等）的作用，塑料的色澤改變，力學(xué)性能降低，變得硬脆或軟粘而無法使用，稱為塑料的老化，是塑料制品性能中的一個嚴(yán)重缺陷。第47頁/共86頁塑料成型方法擠出成型注射成型模壓成型壓延成型吹塑成型層壓成型澆鑄成型塑料的成型第48頁/共86頁塑料注射成型

在螺桿或柱塞加壓下，受熱融化的塑料向前移動通過機筒前端的噴嘴注入閉合模具，經(jīng)一定時間冷卻定形，脫模后得制品。第49頁/共86頁塑料擠出成型

借助于螺桿或柱塞的擠壓作用，使受熱融化的塑料在壓力的推動下連續(xù)通過模口，成為具有恒定截面的連續(xù)型材。第50頁/共86頁塑料吹塑成型

將擠出或注射成形所得半熔融態(tài)管坯置于各種形狀的模具中，在管坯中通入壓縮空氣將其吹脹緊貼于模腔壁，經(jīng)冷卻脫模得中空制品。第51頁/共86頁塑料壓延成型

將加熱塑化的塑料通過一系列相同旋轉(zhuǎn)著的水平輥筒間隙，使物料受擠壓和延展作用，成為規(guī)定尺寸的連續(xù)片狀制品。第52頁/共86頁塑料模壓成型

將粉狀、粒狀、碎屑狀或纖維狀的塑料放入具有一定溫度的閉合模具內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓并保溫一定時間而固化成型。適應(yīng)于熱固性塑料第53頁/共86頁橡膠1.天然橡膠：目前全世界98%以上從三葉橡膠樹采集而得。2.合成橡膠：丁苯橡膠、順丁橡膠、丁基橡膠、異戊橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠七個品種。

定義：具有高彈性的高分子化合物；拉伸時能伸長到原來的幾倍，張力消除又能回復(fù)到原來的尺寸。

特點：相對分子量大；分子間的相互作用力??；分子的對稱性小，不易形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)；具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)。第54頁/共86頁5.3.2.2橡膠成型加工橡膠的成型加工橡膠制品由生膠制成干膠制品。整個生產(chǎn)過程包括素?zé)?、混煉、成型和硫化等四個步驟。乳膠制品干膠制品由乳膠制成乳膠制品。第55頁/共86頁干膠制品生產(chǎn)素?zé)挘夯鞜挘涸跓捘z機上進行，煉膠機由兩個以不同線速度旋轉(zhuǎn)的輥筒組成。生膠受機械的、熱的和化學(xué)的三種作用使分子量下降，因而彈性降低，塑性增加。通過機械作用，使各種配合劑均勻地分散在膠料中。配合劑有硫化劑、硫化促進劑、助促進劑、防老劑、增強劑、填充劑、著色劑等。第56頁/共86頁成型：硫化：將混煉膠通過壓延機制成一定厚度的膠片，或通過螺旋壓出機制成具有一定斷面的半成品，如膠管、胎面膠或內(nèi)胎等，再把各部件按橡膠制品形狀組合起來。成型品在一定溫度、壓力下形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程，使制品失去塑性，同時獲得高彈性。干膠制品生產(chǎn)第57頁/共86頁乳膠制品生產(chǎn)濃縮乳膠配合劑硫化膠混合乳膠浸漬干燥脫模硫化浸漬制品（如醫(yī)用手套、勞保手套、氣球等）壓出凝固硫化壓出制品（如膠絲、膠管等）注模凝固干燥脫模硫化注模制品（如防毒面具、球膽玩具等）打泡注模凝固硫化脫模海綿制品（如座墊、床墊、枕芯等）(半硫化)第58頁/共86頁纖維1.天然纖維（棉、羊毛、蠶絲、麻等）2.化學(xué)纖維人造纖維：由天然高分子物質(zhì)經(jīng)化學(xué)處理而制得。

合成纖維：由合成聚合物制得，如滌綸、錦綸、腈綸、維綸、丙綸、氯綸等。長度比直徑大上百倍的均勻線、絲狀材料。第59頁/共86頁5.3.2.3纖維成型加工化學(xué)纖維的紡絲熔體紡絲濕法紡絲聚合物在螺桿擠壓機中熔融后被壓至紡絲部位,經(jīng)紡絲泵定量送入紡絲組件,從噴絲板的毛細孔中壓出形成細流,在紡絲甬道中被空氣冷卻成型。聚合物制成溶液，經(jīng)過噴絲板或帽擠出，形成紡絲液細流,然后該細流經(jīng)凝固浴凝固形成絲條。第60頁/共86頁

紡絲后加工

上述各種紡絲方法得到的纖維，分子鏈排列不規(guī)整，物理力學(xué)性能差，不能直接用于織物加工，須進行一系列后加工，以改進纖維結(jié)構(gòu)，提高其性能。包括上油、拉伸、卷曲、熱定形、切斷、加捻和絡(luò)絲等使高分子鏈沿纖維軸向排列，加強分子鏈間作用力，提高纖維強度，降低延伸度可消除纖維的內(nèi)應(yīng)力，提高纖維的尺寸穩(wěn)定性，改善其物理力學(xué)性能，使拉伸和卷曲的效果得以保持第61頁/共86頁

膠粘劑

膠粘劑是指按照規(guī)定程序，把紙、布、皮革、木、金屬、玻璃、橡皮或塑料之類的材料粘合在一起的物質(zhì)。膠粘劑分類在膠接條件下容易聚合的液態(tài)單體具有活性基團的低聚物線性聚合物第62頁/共86頁

膠接理論

吸附理論機械理論化學(xué)理論擴散理論第63頁/共86頁涂料

涂料是一種涂布于物體表面能形成堅韌保護膜的物質(zhì)，可使被涂物體的表面與大氣隔絕，起保護、裝飾、標(biāo)志等作用以及其它特殊作用。

涂料組成：成膜物質(zhì)（樹脂）、顏料、稀料和各種輔料。第64頁/共86頁涂料的分類

一、按涂料的形態(tài)分類

固態(tài)涂料，即粉末涂料

液態(tài)涂料：溶劑型涂料、水溶性涂料、水乳型涂料

二、按涂料的光澤分類

高光型或有光型涂料、絲光型或半定型涂料、無光型或亞光型涂料。

三、按涂刷部位分類

內(nèi)墻涂料、外墻涂料、地坪涂料、屋頂涂料、頂棚涂料