土木工程材料 第8章-合成高分子材料

第8章合成高分子材料

本章學(xué)習(xí)目標1.

熟悉合成高分子材料的性能特點及主要的高分子材料品種；2.

熟悉土木工程中合成高分子材料的主要制品及應(yīng)用，包括塑料、膠粘劑及涂料。本章的難點是從合成高分子材料的組成來理解它的性能，正確地根據(jù)工程實際選用合適的合成高分子材料。建議在學(xué)習(xí)中通過對比來理解不同種類的高分子材料的性能及應(yīng)用。

有機高分子材料是由高分子化合物組成的材料。在土木工程中所涉及的主要有塑料、橡膠、化學(xué)纖維、膠粘劑和涂料。本章主要介紹塑料、膠粘劑和涂料。這些有機高分子材料的基本成分是人工合成的高分子化合物，簡稱高聚物。由高聚物加工而成，或高聚物對傳統(tǒng)材料改性所制得的土木工程材料，習(xí)慣上稱為化學(xué)合成建筑材料，即化學(xué)建材。8.1合成高分子化合物的基本知識

8.1.1高分子化合物的分類

1、按分子鏈的形狀分類

線型高分子化合物的主鏈原子排列成長鏈狀，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

支鏈型高分子化合物的主鏈也是長鏈狀的，但帶有大量的支鏈，如ABS樹脂等。

體型高分子化合物的長鏈被許多橫跨鏈交聯(lián)成網(wǎng)狀，或在單體聚合過程中二維或三維空間交聯(lián)形狀空間網(wǎng)絡(luò)，分子彼此固定。如環(huán)氧、聚酯等樹脂的最終產(chǎn)物。

根據(jù)分子鏈的形狀不同，可將高分子化合物分為線型、支鏈型和體型三種。聚合物的物理狀態(tài)及性能特點按溫度區(qū)域可劃分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。當溫度較低時，聚合物受外力作用時產(chǎn)生的變形較小，彈性模量大，且變形可恢復(fù)，此狀態(tài)稱為玻璃態(tài)。玻璃態(tài)是塑料的使用狀態(tài)，凡室溫下處于玻璃態(tài)的聚合物都可用作塑料。當溫度升高至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，聚合物受外力作用時產(chǎn)生變形較大，彈性模量較小，外力除去后又會逐步恢復(fù)原狀，且變形是可逆的，此狀態(tài)稱為高彈態(tài)。高彈態(tài)是橡膠的使用狀態(tài)，凡室溫下處于高彈態(tài)的聚合物均可用作橡膠，因此高彈態(tài)也叫橡膠態(tài)。粘流態(tài)是聚合物成型時的狀態(tài)。在室溫下，聚合物總是處于玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種狀態(tài)之一，其中，高彈態(tài)是聚合物所特有的狀態(tài)。當溫度一定時，不同聚合物可能處于不同的物理狀態(tài)，因此表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。2、

按對熱的性質(zhì)分類

按受熱時的特點可分為熱塑性和熱固性兩類。熱塑性高聚物在加熱時呈現(xiàn)出可塑性，甚至熔化，冷卻后又凝固硬化。這種變化是可逆的，可以重復(fù)多次。這類的高分子化合物其分子間作用力較弱，為線型及帶支鏈的高聚物。熱固性高聚物是一些支鏈高分子化合物，加熱時轉(zhuǎn)變成粘稠狀態(tài)，發(fā)生化學(xué)變化，相鄰的分子相互連接，轉(zhuǎn)變成體型結(jié)構(gòu)而逐漸固化，其分子量也隨之增大，最終成為不能熔化、不能溶解的物質(zhì)。這種變化是不可逆的，大部分縮合樹脂屬于此類。

8.1.2高分子化合物的合成及命名

將低分子單體經(jīng)化學(xué)方法聚合成為高分子化合物常用的合成方法有加成聚合和縮聚聚合兩種。

加成聚合

加成聚合又叫加聚反應(yīng)，是聚合物最主要的聚合方式之一，通常是在催化劑的存在下，含有雙鍵的單體打開雙鍵，相互連接而得到聚合物長鏈分子。在加聚反應(yīng)過程中無副產(chǎn)物，由一種單體加聚而得的稱為均聚物，如乙烯加聚得到聚乙烯，氯乙烯加聚得到聚氯乙烯等。

由兩種或兩種以上單體共加聚稱為共聚，通過單體的共聚可以得到各種性能優(yōu)良的塑料，如丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）共聚可以制造性能優(yōu)異的工程塑料（ABS），可用作電器開關(guān)、外殼、裝飾板等；乙烯、丙烯共聚可以得到耐老化性能極好的乙丙橡膠，可用作高檔防水卷材的主要原料；由丁二烯、苯乙烯共聚可以制造丁苯橡膠，可以制造建筑上用的膠板、膠粘劑、減振件等。由加聚反應(yīng)得到的樹脂稱為聚合樹脂，其命名一般是在其原料名稱前面加以“聚”字，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

縮聚聚合

縮聚又稱縮聚反應(yīng)，是含有活性官能團的單體經(jīng)縮合反應(yīng)相互連接而得到高分子量的聚合物。縮聚反應(yīng)過程中有副產(chǎn)物——小分子化合物產(chǎn)生，所以由縮聚反應(yīng)制成的樹脂其化學(xué)組成與單體不同。若參加縮聚反應(yīng)的單體只有兩個官能團，則只能生成直鏈聚合物，如聚對苯二甲酸乙二醇脂（PET）；若參加縮聚反應(yīng)的單體有兩個以上的官能團，則聚合后就會生成不溶、不熔的三維網(wǎng)狀聚合物，也稱為熱固性樹脂。

縮聚反應(yīng)生成物的樹脂稱為縮合樹脂，其命名一般是在原料名稱后加上“樹脂”兩字，如環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等。

8.1.3高分子化合物的基本性質(zhì)

1、高分子材料的性能優(yōu)點

①優(yōu)良的加工性能。如塑料可以采用比較簡便的方法加工成多種形狀的產(chǎn)品。

②質(zhì)輕。如大多塑料密度在0.9～2.2g/m3之間，平均為1.45g/cm3，約為鋼的1/5。

③導(dǎo)熱系數(shù)小。如泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.02～0.046W/（m·K），約為金屬的1/1500，混凝土的1/40，磚的1/20，是理想的絕熱材料。

④化學(xué)穩(wěn)定性較好。一般塑料對酸、堿、鹽及油脂均有較好的耐腐蝕能力。其中最為穩(wěn)定的聚四氟乙烯，僅能與熔融的堿金屬反應(yīng)，與其它化學(xué)物品均不起作用。⑤電絕緣性好。

⑥功能的可設(shè)計性強。可通過改變組成配方與生產(chǎn)工藝，在相當大的范圍內(nèi)制成具有各種特殊性能的工程材料。如強度超過鋼材的碳纖維復(fù)合材料、密封材料、防水材料等。

⑦出色的裝飾性能。如各種塑料制品不僅可以著色，而且色彩鮮艷耐久，并可通過照相制版印刷，模仿天然材料的紋理（如木紋、花崗石、大理石紋等），達到以假亂真的程度。

2、合成高分子材料的性能缺點

易老化

所謂老化是指高分子化合物在陽光、空氣、熱以及環(huán)境介質(zhì)中的酸、堿、鹽等作用下，分子組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使其性質(zhì)變化，如失去彈性、出現(xiàn)裂紋、變硬、變脆或變軟、發(fā)粘失去原有的使用功能的現(xiàn)象。塑料、有機涂料和有機膠粘劑都會出現(xiàn)老化。目前采用的防老化措施主要有改變聚合物的結(jié)構(gòu)，加入各種防老化劑的化學(xué)方法和涂防護層的物理方法。

耐熱性差

高分子材料的耐熱性能普遍較差，如使用溫度偏高會促進其老化，甚至分解；塑料受熱會發(fā)生變形，在使用中要注意其使用溫度的限制。

可燃性及毒性

高分子材料一般屬于可燃的材料，但可燃性受其組成和結(jié)構(gòu)的影響有很大差別。如聚苯乙烯遇火會很快燃燒起來，聚氯乙烯則有自熄性，離開火焰會自動熄滅。部分高分子材料燃燒時發(fā)煙，產(chǎn)生有毒氣體。一般可通過改進配方制成自熄和難燃甚至不燃的產(chǎn)品。不過其防火性仍比無機材料差，在工程應(yīng)用中應(yīng)予以注意。8.2建筑塑料

塑料是以聚合物為基本材料，加入各種添加劑后，在一定溫度和壓力下混合、塑化、成型的材料或制品的總稱。

7.2.1建筑塑料的特性A、質(zhì)量輕塑料的密度為1～2g/cm3，為鋼材的1/8～１/４，可大大減輕建筑物的自重，對高層建筑更具特殊意義。

B、比強度高

比強度是強度與表觀密度之比。塑料的強度較高，而表觀密度低，其比強度遠超過傳統(tǒng)的土木工程材料，是一種優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)高強材料。C、可塑性好具有優(yōu)良的加工性能，塑料可按需要調(diào)節(jié)制品硬度、密度、色澤，用多種加工工藝塑制成不同形狀的產(chǎn)品，適應(yīng)建筑上不同用途的需要。D、耐腐蝕性好其化學(xué)穩(wěn)定性良好，是憎水性材料，對弱酸弱堿的抵抗性強。E、耐水性好塑料具有較高的耐水性。F、耐熱性能塑料的耐熱性一般都不好，軟化溫度為100-200℃。塑料的熱膨脹系數(shù)高，是傳統(tǒng)材料的3～4倍。G、老化在陽光、氧、熱等條件作用下，塑料中聚合物的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使塑料性質(zhì)惡化，這種現(xiàn)象稱為老化。塑料存在老化問題，但通過一定措施，塑料制品的使用壽命可以和其他材料媲美，有的甚至能高于傳統(tǒng)材料。H、可燃性塑料大多可燃，且在燃燒時會產(chǎn)生大量有毒的煙霧。這是它作為土木工程材料的一個弱點。目前正在研究具有自熄性、難燃甚至準不燃的塑料。

8.2.2塑料的組成

合成樹脂

塑料的基本組成材料，起著膠結(jié)劑的作用，含量為30%-60%。塑料的主要性能決定于所采用的合成樹脂。填充料

填充料的作用：節(jié)約樹脂，降低成本，調(diào)節(jié)塑料的物理化學(xué)性能。含量40%-70%。常用的有機填充料有木粉、紙屑、廢棉、廢布等；常用無機填充料有滑石粉、石墨粉石棉、玻璃纖維等。添加劑

為了改善或調(diào)節(jié)塑料的某些性能，以適應(yīng)使用或加工時的特殊要求而加入的輔導(dǎo)材料，如增塑劑、固化劑、著色劑、阻燃劑、穩(wěn)定劑等。增塑劑

增塑刑一般為沸點較高、不易揮發(fā)、與樹脂有良好相溶性的低分子油狀物，不僅使塑料加工成型方便、而且可改善塑料的韌性和柔順性等機械性能。常用的增塑劑有鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯等。固化劑

主要作用是在聚合物中生成橫跨鍵、使線型高聚物交聯(lián)成體型高聚物，從而使樹脂具有熱固性，制得堅硬的塑料制品。

著色劑

主要作用是可使塑料具有鮮艷的色彩和光澤。著色劑除滿足色彩要求外，還應(yīng)具有分散性好，附著力強，不與塑料成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不腿色等特性。

阻燃劑

加入后能提高塑料的耐燃性和自熄性。常用的有氫氧化鋁，三氧化銻等。

穩(wěn)定劑

防止和緩解高聚物的老化，延長塑料制品的使用壽命。

8.2.3常用建筑塑料常用熱塑性塑料的種類有

聚氯乙烯（PVC）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）