第五章 高分子材料

第五章高分子材料概況2000年，世界合成高分子材料的年總產(chǎn)量已達到2億噸。其中塑料1.63億噸，合成橡膠0.11億噸，合成纖維0.28億噸。高分子科學既是一門基礎學科，又是一門應用科學，主要由高分子化學、高分子物理、高分子材料和高分子工藝四個學科分支組成。多種多樣的高分子材料防彈衣高比強度的降洛傘繩索什么是高分子？高分子的含義分子量很大（104~107，甚至更大）。分子似“一條鏈”，由許多相同的結(jié)構單元組成。以共價鍵的形式重復連接而成。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；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2000C~3000C以上，材料破壞（降解或交聯(lián)）。高分子材料分類按材料來源分類天然高分子合成高分子按材料性能和用途分類塑料橡膠（稱為三大合成材料）纖維涂料粘合劑功能高分子通用高分子材料塑料、橡膠、纖維，稱為三大合成材料全世界產(chǎn)量1億多噸塑料主要品種有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等合成橡膠主要用途為制造輪胎，約占60%合成纖維主要品種有：滌綸（PET）、尼龍、聚丙烯腈、聚丙烯等合成纖維、天然纖維、人造纖維比例為2?3?1工程塑料性能：堅硬、韌性、耐磨、耐熱水及蒸氣，加工時尺寸穩(wěn)定性好、化學穩(wěn)定性好。主要有：尼龍（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、飽和聚酯（PET、PBT）等表三大高分子材料的比較材料應力—應變曲線按結(jié)構單元的化學組成分類1.碳鏈高分子主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結(jié)加聚反應制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯聚乙烯2.雜鏈高分子主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等滌綸3.元素有機高分子主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側(cè)鏈為有機基團；兼有無機高分子和有機高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠。硅橡膠4.無機高分子主鏈既不含C原子，也不含有機基團，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解。二硫化硅聚二氯一氮化磷高分子材料形成過程簡單流程如下：

熱塑性塑料：受熱后軟化，冷卻后又變硬，可重復循環(huán)。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)。制品不溶不熔。優(yōu)點：質(zhì)輕、電絕緣、耐化學腐蝕、容易成形加工等；缺點：力學性能比金屬材料差，表面硬度低，大多數(shù)品種易燃，耐熱性差。熱塑性與熱固性圖熱塑性a、b和熱固性c聚合物的形態(tài)特征

在室溫下，為什么有些高分子材料柔軟而另外一些剛硬？聚合物分子運動特點聚合物分子運動具有多重性。運動單元：側(cè)基、支鏈、鏈節(jié)、鏈段及整個大分子等。運動方式：鍵長、鍵角的振動或扭曲；側(cè)基、支鏈或鏈節(jié)的搖擺、旋轉(zhuǎn)；分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)及整個大分子的重心位移等。聚合物分子運動具有明顯的松弛特性。 具有時間依賴性的過程稱為松弛過程。分子運動是一個速度過程，要達到一定的運動狀態(tài)，提高溫度和延長時間具有相同的效果，這稱為時-溫等效原理，或時-溫轉(zhuǎn)化效應。力學狀態(tài)玻璃態(tài)鏈段運動處于“凍結(jié)”狀態(tài)，模量高形變小。具有虎克彈性行為，質(zhì)硬而脆。高彈態(tài)鏈段運動已充分發(fā)展。在較小應力下，即可迅速發(fā)生很大的形變，除去外力后，形變可迅速恢復。粘流態(tài)由于鏈段的劇烈運動，整個大分子鏈重心發(fā)生相對位移，產(chǎn)生不可逆位移即粘性流動。交聯(lián)聚合物無粘流態(tài)存在玻璃化轉(zhuǎn)變聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變是指從玻璃態(tài)到高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。從分子運動的角度看，玻璃化溫度Tg是大分子鏈段開始運動的溫度。玻璃化轉(zhuǎn)變是一個松弛過程。在時間尺度不變時，凡是加速鏈段運動速度的因素，如大分子鏈柔性的增大、分子間作用力減小等結(jié)構因素，都使Tg下降。高分子材料發(fā)展簡史天然高分子的利用天然高分子改性天然橡膠硫化（1839年）硝化纖維賽璐珞（1868年）粘膠纖維（1893~1898年）合成高分子20世紀初，出現(xiàn)了酚醛樹脂1920年，Staudinger提出高分子概念30年代、40年代，飛速發(fā)展70年代，特種性能的高分子創(chuàng)立高分子化學的施陶丁格

HermannStaudinger1881一1965

TheNobelPrizeinChemistry1953“forhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry”

2000年化學獎授予了黑格(A.J.Heeger，美國)、馬克迪爾米德(A.G.MacDiarmid，美國)和白川英樹(H.ShiraKawa，日本)三人，他們發(fā)現(xiàn)了導電聚合物。

A.J.Heeger(美國)A.G.Macdiarmid(美國)H.ShiraKawa(日本)幾種典型的高分子材料聚乙烯制品聚乙烯（PE）聚乙烯從1939年開始工業(yè)化生產(chǎn)，是目前產(chǎn)量最大，應用最廣泛的品種。低密度聚乙烯（LDPE）在各種聚乙烯中產(chǎn)量最大，主要用于生產(chǎn)薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大鵬膜等）；約10%用于生產(chǎn)注塑用品。線型低密度聚乙烯（LLDPE）主要用于生產(chǎn)薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。還用于生產(chǎn)扁絲，制造編織袋。高密度聚乙烯注塑制品：工業(yè)容器、家用器皿、玩具等。中空吹塑制品：食品、藥品、化妝品的包裝瓶等。薄膜制品（約占20%）：大量用于食品包裝。聚乙烯管材應用領域主要有：生活用水和煤氣管道、農(nóng)業(yè)排灌用管道以及圓珠筆內(nèi)的油墨管子等。質(zhì)輕、堅韌耐磨，力學性能良好，使用壽命長，施工安裝簡便，輸送阻力小、安全可靠，鋪設費用低。給水用HDPE管超高分子量聚乙烯（UHMWPE）——可作為工程塑料在汽車、機械、原子能以及宇宙飛行等領域得到重要應用。具有優(yōu)異的耐沖擊和自潤滑性，耐腐蝕、抗磨損、不粘著等特性。可作齒輪、軸套、滑板、儲罐襯里等。聚乙烯生產(chǎn)線聚氯乙烯（PVC）PS保溫板PS光纖聚苯乙烯（PS）氟塑料是各種含氟塑料的總稱。聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦公司投產(chǎn)。有“塑料王”之稱。是高結(jié)晶度聚合物，無熔融