土木工程材料教学课件第--十-章有机高分子材料.pptx

第一节 概 述一、高分子材料在建筑工程中的地位 合成高分子材料是以人工合成的高分子化合物（聚合物）为基础材料，添加各种辅助材料制成的有机高分子材料。现有三大合成材料：塑 料；橡 胶；纤 维。高分子材料在建筑上的应用v应用于非结构材料：装饰板材；各种管材和异性材，水管、门窗框等；建筑防水材料，屋顶膜；建筑涂料；建筑保温、隔声材料；v应用于结构材料：桥梁，如人行天桥等；轻结构建筑物，玻璃钢、聚合物混凝土等；混凝土的增强筋等。二、高分子材料简介v定义：高分子材料的主要组成是高分子化合物高分子化合物是由一种或多种简单低分子化合物聚合而成的，也叫聚合物或高聚物。高分子化合物的组成 高分子化合物（聚合物）是由一种或几种小分子化合物（单体），通过聚合反应，以共价键连接若干个重复结构单元成形的分子量很大的化合物。化学组成：合成高分子主要由碳、氢元素组成，同时也含有少量杂原子，如：氧、氮、硫、磷、硅、钛等。单体组成：烃、羧酸、酯、醚等有机化合物及其衍生物。按高分子主链组成，聚合物的分类v碳链聚合物 主链上只含碳元素，如聚乙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、丁苯橡胶、氯丁橡胶等。v杂链聚合物 主链上除碳元素外，还含有O、N、P、S等元素，如聚酯树脂、环氧树脂等。v元素聚合物 主链上没有碳元素，而有Si、Al、O、S、P、N、Ti等元素，如有机硅树脂、聚钛氧烷树脂、聚氯磷氰等。几个基本概念v单体：用来合成聚合物的简单低分子化合物 如：聚乙烯-CH2-CH2-n 的单体为 CH2CH2，v链节：大分子链的基本结构单元，-CH2-CH2-v聚合度：大分子链中链节的重复次数n；v分子量的多分散性：聚合物是由大量的大分子链组成的。各个大分子链的链节数不同，大分子链的长短不同、分子量也不同，聚合物中大分子链的分子量不等的现象称为分子量的多分散性（一）聚合物的聚合反应v定义：由单体合成聚合物的反应称为聚合反应 v官能团：在聚合反应中，参加反应的仅是单体分子中具有反应能力的基团，这种基团通常称之为官能团官能团v官能度：参加反应的官能团数目或它在聚合反应中所具有的能接上新分子的位置数v具有双官能度或多官能度的单体之间反应才能合成聚合物 v聚合反应加聚反应缩聚反应 以不饱和烃或环烃单体分子，经过不断的加成反应，形成高分子化合物的聚合反应；例如：n CH2=CH CH2CH n Cl Cl1、加聚反应v常用的热塑性塑料均是有加聚反应合成的，如：聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等 由具有两个或两个以上官能基团的单体，相互缩合形成高分子化合物的反应；例如：CH3 CH2CHCH2+HO C OH O Cl CH3 CH3 CH2CHCH2O C OH O Cl CH32、缩聚反应三大热固性树脂均是缩聚反应合成的（二）聚合物的命名v按聚合物的化学结构命名v根据聚合物的原料单体命名 v采用商品名称和代表符号 （三）聚合物的结构及其对性能的影响v大分子和大分子间的相互作用 v大分子链的近程结构 化学组成链接方式：头头、头尾和尾尾三种连接方式 空间构型：无规立构。全同立构和间同立构 v大分子链的远程结构大分子链的几何形状：线型，支链型和体型(或网型)大分子链的构象大分子链的柔顺性 v大分子的聚集态结构 线型结构支链型结构体型结构非晶态聚集态结构晶态聚集态结构聚合物性能与结构的关系 v线型和支链型高分子组成的聚合物具有热塑性，受热熔化，也能溶于特定的溶剂中形成溶液，强度较低、弹性模量较小、变形较大、耐热性交差；v支链型聚合物的溶解度比线型聚合物大，密度、熔点、强度则较低。v体型高分组成的聚合物具有热固性，它们不溶不熔，强度、硬度、脆性较高，耐热性好等。v聚合物的结晶度越大，密度、强度、硬度、弹性模量、耐热性提高，塑性、韧性、吸湿性、溶解度降低。（四）温度对聚合物力学状态的影响v线型无定形聚合物 v晶态聚合物 v体型聚合物的力学状态 线形聚合物的状态与温度的关系 v随着温度的升高，非晶态线型和支链型聚合物呈现三种状态：玻璃态、高弹态、粘流态。玻璃态 玻璃化温度以下，聚合物处于无定性的硬脆状态，变形较小，强度和硬度较高；高弹态 玻璃化温度以上、粘流温度以下，聚合物变得很柔软而富有弹性，能产生较大的弹性变形和塑性变形，强度相对较低。粘流态 粘流温度以上，聚合物变为可以定向流动的粘稠液体，是其塑制成型温度。u玻璃态与高弹态的转变温度为玻璃化温度Tg；u高弹态与粘流态的转变温度为粘流温度Tf。TgTxTf温度变形非晶态聚合物在一定压力下变形温度曲线Tx脆化温度；Tg玻璃化温度；Tf粘流温度。晶态聚合物 v一般分子量的晶态聚合物 有明确的熔点Tm。熔点以下为晶态，熔点以上变为粘性液体，进入粘流态v分子量较大的晶态聚合物 熔点 Tm，当T Tm，出现高弹态，温度Tf时，进入粘流态 v非完全晶态的聚合物 无定形区，有玻璃态、高弹态和粘流态 晶区，随分子量的大小不同，有可能出现或不出现高弹态。为什么高分子材料的变形与温度存在上述关系？答：高分子材料的变形取决其分子运动，其运动分为四种运动单元：基团运动、链节运动、链段运动和大分子链运动。它们与温度密切相关。在较低温度（Tg）下，只有基团或链节的振动或旋转运动，变形量较小；在较高温度下，发生链段蠕动；在粘流温度以上，发生大分子链的滑动或整体移动，变形量大。体型聚合物的力学状态 v轻度交联时，可以有玻璃态和高弹态，但没有粘流态；v交联密度增大，玻璃态温度提高，高弹区缩小；v当交联密度增大到一定程度，只有玻璃态一种状态；v交联密度较高的体型聚合物没有力学状态的变化，因此耐热性好。三、高分子材料的性能与结构v高分子材料的性能特点高分子材料的弹性模量和强度都较低 高分子材料发生应力松弛高分子材料一般在0.75Tg以下是脆性的；在0.751Tg之间是刚硬性的，只能发生弹性变形；高分子材料的主要弱点是老化 从热行为角度将高分子材料分为热塑性塑料，热固性塑料和橡胶三大类。v热塑性塑料中的聚合物是线型链状结构，加热时软化或熔融，可注射入模子成型，在取出前需冷却，成型过程中不发生进一步聚合或交联，可反复多次加热成型。v热固性塑料中的聚合物为体型结构，其成型加工是用相对低分子量的粘稠体树脂和固化剂混合，在一定温度和压力下发生聚合或交联反应，在成型时产生强烈地交联，形成三维网状结构。特点：不溶不熔v橡胶是在线型链状结构中形成少量的交联，特点：有很好的弹性 优良的加工性能质轻导热系数小化学稳定性好电绝缘性好功能的可设计性强出色的装饰性能高分子材料的优点易老化可燃性及毒性耐热性差1980年美国米高梅旅馆火灾84人死亡、679人受伤！高分子材料的缺点第二节 塑 料v塑料的组成 v塑料的分类 v塑料的主要特性 塑料v塑料是指以树脂（或在加工过程中用单体直接聚合）为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂，着色剂等添加剂为辅助成分，在加热、加压条件下的加工过程中能流动，并能塑造成型为具有一定形状的制品的高分子材料。一、塑料的基本组成 1、树脂树脂 塑料的主要组分，不仅起着胶结其他组分的作用，而且决定了塑料的类型、性能、用途和成本等。2、填料与增强材料填料与增强材料 化学性质不活泼得分状、片装或纤维状的固体物质，可改善或提高塑料的强度、硬度、耐热性等性能；减低成本，其掺量为30%70%。3、增塑剂增塑剂 分子量小、熔点低和难挥发的有机化合物，可则噶塑料的柔软性和可塑性、降低玻璃化温度和粘流温度。4、其他助剂其他助剂：包括着色剂、抗老剂、稳定剂、固化剂、润滑剂等。二、塑料的分类1按使用特性分类v通用塑料通用塑料 指产量大、用途广、成型性好、价格低的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、酚醛等。v工程塑料工程塑料 指能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。v特种塑料特种塑料 指具有特种功能，可用于特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功能。增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能。2按理化特性分类 v热固性塑料热固性塑料 指在受热或其他条件下能通过交联反应而固化，具有再次受热不溶不熔特性的塑料，如酚醛塑料、环氧塑料、聚酯树脂等。又分烃类、含极性基因的乙烯基类、工程类、纤维素类等多种类型。v热塑料性塑料热塑料性塑料 指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，如聚乙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等。又分甲醛交联型和其他交联型两种类型。三、塑料的主要特性 v塑料密度小，质轻，比强度高；v良好的耐冲击性和耐磨耗性；v化学稳定性好，不会锈蚀，耐水防水；v电绝缘性好，导热性低；v优良的装饰性，着色性好v成型加工性良好，生产能耗低；v大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧；v尺寸稳定性差，容易变形；v多数塑料耐低温性差，低温下变脆；v容易受光、热等老化。四、常用的建筑塑料 1 1、热塑性塑料、热塑性塑料v聚乙烯聚乙烯(PE)(PE)分低密度、中密度高密度三种。密度较小、化学稳定性、耐水性和耐寒性良好、耐热性差、易燃烧和光老化。建材制品有各种管道、防水膜等。v聚丙烯聚丙烯(PP)(PP)刚性较大、耐热性好(加热到150不变形)。强度、弹性模量、硬度都高、对高频电的绝缘性能好。建材制品有各种给水管道、防水膜等。v聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)(PVC)常见有软、硬质聚氯乙烯二种，抗拉强度、刚度、硬度较大，有良好的耐水性、耐油性、耐化学药品侵蚀性和阻燃性。建材制品有各种给水管道、防水材料、门窗框等。v聚四氟乙烯塑料聚四氟乙烯塑料 俗称塑料王，具有非常优良的耐高、低温性能，可在-180260范围内长期使用,几乎耐所有化学药品,摩擦系数极低,仅为0.04。它对其他物质不粘附，不吸水，电性能优良，良好的耐水、耐老化性能。缺点是强度低。v聚酰胺塑料聚酰胺塑料 俗称尼龙,具有突出的耐磨性和自润滑性，冲击韧性好，强度高，耐蚀性和成型性好，缺点是耐热性差、工作温度不能超过100,导热性差,吸水性高。主要用于制作纤维。v聚甲基丙烯酸甲脂聚甲基丙烯酸甲脂 俗称有机玻璃 透光率达92%,比重只是无机玻璃的一半。强度、冲击韧性都优于无机玻璃，抗稀酸、稀碱、润滑油和碱氢燃料的作用，在自然条件下老化发展缓慢。缺点是硬度低，易擦伤。用作装饰板材。塑 料 排 水 管塑 料 给 水 管塑 料 管塑 料 粒 料塑料管挤出成型塑料窗异性材截面塑料窗异性材截面塑料门异性材塑 料 门塑料地板2、热固性塑料v酚醛塑料酚醛塑料(PF)(PF)由于制备条件不同，有热塑性和热固性二类。它们耐磨性好，绝缘性、耐热性、耐蚀性也都很好。缺点是性脆，不耐碱。用于制作电工器材（如插头、开关等），装饰材料、隔声隔热材料等。热塑性酚醛树脂还可配制油漆、胶粘剂、涂料和防腐蚀用胶泥等。v环氧塑料环氧塑料(EP)(EP)是环氧树脂加固化剂、填料和增强材料后形成的热固性塑料，常用固化剂有胺类和酸酐类化合物。它们强度较高，韧性较好，尺寸稳定性高，耐久性好，耐热、耐寒，具有优良的电绝缘性能。缺点是稍有毒性。用于制备增强塑料、泡沫塑料、浇注塑料、粘结剂和涂料等。v聚酯塑料聚酯塑料 强度和表面耐磨性较高；可在100C下长期使用；添加增塑剂可以大幅度提高其韧性；有较好的耐水性，但耐碱和溶剂的性能较差，不耐氧化性介质，固化过程中有较大收缩变形。主要用于玻璃钢和树脂混凝土，可以制造很多种建材制品，如波形瓦、管材、人造石材等。v有机硅塑料（有机硅塑料（SI SI）具有优良的耐高温（500600C）和防火性；良好的电绝缘性和憎水性；耐腐蚀能力很强；粘结强度高，可用于粘结金属材料和非金属材料；但其机械强度较低。主要有硅油、硅树脂及其硅塑料和硅橡胶。可制成耐热、耐水、耐腐蚀及电绝缘性能均好的模压塑料、层压塑料和泡沫塑料制品，还可用作粘结剂、防水涂料、混凝土外加剂等。3、增强塑料增强塑料v组成：树脂，纸、短切纤维或纤维织物、片状材料等增强材料；填料和添加剂。常用树酯有环氧、酚醛、不饱和聚酯等。v特点：机械强度高，稳定性好，各向异性，成形工艺多样。v用途：轻质结构材料、屋顶膜、装饰材料和电绝缘材料，混凝土的增强筋和修补材料等。v结构工程中，应用较多的是玻璃纤维（GRP，俗称玻璃钢）或碳纤维增强塑料。玻璃纤维、芳纶纤维与碳纤维的玻璃纤维、芳纶纤维与碳纤维的FRP制品制品玻璃纤维、芳纶纤维与碳纤维制品纤维增强塑料及其应用纤维增强聚合物作为预应力束，代替钢材：其中纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维；其抗拉强度高、徐变小、弹性模量适中、抗腐蚀性能好；纤维增强聚合物作为加固材料：用碳纤维薄片代替钢板，放置在需要加固的部位并涂刷聚合物粘结成整体。纤维增强塑料棒作为混凝土的配筋纤维增强材料作为桥面板配筋纤维增强材料作为桥面板配筋纤维增强材料作为桥面板配筋纤维增强材料作为桥面板配筋纤维增强材料储油设施纤维增强材料储油设施纤维增强树脂用于受损钢筋混凝土结构修补加固第三节 胶胶 粘粘 剂剂 能在两个物体表面间形成薄膜，并能将它们紧密粘结在一起的物质。又称为粘合剂、粘结剂等 一、组一、组 成成 1.基基 料料 也称粘料或胶料，一般是具有较强粘合性能的材料，如合成树脂、合成橡胶等。它赋予胶粘剂粘结强度、耐久性及其它物理力学性能。2.溶溶 剂剂 溶解基料，调节胶粘剂的粘度，以便于施工；降低基料分子的内聚力，以利于胶粘剂对被粘物表面的渗透或浸润，提高粘结强度。3、固固化化剂剂及及促促进进剂剂 使基料的分子链交联成体型结构，以增加胶粘剂分子间的作用力和内聚强度，以及胶粘剂与被粘物间的粘结力，促进剂可以促进固化反应或降低固化反应温度。4、增塑剂与增韧剂增塑剂与增韧剂 提高固化后胶粘剂层的柔韧性。5、填填料料 活性或惰性矿物粉末 降低收缩性，增加稠度和增大粘度，提高强度和耐热性。二、胶粘剂的分类（1）无无机机胶胶粘粘剂剂 基料是无机盐，如硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐和硼酸盐等，胶粘剂品种有水玻璃、硅酸盐水泥、磷酸氧化铜、石膏等。（2）天天然然有有机机胶胶粘粘剂剂 基料是天然化合物有淀粉、蛋白、天然树酯、天然橡胶、沥青等，胶粘剂品种有淀粉、骨胶、鱼胶、松香、生漆、天然橡胶溶液和沥青酯等。（3）合成有机胶粘剂合成有机胶粘剂 基料是合成树脂、合成橡胶等，胶粘剂品种有聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、氯丁橡胶、丁腈橡胶、有机硅橡胶等等。三、胶粘剂的粘结理论 v机械咬合理论机械咬合理论 胶粘剂渗入被粘物表面空隙中形成许多微小的咬合点，使胶粘剂层与被粘物牢固地咬合在一起。v物理吸附理论物理吸附理论 胶粘剂分子与被粘物表面分子相互吸附，产生分子间次价键力（即范德华力）。v化学键理论化学键理论 胶粘剂分子与被粘物表面分子之间发生化学反应形成化学键合 v扩散理论扩散理论 胶粘剂分子与被粘物表面层分子发生相互扩散，产生相互作用力而胶结起来 四、胶粘剂的基本要求 在土木建筑工程中所用的胶粘剂应满足下列基本要求：1、有足够的流动性和对被粘物表面的浸润性，保证被粘物表面能被完全浸润。2、固化速度和粘度容易调整，且易于控制。3、胶粘剂的膨胀与收缩变形小。4、不易老化，胶粘剂的性能不因温度及其它环境条件而变化。5、粘结强度大。五、影响粘结强度的主要因素 1、胶粘剂所用基料的分子量与组成 分子链中含有较多极性基团。2、胶粘剂对被粘物表面的浸润性能 相似相溶原理。3、填料的种类与掺量 减小膨胀系数，降低内聚力等。4、胶粘剂的厚度 一般应控制在0.050.25mm为宜。5、粘结工艺因素与施工条件 六、常用的胶粘剂 1、热塑性树脂胶粘剂如：聚乙烯醇胶粘剂、聚醋酸乙烯胶粘剂、丙烯酸树脂胶粘剂等。2、热固性树脂胶粘剂如：环氧树脂胶粘剂、脲醛树脂胶粘剂、聚酯树脂胶粘剂等。3、橡胶胶粘剂如：氯丁橡胶胶粘剂、丁氰橡胶粘剂、丁苯橡胶胶粘剂等。七、选用胶粘剂的基本原则 1、根据被粘材料的性质选用胶粘剂 如 脆性材料硬度高、质地脆、密度大，应选用强度高、硬度大和不易变形的热固性树脂胶粘剂；弹性变形大，质地柔软，选用弹性好、有一定韧性的橡胶类胶粘剂等。2、根据粘结材料的使用要求选用胶粘剂 如粘结受力构件必须选用结构型胶粘剂；根据使用环境条件选用。3、根据粘接施工工艺选用胶粘剂 在土木工程中，在施工现场进行粘接操作，一般应选用室温、非压力型胶粘剂。第四节 涂料 涂料是指涂敷于物体表面，并形成牢固附着的完整保护膜的材料。涂料：以合成树脂为主要成膜物质 油漆：天然油脂、树脂为主要成膜物质1 1、涂料的组成、涂料的组成基料（成膜物质）填料（体质颜料）颜料（着色颜料）助剂溶剂2 2、常用的建筑涂料、常用的建筑涂料内墙涂料（表内墙涂料（表10.310.3）外墙涂料（表外墙涂料（表10.410.4）地面涂料（表地面涂料（表10.510.5）屋面防水涂料屋面防水涂料 思 考 题1、解释下列名词：加聚反应与缩聚反应；线型分子结构与体型分子结构；玻璃化温度与粘流温度。2、塑料的主要组成及其作用？3、热塑性与热固性塑料的特点是什么？4、橡胶有何特性？5、胶粘剂的基本要求有哪些？