高分子材料课件.ppt

高分子材料一、高分子材料概述1、基本概念（有机材料）高分子化合物（高分子聚合物或高聚物）：是指分子量很大的化合物。5000-几百万 低分子化合物:分子量小于500天然高分子材料：蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡胶、蛋白质、淀粉等高高分分子子材材料料人工合成高分子材料：塑料、合成橡胶、涂料、合成纤维、胶粘剂等3化合物分子量低分子（500以下）无机铁水石英55.81860有机甲烷苯三硬脂酸甘油脂1678890高分子（5000以上）天然天然纤维素天然橡胶570,000200,000500,000合成聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲脂尼龙6612,000160,00050,000140,00020,00025,000（1）化合物的分类及分子量）化合物的分类及分子量4由低分子化合物通过聚合反应获得。组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。（2）高分子化合物的化学描述例：聚乙烯乙烯(CH2=CH2)聚氯乙烯氯乙烯(CH2=CHCl)分子质量很大，呈长链形，称大分子链由许多结构相同的基本单元重复连接构成的；组成大分子链的这种结构单元称作链节 CH2CH2CH2CH2CH2-CH2CHCH2CH-CH2-CH-Cl Cl ClCH2CH2 nCH2CH Cl n52、高分子材料的合成（2 2）缩聚反应（缩合聚合反应）缩聚反应（缩合聚合反应）-缩聚物缩聚物一一种种或或几几种种单单体体相相互互混混合合而而连连接接成成聚聚合合物物，同同时时析析出出(缩缩去去)某某种种低低分分子子物物质质(如如水水、氨氨、醇醇、卤卤化化氢氢等等)的的反应。反应。缩聚物成分与单体不同缩聚物成分与单体不同。聚合反应-低分子（单体）聚合形成高分子化合物（1 1）加聚反应（加成聚合反应）加聚反应（加成聚合反应）-加聚物加聚物一一种种或或多多种种单单体体相相互互加加成成而而连连接接成成聚聚合合物物的的反反应应，加加聚物具有同其单体相同的成分聚物具有同其单体相同的成分（无副产物无副产物）。）。6l组成元素：组成元素：C、H、O，另外，另外N、Cl、F、B、Si、S等。等。共价键共价键二、高分子材料的结构1.大分子链的结构（1）化学组成7碳链大分子碳链大分子：主链全部由碳原子以共价键结合。：主链全部由碳原子以共价键结合。例：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯例：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯杂链大分子杂链大分子：大分子链除碳原子外，还有：大分子链除碳原子外，还有O O、N N、S S、P P 例例:聚甲醛、聚酰胺聚甲醛、聚酰胺元素链大分子元素链大分子：大分子链中不含碳原子，而是由：大分子链中不含碳原子，而是由SiSi、O O、B B、S S、P P等元素组成等元素组成.例例:氟硅橡胶氟硅橡胶分类(组成元素)8A A、线型分子链线型分子链：各链节以共价键连接成长链分子，直径小，：各链节以共价键连接成长链分子，直径小，长度很长，呈卷曲状或线团状。长度很长，呈卷曲状或线团状。长径比长径比1000:11000:1B B、支化型分子链支化型分子链：在主链的两侧以共价键连接相当数量：在主链的两侧以共价键连接相当数量的长短不一的支链，其形状有树枝型、梳型、线团型。的长短不一的支链，其形状有树枝型、梳型、线团型。C C、体型分子链体型分子链：在线型或支化型分子链之间，沿横向通过：在线型或支化型分子链之间，沿横向通过链节以共价键连接起来，形成三维网状大分子。链节以共价键连接起来，形成三维网状大分子。（2 2）大分子链的形态）大分子链的形态9线型聚合物线型聚合物热塑性聚合物：热塑性聚合物：线型和支化型分子链构成的聚合物线型和支化型分子链构成的聚合物性能：高弹性、高塑性特点：重复的软化和硬化例如：涤纶、尼龙、生橡胶体型聚合物体型聚合物热固性聚合物：热固性聚合物：体型分子链构成的聚合物体型分子链构成的聚合物性能：具有较高的强度和热固性特点：不能再加热熔化和软化例如：环氧树脂、酚醛树脂、硫化橡胶10 立体异构：立体异构：化学成分相同而化学成分相同而不对称取代基沿分不对称取代基沿分子链占据位置不同子链占据位置不同，具有不同链结构的现象。，具有不同链结构的现象。（3 3）大分子链的空间构型）大分子链的空间构型 原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。A、如分子链的侧基为氢原子时，则其排列顺序不 影响空间构型。B、分子链的侧基中有其他原子或原子团，则排列 方式不只一种。11立体异构有三类立体异构有三类1 1、全同立构：全同立构：取代基取代基R R有规律地位于碳链平面同一侧。有规律地位于碳链平面同一侧。2 2、间同立构：间同立构：取代基取代基R R交替地排列在碳链平面两侧。交替地排列在碳链平面两侧。3 3、无规立构：无规立构：取代基取代基R R无规律排列在碳链平面两侧。无规律排列在碳链平面两侧。易结晶，硬度、密度、软化温度及熔点较高不易结晶性能较差122.2.大分子链的构象及柔性大分子链的构象及柔性1 1内内旋旋转转：由由于于原原子子热热运运动动,两两个个原原子子作作相相对对旋旋转转,即即保保持键角、键长不变的情况下，单键作旋转持键角、键长不变的情况下，单键作旋转2 2大分子链的大分子链的构象构象：单链内旋转所产生的空间形象：单链内旋转所产生的空间形象3 3分分子子链链的的柔柔性性：由由构构象象变变化化获获得得不不同同卷卷曲曲程程度度、能能拉拉伸、回缩的弹性特性伸、回缩的弹性特性 分子链旋转愈容易，柔性愈好分子链旋转愈容易，柔性愈好柔柔性性分分子子链链聚聚合合物物的的强强度度、硬硬度度和和熔熔点点较较低低，但但弹弹性性和和韧韧性性较较好好；刚刚性性分分子子链链聚聚合合物物则则相相反反，其其强强度度、硬硬度度和和熔熔点点较较高高，而弹性和韧性则较差。而弹性和韧性则较差。13 高高聚聚物物的的聚聚集集态态结结构构是是指指材材料料本本体体内内大大分分子子链链间的间的几何排列和堆砌结构几何排列和堆砌结构。高高聚聚物物聚聚集集态态结结构构一一般般分分为为非非晶晶态态、结结晶晶态态、取向态、液晶态、高分子合金态取向态、液晶态、高分子合金态。高高分分子子材材料料的的聚聚集集态态结结构构是是决决定定高高聚聚物物性性质质的的主主要要因因素素。而而温温度度对对于于材材料料的的凝凝聚聚态态结结构构和和行行为为具具有直接的影响作用。有直接的影响作用。3、高分子材料的聚集态、高分子材料的聚集态 非非晶晶态态高高聚聚物物又又称称为为无无定定型型高高聚聚物物。本本体体中中分分子子链链的的构构象象呈呈无无规规线线团团状状，线线团团分分子子间间是是无无规规缠缠绕绕的。材料各个方向上的性质相同。的。材料各个方向上的性质相同。柔柔性性长长链链线线型型高高聚聚物物分分子子固固化化时时可可以以结结晶晶，但但由由于于这这些些细细长长缠缠结结的的分分子子在在固固化化时时黏黏度度很很大大，运运动动较较困困难难，不不可可能能完完全全进进行行有有规规则则的的排排列列，因因而而有有相相当一部分保留为非晶态过冷液体。当一部分保留为非晶态过冷液体。晶态晶态分子链在空间规则排列分子链在空间规则排列强度、刚度、耐热性、强度、刚度、耐热性、抗熔性好抗熔性好部分晶态部分晶态部分规则排列部分规则排列介于两者之间介于两者之间非晶态非晶态无规则排列无规则排列弹性、延伸率、韧性好弹性、延伸率、韧性好16粘液体玻璃态部分晶态晶态l晶态高聚物比体积发生突变，结晶体积减小l大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态l 结晶度30%90%17三、高分子材料的性能三、高分子材料的性能1、机械性能、机械性能（1）线型非晶态高聚物的三种力学状态当对一无定型高聚物施加以当对一无定型高聚物施加以恒定应力恒定应力，随着温度的升高，就会，随着温度的升高，就会得到得到温度温度-形变曲线形变曲线，Tb为脆化温度，Tg为玻璃化温度，Tf 为粘流温度，Td为化学分解温度。18A、玻璃态（塑料）玻璃态（塑料）当当温温度度较较低低时时,TTg 时时，试试样样呈呈刚刚性性固固体体状状，在在外外力力作作用用下下，只只发发生生非非常常小小的的变变形形，整整个个大大分分子子链链不不能能发发生生运运动动，外力去除后形外力去除后形变变能迅速回复。能迅速回复。B、高高弹态弹态（橡胶）（橡胶）随随着着温温度度的的升升高高，当当TTg 时时，分分子子的的动动能能增增加加，链链段段自自由由旋旋转转变变成成柔柔软软的的弹弹性性体体。外外力力去去除除后后，变变形形量量可可以以回回复，但有明复，但有明显显的的时间时间依依赖赖性。性。Tg为链为链段开始运段开始运动动的温度。的温度。C、粘流粘流态态（树树脂）脂）温温度度高高于于Tf后后，在在外外力力作作用用下下，极极易易发发生生分分子子链链间间的的相相对对滑滑动动，产产生生不不可可逆逆变变形形，出出现现高高分分子子的的粘粘性性流流动动。粘粘流流态态主要与大分子主要与大分子链链的运的运动动有关，有关，Tf为为大分子大分子链链开始运开始运动动的温度。的温度。（2 2）其它类型高聚物的力学状态）其它类型高聚物的力学状态 1）线型晶态高聚物的力学状态 对于一般分子量的完全晶态线型高聚物来说，因有固定的熔点Tm，而没有高弹态。对于部分晶态线型高聚物，在TgTm之间出现一种既韧又硬的皮革态。2）体型非晶态高聚物的力学状态若交联点密度小，链段可运动，具有高弹态 轻度硫化的橡胶若交联点密度大，链段不能运动，性能硬而脆 酚醛塑料 202 2、高分子材料的性能特点、高分子材料的性能特点1 1）低强度和较高的比强度低强度和较高的比强度 抗拉强度平均为100MPa，比金属材料低得多，但是高分子材料的密度小，只有钢的1/41/8，所以其比强度并不比某些金属低。2）高弹性和低弹性模量）高弹性和低弹性模量 橡胶是典型的高弹性材料，其弹性变形率为100%1000%，弹性模量仅为220MPa左右。3）塑性好和受迫弹性高）塑性好和受迫弹性高 屈服应变达20%以上。在玻璃化温度以下，链节运动由卷曲变为伸直形，变形不能恢复。（1 1）力学性能特点）力学性能特点 21 4 4）粘弹性（应变不随作用力即时建立平衡）粘弹性（应变不随作用力即时建立平衡,而有所滞后）而有所滞后）高聚物的粘弹性表现为高聚物的粘弹性表现为蠕变、应力松弛和内耗蠕变、应力松弛和内耗三种现象。三种现象。蠕蠕变变是是在在恒恒定定载载荷荷下下，应应变变随随时时间间而而增增加加的的现现象象，它它反反映材料在一定外力作用下的形状稳定性。映材料在一定外力作用下的形状稳定性。应应力力松松弛弛是是在在应应变变恒恒定定的的条条件件下下，应应力力随随时时间间延延长长而而逐逐渐衰减的现象。渐衰减的现象。内内耗耗是是在在交交变变应应力力作作用用下下，处处于于高高弹弹态态的的高高分分子子，当当其其形形变变速速度度跟跟不不上上应应力力变变化化速速度度时时，就就会会出出应应变变滞滞后后应应力力的的现现象。象。5 5）韧性）韧性 仅为金属的百分之一数量级，仅为金属的百分之一数量级，不宜作为工程结构材料。不宜作为工程结构材料。6 6）高减摩、耐磨性）高减摩、耐磨性 部分塑料的摩擦系数小，具有自润滑性能。部分塑料的摩擦系数小，具有自润滑性能。22高聚物的粘弹性高聚物的粘弹性 一一个个理理想想的的弹弹性性体体，当当受受到到外外力力后后，平平衡衡形形变变是是瞬瞬时时达达到到的的，与与时时间间无无关关。一一个个理理想想的的粘粘性性体体，当当受受到到外外力力后后，形形变变与与时时间间是是正正比比关关系系，即即线线性性关关系系。而而高高聚聚物物材材料料的的形形变变与与时时间间有有关关，但但不不成成线线性性关关系系，而而是是介介于于理理想想弹弹性性体体和和理理想想粘粘性性体体之之间间，因因此此高高聚聚物材料称为物材料称为粘弹性材料粘弹性材料。根根据据高高聚聚物物材材料料受受外外部部作作用用情情况况不不同同，粘粘弹弹性性的的主要表现有主要表现有蠕变、应力松弛和内耗蠕变、应力松弛和内耗等。等。A、蠕变蠕变 蠕蠕变变是是指指高高聚聚物物在在一一定定的的温温度度下下，承承受受外外力力的的长长期期作作用用时时，发发生生“不不可可回回复复的的塑塑性性变变形形”。影影响响因素主要有结构、温度和外力等因素主要有结构、温度和外力等B、应力松弛应力松弛 应应力力松松弛弛是是指指高高聚聚物物在在恒恒定定温温度度和和形形变变保保持持不不变变的的前前提提下下，其其内内部部应应力力随随时时间间增增加加而而逐逐渐渐衰衰减减的的现象。应力松弛亦与温度有关，温度高，松弛迅速现象。应力松弛亦与温度有关，温度高，松弛迅速C、滞后与内耗滞后与内耗 蠕蠕变变和和应应力力松松弛弛都都属属于于静静态态粘粘弹弹行行为为。在在交交变变应应力力作作用用下下，大大分分子子链链的的构构象象变变化化跟跟不不上上应应力力变变化化（内摩擦），便出现滞后现象。（内摩擦），便出现滞后现象。在在滞滞后后情情况况下下，拉拉伸伸时时外外力力对对高高聚聚物物体体系系做做的的功功，一一方方面面用用来来改改变变分分子子链链段段的的构构象象，另另一一方方面面用用来来提提供供链链段段运运动动时时克克服服链链段段间间内内摩摩擦擦所所需需要要的的能能量量，回回缩缩时时仍仍需需克克服服链链段段间间的的摩摩擦擦阻阻力力。这这样样，在在拉拉伸伸-回回缩缩循循环环中中，有有一一部部分分功功被被耗耗损损，转转化化为为热热，即即内内耗，滞后现象愈严重，内耗愈大。耗，滞后现象愈严重，内耗愈大。（2 2）高分子材料的物化性能特点）高分子材料的物化性能特点 1.1.高绝缘性及隔热隔音性高绝缘性及隔热隔音性 2.2.低耐热性低耐热性 3.3.耐蚀性耐蚀性 4.4.老化老化主要缺点主要缺点 26高分子材料的老化高分子材料的老化 老老化化是是指指高高聚聚物物在在长长期期使使用用和和存存放放过过程程中中，由由于于受受各各种种因因素素的的影影响响，性性能能随随时时间间不不断断恶恶化化，逐逐渐渐丧丧失失使使用用价价值值的的过过程程。这这些些现现象象是是不不可可逆逆的的。老老化化是是高聚物的一个主要缺点。高聚物的一个主要缺点。老老化化的的主主要要原原因因是是分分子子链链的的结结构构发发生生了了降降解解或或者者交联。交联。v 降降解解是是指指大大分分子子发发生生断断裂裂或或者者裂裂解解，结结果果是是分分子子量量降降低低，碎碎断断为为许许多多小小分分子子，甚甚至至分分解解为为单单体体，从从而而使使机机械械性性能能、弹弹性、熔点、溶解度和粘度等性能降低。性、熔点、溶解度和粘度等性能降低。v 交交联联是是指指分分子子链链之之间间生生成成化化学学键键，形形成成网网状状结结构构，而而使使材料变硬、变脆。材料变硬、变脆。老化的防止改进措施：老化的防止改进措施：v 1）改变高聚物的结构）改变高聚物的结构。例如可将聚乙烯氯化，例如可将聚乙烯氯化，以改变其热稳定性。以改变其热稳定性。v 2）添加防老化剂）添加防老化剂。高聚物中加入水杨酸脂，二高聚物中加入水杨酸脂，二甲苯酮类有机物和碳黑，可防止光氧化。甲苯酮类有机物和碳黑，可防止光氧化。v 3）表面处理）表面处理。在高分子材料表面镀金属（如银、在高分子材料表面镀金属（如银、铜铜/镍）和喷涂耐老化涂料（如漆、石蜡）作保护层。镍）和喷涂耐老化涂料（如漆、石蜡）作保护层。此课件下载可自行编辑修改，供参考！此课件下载可自行编辑修改，供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！