材料概论教学课件 第5章 高分子材料.pdf

第5章高分子材料5.1 高分子材料概述5.2 高分子的合成5.3 高分子材料的结构与性能5.4 高分子材料的种类5.5 高分子材料的成型加工5.1高分子材料概述5.1.1 高分子材料的基本概念5.1.2 高分子材料的命名5.1.3 高分子材料的分类5.1.1高分子材料的基本概念高分子是高分子化合物的简称，又称为聚合物(Polymer)。高分子 化合物的最大特点是相对分子质量巨大，其相对分子质量(物质的 分子质量与一个碳原子的1/12的比值)通常在10000以上。高分子 的分子结构是由许多重复单元通过共价键的有规律连接而成的，其形状主要为链状高分子或网状高分子。5.1.2高分子材料的命名1.结构系统命名法2.商品名称命名法3.英文缩写名称表5-1常见高分子材料的名称及所对应的英文缩写名称t 典 fllfT1UK”0 9 f HR45.1.3高分子材料的分类按来源可分为天然高分子材料及合成高分子材料；按大分子链结 构可分为碳链高分子、杂链高分子及元素有机高分子材料。最常 用的分类方法是按性能和用途来分类，可分为塑料、橡胶、纤 维、粘合剂、涂料。5.2高分子的合成5.2.1 高分子的合成原理5.2.2 高分子的合成方法5.2.3 高分子材料的组成5.2.1高分子的合成原理1.加聚反应2.缩聚反应3.共混态高分子1.加聚反应链引发反应 含有未成对电子的原子、分子或离子叫做自由 基。(2)链增长反应 链引发反应形成的单体自由基可与第二个单体发 生加聚反应，形成新的自由基(也称为链自由基)。(3)链终止反应 自由基活性中心消失，生成稳定大分子的过程称 为链终止反应。2.缩聚反应H/N-(CH2)6NHH 0 0己二酸己二胺H 9 0 II N(CH2)6NC(CH2)4C+H20H H OH尼龙66水17A.TIF5.2.2高分子的合成方法1.本体聚合法2.溶液聚合法3.悬浮聚合法4.乳液聚合法o6o ojpoo Oooo 瞬小体.溶剂二 Oooj?OO_O9卫6c。也*浮，介质水小体小液和引发-授界保持 小液滴 款浮木小体液滴 和乳化剂 使黑悬浮图5-1高分子材料的合成方法示意图a 本体聚合法b 溶液聚合法c 悬浮聚合法d 乳液聚合法5.2.3高分子材料的组成塑料 含增塑剂、稳定剂、增强剂、填料、颜料、润滑剂、增 韧剂等。(2)橡胶 含硫化剂、促进剂、补强剂、防老剂、填料、软化剂 等。涂料 含颜料、催干剂、润湿剂、增塑剂、悬浮剂、稳定剂5.3高分子材料的结构与性能5.3.1 高分子材料的结构5.3.2 高分子材料的性能5.3.1高分子材料的结构1.聚合物分子链的近程结构2.高分子链的远程结构3.高分子材料的凝聚态结构1.聚合物分子链的近程结构结构单元的化学组成 聚合物分子链结构单元的化学组成是由 参与聚合的单体化学组成和聚合方式来决定的。(2)结构单元的键接方式键接方式可分为均聚物(由一种单体构 成)的键接方式和共聚物(由两种或两种以上的单体构成)的键接方 式。结构单元的立体构型 结构单元的立体构型是指分子链中由化 学键所固定的原子在空间的几何排列。(4)分子链支化与交联 大分子除了线型链状结构外，还存在分子 链支化、交联及网络等结构。;尾 头头尾;头头键接 上 CHCHCHCHz,CH：CH：1 1：1RR：R:头尾 头尾头尾键接 CH24-CHCH2CHCH24-CH:1 1:1：R R：R;头尾 尾头：尾-尾键接 一CHCH+CHCH?CH?CHR：R R：一一/17B.TIF线型一:交联网络支化图5-4高分子链形态的几种模型2.高分子链的远程结构高分子链的内旋转构象 高分子链的内旋转构象是指分子链中 由单键内旋转所形成的原子（或基团）在空间的几何排列图像。2 高分子的相对分子质量 高分子材料的力学、热学、电学等物 理性能和加工性能都与其相对分子质量的大小及分布密切相关。b c d 图5-6单个高分子的几种构象示意图 a 伸展链b 无视线团c 折叠链d 螺旋链3.高分子材料的凝聚态结构聚合物分子间的相互作用力 大分子内的原子依靠化学键(主 要是共价键)结合形成长链结构，这种化学键为分子内作用力，也 称为主价键力。(2)高分子材料的共混态结构两种或两种以上高分子材料的物理 混合物状态称为高分子材料的共混态。相对分f质状图5-7典型的高分子尺寸分布532高分子材料的性能1.高分子材料的力学性能2.高分子材料的物理性能3.高分子材料的老化1.高分子材料的力学性能高分子材料的拉伸应力-应变曲线 高分子材料的种类庞大，即使是同种高分子材料，其相对分子质量也不同，因此表现出不 同的力学性能，其拉伸应力-应变曲线也各不相同。(2)高分子材料的变形机理 不同类型的高分子材料具有不同的结 构，因而表现出不同的力学性能规律。温度对高分子材料力学性能的影响 环境温度对高分子材料拉 伸行为的影响十分显著，温度升高，分子链段热运动加剧，松弛 过程加快，表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力-应变 曲线形状发生很大变化。1.高分子材料的力学性能0 12 3 4 5 6 7 8应变（）图5-11高分子材料的应力-应变曲线类型1脆性高分子材料（热固性塑料）2塑性高分子材料（热塑性塑料）3高弹性高分子材料（橡胶）2.高分子材料的物理性能高分子材料的电学性能 电学性能是指高分子材料在外电场作 用下的导电性能和介电性能。(2)高分子材料的光学性能光学性能反映了光和物质的相互作用。高分子材料的热性能一般高分子材料的导电性差，热量不能 通过电子传递，因而是热绝缘体，故广泛作为热绝缘材料使用。3.高分子材料的老化(1)外观 材料发粘、变形、变色、变硬、变脆、出现银纹或斑点 等。(2)力学性能 弹性、拉伸强度、弯曲强度、硬度和耐磨性等降 低。电性能 如介电常数、介电损耗、击穿电压等的变化。(4)物理性能由于相对分子质量和结构变化，引起溶解、溶胀和 流变性能的变化。5.4高分子材料的种类5.4.1 塑料5.4.2 橡胶5.4.3 纤维5.4.4 粘合剂及涂料5A.1塑料1.通用热塑性塑料2.工程热塑性塑料3.通用热固性塑料4.工程热固性塑料5.塑料的组分及其作用聚聚乙烯不饱和聚能环何树脂尼龙/ABS聚乙通HII聚碳酸所热果性训J7ZF 料聚区崎热固性型料I:程热剂性果料热生性玳料所有册料烯 乙 聚性热册性/图5-17热塑性及热固性塑料的相对使用量1.通用热塑性塑料(1)聚乙烯(2)聚丙烯聚苯乙烯 聚苯乙烯简称PS,是由单体苯乙烯通过加聚反应制 得的。(4)聚氯乙烯2.工程热塑性塑料聚酰胺 聚酰胺俗称尼龙(Nylon),简记为PA,是指大分子主 链上含有酰胺基团(CONH)的聚合物，可由二元酸和二元胺缩 聚而得，也可由内酰胺自聚制得。(2)聚碳酸酯聚碳酸酯简称PC,是指分子主链中含有基团的线 型聚合物。聚甲醛聚甲醛简称POM,学名为聚氧化次甲基。(4)ABS ABS是由丙烯睛、丁二烯、苯乙烯三种单体组成的热塑 性塑料，其名称来源于这三个单体的英文名称的第一个字母。聚甲基丙烯酸甲酯：0 H：ll I：-CH2CH2CH2CH2CH2-CN-H：I：Nt-(CH2)6-*N：l：H:0:|(CHIT,尼龙6尼龙66表5-2几种通用热塑性塑料和工程热塑性塑料的性能I 9.CM，技停雳 MP*J*mA-flt、*!AAftRiait XA0V WK4l-LU110，l11：to：1SOX 1。230W*4 4电t“向.3L 31；g g 9ea|3|*a-S4.U930)1的1 i.AM v:“2，ITOOO130L 34S I|C皿L Jo42 1。0-3”1;二 1ia3.通用热图性塑料(1)酚醛塑料氨基塑料 以氨基树脂为基本组分的塑料称为氨基塑料。聚氨酯PUR是指分子主链上含重复单元氨基甲酸酯基团的聚 合物。H?岳”.H.?HI 1!U./加热、催化脉H0 IIH/H H H甲醛 腺H 0 IINCNC H2NCN+H,0/|H H H H版-甲醛 单体 水4.工程热图性塑料环氧树脂塑料分子中含有环氧基团的聚合物称为环氧树脂(E P)。(2)不饱和聚酯树脂简称UPR,是由不饱和二元竣酸(或酸醉)、饱和二元竣酸(或酸酎)与多元醇缩聚而成的线型高分子化合物。(3)有机硅塑料 简称SL有机硅即聚有机硅氧烷，其主链由硅氧 键构成，侧基为有机基团，与硅原子相连的侧基主要有一CH 3、一C6H5、CH2=CH及其他有机基团。(4)吠喃塑料吠喃塑料是以吠喃树脂为基本组分的塑料。环打开-CH2CHCH2 X0两个线性环氧分子端部的环氧基2 2 2 2 H H H H N C C N胺 二 乙在两个线性环氧分子 间形成交联结构表5-3几种通用热固性塑料和工程热固性塑料的性能nitBV MP1，也餐”0/vwAAitmac tl ll*L 41T400M|l37.*1lajix总35 j 1IMO电U 107-my：7l：4|5-1?三电1I.SJU-7-m 1|加ia-工g 32S32-MW*1?(o|勿 700 nJZS33，MJU力l8f AXIt*134网18算复ni。，1A*1*000电L 抽、StOO6a:2341400J 151aMiI So5.塑料的组分及其作用填料及增强剂 填料的主要功能是降低成本和收缩率，也有改 善塑料某些性能的作用。(2)增塑剂 对一些玻璃化温度较高的聚合物，为了制得室温下的 软质制品、改善加工时熔体的流动性能，就需加入增塑剂。抗静电剂 抗静电剂的作用是通过降低塑料制品的表面电阻，防止电荷累积从而减少或消除制品表面静电荷的形成。(4)润滑剂加入润滑剂有助于防止塑料在成型加工过程中发生粘 模。发泡剂 发泡剂是一类受热会分解并放出气体的有机化合物，它是制备泡沫塑料的重要助剂之一。(6)阻燃剂阻燃剂是一类能改进塑料的耐燃性能，用以减缓塑料 燃烧性能的助剂。着色剂着色剂赋予塑料制品各种色泽，它可分为染料和颜 料。(8)抗老化添加剂为了防止塑料在热、光、氧等条件下过早老 化，延长制品的使用寿命，常加入稳定剂，它包括热稳定剂、光 稳定剂及抗氧化剂。固化剂 加入固化剂可使高分子聚合物线型大分子交联而变成 体型大分子，从而获得耐热、坚硬的塑料制品。5.4.2橡胶1.橡胶的分类2.主要橡胶添加剂及其特性所有其他橡胶YIIHh M采橡胶*Hl懒胶勿勿，家乙内橡股至 顺橡胶r苯梭胶天然橡胶 1 III0 2000 4(X)0 6000 8(X)()10()0()年用1/kt图5-18全世界在2010年橡胶的消耗量L橡胶的分类天然橡胶 天然橡胶从自然界含胶植物中提取，简称NB。合成橡胶合成橡胶的品种很多，按其性能和用途可分为通用 合成橡胶和特种合成橡胶。H/CCH2H50%-80%HC-CNC表5-4几种橡胶的主要特性和应用以Jj 型ntQ天%以、Ralg局龄*.*.端，假不 产”义/与。鬟*1 IftRSBR逼碗而;.金a raMiRX7R.总务.，包凯温n.fi1 y _ _“w!匕tUCTUA.f ew维，逑tirSo|僦*,品.Wa.tm.lt mvC*化工依，内&以，menM一，.40*俶小aw 窗”朴食8 乃2.主要橡胶添加剂及其特性硫化体系 硫化是橡胶制品生产过程中最重要的环节，生胶大 分子只有经过硫化、交联，形成具有三维网状结构的体型大分 子，才会获得优异的高弹性和高强度，成为有实际使用价值的材 料。(2)补强与填充体系补强是橡胶工业的专有名词，是指提高橡胶 的拉伸强度、撕裂强度及耐磨耗性能。(3)防老化体系 橡胶在贮存、加工和长期的使用过程中，受氧、臭氧、光、热、高能辐射及应力作用，会逐渐发粘、变硬、弹性 降低、龟裂、发霉、粉化，这种现象称为老化。(4)增塑体系橡胶材料最宝贵、最重要的性质是高弹性。5.4.3纤维1.天然纤维2.化学纤维2.化学纤维人造纤维人造纤维是以天然高分子材料为原料，经化学处理 与机械加工而制得的纤维。(2)合成纤维以合成高分子材料为原料制得的纤维称为合成纤 维。5.4.4粘合剂及涂料1.粘合剂2.涂料L粘合剂1 增塑齐IJ及增韧剂。2 固化剂（硬化剂）。3 填料。4 溶剂o5 其他辅料。金属材料 金属材料是高强度材料，在胶接金属时，要考虑载 荷及工作环境等条件来选择适当的粘合剂。(2)塑料、橡胶胶接塑料常用的粘合剂见表5-5。玻璃 用于粘接玻璃的粘合剂，需要考虑强度、透明性以及与 玻璃热胀系数的匹配。混凝土 胶接混凝土一般采用环氧树脂粘合剂，对载荷不大的 非结构也可采用聚氯酯胶。金属与非金属 金属与不同非金属材料的胶接所选用的粘合剂 不同，如橡胶-金属的胶接一般可选用改性的橡胶粘合剂，如氯丁 酚醛胶、富基丙烯酸酯胶等。表5-5塑料材料常用粘合剂PMMAMC.CMBQ.IIFQ 忆乙,9R 1 静.丁|WSIWKAMavHn表5-5塑料材料常用粘合剂9M方*fl乙，拉A我用，算眼n验 不,收坏我以 乙MMC.VMBC八，an.Kri量Wfwin.*.*et/.&他修彼.*算K般.我电121 三内，看,*n归fFKQ.ftn,VBJtrS 罐表5-6混凝土与其他材料胶接时常用的粘合剂9AMHH年虱&.乙乙丁皎tGtfe*n.x rn.n&乙依】般2.涂木斗成膜物质 成膜物质必须与物体表面具有良好的结合力(附着 力)。颜料 涂料中加入颜料可起装饰作用，并对物体表面起到耐腐 蚀保护作用。填充剂 填充剂又称为填料，在涂料工业中亦称为体质颜料，它们不具有遮盖力和着色力，而是可以改进涂料的流动性能，提 高膜层的耐久性、力学性能和光泽，并可降低涂料的成本。(4)溶剂溶剂是用来溶解成膜物质的易挥发性有机液体，常用的 有甲苯、二甲苯、丁醇、丁酮、醋酸乙酯等。(5)增塑剂 增塑剂是为了提高漆膜柔性而加入的有机添加剂。(6)催干剂(催化剂)催干剂就是促使聚合或交联的催化剂。增稠剂及稀释剂增稠剂及稀释剂是为了改善涂料的粘度而加 入的添加剂。(8)其他添加剂涂料中的其他添加成分还有杀菌剂、颜料分散 剂，以及为了延长储存期而加入的阻聚剂、防结皮剂等。5.5高分子材料的成型加工5.5.1 塑料的成型加工5.5.2 橡胶的成型加工5.5.3 合成纤维的纺丝工艺5.5.1塑料的成型加工1.挤出成型2.注射模塑法成型3.压延成型4.吹塑成型5.模压成型6.传递模塑成型L挤出成型生|熔融田缩 计量图5-21螺杆挤出机结构示意图2.注射模塑法成型送料 如图5-22a所示，粒状物料经加料漏斗加入机筒，在螺 杆推压下将粒状物料推至机筒前端。(2)塑化 如图5-22b所示，物料在注射机的机筒前端内加热熔 化。充模 如图5-22c所示，在螺杆的前进推力下物料经前端的喷 嘴快速注入温度较低的闭合模具内保压。(4)脱模如图5-22d所示，经过冷却定型，开启模具即得制品。3.压延成型图5-23压延法生产软聚氯乙烯薄膜工艺流程示意图1树脂料仓2电磁振动加料斗3自动磅秤4称量计5一大混合器6一齿轮泵7 大混合中间贮槽8传感器9电子秤料斗10高速热机11高速冷机12集尘器13塑化 机14、16、18、24输送带15、17辐压机19金属检测器20摆斗21四辐压延机22冷却导根23冷却根25运输辐26张力装置27切割装置28复卷装置29压力辐4.吹塑成型图5-24吹塑成型塑料瓶示意图a 将管状塑料预制品放入模具内b 合模、管状塑料预制品底部合拢 c 空气压制预制品到成品1进气管2压模头3模具4型坯5.模压成型b)图5-25模压成型热固性塑料制品示意图 a 原料置于上下模板型腔内b 闭模加压成型制品5.5.2橡胶的成型加工塑炼将处于高弹性态的强韧性生胶转变为柔软而具有可塑性 胶料的工艺过程称为塑炼。(2)混炼将添加剂和塑炼胶按照配比制成质量均一混炼胶的工艺 过程称为混炼。橡胶制品的模压成型1)与热塑性塑料加工类似，压延也是橡 胶加工的重要基本工艺之一。2)用于塑料成型的挤出工艺也可用于橡胶的成型。(4)硫化工艺 硫化是橡胶生产加工中的最后一道工艺过程，其温 度、压力、时间称为硫化工艺三要素。5.5.3合成纤维的纺丝工艺1.纺丝2.纺丝后加工1.纺丝熔体纺丝法凡加热能够熔融或转变成粘流态而不发生显著降 解的高分子材料，均可采用熔体纺丝法进行纺丝。(2)溶液纺丝 若高分子材料的熔点高于分解温度，如聚丙烯睛，2.纺丝后加工短纤维的后加工长度在几厘米到十几厘米的化学纤维称为短 纤维。(2)长丝的后加工由纺丝工艺获得的长度以千米计的光滑初生纤 维称为长丝。弹性丝的加工热塑性高分子材料制得的合成纤维长丝经过特 殊的变形热处理，可制得富有弹性的弹力丝。(4)膨体纱的加工 膨体纱斗睛纶为主，是利用其热塑性制得的具 有蓬松性的纱线。CO图5-29假捻法生产 弹力丝示意图