常州工程职院高分子物理教案19三种环境下的耐腐蚀类塑料材料的分析、选择、改性

项目 19 教学中的必要准备内容项目 19《三种环境下的耐腐蚀类塑料材料的分析、选择、改性》具体任务第一组：请为耐酸、耐碱、耐水制品的生产选择合适的高分子材料；第二组：请为耐有机溶剂容器的生产选择合适的高分子材料；第三组：请为耐强氧化剂制品的生产选择合适的高分子材料。耐腐蚀类塑料的选用一、塑料的腐蚀与防腐机理 1、塑料的腐蚀机理塑料的腐蚀机理与金属的腐蚀机理不同，金属的腐蚀有氧化腐蚀和电化学腐蚀两种，而塑料的腐蚀有: 氧化腐蚀、酸碱水腐蚀及溶剂介质腐蚀三种。 (1)氧化腐蚀塑料的氧化腐蚀与金属的氧化腐蚀不同，金属的氧化腐蚀主要是金属周围环境氧的作用；而塑料的氧化腐蚀与周围环境氧的作用不明显，其氧化腐蚀主要是受强氧化剂的氧化作用，使树脂发生氧化降解反应。导致塑料制品的性能下降。能对塑料形成氧化腐蚀的强氧化剂有浓硝酸、浓硫酸及高锰酸等。在所有树脂中，除③氟树脂等少数几种塑料外，几乎所有树脂都不耐强氧化剂。 (2)酸、碱、水的腐蚀对于一些分子中存在酯基、酰胺基、醚基及硅氧基的树脂，在有酸、碱及水存在的环境中，易发生水解降解反应。例如， PET类塑料易发生酸性或碱性水解及高温下的纯水解，因而 PET 不耐酸、碱及高温水。PA 类树脂在酸性环境中易水解，因而不耐酸。SI 树脂会在高温酸性水气中裂解。 POM 及 EP 在酸的作用下加速降解。PF 不耐碱的作用。①只有 PVC、PE、PP、PB 及 PS 等树脂的耐酸、碱及水性都很好。 (3)溶剂介质的腐蚀当树脂的极性与环境介质的极性相一致或接近时，树脂易受环境介质的腐蚀。例如，大分子主链或支链含有一H、一 CH3、一 C6H5 等基团的非极性材料如 PE、PP、PS 及 PB 等树脂，虽能耐酸、碱、盐水溶液和水、醇等极性物质，但不耐如汽油、苯、甲苯、丙酮及四氯化碳等非极性溶剂。而大分子中含有羟基、羧基、羰基及铵基的②PVA、PA及 PF 等不耐酸、碱及水等极性介质，但可耐上述非极性溶剂。2、塑料的防腐机理为增加塑料的防腐性能，可从以下几个方面考虑。①防止可导致塑料腐蚀的介质侵人塑料制品内部，具体方法为在塑料制品表面涂层初复合。②在塑料制品中加人防腐物质，它侵人塑料制品中并与侵人的介质作用，降低介质的腐蚀能力。例如，在 POM 树脂中加入碱性物质，可有效的抑制 POM 的酸性降解。③尽量减少塑料制品的应力集中，以防止应力开裂。④对塑料制品进行适当的交联改性处理。⑤增加塑料制品的密实度，防止介质的侵人。二、常用塑料的腐蚀性从前面的介绍中可以看出，不同树脂的耐腐蚀性大小大不相同。除氟树脂外，儿乎所有的塑料都不耐强氧化剂；有的树脂不耐酸、碱及水等极性介质;有的树脂不耐汽油及苯等非极性介质。常用塑料的腐蚀性大小如下：氟类树脂＞氯化聚醚＞PPS＞PVC、PE、PP 及 PB 等＞PC、PET、POM、 PA、PSF 及 PI＞PF、EP、UP 及 AF 等热固性树脂。下面分别介绍各类树脂的耐腐蚀性能。 (1)氟类树脂在所有树脂中，氟类树脂的耐腐蚀性能最好。它除了不耐高温下熔融的碱金属、液态钠及元素氟外，可耐几乎所有的介质，这其中包括强氧化剂如浓硫酸等，甚至可耐王水。氟类树脂主要有： PTFE(F4)、PVDF、FEP(F46)、PCTFE(F3) 等，常用于防腐蚀零件的制造，具体如垫片、接头及导管等。 (2)氯化聚醚氯化聚醚是仅次于氟类树脂耐腐蚀性能的耐腐塑料，它可耐大多数无机酸、碱及盐，但不耐浓硫酸及液态氯等强氧化剂。(3)PPS PPS 是一种优良的高温防腐类塑料，可耐无机酸、碱及盐，是具有接近氟树脂耐腐蚀性能的唯一工程塑料品种。但 PP 不耐强氧化剂，如可被氧化性酸 (浓硫酸、浓硝酸、王水等)脆化，三氯乙烯及氯苯可诱发其制品的应力开裂。 (4)PVC、CPE 及氯磺化 PE 这类含氯塑料可耐常温下的酸、碱及盐，对某些溶剂如乙醇、汽油及矿物油稳定，在酮、酯、芳烃及大多数卤烃中溶胀或溶解。例如，PVC 不耐芳烃 (如苯、甲苯)、氯化烃 (氯苯、二氯乙烷)、酮类及四氢呋哺等。 (5)PE、PP 及 PB 等这类塑料常温下可耐稀硫酸、稀硝酸及任何浓度的盐酸、氢氟酸、磷酸、甲酸、乙酸等，并可耐碱及盐；但不耐强氧化剂及一些非极性溶剂，如浓硫酸、脂肪烃、芳香烃及卤代烃等。 (6)PC、PET、POM、PA、PSF 及 Pl 等这类塑料大都不耐酸、碱、盐及水中的一种或多种。其中： PA及 POM 耐碱及耐油性好，但不耐酸；PET耐酸及水，但不耐碱，在高温下酸及碱都不耐；Pl 耐酸，但不耐碱及水。 (7)热固性树脂热固性树脂的耐强氧化剂性，耐酸、碱、盐及耐溶剂性都不太好。其中，UP 的耐酸性尚可，但不耐碱、苯及酮；PF 耐酸，但不耐碱；EP 耐水性及耐酸性均好，但不耐酸。 EP 的固化剂种类不同，耐腐蚀性不同；以 610lEP 为例，用乙二胺不如用间苯二胺的耐腐性好。UP 的耐腐次序为：乙烯基酯 UP＞双酚 A 型 UP(牌号有天津 3301、常州的 197、上海的 323)＞间苯型 UP(牌号 197)＞芳醇型 UP(牌号 S­146、5­148)。三、防腐蚀塑料的选用1、耐腐蚀塑料的应用范围各种化工用储罐、合成釜、化工管道、化工设备、耐酸泵、化工试剂容器、有机溶剂容器等。2、耐腐蚀塑料的选择范围对于有下列要求的耐腐材料，一般可选择耐腐类塑料材料：要求耐腐材料的成本低；要求耐腐蚀性极高，而且持续长久；耐腐材料不需要保养即可使用；同时具有耐腐性与耐磨性；耐腐制品形状十分复杂；要求耐腐材料质轻且具有隔热性能。对于有下列要求的耐腐材料，一般不宜选择耐腐类塑料：要求耐腐制品的强度特别高，塑料材料难以满足时，如拉伸强度超过 170MPa 时，塑料就难以满足;耐腐环境的工作温度超过 360℃；耐腐环境的工作温度变化很大。3、耐腐蚀塑料的选用原则 (1)视环境介质不同而选取环境介质的不同，对耐腐蚀材料的品种要求也不同。环境介质的具体影响包括如下几个方面：介质的种类、状态、浓度、温度及氧化性等。①介质的种类。对于不同的介质的种类，选择不同的防腐塑料品种：强氧化性介质宜选择氟类塑料；无机酸、碱、盐水溶液介质宜选择聚烯烃类如 PP、PE、PVC 及 PB 等；有机溶剂介质宜选择 PC、POM、 PET、PA、PSF 及 PI等。②介质的状态。介质的状态也很重要，其状态不同，选择的防腐塑料材料种类也不同。例如，同是氯气，湿氯气比干氯气腐蚀性严重得多。③介质的浓度、温度。介质的浓度、温度越高，其腐蚀性越严重。④介质的氧化性。大多数塑料对介质的氧化性都敏感。 (2)视防腐制品的受力状态而选取防腐制品在使用中所受的应力状态不同，对防腐制品的防腐性能要求也不相同。一般情况下，应力会加速防腐制品的腐蚀破坏，这种现象称为介质应力开裂。例如，聚醚砜 30%GF 增强塑料在无应力状态时，可耐甲苯的腐蚀;但如果在应力状态下使用，例如用做耐腐垫片，甲苯则会使其丧失 50%的拉伸强度。 (3)视防腐制品的强度要求而选取如果防腐制品的强度要求比较高，一般不宜选用氟类防腐塑料。而应选用强度高的防腐类塑料，如 PVC、PE、PP、PC、PA、PSF、及 PI等。对于一些大型耐压化工容器，，往往选用热固性塑料进行玻璃纤维增强处理，其制品一般称为玻璃钢。玻璃钢的耐压强度很好，但耐腐性能一般，为取得优异的防腐性能，需要进行涂层处理。总之，要合理地选取防腐塑料品种，除了考虑上述三点外，还需要考虑制品的尺寸大小、使用温度及腐蚀性程度。教案本次课标题：项目 19 三种环境下的耐腐蚀类塑料材料的分析、选择、改性复合材料 0611 10 周 11月 6日第 3,4 节多 B­410 授课班级上课时间周月日第节上课地点教学目的通过对项目 19 所涉及到三种环境下的耐腐蚀类塑料材料的分析、选择、改性的整个实施过程，使学生进一步了解并掌握完成一个完整项目的每个细节，逐步形成实施每个细节过程的能力，最终达到根据产品需要对高分子材料进行合理分析、合理选择、合理改性的总能力；进而结合学生所选择出来的材料从理论上归纳、总结与高分子物理的研究对象直接相关的结构与性能的关系；同时在完成项目过程中对课程整体方案所规定的拓展能力进行初步的锻炼。能力（技能）目标知识目标素质目标教学目标能根据不同环境的要求，合理的选择耐腐蚀类高分子材料；并能合理的分析所选择材料的结构、性能；如果不能直接选择到合适材料时，能提出合理的改进意见与方案。被选用的高分子材料的主要结构特征、主要性能及应用范围。其中第16个项目重点学习溶解性能的知识。初步建立良好的学习方法；资料收集的方法；处理问题的方法；团队合作的意识；用户至上的意识；安全环保意识；表述与合理辩解能力。重点难点及解决方法重点：通过项目 19 六个任务的实施过程，培养并实现能力目标难点：对学生而言是项目 19 六个任务的完整实施过程，进一步熟悉过程的每个细节的能力。解决方案: 利用现代教学手段展示耐腐蚀类塑料制品的图片，以增加学生的感性认识；提前向学生提供由指导教师准备好的相关素材，并介绍可以参考的资料及资源；对重点部分内容，先由学生探索、讨论，再找出问题，帮助学生整理思路，提供可参考的处理方法、相关的格式；对难点部分内容，提供可参考的完整过程的环节(或步骤)，进一步思考每环节主要做什么？怎么做？怎么做更好？参考资料教材《高分子物理》侯文顺杨宗伟化学工业出版社 2006 年《高分子物理课程改革素材》(自编材料)侯文顺 2007 年 8 月其他的资料：《高聚物生产技术》侯文顺高等教育出版社（十一五规划教材）2007；《高分子材料分析与测试》潘文群化学工业出版社 2005；《高分子材料改性》戚亚光薛叙明化学工业出版社 2005；《橡胶材料与配方》聂垣凯化学工业出版社 2004；《高聚物结构、性能与测试》焦剑雷渭媛 2003；《塑料材料的选用》王文广化学工业出版社 2002；《高分子材料》高俊刚李源勋化学工业出版社 2002；《塑料材料与配方》桑永化学工业出版社 2001 工具与材料多媒体教学系统；专业专用计算机网络系统；常用耐腐蚀类塑料所用树脂原料；性能检测专业仪器设备。步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）向学生介绍本此课程的教学内容、教学目标及分解后的能力目标、知识目标、素质目标口述多媒体展示自由发言引入（任务项目）建立项目教学情景：与学生班长(复合材料 0611 集团总经理)、各任务组长(各子项目执行经理)签定总项目协议书；对项目 19 的六个任务进行解释，并由班长分配各组具体承担的任务。注：上述两个教学过程，一般利用前一次课程最后的 5～10min完成。口述引导设疑答疑多媒体展示自由发言 5～10 min 操练（掌握初步或基本能力）总经理向项目委托方代表(教师)介绍任务分配情况；并说明完成情况，完成时的一个最大问题(或难点)；同时确定汇报顺序。各子项目执行经理征求最后一次组内人员进行将要汇报结果的改进意见。如没有意见则直接进入汇报环节。第一组汇报人介绍完成情况，最终确定结果，相应的确定依据(资料、标准、实验测试)，完成过程的程序，所选高分子材料的结构与性能，组内人员的各自情况与合作情况(最后合作评价分由任务汇报人确定)。第二组汇报人∙∙∙∙∙∙ 第三组汇报人∙∙∙∙∙∙ 第四组汇报人∙∙∙∙∙∙ 第五组汇报人∙∙∙∙∙∙ 第六组汇报人∙∙∙∙∙∙ 由项目委托方代表对第一个项目中的六个任的完成情况进行逐一评议、考核、打分；同时在每一组中任选一人进行局部核实。指导教师，针对项目 19 中所选择出来的高分子材料主要进行有关高聚物溶液的知识。引导实际查找归纳总结由浅入深由简到繁考评多媒体展示配合多媒体课件配合组内代表发言；组内人员补充发言；学生个别发言 45 min 20min 深化（加深对基本能力的体会）利用 PVA可以提供承受什么样的溶剂？否定设疑多媒体展示提问与讨论 5归纳（知识能力和素质）通过项目 18的实施过程总结的知识为：高分子材料溶解性能。能力为任务本身的分析能力，现有成型产品的使用借鉴能力，过程实施能力