土木工程材料第8章-合成高分子材料

第8章合成高分子材料本章学习目标1.熟悉合成高分子材料的性能特点及主要的高分子材料品种；2.熟悉土木工程中合成高分子材料的主要制品及应用，包括塑料、胶粘剂及涂料。本章的难点是从合成高分子材料的组成来理解它的性能，正确地根据工程实际选用合适的合成高分子材料。建议在学习中通过对比来理解不同种类的高分子材料的性能及应用。有机高分子材料是由高分子化合物组成的材料。在土木工程中所涉及的主要有塑料、橡胶、化学纤维、胶粘剂和涂料。本章主要介绍塑料、胶粘剂和涂料。这些有机高分子材料的基本成分是人工合成的高分子化合物，简称高聚物。由高聚物加工而成，或高聚物对传统材料改性所制得的土木工程材料，习惯上称为化学合成建筑材料，即化学建材。8.1合成高分子化合物的基本知识8.1.1高分子化合物的分类1、按分子链的形状分类线型高分子化合物的主链原子排列成长链状，如聚乙烯、聚氯乙烯等。支链型高分子化合物的主链也是长链状的，但带有大量的支链，如ABS树脂等。体型高分子化合物的长链被许多横跨链交联成网状，或在单体聚合过程中二维或三维空间交联形状空间网络，分子彼此固定。如环氧、聚酯等树脂的最终产物。根据分子链的形状不同，可将高分子化合物分为线型、支链型和体型三种。聚合物的物理状态及性能特点按温度区域可划分为玻璃态、高弹态和粘流态。当温度较低时，聚合物受外力作用时产生的变形较小，弹性模量大，且变形可恢复，此状态称为玻璃态。玻璃态是塑料的使用状态，凡室温下处于玻璃态的聚合物都可用作塑料。当温度升高至玻璃化转变温度以上，聚合物受外力作用时产生变形较大，弹性模量较小，外力除去后又会逐步恢复原状，且变形是可逆的，此状态称为高弹态。高弹态是橡胶的使用状态，凡室温下处于高弹态的聚合物均可用作橡胶，因此高弹态也叫橡胶态。粘流态是聚合物成型时的状态。在室温下，聚合物总是处于玻璃态、高弹态和粘流态三种状态之一，其中，高弹态是聚合物所特有的状态。当温度一定时，不同聚合物可能处于不同的物理状态，因此表现出不同的力学性能。2、按对热的性质分类按受热时的特点可分为热塑性和热固性两类。热塑性高聚物在加热时呈现出可塑性，甚至熔化，冷却后又凝固硬化。这种变化是可逆的，可以重复多次。这类的高分子化合物其分子间作用力较弱，为线型及带支链的高聚物。热固性高聚物是一些支链高分子化合物，加热时转变成粘稠状态，发生化学变化，相邻的分子相互连接，转变成体型结构而逐渐固化，其分子量也随之增大，最终成为不能熔化、不能溶解的物质。这种变化是不可逆的，大部分缩合树脂属于此类。8.1.2高分子化合物的合成及命名将低分子单体经化学方法聚合成为高分子化合物常用的合成方法有加成聚合和缩聚聚合两种。加成聚合加成聚合又叫加聚反应，是聚合物最主要的聚合方式之一，通常是在催化剂的存在下，含有双键的单体打开双键，相互连接而得到聚合物长链分子。在加聚反应过程中无副产物，由一种单体加聚而得的称为均聚物，如乙烯加聚得到聚乙烯，氯乙烯加聚得到聚氯乙烯等。由两种或两种以上单体共加聚称为共聚，通过单体的共聚可以得到各种性能优良的塑料，如丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）共聚可以制造性能优异的工程塑料（ABS），可用作电器开关、外壳、装饰板等；乙烯、丙烯共聚可以得到耐老化性能极好的乙丙橡胶，可用作高档防水卷材的主要原料；由丁二烯、苯乙烯共聚可以制造丁苯橡胶，可以制造建筑上用的胶板、胶粘剂、减振件等。由加聚反应得到的树脂称为聚合树脂，其命名一般是在其原料名称前面加以“聚”字，如聚乙烯、聚苯乙烯等。缩聚聚合缩聚又称缩聚反应，是含有活性官能团的单体经缩合反应相互连接而得到高分子量的聚合物。缩聚反应过程中有副产物——小分子化合物产生，所以由缩聚反应制成的树脂其化学组成与单体不同。若参加缩聚反应的单体只有两个官能团，则只能生成直链聚合物，如聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）；若参加缩聚反应的单体有两个以上的官能团，则聚合后就会生成不溶、不熔的三维网状聚合物，也称为热固性树脂。缩聚反应生成物的树脂称为缩合树脂，其命名一般是在原料名称后加上“树脂”两字，如环氧树脂、聚酯树脂等。8.1.3高分子化合物的基本性质1、高分子材料的性能优点①优良的加工性能。如塑料可以采用比较简便的方法加工成多种形状的产品。②质轻。如大多塑料密度在0.9～2.2g/m3之间，平均为1.45g/cm3，约为钢的1/5。③导热系数小。如泡沫塑料的导热系数只有0.02～0.046W/（m·K），约为金属的1/1500，混凝土的1/40，砖的1/20，是理想的绝热材料。④化学稳定性较好。一般塑料对酸、碱、盐及油脂均有较好的耐腐蚀能力。其中最为稳定的聚四氟乙烯，仅能与熔融的碱金属反应，与其它化学物品均不起作用。⑤电绝缘性好。⑥功能的可设计性强。可通过改变组成配方与生产工艺，在相当大的范围内制成具有各种特殊性能的工程材料。如强度超过钢材的碳纤维复合材料、密封材料、防水材料等。⑦出色的装饰性能。如各种塑料制品不仅可以着色，而且色彩鲜艳耐久，并可通过照相制版印刷，模仿天然材料的纹理（如木纹、花岗石、大理石纹等），达到以假乱真的程度。2、合成高分子材料的性能缺点易老化所谓老化是指高分子化合物在阳光、空气、热以及环境介质中的酸、碱、盐等作用下，分子组成和结构发生变化，致使其性质变化，如失去弹性、出现裂纹、变硬、变脆或变软、发粘失去原有的使用功能的现象。塑料、有机涂料和有机胶粘剂都会出现老化。目前采用的防老化措施主要有改变聚合物的结构，加入各种防老化剂的化学方法和涂防护层的物理方法。耐热性差高分子材料的耐热性能普遍较差，如使用温度偏高会促进其老化，甚至分解；塑料受热会发生变形，在使用中要注意其使用温度的限制。可燃性及毒性高分子材料一般属于可燃的材料，但可燃性受其组成和结构的影响有很大差别。如聚苯乙烯遇火会很快燃烧起来，聚氯乙烯则有自熄性，离开火焰会自动熄灭。部分高分子材料燃烧时发烟，产生有毒气体。一般可通过改进配方制成自熄和难燃甚至不燃的产品。不过其防火性仍比无机材料差，在工程应用中应予以注意。8.2建筑塑料塑料是以聚合物为基本材料，加入各种添加剂后，在一定温度和压力下混合、塑化、成型的材料或制品的总称。7.2.1建筑塑料的特性A、质量轻塑料的密度为1～2g/cm3，为钢材的1/8～１/４，可大大减轻建筑物的自重，对高层建筑更具特殊意义。B、比强度高比强度是强度与表观密度之比。塑料的强度较高，而表观密度低，其比强度远超过传统的土木工程材料，是一种优质的轻质高强材料。C、可塑性好具有优良的加工性能，塑料可按需要调节制品硬度、密度、色泽，用多种加工工艺塑制成不同形状的产品，适应建筑上不同用途的需要。D、耐腐蚀性好其化学稳定性良好，是憎水性材料，对弱酸弱碱的抵抗性强。E、耐水性好塑料具有较高的耐水性。F、耐热性能塑料的耐热性一般都不好，软化温度为100-200℃。塑料的热膨胀系数高，是传统材料的3～4倍。G、老化在阳光、氧、热等条件作用下，塑料中聚合物的组成和结构发生变化，致使塑料性质恶化，这种现象称为老化。塑料存在老化问题，但通过一定措施，塑料制品的使用寿命可以和其他材料媲美，有的甚至能高于传统材料。H、可燃性塑料大多可燃，且在燃烧时会产生大量有毒的烟雾。这是它作为土木工程材料的一个弱点。目前正在研究具有自熄性、难燃甚至准不燃的塑料。8.2.2塑料的组成合成树脂塑料的基本组成材料，起着胶结剂的作用，含量为30%-60%。塑料的主要性能决定于所采用的合成树脂。填充料填充料的作用：节约树脂，降低成本，调节塑料的物理化学性能。含量40%-70%。常用的有机填充料有木粉、纸屑、废棉、废布等；常用无机填充料有滑石粉、石墨粉石棉、玻璃纤维等。添加剂为了改善或调节塑料的某些性能，以适应使用或加工时的特殊要求而加入的辅导材料，如增塑剂、固化剂、着色剂、阻燃剂、稳定剂等。增塑剂增塑刑一般为沸点较高、不易挥发、与树脂有良好相溶性的低分子油状物，不仅使塑料加工成型方便、而且可改善塑料的韧性和柔顺性等机械性能。常用的增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯等。固化剂主要作用是在聚合物中生成横跨键、使线型高聚物交联成体型高聚物，从而使树脂具有热固性，制得坚硬的塑料制品。着色剂主要作用是可使塑料具有鲜艳的色彩和光泽。着色剂除满足色彩要求外，还应具有分散性好，附着力强，不与塑料成分发生化学反应，不腿色等特性。阻燃剂加入后能提高塑料的耐燃性和自熄性。常用的有氢氧化铝，三氧化锑等。稳定剂防止和缓解高聚物的老化，延长塑料制品的使用寿命。8.2.3常用建筑塑料常用热塑性塑料的种类有聚氯乙烯（PVC）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）ABS塑料聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰胺等常用的热固性塑料有酚醛、环氧、不饱和聚酯、有机硅等它是建筑中用量最大的一种塑料。硬质聚氯乙烯的密度为1.38～1.43g/cm3，机械强度高，化学稳定性好，使用温度范围一般在-15～+55℃之间，适宜制造塑料门窗、下水管、线槽等。聚氯乙烯（PVC）聚乙烯塑料在建筑上主要用于给排水管、卫生洁具。聚乙烯（PE）聚丙烯的密度在所有塑料中是最小的，约为0．90左右。聚丙烯常用来生产管材、卫生洁具等建筑制品。聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯为无色透明类似玻璃的塑料。聚苯乙烯在建筑中主要用来生产泡沫隔热材料、透光材料等制品。ABS塑料ABS塑料是改性聚苯乙烯塑料，以丙烯睛（A）、丁二烯（B）及苯乙烯（S）为基础的三组分所组成。ABS塑料可制作压有花纹图案的塑料装饰板等。塑料在土木工程中常用于制作塑料门窗、管材和型材等塑料在土木工程中的应用塑料门窗塑料门窗分为全塑门窗及复合塑料门窗两类，全塑门窗多采用改性聚氯乙烯树脂制造。塑料门窗具有隔热、隔音、气密性好、耐腐蚀、维护费用较低等优点，但其线膨胀系数较高，硬度较低，不耐磨。复合塑料门窗常用的种类为塑钢门窗，它是在塑料门窗框内部嵌入金属型材制成。塑料管材和型材塑料管有热塑性塑料管和热固性塑料管两大类。塑料管的种类有：硬质聚氯乙烯（UPVC）塑料管、聚乙烯（PE）塑料管、聚丙烯（PP）塑料管和PPR塑料管、聚丁烯（PB）塑料管、玻璃钢（FRP）管和复合塑料管等。8.3胶粘剂胶粘剂是能将各种材料紧密地粘结在一起的物质的总称。用胶粘剂粘结建筑构件、装饰品等不仅美观大方，工艺简单，还能将不同材料的构件很容易地联结在一起并有足够的结合强度，此外粘合剂还可以起到隔离、密封和防腐蚀等作用。除此之外，胶粘剂还必须对人体无害。我国已制定了GB18583－2001《室内装修材料胶粘剂中有害物质限量》的强制性国家标准。8.3.1胶粘剂的组成、要求及分类胶粘剂的基本组成材料有粘料、固化剂、填料和稀释剂等。此外，为使胶粘剂具有更好的性能，还应加入一些其它的添加剂，如增韧剂、抗老化剂、增塑剂等。①粘料粘料是胶粘剂的基本组分，或称基料，它使胶粘剂具有粘附特性。粘料通常由一种或几种聚合物配合而成。用于胶接结构受力部位的胶粘剂是以热固性树脂为主；用于非受力部位和变形较大部分的胶粘剂是以热塑性树脂和橡胶为主。②固化剂固化剂（在橡胶中称硫化剂）能使线型分子形成网状的体型结构，使胶粘剂固化。在选择固化剂时，应按粘料的特性及对固化后胶膜性能（如硬度、韧性和耐热等）的要求来选择。③填料加入填料可改善胶粘剂的性能（如提高粘度，降低膨胀系数或收缩性等），并降低成本。常用填料有石英粉、滑石粉，以及各种金属、非金属氧化物粉，在建筑工程中水泥也是广泛应用的填料。④稀释剂稀释剂用于溶解和调节胶粘剂的粘度，增加涂敷润湿性。稀释剂有活性与非活性之分，前者参加固化反应，后者不参加固化反应，只起稀释作用。基本要求：具有足够的流动性，能充分湿润被粘物表面，粘结强度高，膨胀变形小，易于调节其粘结性和硬化速度，不易老化失效。按所用粘料的不同，可将胶粘剂分为热固型、热塑型、橡胶型和混合型类型。8.3.2粘结原理机械联接理论认为被粘物表面是粗糙、多孔的，胶粘剂能够渗透到孔隙中去，硬化后