高分子材料及其性质-天鼎丰非织造布有限公司培训报告

高分子材料及其性质报告人：郭云力SDU天鼎丰非织造布有限公司培训报告1材料分类金属材料钢铁、铝合金、铜线无机非金属材料玻璃、陶瓷、水泥、矿石高分子塑料、橡胶、化纤复合材料玻璃钢、钓鱼竿、碳纤维自行车、胎基布材料学主要研究材料的组成-结构-工艺-性质的关系，获得所需使用性能。2什么是高分子（高聚物）？塑料（树脂）•瓶罐：塑料水杯、矿泉水瓶、可乐瓶•家电外壳：空调、冰箱、洗衣机外壳橡胶•轮胎•一次性手套：黄色为乳胶手套、蓝色为丁腈橡胶纤维•衣服纤维，涤纶（的确凉）、芳纶、氨纶•钓鱼线、尼龙线、PE线油漆和胶粘剂•油漆、涂料•固体胶、哥俩好、聚乙烯醇3高分子科学诺贝尔奖获得者H.Staudinger（德国）:把“高分子”这个概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系（1953年）K.Ziegler（德国）,G.Natta（意大利）:乙烯、丙烯配位聚合（1963年）P.J.Flory(美国）:聚合反应原理、高分子物理性质与结构的关系（1974年）。deGennes(法国)：软物质、液晶（1991年）。H.Shirakawa白川英树(日本),AlanG.MacDiarmid(美国),AlanJ.Heeger(美国)：对导电聚合物的发现和发展（2000年）。4高分子基本概念高分子也叫聚合物、高聚物或大分子。其名字由来主要因为这种物质具有很高的分子量。H2O、CH3CH2-OH主链由1共价键结合，具有2高的分子量，其结构必须是由3多个重复单元所组成，并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子（单体）衍生而来。概括的说，高分子是由许多相同的重复单元通过化学键连接而成的大分子。聚氯乙烯CH2-CHCH2-CHCH2-CHClClCl5高聚物的分子量有两个特点，一是分子量很大，二是分子量多分散性。对于低分子化合物而言，每种分子都有确定的分子量，分子大小一样，所以都有固定的分子量。而绝大多数高分子聚合物都是分子量不等的同系物的混合物。例如通常所说分子量10万的聚乙烯，可能是由分子量2万－20万大小不同的聚乙烯分子组成的，这种现象称为分子量的多分散性。高聚物材料是数量众多的大分子链的聚集体，由于大分子链长短不同，每根大分子链的分子量也不同。高聚物的分子量用“平均分子量”表示，高聚物分子量不是一个确定值，而是一个数值范围。高聚物重量W分子量M高聚物分子量分布及重均分子量高聚物分子量的多分散性6分子可分割性：低分子物质的分子不能用一般的机械方法把分子分开。如果把它分开，它就改变性质（即分解）成另外的物质。高分子则不然，因为它分子很大，一个分子量很大的分子用外力把它拉断或切开，变成两个分子后，高分子化合物的性质一般没有明显的改变。高分子结构的这种特征称为可分割性。具有弹性：高分子化合物在外力作用下容易发生变形，当外力解除，这种变形就可以恢复到原状。具有可塑性：高分子化合物受热以后先是经过一个较长的软化过程，而后才能变为可流动的液体。这是高分子化合物具有可塑性的原因，例如聚酯切片螺杆机中融化才能喷丝纺丝。具有绝缘性：高分子化合物对电、热、声具有良好的绝缘性能。可燃性：高分子材料为是有机物，主要由碳氢氧氮元素构成，大部分的高分子都能在空气中燃烧。高分子材料的基本特点71）碳链聚合物：主链由碳原子一种元素组成2）杂链聚合物：主链除碳外，还有其它元素C1109o28，ˊC2C3C4碳链C—C键的内旋转示意图伸展链无规线团链折叠链螺旋链单个大分子链的几种构象示意图—C—C—C—C—C——O—Si—O—Si—O——C—C—S—C—C—高分子的构象和柔性碳碳键可以内旋使得高分子具有柔性，主链段可以在空间运动8高分子链的组成和构造由于聚合反应的复杂性，在合成聚合物的过程中，可以发生各种各样的反应形式，所以高分子链也会呈现出各种不同的形态。一般说来，高分子链的几何形状有以下三种：（1）线型高分子：由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。这类高聚物的特点是弹性、塑性好、硬度低、热塑性高聚物。此类材料加热后软化，冷却后又硬化成型，随温度变化可以反复进行。聚乙烯、聚氯乙烯、涤纶等烯类聚合物都属于典型的热塑性高聚物。（2）支链型高分子在主链上带有支链。这类高聚物的性能和加工都接近于线型高分子，也属于热塑性高聚物。（3）体型(网状)高分子分子链之间有许多链节互相交联，呈三维网状结构。这类高聚物的硬度高、脆性大、无塑性，是热固性高聚物。此类材料受热发生化学变化而固化成型，成型后再受热也不会软化变形，如酚醛树脂、环氧树脂等。高分子链的几何形状9高分子空间结构线形高分子、支化高分子、交联高分子是高聚物主要的三种空间结构，如上图所示。线性和枝化的高分子可以被溶解，交联的高分子不能被溶解，交联程度高的高分子也不能溶胀。热固性塑料和硫化橡胶属于交联高分子。不能被溶解也不能溶胀。交联程度决定高分子分为热塑性和热固性。热固性和热塑性高分子性质差距很大。10热塑性和热固性高分子热塑性：具有经加热到工艺温度就可以塑造的特性，而且是具有可以多次加热多次塑造的特性，称为热塑性。加热时只发生物理变化，变成粘流态，冷却凝固，过程可逆。热固性高分子可再生、回收利用。热塑性高分子刚度和强度较低，一般是线性和枝化结构。本质区别是：热塑性塑料在受热成型过程中是不发生化学反应的，热固性塑料在受热或固化剂的作用下发生化联反应，是化学反应。热塑性受热只是物理变化。另外一个依据是再次加热是否会熔化。公司的纤维都是热塑性纤维，涤纶长丝是从切片加热融化后纺丝加工而成，是一种典型的热塑性纤维，PPS也是热塑性高分子。热固性：经加热到工艺温度或者常温就可以塑造、交联固化，冷却后就是成品，而且是不具备再加热再塑造的特性，称为热固性。加热时发生化学变化，不可逆，不可再生的。热固性高分子具有很高的强度和刚度，是三维网络交联结构。11伴随温度的升高，聚合物要经理三个阶段，玻璃态、高弹态和粘流态。玻璃态就是我们常见的硬塑料，高弹态就是橡胶制品，粘流态就是液态的树脂，胶水也属于粘流态。Tg：玻璃化温度，玻璃态的最高温度，高弹态的最低温度。高弹态又叫橡胶态。从工艺上：Tg是塑料使用的上限温度Tg是橡胶的使用下限温度，上限温度是T学科上：Tg是衡量聚合物链柔性高低的表征温度。Tg越小，链的柔性越好当温度高于非晶态聚合物的Tf、晶态聚合物的Tm时，聚合物变为可流动的粘流态或称熔融态。热塑性聚合物的加工成型大多是利用其熔体的流动性能。高聚物三态12材料力学性能的指标图一般材料的力学性能检测指标13强力（拉力）和强度力：力是物体对物体的作用，力不能脱离物体而单独存在。两个不直接接触的物体之间也可能产生力，例如引力，重力等，力单位牛顿，N，用字母F表示应力：物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用。应力是单位面积所承受的力，单位帕斯卡，Pa用σ表示Pa=N/m2应力(σ)等于力(F)比上受力面积(S)：σ=F/S应变：物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。应变是一个长度的改变量与原始长度的比值，没有单位，用ε表示ε=ΔL/L0LFLLSE0//F拉伸试验得到的是力和位移，通过变化得到的其实就是应力和应变，曲线斜率就是刚度和模量的另一种表达方式强度和强力不是同一物理概念，强度是一个材料承受应力的程度单位是Pa强力是一个力的大小概念，单位是N。两者单位不同，不要混淆。纤维直径越大，单丝的强力越大，强度却越低。（材料缺陷理论）14应力-应变图拉伸曲线（a）无塑性变形的脆性材料（例如铸铁）；（b）有明显屈服点的延性材料（例如低碳钢）；（c）没有明显屈服点的延性材料（例如纯铝、塑料）。图中的σ—ε曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，如卸去载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限。材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=σ/εE称为弹性模量，代表材料抵抗弹性变形的能力，表示材料的刚度。弹性和刚度15玻璃态聚合物被拉伸时，典型的应力-应变曲线如右图：在曲线上有一个应力出现极大值的转折点B，叫屈服点，对应的应力称屈服应力（y）；xB应变应力bby玻璃态聚合物的应力-应变曲线在屈服点之前，应力与应变基本成正比（虎克弹性），经过屈服点后，即使应力不再增大，但应变仍保持一定的伸长；当材料继续被拉伸时，将发生断裂，材料发生断裂时的应力称断裂应力（b），相应的应变称为断裂伸长率（b）。材料破坏有二种方式，可从拉伸应力-应变曲线的形状和破坏是断面形状来区分：脆性破坏:①试样在出现屈服点之前断裂②断裂表面光滑韧性破坏:①试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象②短裂表面粗糙16聚合物的力学屈服某规格胎基布的拉伸曲线ABCD无屈服点AB阶段为弹性阶段伸长量大约5mm可恢复B点以后开始塑性形变不可恢复AB阶段刚度大于BC阶段大于CD阶段B点淀粉胶开始破坏C点涤纶纤维开始破坏D点为断裂点，对应最断裂伸长率。17相对分子质量较小的物质相对分子质量高达几万、几百万的高分子聚合反应高分子合成nCH2=CH2[CH2CH2]n(聚乙烯)单体链节聚合度两种聚合方式：加聚和缩聚加聚：A+B=AB无其他产物生产100%转化成产物缩聚：A+B=C+D有小分子产生不能完全转化18定义：不饱和单体（含不饱和键双键和三键）间通过加成反应相互结合生成高分子化合物的反应条件：不饱和单体（含C＝C、C≡C、C＝O等）特点：无小分子生成，所生成的高分子的式量是单体式量的整数倍，高分子与单体具有相同的元素质量组成1、加聚反应单体链节聚合度形成高分子化合物的小分子物质高分子化合物中不断重复的基本单元形成高分子化合物链节的数目nCH2＝CH2催化剂〔CH2－CH2〕n19定义：单体分子间脱去小分子而相互结合生成高分子化合物的反应。条件：一般来说其单体必须至少有两个官能团。例如：HO-CH2-COOH、H2N-CH2-COOH、HOOC－COOH、HO-CH2CH2-OH等等特点：有小分子生成，产物质量有损失2、缩聚反应苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）为原料缩聚反应而制得的高聚物—聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），又称涤纶20比较项目加聚反应缩聚反应反应物的特征含不饱和键含多官能团如：-OH，-COOH，-NH2等产物的特征高聚物与单体间具有相同的组成高聚物与单体的组成不相同产物的种类只有高聚物高聚物和小分子列子聚乙烯聚丙烯不饱和聚酯聚四氟乙烯有机玻璃尼龙芳纶涤纶环氧聚氨酯等21材料受外力作用时的形变行为：1、理想的弹性固体服从虎克定律形变与时间无关瞬间形变，瞬间恢复2、理想的粘性液体服从牛顿粘性定律形变与时间成线性关系3、高分子的形变行为是与时间有关的弹性和粘性的组合22Eddt粘弹性：外力作用下，高聚物材料的形变性质兼具固体的弹性和液体粘性的特征，其现象表现为力学性质随时间而变化的力学松弛现象。所以高聚物常称为粘弹性材料。高聚物的粘弹性蠕变应力松弛滞后力学损耗静态粘弹性动态粘弹性高聚物的粘弹性静态粘弹性-蠕变在恒温下施加一定的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学现象。蠕变的意义：高聚物蠕变性能反映了材料的尺寸稳定性和长期负载能力。例如：软质PVC丝钩一定的法码，该丝会慢慢伸长23公司做的热伸长实验本质是一个蠕变性实验（时温等效原理），用来检测材料负载后的尺寸的稳定性。静态粘弹性-应力松弛在恒温下保持一定的恒定应变时，材料的应力随时间而逐渐减小的力学现象。应力松驰的原因：链段热运动，缠结点散开，分子链相互滑移，内应力逐渐消除。交联聚合物不产生质心运动，只能松驰到平衡值。高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料蠕变和应力松弛的根本原因。例如：拉伸一块未交联的橡胶，至一定长度，保持长度不变，随时间的增加，内应力慢慢减小至零。24定义：材料在交变应力作用下，应变的变化落后于应力的变化的现象例如：汽车速度60公里/小时，轮胎某处受300次/分的周期应力作用。动