第二章高分子材料概论

第二章高分子材料概述1.高分子材料的分类2.高分子材料的性能3.高分子材料的相关术语、概念及研究方法高分子材料的分类按照来源分类按照分子主链分类按照用途分类分类原则类型特征和举例按受热时的特征热塑性塑料成分为热塑性树脂。可以反复塑制，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯等热固性塑料成分为热固性树脂。加工成型后为不熔状态，如酚醛、脲醛、不饱和聚酯、聚氨酯、环氧树脂等按应用范围及性能特点通用塑料通用性强、用途广、产量大、价格低。主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯，聚丙烯等。工程塑料机械性能好、强度高，可以代替金属用作工程结构材料。如聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、环氧树脂、氟塑料等。其他其他分类，分为通用、工程、耐高温和特种塑料四大类；或通用、工程和其他塑料三大类。5.1.2橡胶：橡胶是有机高分子弹性化合物。在很宽的温度(－50～150℃)范围内具有优异的弹性。具有良好的疲劳强度、电绝缘性、耐化学腐蚀性以及耐磨性等塑料橡胶3高分子材料纤维胶粘剂涂料天然高分子人工改性高分子1高分子材料人工合成高分子改性高分子材料。2高分子材料：碳链聚合物杂链聚合物元素有机聚合物。1．有些塑料制品可以用热黏结法修补，有些可以用某种溶剂黏结，另一些则无法修补，你知道其中的原因吗?热塑性塑料制品可以用加热的方法黏补，也可回收后重新软化加工。有些热塑性塑料可溶解于某些有机溶剂，如有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)可溶解于氯仿，聚苯乙烯可溶解于乙酸乙酯等有机溶剂。2．日常生活中使用的塑料薄膜包装袋，有的可以用于食品包装，有的不可以，为什么?制造塑料制品时，加入的某些添加剂对人体有害，使用时必须注意。例如，聚氯乙烯薄膜中含有的增塑剂对健康有不良影响，不能用来包装食品。聚乙烯塑料中不含对人体有害的添加剂，可制成食品保鲜袋或保鲜膜。单组分塑料：基本上是由聚合物组成或仅含少量辅助物料。如：聚四氟乙烯，聚乙烯、聚丙烯等。多组分塑料：大多数的塑料均为多组分体系除基本组分聚合物之外，尚包含各种添加剂3．聚四氟乙烯是一种含氟塑料，它不会被酸、碱、王水及各种有机溶剂所腐蚀，且在-269.3～250℃的温度范围内都可使用，因而被誉为“塑料王”。不粘锅的内壁涂敷了聚四氟乙烯:写出聚合反应式？为什么用不粘锅进行烹调时食物不容易烧焦，也不会粘锅?聚四氟乙烯之所以难以粘附，原因在于聚四氟乙烯外围是氟原子，它是表面光滑的秘密，氟原子几乎对所有的物质都产生排斥，即使粘胶剂也很难与其粘附。分类：天然橡胶：自然界含胶植物中制取的一种高弹性物质。合成橡胶：用人工合成的方法制得的高分子弹性材料。合成橡胶：1.通用合成橡胶：性能与天然橡胶相同或相近，广泛用于制造轮胎及其他大量橡胶制品的橡胶品种。丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶2.特种合成橡胶:具有耐寒、耐热、耐油、耐臭氧等特殊性能，用于制造特定条件下使用的橡胶制品。丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶。1.1.1材料的性能1)特征性能:（是属于材料本身所固有的性质）力学性能，电学性能，磁学性能热学性能，光学性能，化学性能2)功能物性:（效应物性）指在一定条件下和一定限度内对材料施加某种作用时，通过材料将这种作用转换为另一形式功能的性质。如：热电转换性能，光热转换性能，光电转换性能，力电转换性能，磁光转换性能，电光转换性能，声光转换性能等。材料的力学性能:材料在力的作用下所表现出来的特性即为材料的力学性能。(主要指标)1强度与模量2硬度3韧性4老化性能5耐磨性6疲劳特性强度与塑性:韧性：指材料抵抗裂纹萌生与发展的能力。韧性与脆性是两个意义上完全相反的概念。与材料的力学屈服性质有关。①屈服强度:在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。②抗拉强度:试样在被拉断前的最大承载应力为抗拉强度。高聚物的实际强度一般只有理论强度（~2X105公斤/厘米2）的1／100其原因是1.高聚物的分子链不是像假设的那样整齐地排列的，每根分子链受力也不可能是均匀的，断裂时不是每根分子链都同时达到其理论强度值。2.实际上，材料的破坏往往是从最薄弱处（杂质、填料，材料内部的缺陷，包括裂纹、缺口、空隙、气泡等；银纹）开始的，并引起该处应力集中，继而使破坏进一步发展，最后材料远不到其理论强度其他强度:由扭转实验、弯曲实验、压缩实验等相应条件下的强度指标叫扭转强度、抗弯强度、抗压强度等。抗弯(曲)强度也叫弯曲强度，是指采用简支梁法将试样放在两支点上，在两支点间的试样上试加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷抗压强度也叫压缩强度，是指在试样上施加压缩载荷至破裂（对脆性材料而言）或产生屈服现象(对非脆性材料而言)时，原单位横截面积上所能承受的载荷，2）塑性：材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性。塑性以材料断裂后永久变形的大小来衡量。塑性指标有延伸率和断面收缩率两种。塑性对材料的使用和加工性能（增塑剂）影响较大。弹性模量：单位应变所需应力的大小。是材料刚性的表征，简称模量。分为拉伸模量（杨氏模量，E）、剪切模量（G）、体积模量（B，本体模量）。硬度：是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。工程上常用莫氏硬度（FriedrichMohs）、布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、肖氏硬度HS和赵氏、邵氏硬度（邵A）等。冲击强度：是材料在高速冲击状态下的韧性或抗断裂的度量。标准试样在断裂时单位面积上所需的能量，而不是通常所指的“断裂应力”。冲击强度取决于材料受到冲击的瞬时应力是否能迅速分散此外来的应力（如分子链段运动）。在玻璃化转变温度以下使用的塑料，因其链段不能运动，一般冲击强度不高，例如聚苯乙烯。耐磨性一个零件相对另一个零件摩擦的结果，引起摩擦表面有微小颗粒分离出来，使接触面尺寸变化、重量损失及其他性能下降的这种现象称为磨损。材料对磨损的抵抗能力为材料的耐磨性。可用磨损量来表示，一般用在一定条件下试样表面的磨损厚度或试样体积或重量的减少来表征。通常地，降低材料的摩擦系数、提高材料的硬度有助于增加材料的耐磨性。老化性能：在外界作用下，材料发生性质及性能变化（不利于使用）的现象称为老化。老化多与化学因素有关，如降解或交联等。疲劳特性：在交变应力下，即使应力的最大值低于材料的屈服强度，经一定的循环周次后材料仍会断裂，这种现象即为材料的疲劳。当应力低于某值时，在无限多的循环周次下，材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限；材料在交变应力作用下所能使用的时间或材料承受交变应力的周期数称为疲劳寿命（7/8）。疲劳现象主要出现在具有较高塑性的材料中（振动）金属材料的失效形式之一就是疲劳。疲劳断裂往往没有任何先兆，因而由此造成的后果往往是灾难性的。高分子材料的塑性一般很好，但在长期使用过程中首先发生的是材料的老化失效，因而疲劳破坏不占主导地位。陶瓷材料的塑性很低，其疲劳现象不如金属材料的明显，而且疲劳机理也不同于金属。材料的电学性能：1.导电或产生电流的根本原因：材料中载流子的存在和迁移2.能产生电流的载流子有：电子、空穴、正离子、负离子3.评价材料导电能力的指标：电导率和电阻率电导率的大小直接取决于三个因素：单位体积中的载流子数目；每个载流子的电荷量；每个载流子的迁移率。4.材料按其导电能力可分为：①超导体：电阻率为0或趋近于0；②导体：电阻率10-8～10-5Ω.m③半导体：电阻率10-5～107Ω.m；④绝缘体：电阻率107～1020Ω.m。光学性能：折射率：一般在1.5左右；与高分子的结晶度有关透明性：理论上大多数高分子材料都不吸收可见光；实际应用：PMMA、PS、PET渗透性能：渗透性与高分子的柔顺性、结晶度、是否引入极性基团有关。材料的热学性能：（热变形性能，热稳定性）固体加热时有三个重要的效应，即吸热、传热、膨胀度量的指标①热容：1mol固体温度升高1K时所吸收的热量。②热导率：单位时间内在1K温差的1㎝3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量。③热膨胀系数：单位长度物体的长度随温度的变化率。高分子的宏观状态形变温度IIIIII2.温度-模量曲线1温度--形变曲线玻璃态温度形变IIIIII在区域I，温度低，链段运动被冻结，只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为：形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。在力学行为上表现为模量高(109~1010Pa)和形变小。区域III，当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致整个分子链质量中心发生相对位移，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状态称为粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度，以Tf表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，Tf越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。区域II，随着温度的升高，链段运动逐渐“解冻”，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，链段运动得以充分发展，形变发生突变，进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。模量降为105~106Pa左右。温度形变IIIIII玻璃态高弹态玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。玻璃化温度的高低与高分子链的柔性有直接关系。分子链柔性越大，玻璃化温度就越低；分子刚性越大，玻璃化温度就越高玻璃化温度是塑料使用的最高温度和橡胶使用的最低温度高弹态的主要特征：（1）有很大的形变，例如橡胶一类的高弹形变物质，形变可达其原来体积的1000%；(2)有显著的松弛现象，即它的弹性形变是随时间而逐渐发展的。形变温度IIIIII玻璃态高弹态玻璃化转变区Tg粘流态粘弹态转变区Tf交联聚合物MaMb应用在成型中要求胶液的粘度低而稳定，使用寿命适当，成型和固化温度不能太高，配方中不能含有难挥发的溶剂。1)粘度：低粘度胶液是保证纤维浸润性好的必要条件2)温度3)使用寿命4)毒性要低，刺激性要小5)来源方便，价格低廉应用例如：复合材料选用聚合物要考虑的因素：(1)产品性能：根据产品的主要要求选择适当的聚合物(2)对纤维应有良好的浸润性和粘附力(3)具有良好的工艺性高分子的柔顺性具有柔顺性的高分子化合物的粘性流动的特点：(1)链段的移动。它对粘度的影响很小，且与高分子化合物的分子量无关；(2)整个分子的移动。它对粘度的影响很大，并且与分子量有很大的关系；(3)在流动时分子链之构象有改变。柔顺性高分子链原来的自由状态是蜷曲的，在流动时相当于施加一外作用力使高分子拉伸，增加分子间的接触和分子间的摩擦力，因此，流动过程中粘性逐渐增加。