工程材料第4章-4塑料和橡胶

4.4塑料和橡胶塑料和橡胶是以高分子聚合物为基础添加各种助剂而成的混合物体系，在常温下有固定的形状和强度，在高温下具有可塑性的高分子材料。塑料和橡胶的区别是塑料在常温下处于玻璃态，强度较高；橡胶在常温下处于高弹态，弹性较大。塑料根据塑料的用途，可以分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三大类。大多数塑料都能在加热时反复地塑化，称之为热塑性塑料。另外有一些塑料，它们只能在第一次加工时塑化，做成固定的形状。以后再把它加热，形状不再发生变化，这类塑料称为热固性塑料。热固性塑料由于其内部高分子的交联结构使本身的机械强度和耐热性都较热塑性塑料好。4.4.1高聚物的力学性能高聚物的模量和强度与金属材料相比，高聚物的模量和强度要低得多，其最大可能的断裂伸长率又比金属高得多。高聚物的弹性模量范围为7～35GPa，金属材料的模量范围为48～410GPa；高聚物的最大强度为240MPa，而金属材料中某些合金的强度可达3000MPa；高弹态高聚物的断裂伸长率可达到1000％，而金属塑性变形中最大的断裂伸长率不超过100％。粘弹性理想的弹性固体材料受力时产生的弹性变形与时间无关。即变形与外力是同步的。而塑料受力时产生的弹性变形流变是随时间而发展的。表现为：蠕变和应力松驰蠕变是在恒定应力作用下变形随时间而增加的现象。例如架空的聚氯乙烯电线套管的缓慢变弯应力松驰是高聚物产生一定形变后，在保持变形量不变条件下，应力随时间发展而逐渐衰减的现象。例如，连接管道的法兰盘的密封垫片(硬橡胶制品)经一定时间后，由于应力松驰而产生泄漏。对线型分子链经足够长时间后，应力可降为零。力学损耗轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度，为什么达到烫手的程度？高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。这样不断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并转化成热量放出。这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为力学损耗或内耗。以应力～应变关系作图时，所得的曲线在施加几次交变应力后就封闭成环，称为滞后环或滞后圈，此圈越大，力学损耗越大回缩曲线拉伸曲线高聚物的屈服1.高聚物屈服点的特征大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现象是拉伸中出现的细颈现象。它是独特的力学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性，有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物脆性易断。(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比金属大得多，金属0.01左右，高聚物0.2左右（例如PMMA的切变屈服为0.25，压缩屈服为0.13）(2)屈服过程有应变软化现象：许多高聚物在过屈服点后均有一个应力不太大的下降，叫应变软化，这时应变增大，应力反而下降。(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增大，屈服应力增大。应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响应变速率增大12341——0.2吋分真应变4——1.28吋/分3——1.13吋/分2——0.8吋/分真应力(4)屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力下降。在温度达到时，屈服应力等于0gT温度对醋酸纤维素应力～应变曲线的影响应力应变80℃65℃50℃25℃0℃－25℃高聚物的冲击韧性各类高聚物的冲击韧性相差很大。未改性的聚苯乙烯，有机玻璃等脆性高聚物的冲击韧性大都小于0.25J/cm2，聚碳酸酯等韧性高聚物的值大于0.8J/cm2。提高冲击韧性有两条途径。一是将高聚物和增强纤维复合，提高强度。二是将塑料和橡胶共混，增加断裂伸展率。两种方法都可以使材料在受冲击载荷时吸收更多的能量。经过改性的高聚物其冲击韧性可达8J/cm2。聚乙烯（PE）聚乙烯是发展最为迅速，产量最大的一种塑料品种。按照聚合反应的压力，可分为高压法和低压法。高压法制成的聚乙烯。由于产品的密度较小，仅0.910g/cm3－0.925g/m3，因此被称为低密度聚乙烯（LDPE）。用低压法生产的聚乙烯密度高，达0.941g/cm3～0.965g/cm3，故称为高密度聚乙烯（HDPE）。HDPE是不透明的白色粉末，力学性能是所有PE产品中最好的。熔点也高于LDPE。聚乙烯（PE）用途PE是制备包装材料的重要原料，可以做成中空容器、食品周转箱，也可以做成各种日用杂品。PE还能纺成纤维，制作渔网或绳索，将PE纤维做成絮片，可以代替棉花作保暖材料。利用PE优良的电绝缘性，经交联处理的LDPE已大量用于制作电缆的绝缘层。PE还是电视、雷达等高频电器的绝缘材料，并能用于海底电缆的绝缘。聚氯乙烯树脂（PVC）PolyvinylChloride它是世界上产量最大的塑料产品之一，价格便宜，应用广泛，聚氯乙烯树脂为白色或浅黄色粉末。根据不同的用途可以加入不同的添加剂，聚氯乙烯塑料可呈现不同的物理性能和力学性能。在聚氯乙烯树脂中加入适量的增塑剂，可制成多种硬质、软质和透明制品。纯的聚氯乙烯的密度为1.4g/cm3,加入了增塑剂和填料等的聚氯乙烯塑件的密度一般为1.15-2.00g/cm3。硬聚氯乙烯有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力，可单独用做结构材料。软聚氯乙烯的柔软性、断裂伸长率、耐寒性会增加，但脆性、硬度、拉伸强度会降低。PVC性能及用途作为硬塑料，PVC可以用于制造在常温下使用的不耐压的容器、管材或板材，如化工厂的输液管道、管配件、贮槽和输液泵的泵体材料。聚氯乙烯有较好的电气绝缘性能，可作低频绝缘材料，其化学稳定性也好。PVC的板材在建筑上有很多的应用。在PVC中混入大量的碳酸钙做成钙塑料，可以提高塑料的硬度，降低成本，用于代替钢铁或木材，制作塑料门窗、楼梯扶手、地板、天花板和电线套管等。将PVC轻度发泡，可以制成塑料地毯和塑料墙纸等。PVC树脂非常透明，气密性又好，适于制作包装瓶，用于饮料、药品和化妆品的外包装。PVC软塑料主要用于制作薄膜或日用品。如雨衣、桌布、窗帘、浴帘等，而且是制备农用薄膜的重要原料。PVC的染色性非常好，制得的产品鲜艳、美观，深受人们的喜爱，常用来制造玩具、凉鞋和人造革等。PVC塑料缺点主要是耐温性差，通常的使用温度为一15℃～60℃。在60℃以上就会变形。PVC很容易老化，使制品颜色变深，质地变脆。PVC塑料最致命的缺点是在高温或燃烧时会分解，放出能使人窒息的氯化氢气体，不仅污染环境，甚至造成对生命的威胁。因此没有阻燃性的PVC的使用，特别是在建材中的应用已经受到限制。ABS树脂（Acrylonitrile-Butadiene-Styrene）ABS的名称是来自丙烯睛（Acrylonitrile）、丁二烯（Butadiene）和苯乙烯（Styrene）三种单体的第一个字母。是一种以苯乙烯树脂为基料、通过三种单体共聚或共混制备而成的高强度树脂。这种树脂综合了三种组分的优点，因此，ABS树脂的综合性能非常优异。抗冲击性好，硬度高，绝缘性和化学稳定性都好，ABS树脂在家电和汽车工业中得到广泛的应用，如电视机、洗衣机、电话等家用电器及仪器仪表的外壳，冰箱及其他冷冻设备的内胆，汽车仪表板及其他车用零件，齿轮、泵的叶轮、塑料管道等。目前多数的塑料外壳笔记本电脑都是采用ABS工程塑料做原料的。尼龙（聚酰胺）Polyamide聚酰胺俗称尼龙（Nylon。是最实用的、产量最大的工程塑料。它的性能良好，尤其是经过玻璃纤维增强后，强度更佳，应用更广。尼龙塑料有很好的耐磨性、韧性和抗冲击强度。主要用作具有自润滑作用的齿轮和轴承。尼龙中的主要品种是尼龙6和尼龙66，占绝对主导地位，尼龙的改性品种数量繁多，如增强尼龙，单体浇铸尼龙（MC尼龙），尼龙与其他聚合物共混物和合金等，满足不同特殊要求，广泛用作金属，木材等传统材料代用品，作为各种结构材料。尼龙具有很高的机械强度，软化点高，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐碱和一般溶剂，电绝缘性好，有自熄性，无毒，无臭，耐候性好。缺点是染色性差，吸水性大，影响尺寸稳定性和电性能，纤维增强可降低树脂吸水率，使其能在高温、高湿下工作。尼龙与玻璃纤维亲合性十分良好。由于聚酰胺具有无毒、质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性，因此广泛应用于代替铜等金属在机械、化工、仪表、汽车等工业中制造轴承、齿轮、泵叶及其他零件。常用于制作梳子、牙刷、衣钩、扇骨、网袋绳、水果外包装袋等等。无毒性，但不可长期与酸碱接触。聚酰胺熔融纺成丝后有很高的强度，主要做合成纤维并可作为医用缝线,降落伞、飞机轮胎帘子布、军服等军工产品和丝袜、衣着,地毯，渔网等民用产品，是三大合成纤维之一。聚碳酸酯（PC）PolycarbonatePC是一种韧而刚性的塑料，强度高，尺寸稳定性高，特别适于制备精密仪器中的齿轮、照相机零件。医疗器械的零部件。PC的耐冲击性能也很好，可制造银行的安全玻璃和警察的防暴盾牌，也可用作电动工具的外壳。PC还具有良好的电绝缘性，是制备电容器的优良材料。PC的耐温性好，可反复消毒，近年来被大量用于制备婴儿奶瓶、饮水杯（又称“太空杯”）和净水桶（用于盛装“太空水”）等中空容器。PC的透光性好，可用于制备飞机风档，透明仪表板。同时，也是制备CD光盘的原料。日常常见的应用有光碟，眼睛片，水瓶，防弹玻璃，护目镜、银行防子弹之玻璃、车头灯等等防弹玻璃防弹玻璃是由两片以上玻璃（无机或有机玻璃）中间层用PVB胶片在一定温度、一定压力下胶合而成，在武器射程范围内能阻止子弹穿透，对于人体和财产提供防护的多层玻璃组合体，具有防弹、防爆、防盗的功能，PVB--聚乙烯醇缩丁醛树脂Polyvinylbutyralresin.聚四氟乙烯（PTFE）Polytetrafluorothylene聚四氟乙烯有有非常优良的耐高低温性能，能在-260℃到250℃的温度下长期使用。化学性稳定。由于它在王水中也不会溶解，被誉为“塑料王”。聚四氟乙烯的上述特性在工业上被用于制备化工设备和管道的耐腐蚀内衬。聚四氟乙烯有很低的磨擦系数，是优良的减磨材料。在工业上，可用作转动部件的密封件。在民用上被用于制备不粘锅的涂料。聚四氟乙烯（PTFE）聚四氟乙烯的介电常数高，能耐很高的电压，可以用于制造高频微波设备中的绝缘材料。聚四氟乙烯也有不足之处，除了加工困难，原料资源少、价格高外，它的强度和硬度都较差，而且有较大的冷流性。在加压下，它一直会慢慢地变形。大家所熟悉的作为管道密封材料的生料带就是利用了聚四氟乙烯的冷流性。橡胶的分类按原料来源:天然橡胶,合成橡胶按用途:通用橡胶,特种橡胶橡胶制品的组成橡胶=生胶+配料生胶:天然橡胶、合成橡胶配料：硫化剂--通过化学反应，使橡胶分子形成立体网状结构，变塑性生胶为弹性橡胶的过程称为硫化处理。能起硫化作用的物质称为硫化剂。常见的硫化剂有硫磺、含硫化合物、硒过氧化物等。补强填充剂--为了提高橡胶的机械性能，改善其加工工艺性能，降低成本，常加入填充剂，如：碳黑、陶土、碳酸钙、硅酸钙、硫酸钡、氧化硅、滑石粉等。此外，还可加入防老化剂、增塑剂、着色剂、软化剂等，制作橡胶制品时，还常用天然纤维（如棉、麻、毛、石棉纤维等）、人造纤维、金属纤维、及其织物制成骨架，以防止变形和提高机械强度。天然橡胶从天然产胶植物中制取的橡胶。分子式是（C5H8）n，其成分中91％～94％是橡胶烃（聚异戊二烯），其余为蛋白质、脂肪酸、灰分、糖类等非橡胶物质。天然橡胶是应用最广的通用橡胶。从橡胶树上采集的乳胶，经过稀释后加酸凝固、洗涤，然后压片、干燥、打包，即制得市售的天然橡胶。天然橡胶的主要特点①具有较高的粘度，在存放过程中增硬，低温存放时容易结晶，在－70℃左右时变成脆性物质。②无一定熔点，加热到130～140℃完全软化，200℃左右开始分解。③具有高弹性，弹性模量约为3～6MPa，弹性伸长率可达1000％。④加工性能好，易于同填料及配合剂混合，而且可与多数合成橡胶并用。⑤耐油、耐溶剂性差。⑥化学活性高，易于