第四章 塑料

第四章无所不能的塑料4.1塑料的定义和特点4.1.1什么是塑料？是一类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。塑料的熔融温度一般仅200℃左右，比钢铁低得多，因此容易加工是塑料区别于其他材料的重要特点。第一种塑料——赛璐璐的发现大多数塑料都能在加热时反复地塑化，称之为热塑性树脂。热塑性树脂热固性树脂另外一些塑料，它们只能在第一次加工时塑化，做成固定的形状，以后再把它加热到熔融温度以上，形状不再发生变化，这类塑料称为热固性树脂。Why?原因是因为它们在第一次加工时发生了化学反应，分子间形成了化学键，使整个分子变成象渔网一样的交联结构。热固性和热塑性高分子的差异热塑性高分子热固性高分子韧脆使用温度较高使用温度较低（半）机械化批量生产手工成型使用寿命长使用寿命短可循环使用不可循环使用固化时间短（仅与温度有关）固化时间长（与温度和温度有关）水分难以渗透吸湿尺寸稳定固化时收缩较大无毒性未固化前有毒性4.1.2塑料的特点同无机和金属材料相比，塑料有很多优点。一）比重轻，强度高常用树脂的密度在1g•cm-3左右，只有铝的1/5，钢铁的1/10左右。许多聚烯烃塑料如聚乙烯PE、聚丙稀PP塑料的密度都小于1g•cm-3，能浮于水上。如果将它们做成泡沫塑料，其密度仅0.1g•cm-3左右。少数聚合物的密度较大，如聚氯乙烯PVC为1.4g•cm-3，聚四氟乙烯为2.2g•cm-3，但比金属和陶瓷轻。密度小，但是塑料的强度高绝对值来比较，大多数聚合物的机械强度比金属差，但是由于高分子的密度小，它们的比强度（单位重量材料的强度）反而比金属材料高。举例：尼龙的密度是铁的1/10，但尼龙的断裂强度只比钢丝小一半。算一下：具有同样强度的尼龙丝的重量只有钢丝的1/5该特点带来的使用价值和经济价值惊人汽车：至1990年，塑料在每辆轿车中所占重量已经到达10.3％，占车用材料体积的50％左右，使小轿车的重量减轻了三分之一。汽车重量每减轻425kg，每升汽油就能多跑1km路程，节油1％以上。至90年代，美国在每辆汽车上使用的塑料已达116kg，重量减轻了1/3，按全美公路上行驶的汽车来估算，每年可以节省原油300×104t。如果做成全塑汽车，每辆车质量减轻47.7％，节能效益将再提高3倍飞机：减轻飞行器的自身的重量对节省燃料，降低运运行费具有重要作用。商业飞机的费用200美元/kg.飞机上使用塑料复合材料的部件：1雷达罩2前起舱门3发动机罩环4吊挂整流5炭刹车皮6后缘板7固定前缘底板及金属前缘板8内外扰流板9襟翼10舵面11鳍12尾翼板13升降舵14装饰体及地板15主起舱门及整流16襟翼整流17副翼18翼身整流二）绝缘性和绝热性好塑料高分子是一种不良导体，具有优良的绝缘性和保温性。因而广泛的应用于电气和电子绝缘和保温隔热领域中。在电子、电气、雷达、电视、广播、通讯、计算机登电子行业和仪器仪表行业中，塑料的主要用途是置备电缆的绝缘套管和电气设备的绝缘外壳。插头、插座、开关等都与我们生活密切相关。大多数低压电线的绝缘层主要用什么塑料生产的？PVC(聚氯乙烯)绝缘性为什么近年来电力电缆和高压电缆等用PE代替PVC呢？1，PVC(聚氯乙烯)密度PE，减轻架空重量；2，PVC燃烧后有毒，易造成环境污染绝热性当年唐明皇为取悦杨贵妃快马千里运送荔枝；“一骑红尘妃子笑”已过如今“泡沫塑料荔枝大家吃”其他应用实例：1，农用薄膜建温棚，东北人冬天也能吃到鲜蔬；2，导弹、火箭、航天飞机等飞行器表面的温度达到1300℃，其表面的保护涂层就是选用导热系数小的高分子材料，如酚醛－环氧树脂和有机硅树脂。三）耐腐蚀性和化学稳定性好耐腐蚀是环境保护要解决的一个重要课题。我国每年因腐蚀造成的直接经济损失至少有200亿。塑料容器存放高腐蚀性液体；防腐涂料应用于设备的保护，合成纤维用于制备滤布等等。PP（聚丙稀）复合管制备自来水管，代替镀锌水管，不会被氧化，水也不会再发黄了，亦能确保直饮水质量。自来水管放出来的水为什么发黄？四）光学性质好有机玻璃、醋酸纤维酯、涤纶和PVC都是透光性很好的塑料。可以应用于制作照相胶卷和投影薄膜，塑料光盘，塑料光纤等。五）耐磨、自润滑性能好旱冰鞋的轮子是什么塑料制成的？热塑型聚氨酯PTFE六）加工性能优良，能耗小加工温度低，可做成管材、板材、型材、线材等等4.2塑料主要品种塑料通用塑料日常生活中大量应用的塑料，生产量大，价格低廉。PE/PVC/PP/PS/ABS通用的对强度、耐磨性和其他机械性能要求较高的场合，综合性能优良，使用温度在150℃以下，消耗量在万吨以上。PA/PC/POM/PBT/PET通用性工程塑料特种工程塑料使用温度在150℃以上，消耗量在万吨以下，具有某种特殊性能。按照塑料的用途进行分类。4.2.1通用塑料1.结构最简单的塑料——聚乙烯PECHHCHHCHHCHHCHHCHH发展最迅速，产量最大的一种塑料品种。按生产工艺来分类：高压聚合——低密度聚乙烯（LDPE）低压齐格勒－纳塔催化剂引发聚合——高密度聚乙烯（HDPE），其机械性能为各种PE中最好线形、低密度聚乙烯（LLDPE），环境应力开裂性最高;超高分子量聚乙烯（UHMWPE）聚乙烯塑料的手感同石蜡相似，燃烧进会一滴滴往下淌，并有燃蜡的气味。2.全能的塑料——聚氯乙烯树脂（PVC）CH2CHCl是因为PVC本身是一种质地很硬的塑料，但是通过加入大量增塑剂，则可以变成比PE还柔软的塑料，用于制备各种不同的用品。为什么全能？聚乙烯塑料的主要用途是制备薄膜经交联处理的LDPE已大量用于制作电缆的绝缘层用途：常用的增塑剂有：邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲酯等，其用量可达PVC树脂的30～70％硬质塑料：不耐压的容器、管材、板材等。加入大量CaCO3做成钙塑料，提高塑料的硬度，来替代钢铁或木材制作塑料门窗、地板、天花板和电线套管等。软质塑料：饮料、药品和化妆品的外包装。薄膜产品。由于染色性非常好，所得产品鲜艳，常用来制造玩具、凉鞋和人造革等。PVC的不足之处：1，耐温性差：－15～60℃，光热作用下易老化（红色塑料桶）。2，毒性：来自三方面，a,单体有毒性；b,增塑剂有毒性；c，燃烧分解时放出令人窒息的HCL3，难降解，环境污染。3.最轻的塑料——聚丙稀（PP）20世纪50年代，齐格勒－纳塔催化剂引发聚合的出现，解决了石油高温裂解的废气丙稀的应用。制得性能优异、具有高度立体规整性和结晶度的高聚物PP。CCHHCH3HCHHCCH3HCHHCCH3HCH2CHCH2CH3CHCH2CHCH3CH3（1）全同立构PP（2）间同立构PPCH2CHCH2CH3CHCH2CHCH3CH3CH2CHCH3（3）无规立构PPCH2CHCH2CH3CHCH2CHCH3CH3CH2CHCH3以上两种统称为立构规整性高分子（tacticpolymer):C*的立体构型有规则连接，简称等规高分子。密度仅0.9g/cm3-0.91g/cm3,是通用塑料中相对密度最小的品种,无毒、无味、耐热性好，能在110℃左右长期使用，常用作一次性茶杯、饭碗、饭盒及微波炉专用餐具等。用途：力学性能好，用作制备高强度扁丝原料。钙塑料：装潢材料等耐曲折性好：文具盒和仪器盒的铰链玻璃纤维增强后做汽车保险杠等PP的缺点：一是受阳光照射或与铜接触会很容易老化；其次是在低温下会变脆，所以在使用上要特别注意，尽量不要在室外及低温下使用。解决方案：1，PP中加入抗氧化剂和抗紫外剂防止它的老化。2，与其他单体共聚合改性，乙-丙共聚树脂。4.最鲜艳的塑料——聚苯乙烯（PS）最早实现工业化的塑料之一。特点：极易染成鲜艳的颜色，富于装饰性。常用来制作玩具。积木、方块。白色污染的主要来源——一次性泡沫饭盒聚苯乙烯的不足之处是质地很脆，耐冲击强度差，纯PS做的圆珠笔杆落地则碎。解决方法：用PS同丙烯酸酯或丙烯腈类单体共聚制成的聚合物既有很好的透明度，又有较好的强度，做成的圆珠笔杆既美观，又结实，深受学生朋友们的喜爱。解说HIPS---高抗冲性PS-5.抗冲击强度优良的树脂——ABS树脂缺点：耐热性不够高，60～70℃1954年美国博格－华纳公司开发。丙稀氰（Acrylonitrile）丁二烯（Butadiene）苯乙烯（Styrene）共聚，结合了三种组分的优点，A使它具有耐化学腐蚀性，B使它具有耐冲击性和韧性，S使它有良好的加工性、染色性。应用：家电和汽车工业中广泛应用，如电视机、电话及仪器仪表的外壳，冰箱的内胆。汽车零部件、泵的叶轮等。6.不会碎的玻璃——聚甲基丙烯酸甲酯PMMAPMMA可见光的透光率高达92％，紫外光的透过率也高达75％。无机玻璃…………………….85%,………………………….10%。染色性好，可以加入珍珠粉或荧光粉，带领绚丽多彩的色彩效果。4.2.2工程塑料1.尼龙——聚酰胺nHOOC-R-COOH+nHO-R'-OHHOCROCOOR'OH()n+(2n-1)H2O合成通式：主要品种有尼龙－66，尼龙-6，尼龙-610，尼龙-1010等。后两个数字表示二元胺和二元酸中碳原子的数目。分子中碳原子越多，聚合物的性质就越柔软。——尼龙-66丝做板刷，鞋刷，尼龙-1010丝做牙刷。2.聚碳酸酯——PCNaOONaClCOCl+OOCO)+2nNaClnnn(合成反应：PC20世纪50年代发展起来的一种工程塑料。PC的主要应用：婴儿耐瓶、饮水杯（又称太空杯）和纯净水的水桶，可反复消毒，透光性比PMMA好。3.热塑型聚酯——PETPET俗称涤纶或的确凉，由对苯二甲酸同乙二醇酯缩聚制成的塑料，20世纪60年代以前主要用于生产合成纤维，1966年日本帝人公司和荷兰AK20公司首先将它用作工程塑料。PET的主要应用：因为强度好，可用于制作计算机软盘、录音或录像带片基；碳酸气饮料瓶和食用油瓶。4.聚甲醛——POMPOM是一种非常坚韧、耐磨的工程塑料，有很优异的耐冲击、抗疲劳性。抗张强度比黄铜和锌还高，经拉伸后可同刚材媲美。POM的主要应用：代替价格昂贵的有色金属，制备齿轮、轴承、滑块、阀门、开关、键盘、拉链和把手等耐磨器件。5.聚砜——PSFPSF(双酚A钠盐与二氯二苯砜缩聚而成)主链中有许多苯环，是一种高强度的耐高温塑料。刚性高和耐磨性好，介电性能、耐温性、耐氧化性和耐辐射性都很优良，可在150℃以上长期使用。适于制备汽车、飞机中耐热的零部件，也可用于制备线圈骨架和电位器的部件等。微孔成膜材料。6.聚酰亚胺主链上具有芳杂环的结构，比聚砜的刚性和耐热性更好，可以在250～300℃以上长期使用。是制造电机漆包线绝缘层的重要原料，主要应用于宇航和电子工业。OOOOOOH2NONH2NHONH2OOOO+ONH2OOOCOOHNOO-H2OONOONOO()n-H2O俗称电木，是世界上最早实现工业化的合成塑料。用于制造电木产品，也是清漆和胶粘剂的原料。同炭黑，玻璃纤维，玻璃布热压在一起；木屑或刨花热压粘结制备层压板。4.2.3热固性树脂1.酚醛树脂2.氨基塑料甲醛同尿素或三聚氰胺缩聚形成的聚合物。密胺塑料（甲醛和三聚氰胺聚合），无毒，用于制造餐具。4.2.3热固性树脂3.不饱和聚酯不饱和聚酯树脂UP是由二元醇和不饱和二元酸经缩聚而得的产物，改变二元醇和二元酸的品种和数量，可以获得各种性能的缩聚物．国内，目前已工业化生产的不饱和聚酯树脂有100多种牌号．nHO–R–OH+nHOOC–R’–COOHHOCOR'OROnHCO+2(n-1)H2O不饱和聚酯树脂UP在固化前是长链型分子，相对分子质量一般为100～3000，这些不饱和的长链可以与不饱和单体交联形成复杂结构的网状分子。它的结构特点在于同时具有酯键和不饱和键．UP主要用于玻璃钢和涂料。在增强塑料中，UP因在加工固化时不排出水或其他副产物，可在较低的压力和温度下成型。据2000年左右统计，不饱和聚酯树脂UP用于增强材料FRP的比例达到85%左右，在FRP中占主要用量是建筑材料12.3%，浴室用品26%，净化槽19.5%，工业用机械材料12.3%等。近年来，UP的主流消费为人造大理石、运输器材和