高分子材料

第九章高分子材料高分子材料基本知识高分子材料的结构高分子材料的物理状态及性能工程高分子材料引言所谓高分子材料就是以高分子化合物为主要成分，外加各种添加剂组成的材料。其分子量很大，一般情况厂高分子化合物约分子量多在5000以上。高分子化合物具有很多独特的性能，如高的耐蚀性、耐磨性、绝缘性能，比强度高，密度小等。从而在现代工业中得到充分应用。高分子化合物有天然的和合成的。工程上使用的高分子材料主要是人工合成的，如塑料、合成橡胶、合成纤维等。高分子材料基本知识主要术语及概念合成方法高分子化合物的分类高分子材料基本知识——术语及概念高分子化合物与低分子化合物——高分子化合物和人们平时所接触的低分子化合物不同，它是一种由许多原子通过共价键结合而成的分子量很大的化合物，其分子量一般在104~107之间，甚至更大。高分子化合物分子的长径比在103到105以上．因此可以将它看成一条细长而且具有柔性的长链。高分子化合物之所以区别于小分子化合物并具有高分子的特性，如高强度、高弹性、高耐蚀性等，都和这种链状结构有关。高分子材料基本知识——术语及概念单体与大分子链单体：形成高分子化合物的低分子化合物。聚合——由单体变成高分子的过程。因此，高分子化合物又称为高分子聚合物，或高聚物、聚合物。高分子材料基本知识——术语及概念大分子链：高分子材料基本知识——术语及概念高分子材料基本知识——术语及概念链节与聚合度高分子材料基本知识——术语及概念相对分子质量及多分散性相对分子质量：平均相对分子质量愈大，高分子化合物的强度愈高，但是流动性变差，工艺性能变差。Mmn高分子材料基本知识——合成方法高分子的合成，就是把低分子化合物（单体）聚合起来形成高分子化合物的过程，或是形成高聚物的过程——聚合反应。注意：只有那些能形成两个或两个以上新键的有机低分子化合物才能作为单体，并在一定条件下进行聚合反应。高分子材料基本知识——合成方法加聚反应：在光、热、压力或引发剂作用下，低分子化合物中的双键打开，并由单键连接形成大分子的反应。反应过程中无低分子物质析出。大约80％的高分子材料都是利用加聚反应生成的。高分子材料基本知识——合成方法由一种单体经加聚反应生成的高分子化合物称为均聚物；由两种或两种以上单体经过加聚反应生成的高分子化合物则称为共聚物。高分子材料基本知识——合成方法缩聚反应：由一种或几种单体相互作用生产大分子、并同时析出其它低分子物质（如水、氨、醇等）的反应。缩聚反应的单体，一般都是具有两个或两个以上活泼官能团的低分子有机化合物。高分子材料基本知识——合成方法缩聚反应的单体，一般都是具有两个或两个以上活泼官能团的低分子有机化合物。均缩聚反应：由一种单体进行缩聚反应；共缩聚反应：由含有不同官能团的两种或两种以上单体进行的缩聚反应。高分子材料基本知识——分类及命名按高聚物主链上的化学组成分类•碳链高聚物：大分子主链全由C原子组成；如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯等；•杂链高聚物：主链上含有O、N、S等原子，如聚醚、聚酯、聚酰胺、聚甲醛等。•元素有机高聚物：主链上无C原子，如甲基、乙基、芳基等。高分子材料基本知识——分类及命名按高聚物的热行为分类•热塑性高聚物：加热时可软化，冷却后又硬化成形，且材料的基本结构和性能不改变。一般烯类高聚物都属于此类；•热固性高聚物：受热时发生化学变化并固化成形，成形后再受热不会软化变形。属于此类的高聚物有酚醛树脂、环氧树脂等。高分子材料基本知识——分类及命名按高聚物的性能及用途分类•塑料、橡胶、合成纤维、粘结剂和涂料等高分子材料基本知识——命名高分子化合物的命名——依习惯予以命名•对加聚反应物常在其单体的名称前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙稀等；•缩聚反应物及共聚物，常在其单体名称后加“树脂”或“橡胶”两字，如酚醛树脂、丁苯橡胶等。高分子材料的结构高分子材料的基本性质是由其主要组分(即高分子化合物)的内部结构所决定的。高聚物的结构比常见的低分子物质更为复杂。它是由成千上万的原子组成的长链大分子，从而带来大分子的结构、形态及聚集态有很大的差异。主要包括大分子内的结构及大分子间的结构。高分子材料的结构——大分子内的结构•大分子链的化学组成组成链状分子结构单元的元素只有几种，B、C、Si、N、P、As、O、S、Se，其中，C是最重要的元素。•大分子链的键接方式不同的链接方式对高聚物的性能有很大的影响。高分子材料的结构——大分子内的结构•大分子链的形态：线型链、带支链型和网状链高分子材料的结构——大分子链的构像高分子材料的结构——大分子的聚集态结构大分子的聚集态结构：指高聚物内部大分子之间的几何排列与堆砌状态。高分子材料的结构——大分子的聚集态结构•非晶态高聚物的结构线性大分子链，链很长，凝固时粘度增大，很难进行分子的规则排列，形成无规线团的非晶态；网状链的高聚物，链间有大量的交联，更难实现分子的有序排列。聚苯乙烯、有机玻璃及酚醛树脂等。高分子材料的结构——大分子的聚集态结构•晶态高聚物的结构通常用结晶度表示结晶区所占比例。一般为50％～80％，结晶区的大小不等，形状多样化；高分子材料的结构——大分子的聚集态结构•晶态高聚物的结构通常用结晶度表示结晶区所占比例。一般为50％～80％，结晶区的大小不等，形状多样化；结晶度高，高聚物中分子排列紧密，分子间作用力强，链运动困难。高聚物的熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性及抗溶性提高。高分子材料的物理状态及性能高聚物的三态•玻璃态•高弹态•粘流态玻璃态：当温度低于Tg(玻璃化温度)时，由于温度低，分子热运动能力很弱，不仅不能使整个分子链运动，就这链段也不能运动，整个大分子失去柔顺性，这时高聚物为非晶态固体，如玻璃一样，所以称这种状态为玻璃态。常温下塑料的使用状态即为玻璃态。在此状态高聚物具有较好的力学性能，因此凡Tg高于室温的高聚物均可作结构件。高弹态：当Tg＜T＜Tf时，高聚物分子的动能较大，可允许链段运动。但分子间还不能运动。在外力的作用下，高聚物会缓慢变形。卷曲的分子链舒张，除去外力后，大分子又恢复原状。粘流态：当温度高于Tf时，分子的动能可以使链段和整个分子链都能运动，聚合物成为流体高分子材料的物理状态及性能高聚物的三态变化高分子材料的物理状态及性能高聚物的基本性能•物理性能低密度绝缘性：高分子化合物绝大多数具有良好的电、热、声的绝缘性能；耐腐蚀耐热性差：由于高分子链在受热后链段或整个分子移动导致材料软化或熔化，使性能变差，所以耐热性低。高分子材料的物理状态及性能高聚物的基本性能•力学性能强度低：高聚物的抗拉强度一般在100MPa左右，是理论强度的1／40。高弹性、低弹性模量：这是高聚物材料特有的性能。橡胶为典型的高弹性材料。弹性变形率达100％到1000％，弹性模量为10～100MPa。而塑料在玻璃态时其弹性模量也仅为金属材料的l／10。粘弹性老化现象工程高分子材料按高聚物的性能及用途分类塑料、橡胶、合成纤维、粘结剂和涂料等。其中，粘结剂和涂料是不经加工直接使用的高聚物。工程高分子材料——塑料塑料：以合成树脂为基本成份，再加入各种添加剂，经过一定的温度和压力塑制成形。合成树脂——起粘结作用，一般为40～70％，决定了塑料的基本性能。添加剂——改善塑料的某些性能。填充剂、增塑剂、稳定剂、固化剂、着色剂工程高分子材料——塑料•塑料的成形方法：挤压法•塑料的成形方法：注模法•塑料的成形方法：压模法•通用塑料聚乙烯聚氯乙稀聚苯乙烯聚丙烯•工程塑料工程高分子材料——塑料•工程塑料聚酰胺聚甲醛聚砜聚碳酸酯聚四氟乙烯聚甲基丙烯酸甲酯ABS塑料酚醛树脂环氧树脂工程高分子材料——塑料工程高分子材料——合成橡胶•橡胶：在室温下仍保持其高弹性的高分子材料，相对分子量一般在几十万以上，有的达百万。有良好的耐磨性、绝缘性、隔音性及储能的能力；用途：轮胎、传送带、电缆、电线、密封垫圈以及减震件。工程高分子材料——合成纤维合成纤维一般具有强度高、密度小、耐磨、耐蚀等特点；