高分子材料课件

2020/7/51HighpolymerMaterial主讲人：李安铭材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu2绪论一、非金属工程材料的定义：金属材料之外的所有工程材料。金属材料：钢铁、有色金属；工程材料高分子材料：塑料、橡胶、复合材料；无机非金属材料：陶瓷，玻璃、水泥；三大固体材料，称为材料的三大支柱。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu3二、非金属材料的发展：1.金属材料的优点及局限性：使用性能：高强韧性；导电导热性；优点工艺性能：切削加工；铸、锻、焊；柯垂尔：金属今后一段时间仍是主要的工程材料。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu4局限性：难以适用密度小、耐腐蚀、电绝缘、减震、消音、耐高温等。密度：钢7.8、铝2.7、高分子0.8-2.0；耐腐蚀：金属难以与陶瓷相比；耐高温：金属耐热钢＜800℃、镍基合金＜1000℃、钼基合金＜1300℃、陶瓷工作温度1700-2000℃；材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu52.非金属材料的发展史：（1）高分子材料：1920年，确立了“大分子链结构学说”，合成高分子材料诞生。1983年：与钢铁材料相当；1985年：占工程材料54％，金属占38％；2000年：3.5万吨，体积是金属材料的4倍；发展很快，就体积来说。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu6（2）陶瓷材料：传统陶瓷指：陶器、瓷器、玻璃、水泥，性能硬、脆；现代陶瓷指：所有无机非金属材料的总称。近三十年来，以氧化物（例Al3O2)、氮化物（例Si3N4)和碳化物（例SiC）等高纯化合物为原料，经过传统陶瓷生产工艺制成的无机多晶产品，已成为：高温材料：例：火箭喷气口、高温电炉发热体；功能材料：光导纤维；的主力军。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu7（3）复合材料：高的比强度、高的刚度、低的密度等，是单一材料和合金难以比拟的。（4）非金属材料不是金属材料的代用品，而是具有优越性能的不可缺少的材料。例如;美国“哥伦比亚”号航天飞机，机身覆盖一万多块隔热绝热陶瓷，以保护飞机。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu8三、非金属材料的发展趋势：1、研制具有优良性能的新材料；2、对现有材料进行改性；例如加入添加剂改性，是工程材料的主要发展方向。3、研制复合材料：传统的纤维增强树脂复合；现在:金属基复合、陶瓷基复合、功能复合材料，例建筑屋顶，集构件、发电、采暖于一体。4、新型功能塑料的研制：例如：导电塑料、导磁塑料、医用塑料、人工降解塑料等。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu9基本概念第一节BasicConcept2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu10一、高分子材料的基本概念1、高分子化合物:指分子量很大的有机化合物，每个分子可含几千、几万甚至几十万个原子。也叫高聚物、或聚合物；分子量＜500，叫低分子；分子量＞500，叫高分子，一般高分子材料的分子量在103-106之间。2万-16万12万-百万＞20万～9万1802860分子量聚氯乙烯聚乙烯淀粉橡胶单糖乙烯石英名称材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu112、高分子材料:以高分子化合物为主要组分的材料。主要包括：塑料、橡胶、化学纤维等。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu12二、高分子化合物的组成定义：组成高分子化合物的简单低分子化合物。或：凡是可以聚合成大分子链的低分子化合物。例：乙烯分子：CH2=CH2高分子化合物的分子量虽很大，但其化学组成并不复杂，通常由一种或几种低分子化合物聚合而成。(22)nCHCH例：聚乙烯1、高分子化合物的单体、链节和聚合度:①单体：材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu13单体的必要条件：至少能形成两个或两个以上新键的有机化合物，才能做为单体。例：烯烃，双键；炔烃，三键。②链节：定义：构成高聚物的重复结构单元称为链节。例：③聚合度：高分子链节中的数目n。氯乙烯苯乙烯氯乙烯链节尼龙-66链节材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu142、高聚物的分子量的多分散性和平均分子量：①高聚物的分子量是M：Mmnm:链节分子量；n:聚合度分子量不同，高聚物的性能和物理状态不同。例：聚乙烯分子量室温状态n=8M=224气+液n50M1400软态固体n200～2000M5600～560000固体材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu15②高聚物分子量的多分散性：低分子化合物有确定而均一的分子量。例：H2O，18；CO2，44。高分子化合物总是由不同大小的分子组成，这一现象称为高分子化合物的分子量的多分散性。例：聚苯乙烯：分子量10000～300000聚丙烯脂：分子量60000～500000分子量的分散性对性能产生影响。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu16M③平均分子量Mⅰ、平均分子量用表示，具有统计概念。ⅱ、平均分子量和分布宽窄（分散性大小）影响高聚物的物理、力学性能。M越大，强度越高，硬度越高，但融熔粘度增大，流动性差。分散性大；熔融温度范围变宽，有利于加工成型，但抗撕裂性差。ⅲ、生产中，通过控制产品的分子量大小和分布情况，改善性能以满足不同的需要。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu17分子量过高部分使聚合物的强度增加，但加工成型时塑化困难；低分子量部分使聚合物强度降低，但易于加工不同用途的聚合物应有其合适的分子量分布:合成纤维：分子量分布宜窄；塑料、橡胶：分子量分布可宽；常用的聚合物的分子量（万）材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu18其中氯乙烯就是聚氯乙烯的单体.就是聚氯乙烯分子键的链节，n就是聚合度。聚合度反映了大分子链的长短和分子量的大小，高分子化合物的分子量（M）是链节的分子量（M0）与聚合度（n）的乘积。M=M0×n材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu19三、高分子化合物的聚合：定义：由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开环相互结合成聚合物的反应称为加聚反应。均聚物:由一种单体经过加聚反应生成的高分子化合物；例如：聚乙烯、聚苯乙烯等。加成聚合反应1.加聚反应：特点：聚合物的结构单元与单体组成相同；分子量是单体分子量的整数倍；聚合过程无副产物生成。nAAAAA均聚反应表达式：或（A）n材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu20共聚物:由两种或两种以上的单体经过加聚反应生成的高分子化合物。例：ABS塑料。A：丙烯脂B：丁二烯S：苯乙烯222n[xCH=CH+gCH=CH-CH=CH+zCH=CH]|CNABS2222[)()()]|xgCNCHCHCHCHCHCHCHCHzn共聚材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu21材料科学与工程学院ⅰ、共聚反应表达式：ⅱ、注意：共聚物不能理解为混合物，而是主链中包含两种或两种以上单体链节的新型聚合物。ⅲ、共聚物中单体链节的排列方式：A、B表示两种单体无规共聚：—A—B—A—A—B—A—B—B—B—交替共聚：—A—B—A—B—A—B—A—B—A—()nxAyB共聚(Ax-By)n2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu22材料科学与工程学院嵌散共聚：—A—A—B—B—A—A—B—B—A接枝共聚：ⅳ、共聚物的性能类似于合金，通过改变共聚物的单体和比例，可以改善高聚物的性能。例：ABS中，随,;,.AHBB韧性2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu23由一种单体或多种单体相互缩合生成聚合物，同时析出其它低分子化合物（如水、氨、醇、卤化物等）的反应称为缩聚反应。2.缩聚反应：共缩聚反应：由两种或两种以上的单体进行的缩聚反应。均缩聚反应：由一种单体进行的缩聚反应。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu24特点：官能团之间反应，缩聚物有特征结构官能团；有低分子副产物；缩聚物和单体分子量不成整数倍。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu25四、高分子材料的分类①按来源：ⅰ、天然聚合物：天然橡胶，纤维素，蛋白质等。ⅱ、人造聚合物：经人工改性的天然聚合物。例：硝酸纤维。ⅲ、合成聚合物：完全由低分子人工合成。如聚氯乙烯。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu26②按反应类型：ⅰ、加聚物：如聚烯烃ⅱ、缩聚物：如酚醛树脂③按工艺性质：塑料、橡胶、纤维、涂料④按分子的几何结构：ⅰ、线型高聚物；ⅱ、体型高聚物材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu27高分子结构第二节MacromoleculeStructure2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu28结构分类：聚合物结构大分子链结构聚集态结构宏观结构结晶无定型态线型重复单元结构玻璃态微观结构高弹态粘流态支链型体型序列结构立体异构材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu291.大分子链结构单元的化学组成在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金属、亚金属元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子链。由于高聚物中常见的C、H、O、N等元素均为轻元素，所以高分子材料具有密度小的特点。一.大分子链结构：分子内结构其中C链这最多。C链结构材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu3022()CHCH22()CFCF①一般为共价链连接，不易失去和获得电子。②比重小，都是轻元素：C、H、O、N。故高分子材料比重小，0.29～2.0g/cm3。③组成元素不同，性能差别很大。如聚乙烯中的H被F原子代替，即聚四氟乙烯，是耐王水腐蚀的塑料王。四氟乙烯：聚乙烯：大分子链的特点：材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu311)线型分子链：由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料的典型结构。2)支化型分子链：在主链上带有支链。这类结构高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。2.大分子链形态：材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu323)体型分子链：分子链之间由许多链节相互横向交联。这类结构的高聚物硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性材料的典型结构。材料科学与工程学院交联分子结构三维空间分子结构2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu33线型→体型的转化：（不可逆）一定条件下，线形可以转化成体型。即固化或交联。例：橡胶的硫化等。结构转化带来很大的性能变化。例如：低密度聚乙烯：有弹性，做薄膜、奶瓶等；高密度聚乙烯：做较硬的水杯、工程塑料；交联聚乙烯：做海底电缆的包皮，有出色的绝缘性，耐热性。材料科学与工程学院2020/7/5AnmingLi,DeptofMSE,hpu34低密度聚乙烯高密度聚乙烯交联聚乙烯密度g/cm3抗拉强度MPa断裂伸长率％工作温度℃熔点℃大分子链结构0.910-0.9257-1590-80080-100105支链线型0.941-0.96521-3760-100