材料与现代生活论文

《材料与现代生活》论文学院：机电学院专业：计算机科学与技术班级：2092姓名：张伟高分子材料与我们的生活材料是科学与工业技术发展的基础。一种新材料的出现，能为社会文明带来巨大的变化，给新技术的发展带来划时代的突破。材料已当之无愧的成为当代科学技术的三大支柱之一。高分子材料科学已经和金属材料、无机非金属材料并驾齐驱，在国际上被列为一级学科从化学角度来定义，高分子是由分子量很大的长链分子所组成，而每个分子链都是由共价键联结的成百上千的一种或多种小分子构造而成。高分子的分类有多种，按来源可分为天然高分子、天然高分子衍生物、合成高分子三大类；根据用途则可分为结构高分子和功能高分子；另外根据工业产量和价格还可分为通用高分子、中间高分子、工程塑料以及特种高分子等等。高分子材料的功能很多，而且应用十分广泛。就结构高分子而言，大家知道最多的当属塑料、橡胶和纤维。其中塑料产量最大，主要用于包装材料、结构材料、建筑材料以及交通运输材料；橡胶的主要用途为制造轮胎；纤维的主要用途为衣着用料。此外结构高分子还包括工程塑料、耐高温高分子以及液晶高分子等。对于功能高分子，其最显著的特点在于它具有特殊的光、电、磁、催化等性能。例如光致变色高分子、导电高分子、铁磁性高分子、催化高分于以及生物功能高分子等，以下仅就生物功能高分子作一简要介绍。生物功能高分子包括三个方面：一是医用高分子，包括：①合成软组织，例如人工脏器、人造皮肤等，其特点是需要具有血液相容性。②合成硬组织，例如骨骼、牙齿等，它们需要具有生物相容性，即不被人体细胞所排斥。二是药用高分子，包括：①高分子药物，即将药物的活性成分接在高分子链上，进人体内后分解产生药物的有效成分；②高分子载药体系，将药物的活性成分用高分子包裹或混合后带人体内，用以控制药物释放速度，从而达到药物使用的长效性和高效性。三是医疗器械与诊断材料，例如临床诊断与分析化验用的高分子材料，包括细胞培养器和生物传感器等。加工过程中高分子表现出形状、结构、和性质等方面的变化。形状转变往往是为满足使用的最起码要求而进行的；材料的结构转变包括高分子的组成、组成方式、材料宏观与微观结构的变化等；高分子结晶和取向也引起材料聚集态变化，这种转变主要是为了满足对成品内在质量的要求而进行的，一般通过配方设计、材料的混合、采用不同加工方法和成型条件来实现。加工过程中材料结构的转变有些是材料本身固有的，亦或是有意进行的；有些则是不正常的加工方法或加工条件引起的。1．高分子材料的加工性质：1）、高分子材料的加工性：高分子具有一些特有的加工性质，如良好的可塑性，可挤压性，可纺性和可延性。正是这些加工性质为高分子材料提供了适于多种多样加工技术的可能性，也是高分子能得到广泛应用的重要原因。高分子通常可以分为线型高分子和体型高分子，但体型高分子也是由线型高分子或某些低分子物质与分子量较低的高分子通过化学反应而得到的。线型高分子的分子具有长链结构，在其聚集体中它们总是彼此贯穿、重迭和缠结在一起。在高分子中，由于长链分子内和分子间强大吸引力的作用，使高分子表现出各种力学性质。高分子在加工过程所表现的许多性质和行为都与高分子的长链结构和缠结以及聚集态所处的力学状态有关。根据高分子所表现的力学性质和分子热运动特征，可将其划分为玻璃态、高弹态和粘流态，通常称这些状态为聚集态。高分子的分子结构、高分子体系的组成、所受应力和环境温度等是影响聚集态转变的主要因素，在高分子及其组成一定时，聚集态的转变主要与温度有关。不同聚集态的高分子，由于主价健与次价健共同作用构成的内聚能不同而表现出一系列独特的性质，这些性能在很大程度上决定了高分子材料对加工技术的适应性，并使高分子在加工过程表现出不同的行为。高分子的可模塑性是指材料在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。具有可模塑性的材料可通过注射、模压和挤出等成型方法制成各种形状的模塑制品。可模塑性主要取决于材料的流变性，热性质和其他物理力学性质等，在热固性高分子的情况下还和高分子的化学反应性有关。过高的温度，虽然熔体的流动性大，易于成型，但会引起分解，制品收缩率大；温度过低熔体粘度大，流动困难，成型性差；因弹性发展，明显的使制品形状稳定性差。适当增加压力，通常能改善高分子的流动性，但过高的压力将引起溢料和增大制品内应了；压力过低时则造成缺料。模塑条件不仅影响高分子的可模塑性，且对制品的力学性能、外观、收缩以及制品中的结晶和取向等都有广泛影响。热性能影响高分子加工与冷却的过程，从而影响熔体的流动性和硬化速度，因此也会影响高分子制品的性质。模具的结构尺寸也影响聚合物的模塑性，不良的模具结构甚至会使成型失败。可纺性是指高分子材料通过加工形成连续的固态纤维的能力。它主要取决与材料的流变性质，熔体粘度、熔体强度以及熔体的热稳定性和化学稳定性等。纺丝材料，首先要求熔体从喷丝板毛细孔流出后能形成稳定细流。细流的稳定性通常与由熔体从喷丝板的流出速度，熔体的粘度和表面张力组成的数群有关。纺丝过程由于拉伸和冷却的作用都使纺丝熔体粘度增大，也有利于增大纺丝细流的稳定性。但随纺丝速度增大，熔体细流受到的拉应力增加，拉伸变形增大，如果熔体的强度低将出现细流断裂。故具有可纺性的高分子还必须具有较高的熔体强度。不稳定的拉伸速度容易造成纺丝细流断裂。当材料的凝聚能较小时也容易出现凝聚性断裂。对一定高分子，熔体强度随熔体粘度增大而增加。作为纺丝材料还要在纺丝条件下，高分子有良好的热和化学稳定性，因为高分子在高温下要停留较长的时间并要经受在设备和毛细孔中流动时的剪切作用。可延性表示无定形或半结晶固体高分子在一个方向或两个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。材料的这种性质为生产长径比很大的产品提供了可能，利用高分子的可延性，可通过压延或拉伸工艺生产薄膜、片材和纤维。但工业生产仍以拉伸法用的最多。2）、加工过程中的粘弹行为：高分子在加工过程中通常是从固体变为液体，再从液体变成固体，所以加工过程中高分子在不同条件下会分别表现出固体和液体的性质，既表现出弹性和粘性。但由于大分子的长链结构和大分子运动的逐步性质，高分子的形变和流动不可能是纯弹性的或纯粘性，而是弹性和粘性的综合既粘弹性。当高分子在外力作用下发生普弹形变时，外力使大分子键长和键角或高分子晶体中处于平衡状态的粒子间发生形变和位移。推迟高弹形变是外力较长时间作用于高分子时，由处于无规则热运动的大分子链段形变和位移所贡献，形变值大，具有可逆性，它使高分子表现出特有的高弹性。粘性形变则是高分子在外力作用下沿力作用方向发生的大分子链之间的结缠和相对滑移，表现为宏观流动，形变值大，具有不可逆性。在通常的加工条件下，高分子形变主要由高弹形变和粘性形变组成。2、高分子的流变性质：1）、高分子熔体的流变行为：高分子在加工过程中的形变是由于外力作用的结果，材料受力后内部产生与外力相平衡的应力。受到剪切力作用产生的流动称为剪切流动。受到拉应力作用引起的流动称为拉伸流动。但是实际加工过程中材料的受力情况非常复杂，往往是三种简单应力的组合，因而材料中的实际应变也往往是多种简单应变的迭加。加工中流体的静压力对流体流动性质的影响相对不及前两者显著，但它对粘度有影响。高分子流体可以是处于粘流温度Tf或熔点Tm以上的熔融状聚合物，亦可以是在不高温度下仍保持为流动液体的高分子溶液或悬浮体。加工过程中高分子的流变性质主要表现为粘度的变化，根据流动过程高分子粘度与应力或应变速率的关系，将高分子的流动行为分为两大类：1.符合牛顿流动定律的牛顿型流体；2.非牛顿流体，其流动行为称为非牛顿型流动。通常加工条件下，对热塑性高分子加热仍是一种物理作用，其目的是使高分子达到粘流态以便成型，材料在加工过程所获得的形状必须通过冷却来定型。虽然，由于多次加热和受到加工设备的作用会引起材料内在性质的一定变化，但并未改变材料整体可塑性的基本特性，特别是材料的粘度在加工条件下基本没有发生不可逆的改变。但是热固性高分子则不同，加热不仅可以使材料熔融，能在压力下产生流动、变形和获得所需形状等物理作用；并且还能使具有活性基团的组分在足够高的温度下产生交联反应，并最终完成硬化等化学作用。一旦热固性材料硬化后，粘度变为无限大，并失去再次软化、流动和通过加热而改变形状的能力。因此热固性高分子加工过程中粘度的这种变化规律与热塑性高分子有着本质区别。。2）、影响高分子流变行为的主要因素：高分子熔体在任何给定的剪切速率下的粘度主要由两个方面的因素来决定：高分子熔体内的自由体积和大分子长链之间的缠结。自由体积是高分子中未被高分子占领的空隙，它是大分子链段进行扩散运动的场所。凡会引起自由体积增加的因素都能活跃大分子的运动，并导致高分子熔体粘度的降低。另一方面大分子之间的缠结使得分子链的运动变得非常困难，凡是减少这种缠结作用的因素，都能加速分子的运动并导致熔体粘度的降低。另外各种环境因素如温度、应力、应变速率、低分子物质等以及高分子自身的分子量，支链结构对粘度的影响，大都能用这两种因素来解释。对于处于粘流温度以上的高分子，热塑性高分子熔体的粘度随温度升高而呈指数函数的方式降低。高分子链的柔性愈大，缠结点愈多，链的解缠和滑移愈困难，高分子流动时非牛顿性愈强。高分子链的支化程度愈大，粘度升高愈多，并导致流动性显著降低。高分子的分子量增大，不同链段偶然位移相互抵消的机会增多，因而分子链重心移动愈慢，要完成流动过程就需要更长的时间和更多的能量，所以高分子的粘度随分子量的增加而增大。3、加工过程中的物理和化学变化：1）、加工过程中高分子的结晶：通常将高分子在等温条件下的结晶称为静态结晶过程。但实际上高分子加工过程大多数情况下结晶都不是等温的，而且熔体还要受到外力的作用，产生流动和取向等。这些因素都会影响结晶过程。温度是高分子结晶过程中最敏感的因素，过冷度愈大，结晶时间愈短，结晶度降低，并使达到最大结晶度的温度下降。熔化温度与在该温度的停留时间会影响聚合物中可能残存的微小有序区域或晶核的数量。如果上次结晶温度高，则结晶度也高，晶粒较完整，故重新融化需较高温度；加工温度高，高分子中原有的结晶结构破坏愈多，残存的晶核愈少。在熔融温度低和熔融时间短，则体系中存在的晶核将引起异相成核作用，故结晶速度快，结晶尺寸小而均匀，并有利于提高制品的力学强度、耐磨性和热畸变温度。高分子在纺丝、薄膜拉伸、注射、挤出、模压和压延等成型加工过程中受到高应力作用时，有加速结晶作用的倾向。这是应力作用下高分子熔体取向产生了诱发成核作用所致，使晶核生成时间大大缩短，晶核数量增加，以致结晶速度增加。应力对晶体结构和形态也有影响。在剪切或拉伸应力作用下，熔体中往往生成一长串的纤维状晶体，随应力或应变速率增大，晶体中伸直链含量增多，晶体熔点升高。压力也能影响球晶的大小和形状，低压下能生成大而完整的球晶，高压下则生成小而形状很规则的球晶。高分子分子的链结构与结晶过程有密切关系。分子量愈高，大分子及链段结晶的重排运动愈困难，所以高分子的结晶能力一般随分子量的增大而降低。结晶过程分子链的敛集作用使高分子体积收缩、比容减小和密度增加，密度增大意味着分子链之间引力增加，所以结晶高分子的力学性能、热性能和化学稳定性等相应提高，但耐应力龟裂能力降低。2）、加工过程中高分子的降解：高分子加工通常是在高温和应力作用下进行的，高分子可能由于受到热和应力的作用或由于高温下高分子中微量杂质及空气中氧的作用而导致分子量降低，大分子结构改变等化学变化。通常称分子量降低的作用为降解。除了少数有意进行的降解以外，大多数是有害的。因此加工过程大多数情况下都应设法尽量减少和避免高分子降解。必须严格控制原材料技术指标，使用合格材料；使用前对高分子进行干燥；确定合理的加工工艺和加工条件；加工设备和模具应有良好的结构；根据高分子的特性，特别是加工温度较高的情况，在配方中考虑使用抗氧剂、稳定剂等以加强高分子对降解的抵抗能力。3）、加工过程中高分子的交联：高分子加工过程，形成三维网络结构的反应称为交联，通过交联反应能制得体型高分子。同线型高分子比较，体型的机械强度、耐热性、耐溶剂性、