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1、高分子材料基础知识,李叶君2008.6.27,引言,塑料与我们的生活息息相关，塑胶制品美观、耐用、轻便、价廉已经应用到了我们生活的几乎每一个领域。今天，很高兴与大家分享对塑料的一些认识，知其然还知其所以然，让咱们从微观上了解塑料的特性以及形成这些特性的原因，请大家回忆下中学的化学知识，咱们共同探讨。,引言,高分子并不是高深名词，指的是分子量比较大的物质（10000以上）（注意水分子分子量18，氧气32，二氧化碳44）高分子物质无处不在，天然的蛋白质、羊毛、树脂都是高分子。人工合成的塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂都是高分子物质。下面我们主要说说塑料。,塑料是什么,塑料是指以合成树脂为主要成分，以
2、增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅助成分，在加工过程中能流动成型的材料。塑料为合成的高分子化合物，可以自由改变形体样式。塑料是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的。,树脂和助剂,树脂：树脂通常是指受热后有软化或熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。广义地讲，可以作为塑料制品加工原料的任何聚合物都称为树脂。助剂：在工业生产中，为改善生产过程、提高产品质量和产量，或者为赋予产品某种特有的应用性能所添加的辅助化学品。又称添加剂。,所谓树脂：塑料的主要成分，决定了塑料的基本
3、特性；所谓助剂：为了改善塑料的性能特性或加工成型条件而加入的小分子物质；举例：为了使材料有阻燃的特性，可以加入阻燃剂；为了改善材料成型时的流动性，可以加入增塑剂。助剂与改性不同：对塑料改性的组分一般与原组分共聚，构成材料的主要成分，以改变材料的基本特性。,http:/http:/,定义聚合物POLYMER,是由一类相对分子质量很高的分子聚集而成的化合物，也称为高分子、大分子聚合物等。一般把相对分子质量高于10000的分子称为高分子。由于高分子多是由小分子通过聚合反应而制得的，因此也常被称为聚合物或高聚物，用于聚合的小分子则被称为“单体”。,聚合物的命名,最简单最基本的命名：PE 聚乙烯 P-聚
4、合物英文字母第一个，E-乙烯PS 聚苯乙烯P-聚合物英文字母第一个，S-苯乙烯ABS A-丙烯氰 B-丁二烯 S-苯乙烯丙烯氰，丁二烯，苯乙烯三元共聚物俗称PA聚酰胺 俗称尼龙 PET聚对苯二甲酸乙二醇酯 俗称涤纶PMMA聚甲基丙烯酸甲酯 俗称有机玻璃,聚合物的降解,聚合物分解成小分子物质的过程称为降解（为什么我们要整治白色污染？白色污染起初见于一次性饭盒（发泡塑料成型而成），现泛指塑料垃圾的污染，因为高聚物难以降解成小分子物质，也不能被微生物分解，通过焚烧处理也会造成很大的大气污染，所以整治白色污染，发展可降解技术意义非常重大）,均聚与共聚,分子链只有一种单体构成的聚合物称为均聚物（如PE、
5、PP、PS）分子链有两种或两种以上单体构成的聚合物称为共聚物（典型例子ABS、AS）聚合物的改性原理就是在原来的高分子链中，通过接枝、嵌段共聚使新的单体参与到原来的分子中去，形成新的分子链，从而赋予材料新的性能。如：PS由于分子链中有刚性的苯环，材质较脆，抗冲击性能差，加入丁二烯（一种橡胶）改性后，材料被赋予高抗冲击性能，称之为HIPS。,来源,当今世界上作为材料使用的大量高分子化合物，是以煤、石油、天然气等为起始原料制得低分子有机化合物，再经聚合反应而制成的。这些低分子化合物称为“单体”，由它们经聚合反应而生成的高分子化合物又称为高聚物。通常将聚合反应分为加成聚合和缩合聚合两类，简称加聚和缩
6、聚。,石油分馏出来的低分子不饱和稀烃、芳香烃是高分子材料的主要来源其中乙烯（CH2CH2）是石化工业最重要的基础原料,其产量及技术水平的高低是衡量一个国家石化工业高低的标准。,合成,加聚反应（聚乙烯）加聚反应多见于不饱和键打开加成，以及环形分子开环聚合,这是一个典型的加成聚合反应（加聚）乙烯为单体n表示n个分子参加聚合反应，n即聚合度双键打开加成为聚乙烯,聚合物的合成,2.缩聚反应(酚醛树脂),OH OHn+nH-C-H CH2 n+nH2O O,催化剂,聚合物的合成,多见与单体间有互相反应的官能团，如：酸和醇缩合成酯,聚合物的合成工艺与我们关系不大，不做赘述，直观的讲：金发合成原料，毅昌成型
7、产品。因为公司用到阻燃HIPS，所以着重谈谈助剂中的阻燃剂,阻燃剂,又称难燃剂，耐火剂或防火剂。赋予易燃聚合物难燃性的功能性助剂。阻燃机理：阻燃剂是通过若干机理发挥其阻燃作用的，如吸热作用（吸收热量是温度降低）、覆盖作用（覆盖于材料表面阻燃）、抑制链反应（降低材料的反应活性）、不燃气体的窒息作用（产生不燃气体，使材料与氧气隔绝）等。多数阻燃剂是通过若干机理共同作用达到阻燃目的。,分子量聚合物单体一般都是气态、液态，无机械性能可言，聚合后却能达到木材、水泥、甚至钢铁的机械强度，可见分子量大给材料带来优异的力学性能，但是随着分子量的增大，熔融状态下流动性差，成型难度增加，所以要兼顾材料使用性能与加
8、工性能，控制分子量；如橡胶，我们甚至要打断分子链，以控制其分子量。,分子量分布高分子材料中并不是每个分子的分子量都相等，有高有低，我们常说的分子量指的仅是一个平均值。分子量的分布就是各分子量的分子在材料中所占的比重。分子量的分布主要反映与流动相关的性能。具有相等平均分子量的树脂，宽分子量分布的在加工过程显示了比窄分子量分布的树脂具有更好的流动性。（增塑剂原理，举例橡胶）,分子链的构型与构象构型：分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。（丁二烯有顺反两种构型，顺式构型即是顺丁橡胶，反式构型分子链规整，结晶。可以作为塑料使用）构象：由CC单键旋转而产生的原子或基团在空间排列的无数特定的形象称为
9、构象。这就牵涉到分子链的柔顺性问题。（聚苯乙烯分子中含苯环，分子链呈刚性，所以宏观上聚苯乙烯硬而且脆，耐冲击性能差，如：PS做的CD、磁带包装盒摔在地上很容易开裂）,支化与交联,1.支链2.交联：由线型或支化高分子通过支链或化学键相连转变成三维网状高分子的过程。（交联聚维酮、交联聚丙烯酸）3.互穿：一种不同于支化、交联、共聚的反应形成的互穿聚合网络。（简称IPN）4.端基：是指高分子链终端的化学基团。（热稳定）,短支链长支链,支化指的是高分子链有如同树枝状的分支。（如：高度支化的PE常态下是粘稠的液体或弹性体，未支化的PE分子间能结晶，是一种很好的塑料）交联：注意交联的难可逆性，如酚醛树脂，分
10、子间交联后形成体型分子，分子间难以移动，材料不可再塑炼。罩光UV紫外光照射后交联硫化橡胶加入硫交联,聚合物的分类,按塑料的应用领域分类通用塑料：只可作为一般非结构材料使用，产量大，价格相对低廉。但也有将一般通用塑料改性，如加入稳定剂，玻纤等加强。应用性能虽有改善，但远不及工程塑料的优良。(PE PP PVC PS ABS 等)工程塑料：可以作为结构材料，具有优异的综合性能(包括机械，电性能，耐热性能，耐化学性能，尺寸稳定性能，加工性能高)并可在较宽阔的温度范围和较长时间良好的保持这些性能，并能在承受机械应力和较为苛刻的化学，物理环境中长期使用。工程塑料的产量较少，价格较高。(PC POM PP
11、O PBT PET PA等),聚合物的分类,热塑性塑料 指加热后会熔化，可流动至模具冷却后成型，再加热后又会熔化的塑料，即可运用加热及冷却，使其产生可逆变化(液态固态)，是所谓的物理变化。（PS，ABS，PE，等）热固性塑料 指的是加热后，会使分子构造结合成网状型态，一但结合成网状聚合体，即使再加热也不会软化，显示出所谓的非可逆变化，是分子构造发生变化(化学变化)所致。（酚醛树脂等）,聚合物的分类,按分子间力来分结晶性材料 在适当的条件下能产生某几种几何形态晶体结构的塑料(如PE,PP,PA,POM,PBT).无定型塑料 分子形状和分子排列不呈晶体结构而呈无序状的塑料(如ABS,PC,PMMA
12、,PS),结晶聚合物,举例PA、PP，结晶对材料物性的影响无规PP不能结晶，粘稠液体或弹性体，等规PP，结晶度较高，有一定韧性和硬度。是很好的塑料。PA，分子间强氢键而结晶。材料收缩率高，冲击强度降低（汽车寒冷状况下产生结晶失去高弹性引起爆胎），拉伸强度和硬度增高，耐热耐侵蚀性增高，透光性变差,温习晶体和非晶体,晶体：有固定的熔点沸点，随着温度的变化物质的状态呈阶段性如：冰，标准大气压下加热到0度，冰开始融化成水，然后继续吸热继续融化，冰水在0度共存，直到所有冰融化后，水才开始升温。非晶体：没有固定熔点沸点，如沥青，加热后慢慢变软，直至变成熔融流体，状态的变化是连续的,无定型聚合物,无定型聚合
13、物在一定负荷和受力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态。玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度(Tg)，是无定型塑料使用的上限，橡胶使用的是下限温度。从高弹态到黏流态的转变温度称黏流温度(Tf)，是聚合物加工成型的重要参数。,聚合物聚集状态,当聚合处于玻璃态时，整个大分子链和链段的运动均被冻结，宏观性质为硬、脆、形变小，只呈现一般硬性固体的普弹形变。聚合物处于高弹态时，链段运动高度活跃，表现出高形变能力的高弹性。当线型聚合物在黏流温度以上时，聚合物变为熔融、黏滞的液体，受力可以流动，并兼有弹性和黏流行为，称黏弹性。,以下列举几种常见塑料,PE 聚乙烯 最轻的塑料之一，半透明
14、白色状，结晶性材料，屈服能力高但不易回复，优良的介电性能，透水率低耐水性好，化学稳定性高，使用温度可达80-100度摩擦性能和耐寒性好，但机械强度不高，质软，成型收缩大，表面不易粘贴，印刷。合适的塑料產品：一般电缆的包皮，耐腐蚀件，表面涂层。HDPE:胶袋，日用品水桶，电线，玩具，建材。LDPE:胶袋，胶花，玩具，高频电线。（H-高，L-低，D-密度）,最常见的，保鲜膜，曾经有PVC食品保鲜膜，由于怀疑其毒性，现已由PE保鲜膜全面取代。,PP 聚丙烯 百折胶类似白色蜡状，比聚乙烯更透明更轻，注塑时流动性好，吸水性低于0.02%，耐化学有机溶剂，除浓硝酸浓硫酸外在很多介质中很稳定，抗冲击强度高，
15、来回屈服力非常高，高频电性能不好，易成型收缩率大，耐温度性强，低温呈脆性，耐磨性不高。合适的塑料產品：一般结构件，耐腐蚀件，受热的电气绝缘零件。各类家庭用品，文具，玩具，化学容器，医疗用品。,不知各位有没有这样的经历：去市场买脸盆桶子的时候，店主会拿一个盆啪的摔在地上，有的还狠狠踩几脚，证明其质量好，可见PP的韧性，呵呵,PVC 聚氯乙烯主要成份为聚氯乙烯，色泽鲜艳、耐腐蚀、牢固耐用，一般需要增加增塑剂、抗老化剂等一些有毒辅助材料来增强其耐热性，韧性，延展性等，它是当今世界上深受喜爱、颇为流行并且也被广泛应用的一种合成材料。（注意其毒性，PVC本身并无毒，只是其助剂以及PVC高温分解出的小分子
16、物质有毒）聚氯乙烯主要用于生产人造革、薄膜、电线护套等塑料软制品，供水管道，家用管道，房屋墙板，商用机器壳体，电子产品包装，医疗器械，食品包装，也可生产板材、门窗和阀门等塑料硬制品。,PC 聚碳酸酯 具有突出的冲击韧性和抗蠕变性能，有很高的耐热性，耐寒性也很好，脆化温度达-100度，抗弯强度与尼龙相当，并有较高的延伸率和弹性模量，但疲劳强度小于尼龙66。吸水性较低，收缩率小，尺寸稳定性好，成型的零件可达很精密的公差，并在很宽的变化范围内保持尺寸的稳定性。耐磨性与尼龙相当，并有一定的抗腐蚀能力，但成型条件要求高。可在较高干温度.高载荷下条件下长期应用，但不可在湿温下使用。合适的塑料產品：各种齿轮
17、，涡轮，齿条，凸轮，轴承，心轴，滑轮，传送链，螺母，垫圈，泵叶轮，灯罩，容器，外壳，盖板，高温电气制品，风筒壳，电机壳，工具箱，奶瓶，照相机零件，安全帽，食品盘，医疗器材，CD等,光盘都是PC做的另外还有一个常见的应用：早期的笔记本（笔记本讲究轻便）用镁铝合金做外壳，后来改用塑料，低端的用ABS，稍好的用PC，高端的用钛合金。现在一般用ABS+PC合金，高端的用碳纤维。,PMMA 聚甲基丙烯酸酯 亚克力 有机玻璃 有极好的透光性，在光的加速老化240小时后仍可透过92%的太阳光，室外十年仍有89%，紫外线达78.5%。机械强度较高，有一定的耐寒性，耐腐蚀，绝缘性能良好，尺寸稳定，易于成型，质较
18、脆，易熔于有机溶剂，表面硬度不够，易擦毛。合适的塑料產品：有一定强度要求的透明结构件。仪表镜片，光学制品，电气，医疗器材，透明模型，装饰品，太阳镜片，广告牌。,HIPS工程塑料HIPS是最便宜的工程塑料之一,和ABS,PC/ABS,PC相比,材料的光泽性比较差,综合性能也相对差一些.HIPS是由PS加丁二烯改性而成的,因为PS的冲击强度很低,做出的产品很脆,而丁二烯的韧性很好,加入丁二烯后可使PS的冲击性能提高23倍.,ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS，SAN，BS的各种性能有机地统一起来，兼具韧，硬，刚相均衡的优良力学性能。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。三种组份的作用丙烯睛-使制品表面较高硬度，提高耐磨性、耐热性。丁二烯-加强柔顺性，保持材料韧弹性及耐冲击强度。苯乙烯-保持良好成型性（流动性、着色性）及保持材料刚性。（注：根据组份不同，派生出多种规格）,合适的塑料产品：作一般结构或耐磨受力传动零件和耐腐蚀设备。齿轮，泵叶轮，轴承，把手，管道，电机外壳，电子零件，钟表壳，水箱外壳，冷藏库和冰箱内壳，文具，玩具,由于时间和篇幅有限，和大家分享到这里，希望对大家有所帮助谢谢大家!,
