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1、新材料行业改性工程塑料 培 训 教 程（8） 材料的基础知识,WUHU NIUMAITE NewMaterialTechnologyCentre,一、材 料material,1、材料的范畴 : 材料是物质，是人类用于制造物品、器件、构件机器或 其他产品的物质，亦称原料。即可供制成成品的东西，加工 后的材料持有特定的功能和形态。,材料是人类赖以生存和发展的物质基础。 但是，并非所有物质都可以称为材料。一些制造消耗品的物质，例如：燃料、化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。,2、材料在人类文明发展中的重要性,材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。,3、材料的三大特性,4、材
2、料的分类：,材料的品种繁多,根据不同的出发点有多种分类方法，没有 统一的标准,按物质结构的分类是最本质最重要的分类。常说的设计的三大材料就是指这一分类中的金属材料、非金属无机材料与有机材料而言。,材料的分类,a.结构材料(structural material),是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料。 结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热 导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。,建筑工程中主体结构材料：钢筋、水泥、 沙子、石子、玻璃、木材、塑料等都属于结构材料。,玻璃幕墙,钢筋结构,混凝土砌块 （水泥、砂子、石子）,b.功能材料（functional material ）,超导材料
3、 微电子材料 光子材料 信息材料 能源转换 及储能材料 生态环境材料 生物医用材料 .,有些材料往往既是结构材料又是功能材料、如铁、铜、铝及其合金等。,功能材料的重要性,(1)新材料领域的核心：是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用； (2)涉及面广：信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、 海洋工程技术等现代高新技术及其产业； (3)功能材料的推广应用能促进我国相关传统产业的改造和升级，并为实现跨越式发展起着重要的作用。,d.新型材料(先进材料): 是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类 材料。 新型
4、材料与传统材料之间并没有明显的界限，传统材料 通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附 加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也 就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础， 而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展,c.传统材料： 在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。 这类材料由于其量大、产值高、涉及面广泛，又是很多支柱产业的基础，所以又称为基础材料。,新型材料与传统材料的关系,（基础材料）,（先进材料）,a、以高分子化合物为基础的材料。由相对分子质量较高的化 合物构成的材料， b、高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高 分
5、子的集合，天然高分子是生命起源和进化的基础。,人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生 产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织 物，用木材、棉、麻造纸等。,19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。 1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类应用合成高分子材料的开始。 现代，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同，成为科学技术、经济建设中的三大重要材料。,二、高分子材料：（macromolecular material）,(1)分子量大：是由一类相对分子质量很高的分子聚集而成的 化合物，它们的相对分子质量可以从几万直到 几百万或更大，
6、也称为高分子、大分子等。 a.相对分子质量高于10000; b.由 个原子以共价键连接而成; c.小分子通过聚合反应制得，常被称为聚合物或高聚物。,1、高分子化合物特征,(2)分子量分布具有多分散性： 它在聚合过程后变成了不同分子量大小的许多高聚物的混 合物。我们所说的某一高分子的相对分子质量其实都是它的一种平均相对分子质量。 计算平均相对分子质量也以不同的权重方式分为：数均相对分子质量、重均相对分子质量、粘均相对分子质量等。,高聚物与小分子的特征区别：小分子的分子量固定，都由确定分子量大小的分子组成。,聚合物是由化学组成相同而聚合度不等的同系混合物组成的，即由 分子链长度不同的高聚物混合组成
7、。 通常采用平均数相对分子质量表征分子的大小。按分子数目统计平 均，则称为数均相对分子质量，符号为(MN)。 数均相对分子质量=求和各组分相对分子质量*组分物质的量/总物质的量。,数均相对分子质量 (Number-average Molecular Weight),高聚物数均相对分子质量的测定，是研究聚合物及高分子材料性能的最基本数据 之一。它涉及到高分子材料及其制品的力学性能，高聚物的流变性质，聚合物加 工性能和加工条件的选择。也是在高分子化学、高分子物理领域对具体聚合反应， 具体聚合物的结构研究所需的基本数据之一。,重均相对分子质量,按分子重量统计平均的相对分子质量为重均相对分子质量。 常
8、用Mw表示，其值等于每种分子的分子量乘以其重量分数的 总和。,例如：10个分子量是100的分子和1个分子量是10的分子混 合，数均分子量、重均分子量各为多少？,数均分子量=(100*10+10*1)/(10+1)=91.82 重均分子量=100*1000/1010+10*10/1010=99.10,2、高分子材料的分类：,通用高分子材料：在生活中大量采用并已经形成工业化生 产规模； 功能高分子材料：除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性 能和热性能外，还具有物质、能量和信 息的转换、传递和储存等特殊功能。,表：新型高分子材料与通用高分子材料的关系,高分子材料因具有许多金属和无机材料所无法取代的优点
9、而获得迅速的发展，但是，它们存在着机械强度和刚性差、耐热性低等缺点限制了它们的应用。目前已大规模生产的还是在寻常条件下使用的通用高分子材料。 现代工程技术的发展，对高分子材料提出了更高的要求，因而推动了高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，这样就出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。,高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性， 可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易 改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代 的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济 各个领域，并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不 可缺少的材料。,3、高分子
10、材料性能介绍,很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、 棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等 也是高分子材料组成的。,（1）现代高分子三大材料之一橡 胶（Rubber）,提取橡胶树、橡胶草等植 物的胶乳，加工后制成的具有 弹性、绝缘性、不透水和空气 的材料。是一种高弹性的高分 子化合物。,橡胶树,a、橡胶的种类,聚异戊二烯结构式,b、橡胶组成特点,作为可逆形变的高弹性聚合物材料。在室温下富有弹性， 在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。,橡胶组成特点： 化学成分是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次 价力小，分子链柔性好。橡胶属于完全无定型聚合物， 它
11、的玻璃化转变温度(Tg)低，分子量往往很大，大于几 十万。,c、橡 胶的应用,橡胶与其他行业的关系 1、交通运输：橡胶轮胎。载人运输带，气垫船、气垫车等； 2、工业矿山：胶带、胶管、密封垫圈、胶辊、胶板、橡胶衬 里及劳动保护用品； 3、农林水利：橡胶履带，橡胶防渗层及橡胶水坝，橡胶船 等； 4、军事国防：船舶、帐篷、防护用具、国防尖端技术需要的 耐高温、耐低温、耐油、耐高度真空并能抵抗 各种酸、碱和氧化剂具有特殊性能的橡胶； 5、土木建筑：玻璃窗密封橡胶条，隔音地板、捎青海绵、橡 胶地毯、建筑物大型橡胶弹簧座垫，混凝土空 心构件应用的充气橡胶，胶乳水泥，提高水泥 的弹性和耐磨性。胶乳沥青马路的
12、路面；,橡胶的应用,6、电气通讯：电线电缆绝缘体，胶管、胶棒、胶板、隔板、 电瓶壳。防护用品绝缘手套、绝缘胶靴鞋等。 7、医疗卫生：各种手术用的手套、冰囊、海绵座垫，医疗设 备和仪器的配件； 医用橡胶制品有特殊要求，如无毒、杀菌、生理惰性、耐 放射等。硅橡胶制造人造器官及人体组织代用品有了很大进 展。 8、商品储存： 9、文教体育：各种球胆、乒乓球拍海绵胶面、皮球、笔胆、橡 皮制品、气球以及海绵胶垫等； 10、生活用品：雨衣、热水袋、松紫带、儿童玩具、海绵座垫 以及乳胶浸渍制品。,d、橡胶的老化,橡胶老化橡胶及其制品在加工，贮存和使用过程中，受 内外因素的综合作用而引起橡胶物理化学性质 和机械
13、性能的逐步变坏，最后丧失使用价值。 橡胶老化的表现表面上表现为龟裂、发粘、硬化、软化、 粉化、变色、长霉等。,橡胶老化的因素氧、臭氧、热光、机械应力、水分、油.,橡胶老化,e、橡胶的老化机理,橡胶老化的机理 A）氧：氧使得橡胶分子发生游离基链锁反应，分子链发生断裂或过度交联，引起橡胶性能的改变。氧化作用是橡胶老化的重要原因之一。 B）臭氧：臭氧的化学活性比氧高得多，破坏性更大，它同样是使分子链发生断裂，但臭氧对橡胶的作用情况随橡胶变形与否而不同。出现谓“臭氧龟裂”； C）热：提高温度可引起橡胶的热裂解或热交联。提高氧扩散速度和活化氧化反应，从而加速橡胶氧化反应速度热氧老化。 D）光：紫外线除了
14、能直接引起橡胶分子链的断裂和交联外，橡胶因吸收光能而产生游离基，引发并加速氧化链反应过程。两面会出现网状裂纹，即所谓“光外层裂”。,橡胶的老化机理,E)机械应力：在机械应力反复作用下，会使橡胶分子链断裂生成游离荃，引发氧化链反应，容易引起臭氧龟裂。 F)水分：水分的作用有两个方面：特别是在水浸泡和大气曝露的交替作用下，会加速橡胶的破坏。但在某种情况下水分对橡胶则不起破坏作用，甚至有延缓老化的作用。 G）油：油类能渗透到橡胶内部使其产生溶胀，产生了分子相互扩散，使硫化胶的网状结构发生变化。致使橡胶的强度和其他力学性能降低。 H)其它：化学介质、变价金属离子、高能辐射、电和生物等。,f、合成橡胶的
15、发展史,合成橡胶是由人工合成方法而制得的，采用不同的原料（单体）可以 合成出不同种类的橡胶。,合成橡胶的产量已大大 超过天然橡胶，其中产 量最大的是丁苯橡胶。,1900年1910年：化学家C.D.哈里斯(Harris) 测定了天然橡胶的结构是异戊二烯的高聚物， 这就为人工合成橡胶开辟了途径。,1910年俄国化学家SV列别捷夫(Lebedev，18741934)以金属钠为引发剂使1，3丁二烯聚合成丁钠橡胶，以后又陆续出现了许多新的合成橡胶品种，如顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶等等。,丁苯橡胶结构式,聚异戊二烯结构式,高分子纤维：分为天然纤维和化学纤维。纤维的次价力大、 形变能力小、模量高，一般为结
16、晶聚合物。 合成纤维是高分子材料的另外一个重要应用。,(2)高分子纤维,蚕、蚕茧,棉花,腈纶聚酯纤维,涤 纶 纤 维,a、合 成 纤 维,合成纤维,以天然或者合成的高聚合物为原料，经过化学方法加工制 造出来的纤维，它可以分为人造纤维和合成纤维两大类。,b、涤纶,涤纶的名称：聚对苯二甲酸乙二酯也称聚酯纤维(PET)， 相对分子量在1800025000左右。其中还有少量的单体 和低聚物存在。,聚对苯二甲酸乙二酯的制取： 对苯二甲酸(TPA)和过量乙二酯(EG)通过直接酯化制取 对苯二甲酸乙二酯（BHET）后缩聚而成。,涤纶分子组成、结构：,涤纶结构与性质,涤纶的性能,重均与数均相对分子质量之比为1.5-1.8。 相对密度1.381.40 g/cm3 熔点225-256，
