高分子材料(专业)PPT课件

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1、27.10.2020,.,1,高分子材料,High polymer Material,工程材料多媒体课件,主讲人：李安铭 材料科学与工程学院,27.10.2020,.,2,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。,三大固体材料，称为材料的三大支柱。,27.10.2020,.,3,二、非金属材料的发展：,1.金属材料的优点及局限性：,柯垂尔：金属今后一段时间仍是主要的工程材料。,27.10.2020,.,4,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

2、钢800、镍基合金1000、 钼基合金1300、陶瓷工作温度1700-2000；,27.10.2020,.,5,2.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。,发展很快，就体积来说。,27.10.2020,.,6,（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：,的主力军。,27.10.2020,.,7,（3）复合材料：高的比强度

3、、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。,27.10.2020,.,8,三、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。,27.10.2

4、020,.,9,基 本 概 念,第 一 节,Basic Concept,27.10.2020,.,10,一、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。,27.10.2020,.,11,2、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。,27.10.2020,.,12,二、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。

5、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。,例： 聚乙烯,1、高分子化合物的单体、链节和聚合度:,单体：,27.10.2020,.,13,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。,链节： 定义：构成高聚物的重复结构单元称为链节。 例：,聚合度：高分子链节中的数目n。,27.10.2020,.,14,2、高聚物的分子量的多分散性和平均分子量： 高聚物的分子量是M：,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,27.1

6、0.2020,.,15,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 10000300000 聚丙烯脂： 分子量 60000500000,分子量的分散性对性能产生影响。,27.10.2020,.,16,平均分子量,、平均分子量用 表示，具有统计概念。,、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。,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。 、生

7、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。,27.10.2020,.,17,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）,27.10.2020,.,18,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= M0n,27.10.2020,.,19,

8、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。,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。,27.10.2020,.,20,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,A B S,27.10.2020,.,21,、共聚反应表达式： 、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。 、共聚物

9、中单体链节的排列方式：A、B表示两种单体 无规共聚：ABAABABBB 交替共聚：ABABABABA,27.10.2020,.,22,嵌散共聚：AABBAABBA 接枝共聚： 、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,27.10.2020,.,23,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。,27.10.2020,.,24,特点： 官能团之间反应，缩聚物有特

10、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。,27.10.2020,.,25,四、高分子材料的分类,按来源： 、天然聚合物：天然橡胶，纤维素，蛋白质等。 、人造聚合物：经人工改性的天然聚合物。 例：硝酸纤维。 、合成聚合物：完全由低分子人工合成。 如聚氯乙烯。,27.10.2020,.,26,按反应类型： 、加聚物：如聚烯烃 、缩聚物：如酚醛树脂,按工艺性质：塑料、橡胶、纤维、涂料,按分子的几何结构： 、线型高聚物； 、体型高聚物,27.10.2020,.,27,高分子结构,第 二 节,Macromolecule Structure,27.10.2020,.,28,结构分类

11、：,27.10.2020,.,29,1.大分子链结构单元的化学组成 在元素周期表中只有A、A、A、A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。,其中C链这最多。,C链结构,27.10.2020,.,30,一般为共价链连接，不易失去和获得电子。 比重小，都是轻元素：C、H、O、N。故高分子材料 比重小，0.292.0g/cm3。 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：,27

12、.10.2020,.,31,1)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：,27.10.2020,.,32,3)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。,交联分子结构,三维空间分子结构,27.10.2020,.,33,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。

13、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。,27.10.2020,.,34,不同结构聚乙烯的性能,27.10.2020,.,35,4.大分子链的构象 链的柔顺性及热运动特点：,（1）大分子链的构象： 、大分子链的热运动： 大分子链和其它的物质一样， 处于不停的热运动中，其运 动方式是共价单链的内旋转。 如图：分子链可以在保持链长 和链角不变的情况下自旋转。 大量的单链都随时进行着旋转。,27.10.2020,.,36,、大分子链的构象： 由于单链内旋转运动引起原子

14、在空间位置的变化而 构成大分子链的各种形象称为大分子链的构象。,（2）、大分子链的柔顺性： 、大分子链上单链的内旋转运动，造成整个大分子 链的形状及末端距离每一瞬间都不相同，大分子链 时而蜷曲，时而伸展，该特性称为大分子链的柔顺性。 柔顺性：大分子链构象变化而获得不同蜷曲程度的特性。,27.10.2020,.,37,、柔顺性的好坏与链中单链的内旋转的难易程度有 关。运动的单元为链段，链段包含的链节数越少， 则运动越容易，大分子链的柔顺性越好。 、大分子链的柔顺性是高聚物与低分子物质在许多 基本性能上差异的原因。例：高弹性。,27.10.2020,.,38,高分子化合物的聚集态结构：指高聚物内部

15、高分子链 之间的几何排列或堆砌结构,也称超分子结构。,27.10.2020,.,39,依分子在空间排列的规整性可将高聚物分为： 结晶型、部分结晶型和无定型(非晶态)三类。,2、高聚物的结晶度：,晶态结构在高分子化合物中所占的质量分数 或体积分数称为结晶度。,晶态 部分晶态 非晶态,27.10.2020,.,40,结晶度越高，分子间作用力越强，因此高分子化合 物的强度、硬度、刚度和熔点越高，耐热性和化学稳 定性也越好；而与键运动有关的性能，如弹性、伸长 率、冲击韧性则降低。,（1）高聚物不存在完全晶态的高聚物，通常把结晶超过50%的高聚物称为结晶 高聚物。 结晶高聚物中：晶区、 非晶区。结晶度一

16、般 为5090%,27.10.2020,.,41,（2）影响结晶度的因素： 、分子链的结构：结构简单、分子链短，利于结晶。 、外力的影响：拉伸促进高聚物的结晶。 原因：沿拉伸方向伸展开，增加了分子链的接触面积和 减少距离，提高了分子间的作用力和结晶能力。,例如：尼龙绳、包装带越拉越强。,、冷却速度：从熔融态缓慢冷却有利于结晶，快冷 不利于结晶。 、温度：高聚物对应结晶速度最快的温度TK，在 TK温度保温，结晶可充分进行。,例如：天然橡胶，TK=-24，若轮胎在低于TK温度 下工作，就会发生结晶而失去弹性。,27.10.2020,.,42,3、结晶对高聚物性能的影响： （1）熔点、密度、刚性、硬度、耐热性、化学稳定性提高。 原因：聚集状态紧密，增强了分子间的作用力。 （2）弹性、断裂伸长率、冲击韧性降低。,27.10.2020,.,43,高分子