高分子材料-概论讲义课件

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1、徐伟 复旦大学材料科学基础课程,1,1,第十四章 高分子材料,结构与性能简介,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,2,高分子分类,1，按来源分类： 天然高分子 合成高分子 2，性能用途分类： 塑料 纤维 橡胶 涂料 粘合剂 功能高分子,三大合成材料,用途越来越广泛,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,3,3，按功能分类： 通用高分子 工程材料高分子 功能高分子 仿生高分子等,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,4,2，商品名（合成纤维最普遍） 我国以“纶”作为合成纤维的后缀 涤纶 丙纶 锦纶,聚酰胺 聚酯 聚氨酯 聚醚,1，以高分子链的结构特征命名,高分子材料的常用名称,前期已讲过高分子的一些命名,徐伟

2、复旦大学材料科学基础课程,5,高分子材料的常用名称,3，树脂 (resin) 是指遇热变软，具有可塑性的天然高分子化合物的统称。一般是无定型的透明或半透明的固体或半固体。,树脂按来源分: 天然树脂: 天然橡胶、树胶、虫胶、琥珀等 合成树脂: 由单体合成, 或天然高聚物改性获得,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,6,树脂用途,离子交换树脂,合成塑料,涂料,黏合剂,合成纤维,合成橡胶,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,7,14.1 塑 料,是以树脂为主要成分， 适当加入（或不加）添加剂（填料、增塑剂、稳定剂、颜料等）， 可在一定温度、压力下塑化成型， 产品最后能在常温下保持形状不变的一类高分子材料。

3、在玻璃态下使用的、具有可塑性的高分子材料,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,8,聚集态结构不同性能不同,非晶态结构 玻璃化转变温度(Tg) 晶态结构 结晶熔融温度(Tm) 液晶态结构 取向态结构 混合态结构 织态结构,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,9,除树脂外, 塑料制品还含有其他多种组分,阻燃剂 抗静电剂 固化剂 发泡剂,稳定剂 增塑剂 增强剂 填料 润滑剂,因此塑料的性能并不只是树脂的性能,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,10,在加工过程中，一般只发生物理变化，受热变为塑性体，成型后冷却又变硬定型，若再受热还可改变形状重新成型的塑料。,在成型过程中发生化学变化，利用塑料在受热时可流动的特征

4、而成型，并延长时间，使其发生化学反应而成为不熔不溶的网状分子结构，并固化定型而形成的塑料。,热塑性塑料： （线型）,热固性塑料： （体型）,（一）根据塑料受热特性可分类,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,11,产量大，价格低，应用范围广的塑料。如：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、聚胺脂等。 ABS塑料,（二）根据塑料制品的用途分,机械性能好，能用于制造各种机械零件的塑料。主要有聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛、聚砜、聚酰亚胺、ABS塑料等。,具有特殊功能和特殊用途的塑料。主要有氟塑料、硅塑料等。,通用塑料：,工程塑料：,特殊塑料：,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,12,一、 通用

5、塑料,产量最大，约占80% 分为两类： 通用热塑性塑料： 通用热固性塑料： 后者在加工过程中发生化学变化， 可从线型转变为体型结构。,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,13,几类通用塑料,1 聚乙烯（PE） 2 聚丙烯（PP） 3 聚氯乙烯（PVC） 4 聚苯乙烯类（PS） 5 丙烯酸类树脂 （PMMA） 6 酚醛树脂（PF） 7 环氧树脂（EP） 8 不饱和聚酯（UP）,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,14,1，聚乙烯塑料,乙烯单体自由基聚合而成的聚合物 依据生产方法的不同，其产物结构不同 高压法合成的聚乙烯: 密度为0.910.93，分子质量为25万， 熔融温度低(比如:115).(低密度聚

6、乙烯) 低压法合成的聚乙烯: 密度为0.930.97，熔融温度高(如: 130), 可得到高分子量,甚至超高分子量(106) (高密度聚乙烯),徐伟 复旦大学材料科学基础课程,15,(a) 高密度PE （HDPE） (b) 低密度PE（LDPE） (c) 线性低密度PE分子链 (LLPDE),徐伟 复旦大学材料科学基础课程,16,易燃； 软而韧，强度比较低；表面硬度不高 耐热性不高，耐低温性能好。 介电损耗低、介电强度大、电性能优异。 日光照射，氧化，变脆，力学性能变差；,聚乙烯的性能,为什么软? 强度低 ? 耐热性不高 ？ 从结构上解释,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,17,徐伟 复旦大学材

7、料科学基础课程,18,2，聚甲基丙烯酸甲酯,甲基丙烯酸甲酯通过自由基聚合而成 俗称“有机玻璃”，简称PMMA。 具有较高软化点，较好冲击强度和耐气候性的，清澈、无色透明的热塑性塑料。,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,19,PMMA的性能,高度透明, 透光率90%92% 质轻而坚韧, 耐热性不高(80) 良好的电绝缘性能; 介电常数大， 耐候性好，长期在户外使用，性能下降很小,为什么不耐热? 介电常数大？,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,20,3，聚氯乙烯,可由氯乙烯单体经自由基聚合而成的聚合物 （简称：PVC） PVC在化学建材等应用领域中的用量很大 按分子量的大小，可分为： 通用型 （聚合度

8、5001500） 高聚合度型（平均聚合度大于1700以上） 按树脂结构不同可以分为： 紧密型（用于硬制品的生产） 疏松型（常用于软制品的生产）,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,21,PVC的性能,制品的软硬程度可调 较高的硬度和力学性能， 热稳定性差，在140开始分解 介电常数较大,为什么易分解?,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,22,4，聚苯乙烯,可通过自由基聚合或者离子聚合而成 具有高度透明、电绝缘性好、导热率低、刚性好等优点，也具有性脆、冲击强度低、易出现应力开裂、耐热性差等明显的缺点。 因此，对聚苯乙烯的改性研究也较多： 比如：HIPS、ABS、SBS,Tg: 100 ,徐伟 复旦大学

9、材料科学基础课程,23,高抗冲聚苯乙烯（HIPS）,组成：聚苯乙烯和橡胶 制备方法： 机械共混法 接枝聚合法 加工性能：易加工,刚性与柔性相结合,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,24,HIPS 冲击性能优异、尺寸稳定性好、刚性好、易于加工、制品光泽度高、易着色；但拉伸强度、光稳定性、氧渗透率较差； 用途：制造各种电器零件、设备罩壳、仪表零件、冰箱内衬、容器、食品包装及一次性用具等,HIPS的性能,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,25,ABS 树脂,丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物 (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 结构式：,结构特殊性决定了性能的特殊性 !,

10、徐伟 复旦大学材料科学基础课程,26,共聚的优势,聚丙烯腈： 高的强度、硬度、耐热性和耐腐蚀性； 聚丁二烯： 高的韧性和抗冲击性能； 聚苯乙烯： 高的电性能、成型加工性能、刚性。,取长补短, 强强联合 !,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,27,ABS的性能,无定形高分子材料，不透明; 具有优良的抗冲击性能、尺寸稳定性和耐磨性，成型性好，不易燃，耐腐蚀性好. ABS树脂具有优异的综合性能， 成为“坚韧、质硬、刚性”的 材料。 （有人把它看作工程塑料！） 缺点: 耐热性和耐候性差,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,28,ABS的应用,用于轻载齿轮、轴承，电器外壳，汽车部件，各类容器、管道等。,作为“

11、坚韧、质硬且刚性”的材料， 是人类最早认识和使用的“高分子合金” ！,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,29,5，酚醛树脂及塑料,酚类化合物与醛类化合物在酸性或碱性条件下，经缩聚反应制得 其中，以苯酚和甲醛为单体缩聚的酚醛树脂最为常用，简称为PF，是第一个工业化生产的树脂品种。 热塑性酚醛树脂 热固性酚醛树脂,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,30,热塑性酚醛树脂,反应条件： 酸性介质； 甲醛 : 苯酚 1 化学反应： 亲电取代反应,酸性介质 形成碳正离子,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,31,缩合反应：基于芳香亲电取代反应,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,32,缩聚反应： 基于亲电取代反应,聚合

12、度 n 与苯酚用量有关，一般 4 12 ； 热塑性树脂：羟甲基侧基的含量极少，只能熔融而不会自行交联,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,33,热固性酚醛树脂,反应条件：碱性介质， 甲醛 : 苯酚 1 化学反应：,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,34,甲醛用量大 “量变到质变”,为什么反应在邻对位 ！,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,35,酚醛树脂的固化,热固性树脂的热固化： 性能主要取决于制备树脂时酚与醛的比例和体系合适的官能度。 固化方式： 加热或加酸 机制 ？,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,36,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,37,热塑性酚醛树脂的固化 需要加入聚甲醛、六次甲基四胺等固化

13、剂才能使树脂固化 六次甲基四胺是常用的固化剂,(CH2)6N4，结构式：,六亚甲基四胺 (乌洛托品),徐伟 复旦大学材料科学基础课程,38,可能的固化机制：,2，热塑性酚醛树脂（）+ (CH2)6N4,1，提供多余甲醛，热固性,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,39,酚醛树脂的性能,（1）无定形聚合物； （2）强度及弹性模量都比较高，使用温度高，但抗冲击性能差，需加入填充增强剂； （3）耐化学药品性能优良，可耐有机溶剂和弱酸弱碱，但不耐浓硫酸、硝酸、强碱及强氧化剂的腐蚀；,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,40,（3）电绝缘性能较好，较高的绝缘电阻和介电强度，是一种优良的工频绝缘材料； （4）蠕变

14、小，尺寸稳定性好，且阻燃性好，发烟量低 （5）吸水性较大,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,41,酚醛塑料：以酚醛树脂为主要成分 并添加大量其他助剂而制得的制品。,酚醛塑料,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,42,酚醛树脂泡沫塑料,热塑性或降解热固性酚醛树脂，加入发泡剂、固化剂等发泡固化后得到的。 优点：质轻、刚性大、稳定性和耐热性好、阻燃性好；价低 缺点：脆性较大 用途：耐热和隔热的建筑材料、救生材料等,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,43,6，环氧树脂,环氧树脂(EP)是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的线性有机高分子化合物。,环氧氯丙烷与含有活泼氢原子的化合物 （酚、醇、羧酸、胺）缩聚而成

15、,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,44,环氧树脂的种类,按分子结构分五大类：,缩水甘油醚类：,缩水甘油酯类：,缩水甘油胺类：,甘油的衍生物 ！,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,45,线性脂肪族类：,脂环族类：,带双键的烯烃 用过乙酸或低温下用过氧化氢环氧化而成,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,46,碱催化，环氧氯丙烷与双酚A反应,（1）双酚A型环氧树脂,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,47,分子间SN2开环,分子内SN2关环,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,48,（2）酚醛多环氧树脂,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,49,（3）双酚S型环氧树脂,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,50,（4）四缩

16、水甘油甲基二苯胺环氧树脂,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,51,（5）三聚氰酸环氧树脂,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,52,环氧树脂的特性,（1）形式多样化 （2）黏附力强 （3）收缩率低 （4）优良的力学性能 （5）优良的化学稳定性； （6）良好的电绝缘性能；,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,53,（7）突出的尺寸稳定性和耐久性； （8）耐霉菌，可在苛刻的热带条件下使用 缺点：成本高，毒性较大,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,54,环氧树脂的固化剂,（1） 反应性固化剂： 可与环氧树脂反应，使它交联成体型网状结构； 多元胺 多元硫醇 多元羧酸 多元酚等,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,55,（2）催化性固化剂： 可引发树脂分子中的环氧基按阳离子或阴离子历程进行固化反应 叔胺 三氟化硼络合物等,徐伟 复旦大学材料科学基础课程,56,二、工程塑料,物理和力学性能以及热性能比较好， 可以当作结构材料使用的， 在较宽的温度范围内可承受一