合成高分子材料

1、第六講 合成高分子材料,,,合成材料是人們運(yùn)用化學(xué)方法人工合成出的材料，大致可分為無(wú)機(jī)合成材料和有機(jī)合成材料。本章介紹的合成高分子材料屬于有機(jī)合成材料。,第一節(jié) 高分子的結(jié)構(gòu)和特性,1 高分子 由一千個(gè)以上原子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合形成，分子量可達(dá)幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)，這類分子稱為高分子，或稱高分子化合物。天然高分子 ：淀粉、纖維素、棉、麻、絲、毛 ；蛋白質(zhì)、糖類、核酸 合成高分子 ：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺(尼龍),聚乙烯,通常把

2、乙烯分子稱為單體，單體經(jīng)聚合后得到的聚乙烯分子稱為聚合物，或稱高聚物。聚乙烯分子中有一個(gè)重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元[-CH2-CH2-]稱為鏈節(jié)，n稱為聚合度，也就是聚乙烯分子中所含鏈節(jié)的數(shù)目。,,2 高分子的原料和合成方法,原料 ：淀粉類如薯類、植物種子、橡子等;煤；石油 具體的合成方法有加成聚合、縮合聚合和共聚合等 ①加成聚合反應(yīng) 加聚反應(yīng)后除了生成聚合物外，再?zèng)]有任何其他產(chǎn)物生成，聚合物中包含了單體中全部原子，如聚乙烯、聚氯乙烯。,加

3、成聚合的方式,聚氯乙烯分子進(jìn)行加成聚合反應(yīng)時(shí)，可能產(chǎn)生三種情況：頭—頭、尾—尾連接；頭—尾連接；混亂無(wú)序連接，如圖所示。(a)  頭—頭、尾—尾連接,,(b)  頭—尾連接,,(c)  無(wú)規(guī)則連接,,,在工業(yè)上利用加成聚合反應(yīng)生產(chǎn)的合成高分子約占合成高分子總量的80 ％，最重要的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等。,②縮合聚合反應(yīng),含有雙官能團(tuán)或多官能團(tuán)的單體分子，通過(guò)分子間官能團(tuán)的縮合反應(yīng)把單體分子

4、聚合起來(lái)，同時(shí)生成水、醇、氨等小分子化合物，稱為縮合聚合反應(yīng)，簡(jiǎn)稱縮聚反應(yīng)。,,尼龍-66又稱聚酰胺。用己二胺和己二酸作為單體，這兩種單體分子之間通過(guò)脫水縮合，最終形成長(zhǎng)鏈狀大分子聚合物，它的商品名稱叫尼龍-66或錦綸-66。,,,“的確良”是對(duì)苯二甲酸和乙二醇脫水縮合聚合而成的聚酯纖維高分子，商品名稱也叫滌綸，它有挺括不皺、易洗易干等特點(diǎn)。,,,縮合聚合反應(yīng)在合成高分子工業(yè)上的重要性僅次于加聚反應(yīng)，常見(jiàn)的聚酰胺(尼龍)、聚酯(滌綸)、

5、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚碳酸酯等。,③共聚合反應(yīng),將兩種或兩種以上不同的單體進(jìn)行聚合，這種聚合物叫做共聚物。共聚物中單體單元的結(jié)構(gòu)、數(shù)量和排列方式會(huì)影響共聚物的物理性能。例如聚丙烯腈(腈綸)性如羊毛，但著色性差，若用1 ％的丙烯基磺酸鈉與之共聚合后，腈綸纖維就可染成各種顏色。又如將丙烯腈(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(S)進(jìn)行共聚合制得的ABS樹脂，是一種綜合性能極好的三元共聚物。,3 合成高分子的結(jié)構(gòu)、特性和命名,結(jié)構(gòu) :線

6、型長(zhǎng)鏈狀不帶支鏈的、帶支鏈的和體型網(wǎng)狀的 .線型高分子可呈蜷曲、彎折或呈螺旋狀，加熱可熔化，也可溶于有機(jī)溶劑，易于結(jié)晶，合成纖維和大多數(shù)塑料都是線型高分子。支鏈高分子在很多性能上與線型高分子相似，但支鏈的存在使高分子的密度減小，結(jié)晶能力降低。體型高分子具有不熔不溶、耐熱性高和剛性好的特點(diǎn)，適用作工程和結(jié)構(gòu)材料。,高分子 特點(diǎn),熱塑性、熱固性、耐磨性、絕緣性、相對(duì)密度小、比強(qiáng)度高等特殊的性能。相對(duì)密度在1～2之間，聚丙烯塑料，相對(duì)密度只有

7、0.91；泡沫塑料的相對(duì)密度只有0.01。高分子材料相對(duì)密度小，但強(qiáng)度高，有的工程塑料的強(qiáng)度超過(guò)鋼鐵和其他金屬材料。例如玻璃鋼的強(qiáng)度比合金鋼大1.7倍，比鋁大1．5倍，比鈦鋼大l倍。高分子中存在強(qiáng)大的分子間作用力是高分子材料具有高強(qiáng)度的主要原因。,,高分子化合物的化學(xué)反應(yīng)性能較差，對(duì)化學(xué)試劑顯得比較穩(wěn)定。高分子具有耐酸、耐腐蝕等特性，著名的“塑料王”聚四氟乙烯，其耐酸程度遠(yuǎn)超過(guò)金。聚四氟乙烯是優(yōu)異的耐酸、耐腐蝕材料。高分子中的分子鏈?zhǔn)?/p>

8、原子以共價(jià)鍵結(jié)合起來(lái)的，分子既不能電離，也不能在結(jié)構(gòu)中傳遞電子，所以高分子具有絕緣性，電線的包皮、電插座等都是用塑料制成。此外，高分子可以抗輻射。,,合成高分子的命名，一種是在單體前加“聚”宇，如聚乙烯聚氯乙烯等；另一種是在簡(jiǎn)化的單體名稱后面加“樹脂”二字，如酚醛樹脂，它是由甲醛和苯酚縮聚得到的，又如脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。,第二節(jié) 合成高分子材料,1 塑料 塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。 若將塑料按性能和用途來(lái)分類，可分

9、為通用塑料、工程塑料、特種塑料和增強(qiáng)塑料。通用塑料產(chǎn)量大、用途廣、價(jià)格低，其中聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯約占全部塑料產(chǎn)量的80 ％，尤以聚乙烯的產(chǎn)量最大。,① 聚乙烯,低壓聚乙烯適合做強(qiáng)度、硬度較高的塑料制品，如桶、瓶、管、棒等。 高壓聚乙烯，又稱低密度聚乙烯。適合做食品包裝袋、奶瓶等軟塑料制品。②工程塑料 可作為工程材料和代替金屬用的塑料。主要有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS塑料等,,如聚甲醛的力學(xué)、機(jī)械性能與銅、

10、鋅相似，用它做汽車上的軸承，使用壽命比金屬的長(zhǎng)一倍。又如聚碳酸酯，它不但可代替某些金屬，還可代替玻璃、木材和合金等，做各種儀器的外殼、自行車車架、飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃等。,③特種塑料,是指在高溫、高腐蝕或高輻射等特殊條件下使用的塑料，它們主要用在尖端技術(shù)設(shè)備上。例如聚四氟乙烯具有優(yōu)異的絕緣性能，抗腐蝕性特別好，能耐高溫和低溫，可在-200～250 ?C范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，在宇航、冷凍、化工、電器、醫(yī)療器械等工業(yè)部門都有廣泛的應(yīng)用。,2 合成纖維

11、,合成纖維是由合成高分子為原料，通過(guò)拉絲工藝獲得纖維。合成纖維的品種很多，最重要的品種是聚酯(滌綸)、聚酰胺(尼龍、錦綸)、聚丙烯腈(腈綸)，它們占世界合成纖維總產(chǎn)量的90 ％以上。此外還有聚乙烯醇縮甲醛(維綸)、聚丙烯(丙綸)、聚氯乙烯(氯綸)等。,①聚酯纖維,商品名滌綸，又叫的確良。主要用于織衣料，也可做運(yùn)輸帶、纜繩等。滌綸的分子鏈結(jié)構(gòu)中含有酯基(COOR)，這類剛性基團(tuán)的存在，使分子排列規(guī)整、緊密，結(jié)晶度較高，不易變形，受力形變后

12、也易恢復(fù)，這是滌綸抗皺性好的原因。,②聚酰胺纖維,商品名尼龍，也叫錦綸；最常見(jiàn)的是尼龍-6和尼龍—66。尼龍主要用于制做漁網(wǎng)、降落傘、絲襪及針織內(nèi)衣等。尼龍織物的特點(diǎn)是強(qiáng)度大，彈性好，耐磨性好。這些優(yōu)越的性能是由結(jié)構(gòu)決定的。聚酰胺分子鏈中存在酰胺基(CONH2)，分子鏈之間通過(guò)氫鍵的作用，使分子鏈之間的作用力大為加強(qiáng)，保證了織物的強(qiáng)度。,3 合成橡膠,橡膠分天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠的基本組成是異戊二烯。人們用異戊二烯作為單體進(jìn)行聚

13、合反應(yīng)，得到了合成橡膠，稱為異戊橡膠。丁二烯來(lái)源豐富，以丁二烯為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了一系列合成橡膠。如順丁橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠等。世界橡膠產(chǎn)量中，天然橡膠僅占15 ％左右，其余都是合成橡膠。,,合成橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。通用橡膠用量較大，例如丁苯橡膠占合成橡膠產(chǎn)量的60 ％；其次是順丁橡膠，占15 ％；此外還有異戊橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠等，它們都屬通用橡膠。 特種橡膠是在特殊條件下使用的橡膠，它們有特殊的性質(zhì)，如硅

14、橡膠是以硅氧原于取代主鏈中的碳原子形成的一種特種橡膠，它柔軟、光滑，能耐高溫，可承受高溫消毒而不變形。,,許多合成橡膠是線型高分子，具有可塑性，但強(qiáng)度低，回彈力差，易產(chǎn)生永久變形。加入硫磺與橡膠分子作用，可使橡膠硫化。硫的作用是使線型橡膠分子之間形成硫橋而交聯(lián)起來(lái)，轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，使橡膠失去塑性，同時(shí)獲得高彈性。,第三節(jié) 新型高分子材料,在合成高分子的主鏈或支鏈上接上帶有顯示某種功能的官能團(tuán)，使高分子具有特殊的功能，滿足光、電、磁、

15、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的功能要求，這類高分子通稱為功能高分子。它將成為合成高分子材料中很有發(fā)展前途的一個(gè)分支。已知的功能高分子的品種和分類如下。,,,,①導(dǎo)電高分子,70年代人們合成了聚乙炔，發(fā)現(xiàn)它有導(dǎo)電性能。乙炔分子中碳與碳以叁鍵結(jié)合，單體經(jīng)加聚聚合后得到聚乙炔，這是一種雙鍵、單鍵間隔連接的線型高分子，分子中存在共軛?鍵體系，?電子可以在整個(gè)共軛體系中自由流動(dòng)，因此可以導(dǎo)電。隨后，又發(fā)現(xiàn)聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、等都具有導(dǎo)電性，導(dǎo)電高分

16、子材料引起人們的重視。用導(dǎo)電塑料做成的塑料電池已進(jìn)人市場(chǎng)，硬幣大小的電池，一個(gè)電極是金屬鋰，另一個(gè)電極是聚苯胺導(dǎo)電塑料，電池可多次重復(fù)充電使用，工作壽命長(zhǎng)。,②醫(yī)用高分子,高分子材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上已有40多年歷史。目前已知可用于制做人造器官的合成高分子材料有：尼龍、環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡膠、聚氨酯、聚碳酸酯等。除了腦、胃和部分內(nèi)分泌器官外，人體中幾乎所有器官都可用高分子材料制造

17、。,③可降解高分子,包裝食品的塑料袋和泡沫塑料飯盒用可降解高分子材料來(lái)做，那末廢棄的塑料將在一定條件下自行分解成為粉末。 目前己提出生物降解、化學(xué)降解和光照降解等三種方法，并合成了生物降解塑料、化學(xué)降解塑料和光照降解塑料，這類可降解高分子將在解決環(huán)境污染方面起到重要的作用。,④高吸水性高分子,高吸水性高分子吸收超過(guò)自重幾百倍甚至上千倍的水，體積雖然膨脹，但加壓卻擠不出水來(lái)。這類奇特的高分子材料可用淀粉、纖維素等天然高分子與丙烯酸、苯乙

18、烯磺酸進(jìn)行接枝共聚得到，或用聚乙烯醇與聚丙烯酸鹽交聯(lián)得到。高吸水性高分子的吸水機(jī)制尚不清楚，可能與高分子交聯(lián)后結(jié)構(gòu)中立體網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充有關(guān)。,第四節(jié) 復(fù)合材料,前面介紹的合成高分子材料、金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料各有其長(zhǎng)處和短處，如果將這三類不同的材料通過(guò)復(fù)合工藝組合成為新的復(fù)合材料，它既能保持原來(lái)材料的長(zhǎng)處，又能彌補(bǔ)短處。 例如金屬材料易腐蝕，合成高分子材料易老化、不耐高溫，陶瓷材料易碎裂等缺點(diǎn)二都可以通過(guò)復(fù)合的方法予以改善和克服。因此復(fù)

19、合材料是在三大材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新材料。,,高分子(塑料、樹脂)、金屬、陶瓷等材料都可以作為基體，摻入增強(qiáng)體后便成為復(fù)合材料。若按增強(qiáng)體的形狀分類，復(fù)合材料可分為：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、夾層增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。目前發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，若按基體分類，也可分為三類：樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。,1 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料,①玻璃鋼 它是由玻璃纖維與聚酯類樹脂復(fù)合而成的材料。將玻璃熔化并以

20、極快的速度拉成細(xì)絲，這種玻璃纖維異常柔軟，可以紡織。玻璃纖維的強(qiáng)度很高，比天然纖維或化學(xué)纖維高出5-30倍。在制造玻璃鋼時(shí)，可將直徑為5-10 ?m的玻璃纖維制成紗、帶材或織物加到樹脂中，也可以把玻璃纖維切成短纖維加入基體。玻璃鋼具有優(yōu)良的性能，它的強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗沖擊、絕緣性好。增強(qiáng)體除了用普通玻璃外，還可以根據(jù)具體用途調(diào)整玻璃成分，制取耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、高強(qiáng)度和高模量的玻璃纖維。玻璃鋼已經(jīng)廣泛用于飛機(jī)、汽車、船舶、建筑和

21、家具等行業(yè)。,②碳纖維增強(qiáng)塑料,目前制備碳纖維的方法是將聚丙烯腈合成纖維在200—300 ?C的空氣中加熱使其氧化，然后，在1000—1500 ?C 的惰性氣體中碳化，即可得到強(qiáng)度很高的碳纖維。用瀝青為原料也可制成碳纖維，成本比用聚丙烯腈降低約50 ％。碳纖維原料來(lái)源廣、成本低、性能好，是很有發(fā)展前途的增強(qiáng)材料。,,碳纖維增強(qiáng)塑料可以根據(jù)使用溫度的不同選擇不同的樹脂基體。如環(huán)氧樹脂使用溫度為150～200 ?C ；聚雙馬來(lái)酰亞胺為200

22、～250 ?C ；而聚酰亞胺在300 ℃以上。這類熱固性樹脂的碳纖維復(fù)合材料較多應(yīng)用于制造航天飛行器外殼或火箭噴管的耐燒蝕材料中。新一代的運(yùn)動(dòng)器材如羽毛球拍、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、滑雪杖、滑雪板、撐桿、弓箭等都采用碳纖維增強(qiáng)塑料來(lái)做，為運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造世界記錄做出了貢獻(xiàn)。,2 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,樹脂基復(fù)合材料的耐熱性低，一般不超過(guò)300 ℃，且不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性也較差，這就限制了它們?cè)谀承l件下的使用。而金屬基復(fù)合材料恰好在這些方面具有優(yōu)勢(shì)

23、，成為各國(guó)竟相發(fā)展的新材料。 主要使用硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維?；w金屬用得較多的是鋁、鎂、鈦及某些合金。,,碳纖維是金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的增強(qiáng)材料。碳纖維增強(qiáng)鋁具有耐高溫、耐熱疲勞、耐紫外線和耐潮濕等性能，適合于在航空、航天領(lǐng)域中做飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料。硼纖維增強(qiáng)鋁也用于空間技術(shù)和軍事方面。碳化硅纖維增強(qiáng)鋁比鋁輕10 ％，強(qiáng)度高10 ％，剛性高一倍，具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性和高溫抗氧化性。它們主要用于汽車工業(yè)和飛機(jī)

24、制造業(yè)。用碳化硅纖維增強(qiáng)鈦?zhàn)龀傻陌宀暮凸懿囊延脕?lái)制造飛機(jī)垂尾、導(dǎo)彈殼體和空間部件。,3 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,隨著對(duì)高溫高強(qiáng)材料的要求愈來(lái)愈高，人們轉(zhuǎn)向研制陶瓷基復(fù)合材料。基體陶瓷大體有Al2O3，MgO·Al2O3，SiO2，Al2O3·ZrO2，Si3N4，SiC等。增強(qiáng)材料有碳纖維、碳化硅纖維和碳化硅晶須。所謂晶須就是由晶體生長(zhǎng)形成的針狀短纖維。纖維增強(qiáng)陶瓷可以增加陶瓷的韌性，這是解決陶瓷脆性的途徑之一。由