【教学课件】第九章高分子材料.ppt

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1、高分子材料华中科技大学材料科学与工程学院索进平高分子材料的分类n天然高分子n无机高分子n有机聚合物：橡胶、塑料和纤维涂料和粘接剂功能高分子材料80年代中期世界上塑料的体积产量就已接近钢的体积产量；化学纤维的年产量已接近于天然纤维；合成橡胶的年产量已是天然橡胶的两倍。从某种意义来说，人类已进入高分子合成材料的时代。几个重要名词几个重要名词n单体：用于聚合的初始物质，CH2=CH2 ClCH=CH2 CH3-CH2=CH2n聚合：单体生成大分子的过程 nCH2=CH2 (CH2-CH2)nn聚合度：一个大分子中的重复单元数n均聚物：由一种单体聚合成的高聚物n共聚物：由两种以上的单体聚合成的高聚物n

2、线型高分子与体型（交联）高分子高分子材料的合成方法n加聚反应自由基聚合离子聚合配位聚合n缩聚反应高分子材料的合成方法n自由基聚合烯类单体的自由基聚合反应，是以自由基R为活性中心的连锁反应。整个反应过程可分为链引发、链增长、链转移和链终止四个阶段。n缩聚反应酚醛树脂 聚胺脂 聚合物的聚集态1、晶态、非晶态和取向态 线型高分子具有显著的几何不对称性其长度一般为其宽度的几百倍甚至几万倍。在外场作用下分子链将沿着外场方向排列。这一过程称为取向。取向态与晶态不同，取向态是一维或二维有序结构，而结晶态是三维有序结构。高聚物的取向，分为单轴取向和双轴取向两类。沿个方向拉伸，处分子链或链段等倾向于沿着拉伸方向

3、排列，这就是单轴取向。在合成纤维纺丝时，喷丝孔处分子链发生取向再经拉伸苦干倍，使合成纤维分子接近一步取向从而大大提而了力学强度。沿高聚物平面纵横两个方向拉伸，使分于链或链段等倾向于沿着与平面平行的方向排列，这就是双向取向。航空用透明有机玻璃 就是一种经过双轴拉伸取向的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。橡胶、塑料和纤维的区别：橡胶 塑料 纤维结晶 非晶态 部分结晶 部分结晶取向 一般无取向 有取向分子间作用力 1-2 2-5 5-10聚合物的聚集态2、玻璃态 当温度比较低的时候，分子的热运动能量很小，不足以克服分子间的作用力，因此整个分链的运动比较困难，即使是链段的内旋转也处于被冻结状态，这种状态称

4、为玻璃态。此温度称为玻璃化温度Tg。这时它表现出一系列固体材料的力学件能。如有固定的外形、有较高的强度和弹性模量。聚合物的聚集态3、高弹态 当度逐渐升高到超过玻璃化温度时虽然热运动的能量不足以克服分子间的作用力，使整个分子链产生相对的位移但是链段运动单元已经解际，能够比较自由地旋转，体系粘度有所降低，这种状态称为高弹态。当高聚物处于高弹态时，它具明显不同于其它材料的特性高弹性。即在不太大的外力作用下可以产生很大的变形，并可在外力除去后又很快地恢复原状。橡胶是具有这种特性的典型代表。高弹态是由于高聚物链段运动而特有的一力学状态。高弹态的主要力学特征：n低弹性模量n高伸长率：可达1001000%n

5、形变时有热效应：拉伸放热，回复时吸热 塑料一旦温度高于玻璃化温度就会变软，丧失了使用价值。可见Tg是塑料的最高使用温度。对橡胶来说要利用高聚物处于高弹态时的高形变率、低弹件模量、回弹性等特性。可见，Tg是塑料的最高使用温度，但是橡胶的最低使用温度。聚合物的聚集态4、粘流态 当温度再升高到粘流温度时，不但链段能运动，整个分子链也能移动，两种运动单元都能运动。体系粘度更低，这种状态称为粘流态。典型非晶态高聚物的温度形变曲线聚合物的聚集态5、液态聚合物的溶解过程：溶胀溶解溶解的基本规律：(1)极性相近原则，即极性大的溶质溶于极性大的溶剂，反之亦然 (2)溶剂化原则，即溶剂对高分子具有溶剂化作用，这一

6、般要求高分子和溶剂在分子结构上应分别具有亲电子体和亲核体。高分子上含有基团的亲电子性或亲核性越强，其溶剂的亲核性或亲电子性应该越强，否则不易溶解；若高分子的亲电子性或亲核性越弱，则对溶剂的亲核性或亲电子性要求较弱。(3)溶解度参数相近原则斯卡查德(scaMhad)把内聚能密度的概念引入希尔德布兰德方程中，导出了溶解度参数概念，该参数为内聚能密度的平方根。因此，非极性溶剂溶解度参数等于单位体积蒸发热的平方根，即聚合物的聚集态（4）交联难于溶解，加热有利于溶解 对于交联的高聚物，由于交联化学键的束缚当它与溶剂作用时，虽可吸入一定量溶剂发生溶胀，但不能进一步溶解，只能停留在最高溶胀阶段，称为“有限溶

7、胀”。例如硫化橡胶在汽油中的溶胀。对于具有大交联的高聚物，甚至不发生溶胀。如交联30的硫化橡胶以及一些热塑性塑料，它们具有刚硬的网状结构、溶刑分子不能钻入链段之间，不能溶胀，当然也不能溶解。加热可加速溶解。聚合物的聚集态（5）结晶难于溶解晶体处于热力学稳定的相态，结晶高聚物要溶解必须经过两个过程：一是晶体的熔融过程收热；二是熔融高聚物与溶剂混合。可见它的溶解比非晶态高聚物的要困难。在室温下，许多溶剂只能使它微小溶胀而不能溶解。只有f升高温度熔点附近才能形成溶液。例如高压聚乙烯(结晶度较低)在60一70溶于二甲苯或熔融石腊中，低压聚乙烯(结晶度较高)要在100 以上才溶解于四氢萘中。常用橡胶 天

8、然橡胶(N R)：为异戊二烯聚合物。具有优良的回弹性，拉伸强度、伸长率、耐磨性、抗撕裂和耐压缩永久变形件能都优于大多数合成橡胶。适用范围：制作轮胎、减震零件、缓冲绳和密封零件。不耐油，耐天候、臭氧、氧的性能较差。使用温度范围：-60120 丁苯橡胶(SBR):为丁二烯与苯乙烯的共聚物。含10苯乙烯的丁苯-10具有优良的耐寒性，含30苯乙烯的丁苯-30耐磨性优良。适用范围：制作轮胎和密封零件。制品不耐油，老化性能较差。使用温度范：-60120 丁二烯橡胶(BR)为丁二烯聚合物。常用顺丁二烯橡胶，耐寒、耐磨及回弹性能较好。适用范围：制作轮胎、密封零件、减震零件、胶带和胶管等制品。制品不耐油，不耐老

9、化。使用温度范围：-70一100。氯丁橡胶(CR)为氯丁二烯聚合物。耐天候，耐臭氧老化，有自熄性，耐油性能仅次于丁腈橡胶，拉伸强度、伸长率、回弹性优良，与金属和织物粘结性能好。适用范围：制作密封圈及其他密封型材、胶管、涂层、电线绝缘层、胶布及配制胶粘剂。制品不耐合成双脂润滑油及磷酸脂液压油。使用温度范围：-35130。丁腈橡胶(NDR)为丁二烯与丙烯腈的共聚物。一般含丙烯腈l8、26或40，丙烯腈的含量愈高，耐油、耐热耐磨件能愈好，但耐寒性则相反。含羧基的丁腈橡胶，耐磨、耐高温、耐油性能优于丁腈橡胶。适用范围：适于制作各种耐油密封零件、膜片、胶管和油箱。制品不耐天候、臭氧老化，不耐磷酸脂液压油

10、。使用温度范围：-60130 。丁基橡胶(IIR)为异丁二烯和异戊二烯的共聚物。耐天候、臭氧老化，耐磷酸脂液压油，耐酸、碱、火箭燃料及氧化剂。具有优良的介电性能和绝缘性能，透气性极小。不耐石油基油类。适用范围：制作轮胎内胎，门窗密封条，磷酸脂液压油系统的密封零件、胶管、电线的绝缘层。使用温度范围：-60150。乙丙橡胶 为乙烯、丙烯的二元共聚物(E PM)或乙烯、丙烯、二烯类烯烃的三元共聚物(EPDM)。耐天候、臭氧老化，耐蒸汽、磷酸脂液压油、酸、碱以及火箭燃料和氧化剂，电绝线性能优良。适用范围：制作磷酸脂的液压油系统的密封零件和胶管及飞机门窗密封。制品不耐石油基油类。使出温度范围：-5015

11、0 。聚氨脂橡胶 为聚氨基甲酸脂。具有优良的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性，耐油、耐臭氧极佳，也耐原子辐射。不宜与脂、酮、磷酸脂液压油、浓酸、碱、蒸汽相接触。适用范围：密封圈、能量吸收装置、冲介模板、振动阻尼装置、机械支撑垫片、防磨涂层、摩擦动力传动装置、胶辊等。使用温度范围：-6080。硅橡胶 为聚硅氧烷。通常有二甲基硅橡胶(MQ)，甲基乙烯基硅橡胶(MV Q)，甲基苯基硅橡胶(M PQ)，甲基苯基乙烯基硅橡胶(M PVQ)等。具有极佳的耐热、耐寒、耐老化性能，绝缘电阻、介电特性优异，导热性好，但强度和抗撕裂性较差，不耐油，价格较贵。适用范围：密封圈、密封型材、氧气波纹管、膜片、绝缘材料。使用温度范围：-70280。氟橡胶(FPM)常用的有氟橡胶26、氟橡胶246，前者为偏氟乙烯与六氟丙烯的共聚物，后者为偏氟乙烯、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物。氟橡胶具有突出的耐热、耐油、耐酸、碱性能，老化性能及电绝缘性能优良，难燃，透气性小。低温性能较差。价格较贵。适用范围：适于制作各种要求耐热、耐油、耐酸、碱的密封零件、胶管、胶布和油箱。使用温度范围：-40250，短时间达300。