工程化学(周祖新)5-2 化学与材料科学.pptx

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1、5.3合成材料（有机合成材料）塑料 合成橡胶 合成纤维 优点：强度大、密度小；缺点：不耐高温 塑料塑料 常见塑料：聚乙烯（PE）聚氯乙烯（PVC）聚苯乙烯（PS）有机玻璃（PMMA）电木塑料（bakelite）合成纤维合成纤维五光十色的纺织品五光十色的纺织品橡胶橡胶 天然橡胶合成橡胶天然橡胶：天然橡胶：合成橡胶的性能和用途合成橡胶的性能和用途 它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能，因而广泛应用于农业、国防、交通及日常生活中。人工合成橡胶 高分子化合物材料5.3.1.高分子化合物概述 nCH2=CH2 单体 链接 聚合度5.3.1.1.高分子化合物的根本概念2高分子化合物的结构

2、特点高分子化合物的结构特点（1 1）高分子化合物通常结构并不复杂，往往由简单）高分子化合物通常结构并不复杂，往往由简单的结构单元重复连接而成；的结构单元重复连接而成；如聚乙烯中：如聚乙烯中：（A A）CHCH2 2CHCH2 2叫聚乙烯的结构单元（或链节）叫聚乙烯的结构单元（或链节）；（B B）n n表示每个高分子化合物中链节的重复次数，表示每个高分子化合物中链节的重复次数，叫聚合度；叫聚合度；n n越大，相对分子质量越大；越大，相对分子质量越大；（C C）合成小分子的物质叫单体。如乙烯是聚乙）合成小分子的物质叫单体。如乙烯是聚乙烯的单体。烯的单体。这些高分子化合物大局部是由小分子聚合而成的，

3、所以也常被称为聚合物。例如，聚乙烯分子是由成千上万个乙烯分子聚合而成的高分子化合物。聚乙烯分子模型 5.3.高分子化合物的命名(1)习惯命名法在单体名前加“聚”或在单体名称后加“树脂”()商品名称命名法如：聚酰胺的商品名称是尼龙，尼龙表示聚已二酰已二胺（）系统命名法把高分子化合物的链节按有机化合物系统命名法命名，再在其前面加“聚”字.高分子化合物的合成由低分子化合物经过聚合形成高分子化合物的化学反响称为聚合反响聚合反响可分为加聚反响和缩聚反响（）加聚反响由一种或多种单体经过加成反响相互结合生成高分子化合物的反响称为加聚反响（）缩聚反响由两个或两个以上官能团的单体相互缩合形成高分子化合物，同时析

4、出某些由低分子化合物（如水、醇、氨等）的反响称为缩聚反响.高分子化合物的分类（）按分子主链结构分类按分子主链结构，高分子化合物可分为碳链，杂链，元素有机，芳、杂环等四大类。（）按聚合反响类型分类按聚合反响类型，可将聚合产物分为加成聚合物（加聚物）和缩合聚合物（缩聚物）。（）按高分子材料的使用性能分类按高分子材料的使用性能，可分为塑料、橡胶和纤维。.高分子化合物的结构和性能.高分子化合物的结构.高分子化合物的三种物理状态玻璃态黏流态高弹态形变温度TgTf 高分子化合物的形变与温度的关系(1)玻璃态 分子的形态和相对位置被固定住,当加外力时形变很小,链段只作瞬时的微小申缩和转向,当外力去除后,形变

5、立即恢复,此时,高分子化合物象玻璃一样坚硬,故称玻璃态。常温下塑料就是玻璃态。Tg较高。（2）高弹态 热运动能量增加，虽然整个分子链还不能运动，但链段可以自由转动，能产生较大形变，外力去除后，恢复原状，表现出很高弹性，称高弹态。Tg较低。（3）黏流态 当温度上升到适当范围，整个分子链都能运动，高分子化合物就能成为流动的黏流状液体。（1）弹性和塑性 线型高分子化合物分子链呈卷曲状态，具有柔顺性。当受外力拉伸时，分子链由卷曲状态变成伸展状态，外力除去后，分子链又恢复原状，表现出弹性。线型高分子化合物都表现出不同程度的弹性。橡胶具有较好的弹性。体型高分子化合物的弹性一般很差。（2）力学性能 高分子化

6、合物的力学性能（例如抗压、抗拉、抗冲击、抗弯等）的衡量指标是机械强度、刚性和抗冲击强度等。高分子化合物的力学性能主要取决于影响分子链之间作用力的因素。（3）电绝缘性能 对于直流电，绝大多数高分子化合物都具有良好的电绝缘性能，但是，有些分子链节具有不对称极性基团或极性链节（例如聚氯乙烯）的高分子化合物，在交流电场中，极性基团或极性链节会随交变电场方向作周期性移动，具有一定的导电性。.3.高分子化合物的性能(4)溶解性 高聚物的溶解进行得很慢，且经过溶胀过程。向盛有适量去离子水的烧杯中参加NaCl少许，搅拌使其溶解，再参加适量白色的聚乙烯醇粉末，静置，可观察到聚乙烯醇经溶胀直至完全溶解，形成无色透

7、明的溶液，且放出大量的热。高聚物的溶解性遵从以下规则：(a)“相似相溶”规则聚乙烯醇能溶于水有机玻璃能溶于丙酮及自身的单体中天然橡胶、丁苯橡胶能溶于汽油、苯中聚苯乙烯能溶于苯、甲苯及自身的单体中(b)溶度参数相近规则溶度参数即高聚物内聚能密度的平方根 当高聚物和溶剂的内聚能密度接近时，一般认为当|1 2|3.1(Jcm3)时便可溶胀及溶解。，烃类非极性溶剂及卤代烃类（弱亲电子性溶剂）1/(Jcm3)1/2，醚、醛、酮、酯、酰胺及胺类（给电子性溶剂）1/(Jcm3)1/2，醇、腈、硝基、磺基等（强亲电子性或强氢键溶剂）1/(Jcm3)1/2 正己烷14.9 乙醚15.1 正丁醇23.3环己烷16

8、.8 乙醛20.0 乙腈24.3四氯化碳17.6 环己酮20.2 乙醇26.0苯18.8 丙酮20.4 乙酸26.4三氯甲烷19.0 吡啶22.3 甲酸27.6二氯甲烷19.8 二甲基甲酰胺24.5 苯酚29.6二硫化碳20.4 水47.8 水47.8表5.2 一些溶剂的溶度参数（t=25）(5).化学稳定性和老化 高分子化合物在使用过程中，由于环境的影响，其强度、弹性、硬度等特性会逐渐变坏，这种现象叫老化。老化的原因光老化RHhvR-H(+O2)R+O-OH分解成单体热老化热和氧综合作用，过程与光老化相似。化学试剂老化水解或酸解高分子化合物。高分子化合物的防护（1）添加防老化剂如：抗氧剂、光

9、稳定剂（2）改性如：共混、共聚、交联等方法。（3）物理方法外表附一层保护层，如：涂漆、镀金属等。5.3.3.传统高分子材料按 材 料 的 性 质 分塑料橡胶纤维按高分子主链的结构分碳链杂链元素高分子按 应 用 功 能 分通用高分子特殊高分子功能高分子仿生高分子医用高分子等 塑料是可塑性材料的简称。一般所说的塑料是指合成树脂（作为主要成分，约占总重量的40%100%）参加填料、增塑剂、稳定剂、着色剂、发泡剂等制成的材料。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯（统称“四烯”）、酚醛塑料和氨基塑料是产量最大、用途广、价格廉价的六大通用塑料。塑料的主要特点是塑性。线型结构的树脂加热软化后变为黏稠流体，可塑

10、制成型，冷却后固化定型；但假设再加热，又将变软而可以重塑（热塑性）。体型结构的树脂在塑制成型后，再加热时就能固化成不溶的聚合物（热固性）。5.3.3.1塑料聚氯乙烯聚乙烯性能：强极性，绝缘性好，耐酸碱，难燃，具有自熄性。缺点是介电性能差，在 100 120 即可分解出氯化氢，热稳定性差。用途：制造水槽，下水管；制造箱、包、沙发、桌布、窗帘、雨伞、包装袋；还可做凉鞋、拖鞋及布鞋的塑料底等。结构式:聚氯乙烯性能：化学性质非常稳定，耐酸、碱，耐溶剂性能好，吸水性低，无毒，受热易老化。用途：制造食品袋、各种饮水瓶、容器、玩具等；还可制各种管材、电线绝缘层等。结构式:聚乙烯 性能：无毒、无味，易溶于酮、

11、醛、酯等有机溶剂。耐磨性、抗冲击性能好。ABS塑料 用途：用于家用电器、箱包、装饰板材、汽车收音机等零部件。结构式:电热水器ABS塑料塑料ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。具有具有硬、韧、刚硬、韧、刚的特性，综合机械性能良好，的特性，综合机械性能良好，尺寸稳定，容易电镀和易于成形。尺寸稳定，容易电镀和易于成形。耐热性较好，在耐热性较好，在40的低温下仍有一定的机械强度。的低温下仍有一定的机械强度。可制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、储槽内衬、电机外壳、可制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、储槽内衬、电机外壳、仪表壳、仪表盘、蓄电池槽、水

12、箱外壳等。仪表壳、仪表盘、蓄电池槽、水箱外壳等。在汽车零件上的应用开展很快，如作挡泥板、扶手、热空气在汽车零件上的应用开展很快，如作挡泥板、扶手、热空气调节导管，以及小轿车车身等。调节导管，以及小轿车车身等。作纺织器材、电讯器件都有很好的效果。作纺织器材、电讯器件都有很好的效果。摩托车挡泥板摩托车挡泥板聚四氟乙烯酚醛树脂硅橡胶聚丙烯7.聚碳酸酯聚碳酸酯(PC)(双酚双酚A)聚碳酸酯誉称聚碳酸酯誉称透明金属透明金属，具有优良的综合性能。具有优良的综合性能。冲击韧性和延性突出，在热塑性塑料中是最冲击韧性和延性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模量较高，不受温度的影响；好的；弹性模量较高，不受温度的

13、影响；抗蠕变性能好，尺寸稳定性高；抗蠕变性能好，尺寸稳定性高；透明度高，可染成各种颜色；透明度高，可染成各种颜色；吸水性小；吸水性小；绝缘性能优良，在绝缘性能优良，在10130间介电常数和介质损耗近于间介电常数和介质损耗近于不变。不变。制造精密齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条等。制造精密齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条等。利用其高的电绝缘性能，制造垫圈、垫片、套管、电容器等绝利用其高的电绝缘性能，制造垫圈、垫片、套管、电容器等绝缘件，并可作电子仪器仪表的外壳、护罩等。缘件，并可作电子仪器仪表的外壳、护罩等。由于透明性好，在航空及宇航工业中，是一种不可缺少的制造由于透明性好，在航空及宇航工业中，是一种不可缺少的制造

14、信号灯、挡风玻璃，座舱罩、帽盔等的重要材料。信号灯、挡风玻璃，座舱罩、帽盔等的重要材料。双酚A结构双酚A制品(诱发儿童性早熟)有机玻璃顶棚9.聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗称有机玻璃。俗称有机玻璃。有机玻璃的透明度比无机玻璃还高有机玻璃的透明度比无机玻璃还高,透光率透光率达达92%;密度只有无机玻璃的一半密度只有无机玻璃的一半,为为1.18g/cm3。机械性能比一般玻璃高得多机械性能比一般玻璃高得多(与温度有关与温度有关)。制造仪表护罩、外壳、光学元件、透镜等。制造仪表护罩、外壳、光学元件、透镜等。1.酚醛塑料酚醛塑料(PF)由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下缩聚合成酚醛树脂由酚

15、类和醛类在酸或碱催化剂作用下缩聚合成酚醛树脂,再参加添再参加添加剂而制得的高聚物。一般为热固性塑料。加剂而制得的高聚物。一般为热固性塑料。酚醛塑料具有一定的机械强度和硬度酚醛塑料具有一定的机械强度和硬度,耐磨性好；耐磨性好；绝缘性良好绝缘性良好,耐热性较高，耐蚀性优良。耐热性较高，耐蚀性优良。缺点是性脆，不耐碱。缺点是性脆，不耐碱。制作插头、开关、制作插头、开关、机、仪表盒、机、仪表盒、汽车刹车片、内燃机曲轴皮带轮、汽车刹车片、内燃机曲轴皮带轮、纺织机和仪表中的无声齿轮、纺织机和仪表中的无声齿轮、化工用耐酸泵日用用具等。化工用耐酸泵日用用具等。酚醛塑料制品酚醛塑料制品热固性塑料热固性塑料 橡胶

16、是具有高弹性的轻度交联的线型高分子化合物。它们在很宽的温度范围内（一般在-40 80）处于高弹态，某些特种橡胶可以在-100 200保持高弹性。这类橡胶还有优良的收缩性，良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，因而广泛应用于密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。5.3.3.2合成橡胶它们能在 200 300下使用，硅橡胶甚至可在 425时短时间使用。硅橡胶还耐低温，在-60时仍保持弹性。耐低温性能较好的还有顺丁橡胶。氟橡胶不怕酸、碱、燃料油，耐热，可在不同条件下使用。硅橡胶也是特种绝缘橡胶。各种橡胶中，耐热性能较好的是氟橡胶和硅橡胶。例如(俗称Viton)和，性能：耐水，耐老化性能，特别是

17、耐磨性和气密性好。缺点是不耐油和有机溶剂，抗撕强度小。用途：为合成橡胶中最大的品种（约占50%），广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料。结构式:丁苯橡胶丁苯橡胶丁苯橡胶性能：耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性都很好；缺点是密度较大，耐寒和弹性较差。用途：制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎等。结构式:氯丁橡胶(万能橡胶)性能：弹性、耐老化性和耐低温性、耐磨性，都超过天然橡胶；缺点是抗撕裂能力差，易出现裂纹。用途：为合成橡胶的第二大品种（约占15%），大约 60%以上用于制造轮胎。结构式:顺丁橡胶硅橡胶硅橡胶 涂料是人们经常使用的一类物品，它兼有保护、装

18、饰、标志等功能。早期人类使用的涂料主要是天然涂料，如桐油、大漆等。随着工业生产的开展和人民生活的改善，涂料的品种和应用领域在不断的增多和扩大。5.3.3.3涂料涂料的组成成膜物质颜料助剂溶剂高固体成分、水溶性涂料的开展方向5.3.4功能高分子材料5.3.4.1高分子液晶材料 高分子液晶高分子液晶是具有类似于低分子液晶有序结构的一类化合物。它与分子链的结构和组成有关，高分子主链或侧链中含有可形成液晶的单体时，则高分子一般也可显示出液晶的特点。近晶型结构中，链节平行排列，且链节的质心分层作层状排列；向列型结构中，链节近似于平行的单轴排列。当高分子的侧链含有可形成液晶的单体时，各层中侧链平行排列而呈

19、梳子状，类似近晶型结构，高分子主链呈无规则状态，位于侧链的有序排列之间。某些生物高分子液晶显示出生物组织的功能，为人工合成具有特定生物活性的生物膜提供了可能性。近年来，高分子液晶开展迅速。液晶是新型显示材料，在工程上应用非常广泛。比方，液晶显示器、电子体温计等。液晶的用途 液晶分子在弱电场（1V 量级）操作下改变其取向，从而改变液晶层的光学特性，实现有史以来最省电的平板显示技术，成为与运算半导体集成电路在功率与电压上直接匹配的现代仪表、计算机的最正确伙伴。可以说，没有液晶显示，就不可能有当今信息时代涌现出的笔记本电脑、移动电脑终端、汽车雷达卫星定位系统和多种平板飞机航空仪表。有些高分子化合物自

20、身即可导电。如聚乙炔，1958 年合成，到 20 世纪 70 年代人们发现它有导电性能；继此，人们又陆续发现聚苯乙炔、聚乙烯吡啶等具有导电性。导电原因是这些分子中存在共轭 键，电子在共轭体系中可自由流动。假设用 I2、Br2 等卤素或 BF3、AsF3 等搀杂后，其电导率可达金属水平（约103 Scm1），因此被称为合成金属。用这些导电材料可做太阳能电池、电极、半导体材料等，也可制成有金属光泽的薄膜。随着高分子科学的开展，新的导电高分子材料将不断涌现。5.2.4.2导电高分子材料5.3.4.3光敏高分子材料 光敏高分子材料是指在光的作用下能够显示特殊性能的聚合物，如感光材料、光刻胶、光固化涂料

21、等。5.3.4.4医学生物高分子材料 医学生物高分子材料是指用于生物体或治疗过程的高分子材料，按来源可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料。医学生物高分子材料应用广泛，可应用组织修复、人工器官、治疗用器材、药物释放等。5.3.4.5离子交换树脂（1）离子交换树脂的种类 离子交换树脂是一种不溶、不熔的体型高分子化合物，有阳离子交换树脂和阴交换树脂之分。（2）离子交换树脂的交换作用 当含有阳离子（例如Ca2）或阴离子（例如Cl）的溶液流经交换柱时，这些阳离子或阴离子就与树脂上的H或OH发生交换反响。交换下来的H或OH结合生成水，交换过后的水中含电解质极少。（3）离子交换树脂的再生 “再生”处理就

22、是用强的无机酸或碱溶液浸泡已失去交换能力的交换树脂，使其发生离子交换反响的逆过程，即用H或OH再将树脂上的阳离子（例如Ca2）或阴离子（例如Cl）交换出来。5.4复合材料5.4.1复合材料中的基体材料和增强材料 在复合材料中，通常有一种材料为连续相，称为基体；另一种材料为分散相，称为增强材料。增强材料分散分布在整个连续的基体材料中，各相之间存在着相界面。(1)基体材料 基体主要起三种作用：把增强材料粘在一起；向增强材料传递载荷和均衡载荷；保护增强材料不受环境破坏。(2)增强材料 能提高基体材料力学性能的物质均称为增强材料。增强材料通常是纤维，也可以是颗粒材料。增强材料是主要的承力组分，在复合材

23、料中起增强作用，使得材料的力学性能得到大大改善。1.比强度和比模量高比强度和比模量高比强度（抗拉强度与密度之比）和比模量比强度（抗拉强度与密度之比）和比模量(弹性模量与密度之比弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚高，说明材料轻而且刚性大。性大。2.良好的抗疲劳性能良好的抗疲劳性能疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。复合材料的性能复合材料的性能3.减振性能好减振性能好在工作过程中振动问题十分突出，复合材在工作过程中振动问题十分突出，复合材料为多相系统，大量的界面对振动有反射汲取料为多相系统

24、，大量的界面对振动有反射汲取作用。且自振动频率高，不易产生共振。作用。且自振动频率高，不易产生共振。4.高温性能好高温性能好复合材料在高温下强度和模量根本不变。复合材料在高温下强度和模量根本不变。5.4.2复合材料的分类 根据增强的方式，复合材料可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和夹层增强复合材料等。假设按基体材料种类来分则可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料三大类。5.4.3聚合物基复合材料 聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料复合而成的。(1)玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)先将玻璃纤维截断后与环氧树脂、酚醛树脂等混合均匀，再将所得的混合原料经模

25、具挤压、涂漆即得质轻、耐磨、耐腐蚀的水泵。玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强尼龙车轮玻璃纤维增强塑料制自行车复合材料制小船（2）碳纤维增强材料 碳纤维与合成树脂等基体结合即得到碳纤维增强塑料。碳纤维增强塑料质量比玻璃钢更轻，强度比玻璃钢更大。它在抗冲击、抗疲劳，自润滑性以及耐腐蚀、耐温等方面也有显著优点。碳纤维增强塑料是目前最受重视的高性能材料之一，在航空航天、事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。碳纤维增强塑料还用来制造滑雪板、高尔夫球捧、网球拍、跳板、钓鱼竿、体育赛艇等。蹬山杖蹬山杖WCF全碳车架全碳车架红双喜记忆性碳纤维羽毛拍红双喜记忆性碳纤维羽毛拍M330（316元）元）飞机刹车叶

26、片飞机刹车叶片帆板手把帆板手把碳纤维复合材料气瓶碳纤维复合材料气瓶笔记本外壳笔记本外壳B-2隐形轰炸机外表为具有良好吸波性能的碳隐形轰炸机外表为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料纤维复合材料5.4.4其他类型复合材料简介（1）金属基复合材料 金属基复合材料是以金属及其合金为基体，增强材料多为陶瓷、碳、石墨及硼等无机非金属材料，有时也采用金属丝。增强材料可以是纤维和陶瓷颗粒材料。（2）陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体材科，纤维或颗粒为增强体复合而成的。陶瓷基复合材料具有高强度、高韧性和优异的耐高温性能及力学稳定性。（3）碳碳复合材料 用碳或石墨作为基体，用碳纤维或石墨纤维作为增强材料可组成碳碳复合材料。碳碳复合材料能承受极高的温度和极高的加热速度，且有极好的耐热冲击能力，在尺寸稳定性和化学稳定性方面也十分良好。层叠复合材料层叠复合材料层叠复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成。用层叠法增强的复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔声、减轻自重等性能分别得到改善。常见的有双层金属复合材料、塑料-金属多层复合材料和夹层结构复合材料等。蜂窝结构的复合材料蜂窝结构的复合材料具备重量轻，强度大的特点具备重量轻，强度大的特点中国某研究所研制成功的芳纶铝合金层特写，可用于中国某研究所研制成功的芳纶铝合金层特写，可用于用飞机用飞机演讲完毕，谢谢观看！