高分子材料課件

1、2024/3/16,1,高分子材料,High polymer Material,《工程材料》多媒體課件,主講人：李安銘 材料科學與工程學院,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,2,緒 論,一、非金屬工程材料的定義：,金屬材料之外的所有工程材料。,三大固體材料，稱為材料的三大支柱。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,3,二、非金屬材料的發(fā)展：,1

2、.金屬材料的優(yōu)點及局限性：,柯垂爾：金屬今后一段時間仍是主要的工程材料。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,4,局限性：難以適用密度小、耐腐蝕、電絕緣、減 震、消音、耐高溫等。,,密度：鋼7.8、鋁 2.7、高分子 0.8-2.0；,耐腐蝕：金屬難以與陶瓷相比；,耐高溫：金屬耐熱鋼＜800℃、鎳基合金＜1000℃、 鉬基合金＜1300℃、陶瓷工作溫度1700-2000℃；,2024

3、/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,5,2.非金屬材料的發(fā)展史：,（1）高分子材料：1920年，確立了“大分子鏈結(jié)構(gòu) 學說”，合成高分子材料誕生。,發(fā)展很快，就體積來說。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,6,（2）陶瓷材料：傳統(tǒng)陶瓷指：陶器、瓷器、玻璃、水 泥，性能硬、脆； 現(xiàn)代陶瓷指：所有無機非金屬材料的總稱。,近三十年來，以氧化物（例Al

4、3O2)、氮化物（例Si3N4)和碳化物（例SiC）等高純化合物為原料，經(jīng)過傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)工藝制成的無機多晶產(chǎn)品，已成為：,的主力軍。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,7,（3）復(fù)合材料：高的比強度、高的剛度、低的密度 等，是單一材料和合金難以比擬的。,（4）非金屬材料不是金屬材料的代用品，而是具有 優(yōu)越性能的不可缺少的材料。例如; 美國“哥倫比亞”號航天飛機，機身

5、覆蓋一萬多 塊隔熱絕熱陶瓷，以保護飛機。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,8,三、非金屬材料的發(fā)展趨勢：,1、研制具有優(yōu)良性能的新材料；2、對現(xiàn)有材料進行改性；例如加入添加劑改性，是 工程材料的主要發(fā)展方向。3、研制復(fù)合材料：傳統(tǒng)的纖維增強樹脂復(fù)合； 現(xiàn)在:金屬基復(fù)合、陶瓷基復(fù)合、功能復(fù)合材料， 例建筑屋頂，集構(gòu)件、發(fā)電、采暖于一體。4、新型功能塑料的研制：例

6、如：導電塑料、導磁塑 料、醫(yī)用塑料、人工降解塑料等。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,9,基 本 概 念,第 一 節(jié),Basic Concept,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,10,一、高分子材料的基本概念 1、高分子化合物:指分子量很大的有機化合物，每 個分子可含幾千、幾萬甚至幾十萬個原子。 也叫高聚物、

7、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之間。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,11,2、高分子材料:以高分子化合物為主要組分的材料。,主要包括：塑料、橡膠、化學纖維等。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,12,二、高分子化合物的組成,定義：組成高分子化合物的簡單低分子化合物。 或：凡是

8、可以聚合成大分子鏈的低分子化合物。 例：乙烯分子：CH2=CH2,高分子化合物的分子量雖很大，但其化學組成并不復(fù)雜，通常由一種或幾種低分子化合物聚合而成。,例： 聚乙烯,1、高分子化合物的單體、鏈節(jié)和聚合度:,①單體：,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,13,單體的必要條件：至少能形成兩個或兩個以上新鍵

9、的有機化合物，才能做為單體。 例：烯烴，雙鍵；炔烴，三鍵。,②鏈節(jié)：定義：構(gòu)成高聚物的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)。 例：,③聚合度：高分子鏈節(jié)中的數(shù)目n。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,14,2、高聚物的分子量的多分散性和平均分子量：①高聚物的分子量是M：,m:鏈節(jié)分子量； n:聚合度分子量不同，高聚物的性能和物理狀態(tài)不同。例：聚乙烯,2024/3/16,An

10、ming Li, Dept of MSE,hpu,15,②高聚物分子量的多分散性：低分子化合物有確定而均一的分子量。 例：H2O，18；CO2，44。高分子化合物總是由不同大小的分子組成，這一現(xiàn)象 稱為高分子化合物的分子量的多分散性。例：聚苯乙烯： 分子量 10000～300000 聚丙烯脂： 分子量 60000～500000,分子量的分散性對性能產(chǎn)生影響。,2024/3/1

11、6,Anming Li, Dept of MSE,hpu,16,③平均分子量,ⅰ、平均分子量用 表示，具有統(tǒng)計概念。,ⅱ、平均分子量和分布寬窄（分散性大?。?影響高聚物的物理、力學性能。,越大，強度越高，硬度越高，但融熔粘度增 大，流動性差。分散性大；熔融溫度范圍變寬， 有利于加工成型，但抗撕裂性差。ⅲ、生產(chǎn)中，通過控制產(chǎn)品的分子量大小和分布 情況，改善性能以滿足不同的需要。

12、,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,17,分子量過高部分使聚合物的強度增加，但加工成型時塑化困難；低分子量部分使聚合物強度降低，但易于加工,不同用途的聚合物應(yīng)有其合適的分子量分布: 合成纖維：分子量分布宜窄； 塑料、橡膠：分子量分布可寬；,常用的聚合物的分子量（萬）,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,18,其中氯乙烯 就是聚氯乙

13、烯 的單體. 就是聚氯乙烯分子鍵的鏈節(jié)， n就是聚合度。聚合度反映了大分子鏈的長短和分子量的大小，高分子化合物的分子量（M）是鏈節(jié)的分子量（M0）與聚合度（n）的乘積。M= M0×n,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,19,三、高分子化合物的聚合：,定義：由一種或多種單體相互加成，或由環(huán)狀化合物開環(huán)

14、 相互結(jié)合成聚合物的反應(yīng)稱為加聚反應(yīng)。,均聚物:由一種單體經(jīng)過加聚反應(yīng)生成的高分子化合物； 例如：聚乙烯、聚苯乙烯等。,特點：聚合物的結(jié)構(gòu)單元與單體組成相同； 分子量是單體分子量的整數(shù)倍； 聚合過程無副產(chǎn)物生成。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,20,共聚物: 由兩種或兩種以上的單體經(jīng)過加聚反應(yīng)生 成的高分子化合物。,

15、例：ABS塑料。A：丙烯脂 B：丁二烯 S：苯乙烯,,A B S,,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,21,,ⅰ、共聚反應(yīng)表達式：ⅱ、注意：共聚物不能理解為混合物，而是主鏈中包 含兩種或兩種以上單體鏈節(jié)的新型聚合物。ⅲ、共聚物中單體鏈節(jié)的排列方式：A、B表示兩種單體 無規(guī)共聚：—A—B—A—A—B—A—B—B—B—

16、 交替共聚：—A—B—A—B—A—B—A—B—A—,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,22,,嵌散共聚：—A—A—B—B—A—A—B—B—A 接枝共聚：ⅳ、共聚物的性能類似于合金，通過改變共聚物的單體 和比例，可以改善高聚物的性能。 例：ABS中，隨,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,h

17、pu,23,由一種單體或多種單體相互縮合生成聚合物， 同時析出其它低分子化合物（如水、氨、醇、 鹵化物等）的反應(yīng)稱為縮聚反應(yīng)。,2. 縮聚反應(yīng)：,共縮聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上的單體進行 的縮聚反應(yīng)。,均縮聚反應(yīng)：由一種單體進行的縮聚反應(yīng)。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,24,特點： 官能團之間反應(yīng)，縮聚物有特征結(jié)構(gòu)官能團； 有低分子副產(chǎn)物；

18、 縮聚物和單體分子量不成整數(shù)倍。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,25,四、高分子材料的分類,①按來源：ⅰ、天然聚合物：天然橡膠，纖維素，蛋白質(zhì)等。ⅱ、人造聚合物：經(jīng)人工改性的天然聚合物。 例：硝酸纖維。ⅲ、合成聚合物：完全由低分子人工合成。 如聚氯乙烯。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,26,②按反應(yīng)類型：ⅰ、加聚物：

19、如聚烯烴ⅱ、縮聚物：如酚醛樹脂,③按工藝性質(zhì)：塑料、橡膠、纖維、涂料,④按分子的幾何結(jié)構(gòu)： ⅰ、線型高聚物； ⅱ、體型高聚物,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,27,高分子結(jié)構(gòu),第 二 節(jié),Macromolecule Structure,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,28,結(jié)構(gòu)分類：,2024/3/16,Anming Li,

20、Dept of MSE,hpu,29,1.大分子鏈結(jié)構(gòu)單元的化學組成 在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金屬、亞金屬元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子鏈。由于高聚物中常見的C、H、O、N等元素均為輕元素，所以高分子材料具有密度小的特點。,其中C鏈這最多。,C鏈結(jié)構(gòu),2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,30,①一般為共價鏈連接，不易失去和獲得電子。

21、②比重小，都是輕元素：C、H、O、N。故高分子材料 比重小，0.29～2.0g/cm3。③組成元素不同，性能差別很大。如聚乙烯中的H被F 原子代替，即聚四氟乙烯，是耐王水腐蝕的塑料王。,四氟乙烯：,聚乙烯：,大分子鏈的特點：,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,31,1)線型分子鏈： 由許多鏈節(jié)組成的長鏈， 通常是卷曲成線團狀。 這類結(jié)構(gòu)高聚物的特點是彈性、塑性好，

22、硬度低，是熱塑性材料的典型結(jié)構(gòu)。,2)支化型分子鏈： 在主鏈上帶有支鏈。 這類結(jié)構(gòu)高聚物的性能和加工都接近線型分子鏈高聚物。,2. 大分子鏈形態(tài)：,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,32,3)體型分子鏈 ： 分子鏈之間由許多鏈節(jié)相互橫向交聯(lián)。 這類結(jié)構(gòu)的高聚物硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是熱固性材料的典型結(jié)構(gòu)。,交聯(lián)分子結(jié)構(gòu),三維空間分子結(jié)構(gòu),2024/3/16,

23、Anming Li, Dept of MSE,hpu,33,線型→體型的轉(zhuǎn)化：（不可逆）一定條件下，線形可以轉(zhuǎn)化成體型。即固化或交聯(lián)。 例：橡膠的硫化等。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化帶來很大的性能變化。例如： 低密度聚乙烯：有彈性，做薄膜、奶瓶等； 高密度聚乙烯：做較硬的水杯、工程塑料； 交聯(lián)聚乙烯：做海底電纜的包皮，有出色的絕 緣性， 耐熱性。,2024/3/16,Anming L

24、i, Dept of MSE,hpu,34,,,,,,,,,不同結(jié)構(gòu)聚乙烯的性能,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,35,4.大分子鏈的構(gòu)象 ——鏈的柔順性及熱運動特點：,（1）大分子鏈的構(gòu)象：ⅰ、大分子鏈的熱運動： 大分子鏈和其它的物質(zhì)一樣， 處于不停的熱運動中，其運 動方式是共價單鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。如圖：分子鏈可以在保持鏈長 和鏈角不變的情況下自旋轉(zhuǎn)。 大量的

25、單鏈都隨時進行著旋轉(zhuǎn)。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,36,ⅱ、大分子鏈的構(gòu)象：由于單鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動引起原子在空間位置的變化而構(gòu)成大分子鏈的各種形象稱為大分子鏈的構(gòu)象。,（2）、大分子鏈的柔順性：ⅰ、大分子鏈上單鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動，造成整個大分子 鏈的形狀及末端距離每一瞬間都不相同，大分子鏈 時而蜷曲，時而伸展，該特性稱為大分子鏈的柔順性。柔順性：大分子鏈構(gòu)象變化而獲得不同蜷曲程度的

26、特性。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,37,ⅱ、柔順性的好壞與鏈中單鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)的難易程度有 關(guān)。運動的單元為鏈段，鏈段包含的鏈節(jié)數(shù)越少， 則運動越容易，大分子鏈的柔順性越好。ⅲ、大分子鏈的柔順性是高聚物與低分子物質(zhì)在許多 基本性能上差異的原因。例：高彈性。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,38,,高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：

27、指高聚物內(nèi)部高分子鏈 之間的幾何排列或堆砌結(jié)構(gòu),也稱超分子結(jié)構(gòu)。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,39,依分子在空間排列的規(guī)整性可將高聚物分為： 結(jié)晶型、部分結(jié)晶型和無定型(非晶態(tài))三類。,,2、高聚物的結(jié)晶度：,晶態(tài)結(jié)構(gòu)在高分子化合物中所占的質(zhì)量分數(shù) 或體積分數(shù)稱為結(jié)晶度。,晶態(tài) 部分晶態(tài) 非晶態(tài),2024/3/16,Anming Li

28、, Dept of MSE,hpu,40,結(jié)晶度越高，分子間作用力越強，因此高分子化合物的強度、硬度、剛度和熔點越高，耐熱性和化學穩(wěn)定性也越好；而與鍵運動有關(guān)的性能，如彈性、伸長率、沖擊韌性則降低。,（1）高聚物不存在完全晶態(tài)的高聚物，通常把結(jié)晶超過50%的高聚物稱為結(jié)晶高聚物。結(jié)晶高聚物中：晶區(qū)、非晶區(qū)。結(jié)晶度一般為50～90%,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,41,（2）影響結(jié)

29、晶度的因素：ⅰ、分子鏈的結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單、分子鏈短，利于結(jié)晶。ⅱ、外力的影響：拉伸促進高聚物的結(jié)晶。原因：沿拉伸方向伸展開，增加了分子鏈的接觸面積和 減少距離，提高了分子間的作用力和結(jié)晶能力。,例如：尼龍繩、包裝帶越拉越強。,ⅲ、冷卻速度：從熔融態(tài)緩慢冷卻有利于結(jié)晶，快冷 不利于結(jié)晶。ⅳ、溫度：高聚物對應(yīng)結(jié)晶速度最快的溫度TK，在 TK溫度保溫，結(jié)晶可充分進行。,例如：天然橡膠，TK=-24℃，若

30、輪胎在低于TK溫度 下工作，就會發(fā)生結(jié)晶而失去彈性。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,42,3、結(jié)晶對高聚物性能的影響：（1）熔點、密度、剛性、硬度、耐熱性、化學穩(wěn)定性提高。原因：聚集狀態(tài)緊密，增強了分子間的作用力。（2）彈性、斷裂伸長率、沖擊韌性降低。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,43,高分子性能,第 三 節(jié),Macromolecule Pr

31、operty,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,44,一、高聚物力學性能與溫度的關(guān)系,此類聚合物在恒定應(yīng)力下的變形-溫度曲線如圖。 Tb：脆化溫度； Tg：玻璃化溫度； Tf ：粘流溫度； Td：化學分解溫度。,（一）線形非晶態(tài)高聚物的力學性能：,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,45,Tb<T<Tg,1. 玻璃態(tài)：,ⅰ、

32、特點：應(yīng)力與應(yīng)變成正比，符合虎克定律， 具有一定的剛度。ⅱ、機理：大分子鏈整體不能運動，鏈段也不 能運動，僅做微弱的熱振動。ⅲ、塑料：室溫下處于玻璃態(tài)的高聚物叫塑料。 例：聚氯乙烯：Tg=87℃ 聚苯乙烯：Tg=80℃ 有機玻璃：Tg=100℃,2024/3/16,Anming Li, Dept of

33、 MSE,hpu,46,Tg<T<Tf,2. 高彈態(tài)：,ⅰ、特點：a、可回復(fù)的彈性變形量高達100～1000%。 b、彈性模量小，一般100MPa,比普通彈性材料小 3～4數(shù)量級。 c、變形時生熱，回彈時吸熱。ⅱ、機理：鏈段可繞主鏈上的單鍵進行內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動， 但分子鏈之間不能運動。ⅲ、橡膠：室溫下處于高彈態(tài)的高聚物，叫橡膠。 例：天然橡膠：Tg=-73℃、硅橡膠：Tg=

34、-120℃,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,47,ⅳ、影響Tg的因素：a、分子量增加，Tg升高，（Tg~Tf）區(qū)域增大，高彈區(qū) 范圍加寬，分子量小于一定數(shù)值時，高彈區(qū)消失。b、鏈柔順性好，Tg下降。注意：鏈柔順性太好時，鏈段極易運動，可能出現(xiàn)鏈 間滑脫而產(chǎn)生冷流現(xiàn)象，需要在鏈間適當交聯(lián)。 分子間的結(jié)合力強，Tg上升。,2024/3/16,Anming Li, Dept

35、of MSE,hpu,48,Tf<T<Td,3. 粘流態(tài)：,ⅰ、特點：流動的粘液，產(chǎn)生永久的不可逆變形。ⅱ、機理：鏈段和大分子鏈都可運動，鏈間產(chǎn)生 滑脫。高聚物成為流動的粘液。ⅲ、油漆、涂料：室溫下處于粘流態(tài)的高聚物。 粘液態(tài)也是熱塑料性和橡膠的加工成型狀態(tài)。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,49,（二）線形結(jié)晶高聚物的

36、力學性能：,（1）全部結(jié)晶（或很高的結(jié)晶度）性能類似于低分子材料，只有硬結(jié)晶態(tài)（Tg～Tm），和粘流態(tài)T>Tm； Tm：晶區(qū)熔化溫度。（2）部分結(jié)晶：在Tg～Tm之間，未結(jié)晶部分為高彈態(tài)，結(jié)晶部分為硬結(jié)晶態(tài)，總的表現(xiàn)為既韌又硬的皮革態(tài)。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,50,（三）體形高聚物的力學性能：,（1）交聯(lián)對分子和鏈數(shù)運動的影響： 阻止分子和鏈段的運動，故鉸鏈越多，

37、Tg上升，當鉸鏈密度達到一定程度后，Tg= Tf。鏈段和分子鏈都不能運動，高彈態(tài)消失。 例如：酚醛塑料（電木）（2）交聯(lián)的應(yīng)用： 適當交聯(lián)可既保持高聚物的高彈性，又限制分子間的滑脫，可提高材料的穩(wěn)定性、強度和剛度。,例如：橡膠硫化，0.5～5%S軟橡膠；20～30%S硬橡膠,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,51,二、高分子材料的力學性能,最具特性色的是彈性和粘彈性。,1、高彈

38、性，低的彈性模量：,例如：橡膠，彈性變形量可達100～ 1000%，彈性模量E=1MPa, 而鋼為105MPa.必要條件：柔軟的分子鏈、較大 的分子量和一定的交聯(lián)密度。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,52,2、粘彈性：,（1）定義：彈性變形滯后于應(yīng)力的變化，即彈性變 形不僅與外力有關(guān)，而且具有時間效應(yīng)。（2）機理：高聚物的變形是通過調(diào)整內(nèi)部分

39、子構(gòu)象 來實現(xiàn)的，這需要時間。（3）粘彈性的分類：,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,53,ⅰ、靜態(tài)粘彈性：,,,蠕變：塑料雨衣掛一段時間后破洞。應(yīng)力松弛：松緊帶，越用越松，密封圈的失效。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,54,ⅱ、動態(tài)粘彈性：,a.定義：在交變應(yīng)力作用下，變形速度跟不上應(yīng)力變 化的速度，應(yīng)力與應(yīng)存在相位差，這就是動態(tài)粘

40、彈性。b.內(nèi)耗：由于應(yīng)變落后于應(yīng)力的變化，使應(yīng)變儲能一 部分通過內(nèi)摩擦而產(chǎn)生熱量。 即：滯后使機械能轉(zhuǎn)化為熱能，這種現(xiàn)象叫內(nèi)耗。c.影響：不利：產(chǎn)生熱，使工件溫度升高，促進老化。 例：輪胎發(fā)熱至80～100℃ 有利：減震，吸收沖擊能量。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,55,３、強度和斷裂：,①強度、彈性模量低：一般σb約100MPa，即是玻璃增

41、強的尼龍也只有200MPa。但由于比重低，故比強度仍較高。例玻璃鋼。,②性能變化范圍特別大：不同的聚集狀態(tài)，性能差別很大。,硬而脆,硬而強,硬而韌,軟韌,軟而弱,σ,ε,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,56,③形變強烈依賴于工作溫度T和加載速度：,隨溫度T↑，時間t↓，則彈性模量E↑, 形變率ε↓,隨溫度T↓，時間t↑，則彈性模量E↓, 形變率ε↑,例如：飛機的輪胎，沖擊載荷大， 速度

42、快。鏈段變形來不及響應(yīng)， 失去彈性。使用玻璃化溫度Tg 很低的橡膠。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,57,三、高聚物的理化性能,1、耐熱性；高聚物在變熱過程中，容易發(fā)生鏈段運動和整個分子鏈運動，導致材料軟化或熔化，使性能變壞，耐熱性差。耐熱性判據(jù)： 塑料：熱變形溫度，HDT 橡膠：保持高彈性的最高溫度。 橡膠的耐熱性愈好，使用溫度愈高。,2024/3/16,Anm

43、ing Li, Dept of MSE,hpu,58,熱變形溫度HDT ：高聚物能夠長時間承受一定的載 荷而不變形的溫度。線形無定型的HDT在玻璃化溫 度Tg附近，結(jié)晶高聚物的HDT接近于熔點。,幾種塑料的熱變形溫度,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,59,高分子材料導熱性差，高聚物的導熱性能約為金屬的1/100－1/1000。原因：內(nèi)部無自由電子，分子鏈相互纏繞在一起，

44、 受熱不宜運動。利；做隔熱材料：塑料方向盤， 導彈用纖維增強塑料做隔熱層弊：散熱性差，溫升快，輪胎發(fā)熱，塑料軸承發(fā)熱,2、導熱性,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,60,3、熱膨脹系數(shù): 線膨脹系數(shù)大，為金屬的3-10倍原因： 受熱后。分子鏈間纏繞程度降低，分子間結(jié)合 力減小，分子鏈柔性增大。弊：與金屬復(fù)合時，因膨脹系數(shù)相差過大而脫落， 例；鋁壺的

45、塑料手柄。,4、絕緣性: 好的絕緣材料。原因：共價鍵結(jié)合，沒有離子和自由電子 例: 導線的外包皮、塑料、橡膠。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,61,5、高的化學穩(wěn)定性: 在酸、堿等溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性 例：聚四氯乙烯，在沸騰的王水中不受腐蝕。,注意：與特定溶劑相遇，發(fā)生溶解或溶脹，性能變壞如：聚氯乙烯在有機溶液中溶脹，聚碳酸脂被四氯 化碳溶解。,20

46、24/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,62,四、高聚物的老化與防止,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,63,3、老化的機理： ①產(chǎn)生大分子鏈的交聯(lián)→變硬、變脆、開裂。 ②大分子鏈斷開→變軟、發(fā)粘、褪色。4、防止老化的方法： ①進行結(jié)構(gòu)改性，提高穩(wěn)定性。 例如：聚氯乙烯在氯氣中用紫外線照射，成為氯化 聚氯乙烯；共聚方法制得共聚產(chǎn)物：ABS塑料。

47、 ②加入防老化劑，抑制老化過程。 例如：添加水楊酸酯，碳黑，防紫外線老化。 ③表面處理：表面鍍金屬，噴涂料，防止空氣、水、 光引起的老化。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,64,工 程 塑 料,第 四 節(jié),Engineering Plastics,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,65,一、塑料的分類：,1、按用途分：通用塑料、工程塑料、

48、特種塑料,①通用塑料：產(chǎn)量大、用途廣、價格低，塑料的3/4 包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、 酚醛塑料和氨基塑料。②工程塑料：用于機械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)。 要求：強度、剛度、韌性好，耐高溫、耐腐蝕、 耐磨性好； 如：聚碳酸酯、尼龍、ABS、聚四氟乙烯。③特種塑料：通過改性，滿足特種性能要求。 如：醫(yī)用塑料、耐蝕氟塑料、導電塑料、導磁塑料。,2024/3/16,Anmin

49、g Li, Dept of MSE,hpu,66,2、按樹脂性質(zhì)分類： 熱塑性和熱固性塑料①熱塑性塑料：又稱熱熔性塑料。 加熱時軟化，冷卻后硬化成型，并可多次反復(fù)。 機理：由聚合樹脂制成，大分子鏈為線型結(jié)構(gòu)。 如：聚乙烯、聚氯乙烯。②熱固性塑料：加熱、加壓后發(fā)生化學反應(yīng)，固化為 堅硬制品，且不能再生。 機理：以縮聚樹脂為基礎(chǔ)，分子鏈為體型結(jié)構(gòu)。 如：酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂。,2024/3/16,Anm

50、ing Li, Dept of MSE,hpu,67,二、塑料的組成：,1、樹脂：起粘結(jié)作用，也叫粘料，占塑料的40～100%。其種類、性質(zhì)和所占比例決定著塑料的性能。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,68,2、添加劑：①填充劑：又叫填料，約占塑料組份的20～60%。目的：ⅰ、改善塑料某些性能。 如：加入Al粉，增加反射和導熱能力。 ⅱ、降低塑料成本。

51、 ⅲ、擴大塑料的應(yīng)用范圍。 如：加入石棉，提高耐熱性。要求：填料本身易被樹脂浸潤； 粘附性好；性質(zhì)穩(wěn)定；價廉。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,69,②增塑劑：增加塑料的塑性和柔韌性。用量不多于20%。 機理：降低大分子間的作用力，增大鏈段運動能力。 常用增塑劑：低熔點有機物。 如氧化石臘，磷酸脂等。,2024/3/16,Anming

52、 Li, Dept of MSE,hpu,70,（3）固化劑： 加入后可在聚合物中生成橫跨鏈，使分 子交聯(lián)，并由受熱可塑的線型結(jié)構(gòu)變成體型結(jié)構(gòu) 的熱穩(wěn)定塑料的一類物質(zhì)稱固化劑。 （4）穩(wěn)定劑： 提高樹脂在受熱和光作用時的穩(wěn)定性， 防止老化，延長使用壽命的一類物質(zhì)稱穩(wěn)定劑。 （5）潤滑劑： 為防止塑料在成型過程中粘在模具或 其它設(shè)備上而加入的，同時可使制品表面光亮美 觀的物質(zhì)稱潤

53、滑劑（如硬脂酸等）。 （6）著色劑 ：為使塑料制品具有美觀的顏色及適合 使用的要求而加入的染料稱著色劑。 （7） 發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑等。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,71,三、塑料的加工：,成型：將原料在一定溫度和壓力下，塑制成一 定形狀制品的過程。如：擠壓管、棒等。 注射成型：又叫注塑成型，在注塑機上進行。 模壓成型： 澆鑄成

54、型：又叫澆鑄法。 擠壓成型：又叫擠塑成型。加工：指成型后的再加工。 機械加工：車、鉗、刨、銑、鏜等。 連接：焊接（熱熔粘接） 表面處理：涂裝、浸漬、鍍金屬,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,72,塑料的成型工藝形式多樣，主要有注射成型、壓制成型、澆注成型、抗壓成型、吹塑成型、真空成型等。,1.注射成型法 生產(chǎn)率很高，可以實現(xiàn) 高度機械化、自動化生產(chǎn)， 制品尺寸精

55、確，可以生產(chǎn) 形狀復(fù)雜、 壁薄和帶金 屬嵌件的塑料制品， 適用于大批量生產(chǎn)。,（一）塑料制品的成型：,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,73,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,74,2.模壓成型法 是塑料成型中最早的一種方法，通常用于熱固性 塑料的成型，有時也用于熱塑性塑料。 特別適用于形狀復(fù)雜或帶有復(fù)雜嵌件的制品，如 電器零件

56、，電話機件、收音機外殼等。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,75,3.澆鑄成型法 又稱澆塑法，有靜態(tài)鑄型、嵌鑄型和離心鑄型等方式。在液態(tài)的熱固性或熱塑性樹脂中加入適量的固化劑或催化劑，然后澆入模具型腔中，在常壓或低壓下，常溫或適當加熱條件下，固化或冷卻凝固成型。 特點：設(shè)備簡單，操作方便， 成本低，便于制作大型制件； 但生產(chǎn)周期長，收縮率較大。,2024/3/16,Anmi

57、ng Li, Dept of MSE,hpu,76,4. 擠壓成型法 又稱擠塑成型。擠壓成型法用于熱塑性塑料各種型材的生產(chǎn)，一般需要經(jīng)二次加工才制成零件。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,77,塑料加工指塑料成型后的再加工，亦稱二次加工；,1.機械加工 由于塑料的切削工藝性能與金屬不同，因此所用的切削工藝參數(shù)與刀具幾何形狀及操作方法與金屬切削有所差異。塑料的散熱性差、彈性大，加

58、工時容易引起工件的變形、表面粗糙，有時可能出現(xiàn)分層、開裂，甚至崩落或伴隨發(fā)熱等現(xiàn)象。要求切削刀具的前角與后角要大、刃口鋒利，切削時要充分冷卻，裝夾時不宜過緊，切削速度要高，進給量要小，以獲得光潔的表面。,（二）塑料的加工：,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,78,3.塑料制品的表面處理 為改善某些性能、美化其 表面、防止老化、延長 使 用壽命，主要的方法有涂漆， 鍍金屬（鉻、銀、銅

59、等）。 鍍金屬可采用噴鍍或電鍍。,2.塑料的連接 機械連接方法、熱熔接、溶劑粘接、膠粘劑粘接等。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,79,1、常用熱塑性塑料,聚酰胺（尼龍、錦綸、PA） 聚酰胺是最早發(fā)現(xiàn)能夠承受載荷的熱塑性塑料。 尼龍6、尼龍66、尼龍610、尼龍1010、鑄型尼龍和芳香尼龍是常應(yīng)用于機械工業(yè)中的幾種。被大量用于制造小型零件替代有色金屬及其合金。,尼龍棒和

60、結(jié)構(gòu)件,四、常用工程塑料：,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,80,鑄型尼龍通過簡便的聚合工藝使單體直接在模具內(nèi)聚合成型的一種特殊尼龍。 芳香尼龍具有耐磨、耐輻射及很好的電絕緣性等優(yōu)點，是尼龍中耐熱性最好的品種。,加入二硫化鉬的尼龍耐磨件,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,81,2、常用熱固性塑料 固化處理就是在樹脂中加入固化劑并壓制成型， 使

61、其由線型聚合物變成體型聚合物的過程。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,82,酚醛塑料 以酚醛樹脂為基,加入木粉、布、石棉、紙等填料經(jīng)固化處理而形成的交聯(lián)型熱固性塑料。具有較高的強度和硬度、耐熱性、耐磨性、耐蝕性及良好的絕緣性。 環(huán)氧塑料（EP） 以環(huán)氧樹脂為基，加入各種添加劑經(jīng)固化處理形成的熱固性塑料。具有比強度高、耐熱性、耐蝕性、絕緣性及加工成型性好的特點。,

62、2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,83,五、塑料在機械工程中的應(yīng)用：,1.一般結(jié)構(gòu)件 要求一定的機械強度和耐熱性。選用價低廉、成型性好的塑料，如聚氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS等。,2.普通傳動零件 要求有較高的強度、韌性、耐磨性 和耐疲勞性及尺寸穩(wěn)定性。選用：尼 龍、MC尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯、夾 布酚醛、增強聚丙烯等。,3.摩擦零件 要求強度一般，具有摩擦因數(shù)小和良好的

63、自潤滑性?？?選用：低壓聚乙烯、尼龍1010、、聚四氟乙烯等。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,84,4.耐蝕零件 主要應(yīng)用在化工設(shè)備上，要依據(jù)所接觸的不同介質(zhì)來選擇，如全塑結(jié)構(gòu)的耐蝕零件。常用耐蝕塑料有：聚丙烯、硬聚氯乙烯、填充聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯等。,5.電器零件 利用其優(yōu)異的絕緣性能。用于工頻低壓下的普通電器元件有：酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧塑料等；用于高壓

64、電器的絕緣材料要求耐壓強度高、介電常數(shù)小、抗電暈及優(yōu)良的耐侯性。常用有：交聯(lián)聚乙烯、聚碳酸酯。氟塑料和環(huán)氧塑料等。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,85,橡 膠 材 料,第 五 節(jié),Rebber Material,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,86,橡膠是具有高彈性的輕度交聯(lián)的線型高聚物。具有顯著高彈性的材料。以生膠為原料加入適量的配合劑而形成

65、的高分子彈性體。,一般在-50～-150℃處于高彈性，廣泛用作密封件，減振件，輪胎等。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,87,生膠、各種添加劑、增強材料。１、生膠：定義：未加添加劑的橡膠。生產(chǎn)上也有定義：未經(jīng)硫 化的橡膠稱為生膠。生膠分為天然橡膠和合成橡膠。性能：機械強度低，高溫發(fā)粘，低溫變脆，必須加入 添加劑才能使用。,一、橡膠的組成：,2024/3/16,Anming

66、 Li, Dept of MSE,hpu,88,２、添加劑：①硫化劑：作用：使橡膠線型分子相互交聯(lián)成為網(wǎng)狀。硫化劑有 硫磺，金屬氧化物等。硫化：橡膠的交聯(lián)過程。 軟橡膠：1～4%硫化劑 半硬質(zhì)橡膠：10% 硬質(zhì)橡膠：30～40%,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,89,②促進劑：又叫硫化促進劑。 作用：縮短硫化時間，降低硫化硬度。③軟化劑：增加橡膠的塑性，

67、改善粘附力，降低硬度， 提高耐寒性。如：硬脂酸，精制蠟。④補強劑：凡能提高硫化橡膠強度，硬度，耐磨性的 物質(zhì)，都叫補強劑。主要是炭黑。⑤填充劑：增加強度，降低成本。如：滑石粉、硫酸 鋇、白陶土、氧化鋅等。⑥著色劑：有機或無機染料。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,90,３、增強材料:,各種纖維制品，簾布及鋼絲。作用：增加強度，限制橡膠制品的變形。

68、 如輪胎中的簾子布。,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,91,,二、橡膠的分類：,1、按原料來源：天然橡膠，合成橡膠。2、按用途分：合成橡膠又分為：,2024/3/16,Anming Li, Dept of MSE,hpu,92,三、橡膠的老化與防止：,１、影響橡膠老化的因素：,①氧化作用：ⅰ、產(chǎn)生氧化，使橡膠分子鏈斷裂→發(fā)粘，變軟。ⅱ、氧化產(chǎn)生自由基 自由基反應(yīng)使橡膠分子 交聯(lián)