高分子材料

　　1、高分子材料的基本概念

　　高分子材料一般分为天然和人工合成两大类。天然高分子材料有蚕丝、羊毛、纤维素和橡胶以及淀粉和蛋白质等。工程上应用的高分子材料主要是人工合成的各种有机材料。通常根据机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和合成纤维三大类。

　　2、高分子材料的基本性能及特点(一般了解)

　　(1)质轻。密度平均为1.45g/cm3，约为钢的1/5，铝的1/2;

　　(2)比强度高。接近或超过钢材，是一种优良的轻质高强材料;

　　(3)有良好的韧性。高分子材料在断裂前能吸收较大的能量;

　　(4)减摩、耐磨性好。有些高分子材料在无润滑和少润滑的摩擦条件下，它们的耐磨、减摩性能是金属材料无法比拟的;

　　(5)电绝缘性好。可与陶瓷、橡胶媲美;

　　(6)耐蚀性化学稳定性好，对一般的酸、碱、盐及油脂有较好的耐腐蚀性;

　　(7)导热系数小。如泡沫塑料的导热系数只有0.02～0.046W/(m·K)，约为金属的1/1500，是理想的绝热材料;

　　(8)易老化。高分子材料能在光、空气、热及环境介质的作用下，分子结构产生逆变，机械性能变差，寿命缩短;

　　(9)易燃。塑料不仅可燃，而且燃烧时发烟，产生有毒气体;

　　(10)耐热性不高。热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高些。

　　(11)刚度小。如塑料弹性模量，只有钢材的1/10～1/20，且在荷载长期作用下易产生蠕变。但在塑料中加入纤维增强材料，其强度可大大提高，甚至可超过钢材。

　　3、工程中常用高分子材料

　　(1)塑料。

　　1)塑料的组成。常用的塑料制品都是以合成树脂为基本材料，再按一定比例加入填充料、增塑剂、着色剂和稳定剂等材料，经混炼、塑化，并在一定压力和温度下制成的。

　　① 树脂。树脂有合成树脂和天然树脂之分。天然树脂有松香、虫胶等，由于产源有限，在塑料制品中很少使用。合成树脂是以石油和煤等为基本原材料，经加工而成。在塑料制品中几乎都是采用合成树脂。

　　树脂在塑料中主要起胶结作用，通过胶结作用把填充料等胶结成坚实整体。因此，塑料的性质主要取决于树脂的性质。

　　按树脂分子中的碳原子之间结合形式的不同，树脂分子结构可分为为直线型、支链型和体型(或称为网状型)三种。

　　聚苯乙烯(PS)属于直线型;低密度聚乙烯(LDPE)属于支链型;酚醛树脂(PF)、不饱和聚酯树脂(UP)和环氧树脂(EP)等属于网状结构。

　　按受热时状态不同，可分为热塑性树脂和热固性树脂。

　　热塑性树脂是指分子结构的几何形状为直线型、支链型，在加热时树脂具有一定的流动性或可塑性，冷却后又重新硬化而物质成分没有发生变化，且这一过程可以反复多次进行。常用的热塑性树脂如聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰胺等，长期使用温度一般在100℃以下。

　　热固性树脂分子结构的几何形状为体型(或称为网状型)，热固性树脂在成型前分子量较低，且为线型或支链分子，具有可溶、可熔性，在成型时因受热或在催化剂、固化剂作用下，分子发生交联成为体型结构而固化。这一过程是不可逆的，并成为不溶不熔的物质。因此，固化后的热固性树脂是不能重新再加工的。热固性树脂如酚醛树脂，耐高温树脂如有机硅树脂等(可在200~300℃使用)。

　　② 填料。填料又称填充剂，填料常占塑料组成的40% ~ 70%。其作用是提高塑料的强度和刚度，减少塑料在常温下的蠕变(又称冷流)现象及提高热稳定性，对降低塑料制品的成本、增加产量有显著的作用，提高塑料制品的耐磨性、导热性、导电性及阻燃性，并可改善加工性能。填料的种类很多，常用的有有机和无机两大类，如矾土、氧化铝、氧化钛、氧化镁、石棉、氢氧化钙、炭黑、石墨、玻璃纤维和碳纤维等。

　　③ 增塑剂。增塑剂的作用是提高塑料加工时的可塑性及流动性;改善塑料制品的柔韧性。常用的增塑剂为酯类和酮类等。

　　④ 着色剂。着色剂的种类按其在着色介质中的溶解性分为染料和颜料两大类。

　　染料按产源分为天然或人工合成两类，皆为有机化合物，可溶于被着色树脂或水中，透明度好，着色力强，色调和色泽亮度好，但光泽的光稳定性及化学稳定性差，主要用于透明的塑料制品。常见的染料品种有：酞青兰和酞青绿、联苯胺黄和甲苯胺红等。

　　颜料分为有机和无机两种，与染料相比，其突出的特点是不溶于被着色介质或水中。在塑料制品中，常用的是无机颜料。无机颜料不仅对塑料具有着色性，同时又兼有填料和稳定剂的作用。如炭黑既是颜料，又有光稳定作用。

　　⑤ 稳定剂。许多塑料制品在成型加工和使用过程中，由于受热、光或氧的作用，随时间的延长发生降解、氧化断链和交联等现象，使材料性质变坏。为延长塑料制品的使用寿命，通常在其组分中加入稳定剂。如在聚氯乙烯(PVC)制品中可加入铅白、硫酸铅等无机化合物或二苯基硫脲等有机化合物，以提高PVC的耐热性和耐光性。

　　2)工程中常用塑料制品

　　① 热塑性塑料。

　　a. 低密度聚乙烯(LDPE)。低密度聚乙烯又称为高压聚乙烯。具有质轻、吸湿性极小、电绝缘性能好、延伸性和透明性 强、耐寒性好和化学稳定性 强等特点，但其强度低、耐老化性能较差。它一般用作耐蚀材料、小载荷零件(齿轮、轴承)及一般电缆包皮等。

　　b. 高密度聚乙烯(HDPE)。又称为低压聚乙烯。它是乙烯在催化剂存在下聚合制得。具有良好的耐热性和耐寒性，力学性能优于低密度聚乙烯，介电性能优良，耐磨性及化学稳定性良好，能耐多种酸、碱、盐类腐蚀，吸水性和水蒸汽渗透性很低，表面硬度较高，尺寸稳定性好。但耐老化性能较差。主要用于制作单口瓶、运输箱、储罐、电缆护套、压力管道等。

　　c.聚丙烯(PP)。

　　聚丙烯是由丙烯聚合而得的结晶型热塑性塑料。聚丙烯具有质轻、不吸水，介电性、化学稳定性和耐热性良好(可在100℃以上使用。若无外力作用，温度达到150℃时不会发生变形)，力学性能优良，但是耐光性能差，易老化，低温韧性和染色性能不好。聚丙烯主要用于制作受热的电气绝缘零件、汽车零件、防腐包装材料以及耐腐蚀的(浓盐酸和浓硫酸除外)化工设备，如法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、接头、把手和汽车方向盘调节盖、各种化工容器、管道、阀门配件、泵壳等。使用温度为-30～100℃。

　　d.聚氯乙烯(PVC)。

　　常见聚氯乙烯制品有硬、软两种。加入增塑剂的为软聚氯乙烯，未加的为硬聚氯乙烯。硬聚氯乙烯有良好的耐水性、耐油性和耐化学药品浸蚀的性能，许多性能优于聚乙烯。硬聚氯乙烯塑料常被用来制作化工、纺织等工业的废气排污排毒塔，以及常用气体、液体输送管。软聚氯乙烯塑料常制成薄膜，用于工业包装等，但不能用来包装食品，因增塑剂或稳定剂有毒，能溶于油脂中，污染食品。

　　e. 聚四氟乙烯(PTFE，F-4)。

　　聚四氟乙烯俗称塑料王，它是由四氟乙烯用悬浮法或分散法聚合而成，具有非常优良的耐高、低温性能，可在-180～260℃的范围内长期使用。几乎耐所有的化学药品，在浸蚀性极 强的王水中煮沸也不起变化，摩擦系数极低，仅为0.04。它不吸水，电性能优异，是目前介电常数和介电损耗最小的固体绝缘材料。缺点是强度低，冷流性 强。主要用于制作减摩密封零件、化工耐蚀零件、热交换器、管、棒、板制品和各种零件，以及高频或潮湿条件下的绝缘材料;分散法聚四氟乙烯可制成薄壁管、细棒、异型材、电线和电缆包覆层。

　　f. 聚苯乙烯(PS)。

　　聚苯乙烯是苯乙烯经本体或悬浮法聚合制得的聚合物。可采用注射、挤出、吹塑和发泡等方法成型，能切削加工和胶接。聚苯乙烯制品具有极高的透明度，透光率可达90%以上，电绝缘性能好，刚性好及耐化学腐蚀。普通聚苯乙烯的不足之处在于性脆，冲击强度低，易出现应力开裂，耐热性差及不耐沸水等。聚苯乙烯塑料广泛用于轻工市场，日用装璜，照明指示等领域。在电气方面更是良好的绝缘材料，可以制作各种仪表外壳、灯罩、光学化学仪器零件、透明薄膜、电容器介质层等。

　　以聚苯乙烯树脂为主体，加入发泡剂等添加剂可制成聚苯乙烯泡沫塑料，它是目前使用最多的一种缓冲材料。它具有闭孔结构，吸水性小，有优良的抗水性;密度小，一般为0.015～0.03;机械强度好，缓冲性能优异;加工性好，易于模塑成型;着色性好，温度适应性 强，抗放射性优异等优点，在外墙保温中占有率很高。但燃烧时会放出污染环境的苯乙烯气体。

　　g.ABS树脂。

　　普通ABS是丙烯睛、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。具有“硬、韧、刚”的混合特性，所以综合机械性能良好。同时尺寸稳定，容易电镀和易于成型，耐热和耐蚀性较好，在-40℃的低温下仍有一定的机械强度。此外，它的性能可以根据要求由改变单体的含量来进行调整。丙烯腈的增加，可提高塑料的耐热、耐蚀性和表面硬度;丁二烯可提高弹性和韧性;苯乙烯则可改善电性能和成型能力。ABS在机械工业中可制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、储槽内衬、电机外壳、仪表壳、仪表盘、蓄电池槽和水箱外壳等。

　　h.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

　　俗称亚克力或有机玻璃，其透明度比无机玻璃还高，透光率达92%;密度只有为1.18g/cm3。机械性能比普通玻璃高得多。缺点是表面硬度不高，易擦伤。由于导热性差和热膨胀系数大，易在表面或内部引起微裂纹，因而比较脆。此外，易溶于有机溶液中。

　　有机玻璃广泛用于航空、汽车、仪表和光学等工业中，作风挡、弦窗、电视和雷达的屏幕、仪表护罩、外壳、光学元件和透镜等。

　　② 热固性塑料。

　　a. 酚醛模塑料(PF)。俗称电木粉，是一种硬而脆的热固性塑料。由苯酚与甲醛缩聚而得。酚醛树脂耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。酚醛树脂最重要的特征是耐高温性，即使在非常高的温度下，也能保持其结构的整体性和尺寸的稳定性;正因为这个原因，酚醛树脂被应用于一些高温领域，例如耐火材料，摩擦材料，粘结剂和铸造行业。另外，与其他树脂相比，在燃烧的情况下酚醛树脂会缓慢分解产生氢气、碳氢化合物、水蒸气和碳氧化物。分解过程中所产生的烟相对少，毒性也相对低。这些特点使酚醛树脂适用于公共运输和安全要求非常严格的领域，如矿山，防护栏和建筑业等。

　　酚醛树脂还可以制成发泡材料，酚醛泡沫产品与早期占市场主导地 位的聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等材料相比，在阻燃方面它具有特殊的优良性能。其重量轻，刚性大，尺寸稳定性好，耐化学腐蚀，耐热性好，难燃，自熄，低烟雾，耐火焰穿透，遇火无洒落物，价格低廉，是电器、仪表、建筑、石油化工等行业较为理想的绝缘隔热保温材料，广泛应用于中央空调系统、轻质保温彩钢板、房屋隔热降能保温、化工管道的保温材料(尤 其是深低温的保温)、车船等场所的保温领域。然而，酚醛泡沫最大的弱点是脆性大，开孔率高，因此提高它的韧性是改善酚醛泡沫性能的关键。

　　b.环氧树脂 (EP)。环氧树脂强度较高、韧性较好、尺寸稳定性高和耐久性好并具有优良的绝缘性能;耐热、耐寒，可在-80 ℃ ~155℃温度范围内长期工作;化学稳定性很高，成型工艺性能好。

　　环氧树脂是很好的胶粘剂，对各种材料(金属及非金属)都有很强的胶粘能力。环氧树脂可制成涂料、复合材料、浇铸料、胶粘剂、模压材料和注射成型材料，在国民经济的各个领域中得到广泛的应用c.呋喃树脂。呋喃树脂能耐强酸、强碱和有机溶剂腐蚀，是现有耐蚀树脂中耐热性能最好的树脂之一，呋喃树脂具有良好的阻燃性，燃烧时发烟少。呋喃树脂用于制作玻璃钢设备和管道，特别适用于有机氯化合物、农药、人造纤维、染料、纸浆和有机溶剂的回收以及废水处理系统等工程，也可以用呋喃树脂作为衬砌耐酸砖板的胶泥以及耐蚀地坪。

　　d.不饱和聚酯树脂(UP)。不饱和聚酯树脂一般是由不饱和二元酸、饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线型聚合物。不饱和聚酯树脂主要特点是工艺性能优良，在室温下固化，常压下成型，施工方便，特别适合于大型和现场制造玻璃钢制品;固化后的树脂综合性能良好。该树脂的力学性能略低于环氧树脂，但优于酚醛树脂和呋喃树脂;耐腐蚀性能优于环氧树脂。(2)橡胶。

　　橡胶是一种具有良好耐酸、碱性能的高分子防腐蚀材料。橡胶分天然橡胶和合成橡胶两大类。工程中常用橡胶制品有:

　　① 天然橡胶(NR) 具有优良的弹性、拉伸强度、伸长率、屈挠性、耐磨性、耐撕裂性和压缩永 久变形性能，以及好的电工绝缘性能，但耐油、耐候性、耐臭氧和氧的性能较差。

　　②丁基橡胶(IIR) 耐候性好、耐臭氧、耐蒸汽、具有优良的绝缘性能，透气性极小。用于轮胎内胎、门窗密封条以及电线的绝缘层、减震阻尼器、耐热输送带和化工设备衬里等。

　　③ 氯丁橡胶(CR)耐候性好，有自熄性，耐油性良好，仅次于丁腈橡胶，拉伸强度、伸长率、弹性优良，与金属和织物的粘着性优良，但电绝缘性、贮存稳定性差。用于耐油耐蚀胶管、胶带、化工容器衬里、耐燃采煤橡胶带和粘胶剂等。

　　④ 氟硅橡胶(MFQ) 耐油、耐化学品腐蚀、耐热、耐寒、耐高真空性能和耐老化性能优良，但强度较低，价格昂贵。使用温度为 -65～ 250℃。(3)合成纤维。(可略)

　　合成纤维的品种繁多，而且新的品种还在不断开发出现。但从性能、应用范围和技术成熟角度来看，目前国内外大量开发的主要有聚酰胺纤维、聚脂胺纤维及聚丙腈纤维三大类，这三类合成纤维的产量占合成纤维总量的90.0%以上。

　　合成纤维具有密度小、强度高、耐磨和不霉不腐等特点，一般用于高级缆绳、运输带，以及制作碳纤维和石墨纤维原料等。

　　例 题 解 析

　　1 高分子材料具有的性能有( )。

　　A.导热系数大 B.耐燃性能好

　　C.耐蚀性差 D.电绝缘性能好

　　解题要点：

　　高分子材料的基本性能及特点：(1)质轻。(2)比强度高。(3)有良好的韧性。(4)减摩、耐磨性好。(5)电绝缘性好。(6)耐蚀性。(7)导热系数小。(8)易老化。(9)易燃。(10)耐热性差。(11)刚度小。

　　所以答案为：D。

　　2某发泡材料，具有重量轻，刚性大，尺寸稳定性好，耐化学腐蚀，耐热性好，难燃，自熄，低烟雾等特点，是电器、仪表、建筑、石油化工等行业较为理想的绝缘隔热保温材料，该材料为( )。

　　A.聚苯乙烯泡沫 B.聚氯乙烯泡沫

　　C.聚氨酯泡沫 D.酚醛树脂泡沫

　　解题要点：

　　酚醛树脂还可以制成发泡材料，酚醛泡沫产品与早期占市场主导地 位的聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等材料相比，在阻燃方面它具有特殊的优良性能。其重量轻，刚性大，尺寸稳定性好，耐化学腐蚀，耐热性好，难燃，自熄，低烟雾，耐火焰穿透，遇火无洒落物，价格低廉，是电器、仪表、建筑、石油化工等行业较为理想的绝缘隔热保温材料。

　　所以答案为：D。

　　3 聚苯乙烯属于一种热塑性塑料，其制品主要特点包括( )。

　　A.具有极高的透明度，透光率可达90%以上 B.电绝缘性能好

　　C.刚性好及耐化学腐蚀 D.冲击强度高，耐热性好

　　解题要点：

　　聚苯乙烯制品具有极高的透明度，透光率可达90%以上，电绝缘性能好，刚性好及耐化学腐蚀。普通聚苯乙烯的不足之处在于性脆，冲击强度低，易出现应力开裂，耐热性差及不耐沸水等。

　　以聚苯乙烯树脂为主体，加入发泡剂等添加剂可制成聚苯乙烯泡沫塑料，它是目前使用最多的一种缓冲材料。它具有闭孔结构，吸水性小，有优良的抗水性;密度小，一般为0.015～0.03;机械强度好，缓冲性能优异;加工性好，易于模塑成型;着色性好，温度适应性 强，抗放射性优异等优点，在外墙保温中占有率很高。

　　所以答案为：ABC。

　　4 在工作介质为有机氯化物、农药、染料等工程中，能耐强酸、强碱和有机溶剂腐蚀，且具有完全固化一般需加热后处理的热固性塑料为( )。

　　A.酚醛模塑料 B.酚醛玻璃纤维增强压塑料

　　C.环氧树脂 D.呋喃树脂

　　解题要点：

　　呋喃树脂能耐强酸、强碱和有机溶剂腐蚀，是现有耐蚀树脂中耐热性能最好的树脂之一，呋喃树脂具有良好的阻燃性，燃烧时发烟少。呋喃树脂用于制作玻璃钢设备和管道，特别适用于有机氯化合物、农药、人造纤维、染料、纸浆和有机溶剂的回收以及废水处理系统等工程，也可以用呋喃树脂作为衬砌耐酸砖板的胶泥以及耐蚀地坪。

　　所以答案为：D。