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有机高分子材料

有机高分子材料

又名:聚合物;高聚物
分类: 新材料
属性: 技术
最后修改时间: 2018年04月14日
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有机高分子材料又称聚合物或高聚物。一类由一种或几种分子或分子团(结构单元或单体)以共价键结合成具有多个重复单体单元的大分子,其分子量高达104~106。它们可以是天然产物如纤维、蛋白质和天然橡胶等,也可以是用合成方法制得的,如合成橡胶、合成树脂、合成纤维等非生物高聚物等。聚合物的特点是种类多、密度小(仅为钢铁的1/7~1/8),比强度大,电绝缘性、耐腐蚀性好,加工容易,可满足多种特种用途的要求,包括塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂等领域,可部分取代金属、非金属材料。

有机高分子材料的基本特点

  高分子是指相对分子质量很大,可达几千乃至几百万的一类有机化合物。它们在结构上是由许多简单的、相同的称为链节(单体)的结构单元,通过化学键重复连接而成。高分子也称高聚物或聚合物

  有机高分子材料是以高分子化合物为主要成分,与各种添加剂(或配合剂)配合,经过适当的加工而成。材料的基本性能主要取决于高分子化合物。有机高分子材料有以下基本特点:

  1、密度小——比钢铁、铜轻得多,与铝、镁相当,对机电产品的轻量化有利。

  2、有足够的强度和模量——能够代替部分金属材料制造多种机械零部件。

  3、优良的电(绝缘)性能——对电机、电器、仪器仪表、电线电缆中的绝缘起着重要的推进作用。而添加适当的导电材料又可成为特殊导体材料。

  4、优良的减摩、耐磨和自润滑性能——许多高分子材料可在液体介质中或少油、无油干摩擦条件下运行,其性能甚至优于金属。

  5、优良的耐蚀性能——对酸、碱或某些化学药品一般都具有良好的耐蚀性能。在一些特殊介质中,如含氯离子的酸性介质。其耐蚀能力胜过金属,甚至胜过一般的不锈钢。

  6、富于粘结力——高分子胶粘剂能将不同品种、不同形状的材料零件胶接一起,胶接牢固,并且有密封、堵漏作用。

  7、易于合金化——两种或两种以上的高聚物可用物理的、化学的方法共混制得共混聚合物合金。如尼龙与聚烯烃共混的塑料合金,其冲击韧度可提高15倍以上。聚合物的合金化使材料改性的自由度加大,可制备出性能多样、适应不同工况要求的新材料

  8、富有弹性——不论是线型或体型高分子,都具有一定的弹性。橡胶弹性最好,具有良好的吸振、防振和密封功能。

  9、优良的透光性——不少塑料是透明的,如有机玻璃、聚苯乙烯的透光率可达90%以上。不少的高聚物还具有优良的隔热、隔声性,是很好的轻型建筑材料。

  10、耐热性差——长期使用温度大多在200℃以下。近年来,可用于200℃以上的品种有所增加;用在300~4000℃温度下的,是追求的目标。但有的高分子材料能耐液氮、液氦等超低温度。

  11、可燃——高分子材料是有机物,具有可燃性,或离火自熄;通常加入阻燃剂以消除其可燃性。

  12、易老化——在热、光、氧的长期作用过程中,高分子发生降解过程,使其理化性能、力学性能降低。完全消失以至失去使用价值。为此,常须加入防老化剂及其他防护措施延长使用寿命。

有机高分子材料的类别

  有机高分子材料种类繁多,根据不同的分类原则可将其分为不同的类别。

  1、按聚合物的性能和用途分类

  根据聚合物的性能和用途,可将有机高分子材料分为塑料、纤维、像胶三大类,此外还有涂料、胶粘剂和粒子交换树脂等。

  (1)塑料在一定条件下具有流动性、可塑性,并能加工成形,当恢复平常条件时仍可保持加工时形状的高分子材料称为塑料。塑料又分为热塑性塑料和热固性塑料两种。热塑性塑料可溶、可熔,并且在一定条件下可以反复加工成形,例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等;热固性塑料则不溶、不熔,并且在一定温度及压力下加工成形时会发生变化,这样形成的材料在再次受压、受热下不能反复加工成形,而具有固定的形状,例如酚醛树脂、脲醛树脂等。

  (2)纤维具备或保持其本身长度大于直径1000倍以上而又具有一定强度的线条或丝状高分子材料称为纤维。纤维的直径一般很小,受力后形变较小(一般为百分之几到20%),在较宽的温度范围内力学性能变化不大。纤维分为天然纤维和化学纤维。化学纤维又分为改性纤维素纤维(人造纤维,如粘胶纤维)与合成纤维。改性纤维素纤维是将天然纤维经化学处理后再纺丝而得到的纤维。例如将天然纤维用碱和二硫化碳处理后,在酸液中纺丝就得到人造丝(即粘胶纤维)。合成纤维是将单体经聚合反应而得到的树脂经纺丝而成的纤维。重要的纤维品种有:聚酯纤维(又称涤纶);聚酰胺纤维,如尼龙66;聚丙烯腈纤维(又称腈纶);聚丙烯纤维(丙纶)和聚乙烯纤维(氯纶)等。

  (3)橡胶在室温下具有高弹性的高分子材料称为橡胶。在外力作用下,橡胶能产生很大的形变(可达1000%),外力除去后又能迅速恢复原状。重要的橡胶品种有:聚丁二烯(顺丁橡胶)、聚异戊二烯(异戊橡胶)、氯丁橡胶、丁基橡胶等。

  塑料、纤维和橡胶三大类聚合物之间并没有严格的界限。有的高分子可以作纤维,也可以作塑料,如聚氯乙烯既是典型的塑料,又可做成纤维即氯纶;若将氯乙烯配入适量增塑剂,可制成类似橡胶的软制品。又如尼龙既可以用作纤维又可作工程塑料;橡胶在较低温度下也可作塑料使用。

  2、按聚合物的热行为分类

  (1)热塑性高分子材料热塑性高分子材料成形后分子呈线性结构,在一定条件(如温度、压力)下可塑成一定形状并在常温下保持其形状,而且还可在特定的温度范围内反复加热软化、冷却固化,加工成形方便,有利于制品再生。因此,热塑性高分子材料用途广、产量大(占所有高分子材料的80%以上)。常见的热塑性高分子材料有聚乙烯、聚丙烯等。

  (2)热固性高分子材料热固性高分子材料成形后变成网状的体型结构,不熔不溶,受热后只能分解,不能软化,不能回复到可塑状态。常见的热固性高分子材料有酚醛树脂、环氧树脂等。

有机高分子材料的加工性能

  有机高分子材料具有一些特有的加工性能,如良好的高弹性、耐磨性、化学稳定性等,这些加工性能为有机高分子材料提供了适用多种加工技术的可能性,也是高分子材料能够得到广泛应用的重要原因。

  1、有机高分子材料的力学性能

  (1)高弹性轻度交联的高聚物具有典型的高弹性,即变形大、弹性模量小,而且弹性随温度升高而增大。橡胶是典型的高弹性材料。

  (2)粘弹性高聚物的粘弹性是指高聚物材料既具有弹性材料的一般特性,又具有粘性流体的一些特性,即受力的同时发生高弹性变形和粘性流动,主要表现在蠕变和应力松弛、滞后和内耗等现象上。

  1)蠕变和应力松弛。在恒定温度和应力作用下,应变随时间延长而增加的现象称为蠕变。应力松弛是在应变恒定的情况下,应力随时间延长而衰减的现象。在外力的作用下,高聚物大分子链由原来的卷曲态变为较伸直的形态,从而产生蠕变;随时间的延长,大分子链构象逐步调整,趋向于比较稳定的卷曲状态,从而产生应力松弛。

  2)滞后和内耗。滞后是指在交变应力的作用下,变形速度跟不上应力变化的现象。在克服内摩擦时,一部分机械能被损耗,转化为热能,即内耗。滞后越严重,内耗越大。内耗大对减振和吸声有利,但内耗会引起发热,导致高聚物老化。

  (3)强度高聚物的强度很低,如塑料的抗拉强度一般低于100MPa,比金属材料低很多。但高聚物的密度很小,只有钢的1/4~1/8,所以其比强度比一些金属高。

  (4)断裂高聚物材料由于内部结构不均一,含有许多微裂纹,造成应力集中,使裂纹容易很快发展。在小应力下即可断裂,称为环境应力断裂。

  (5)韧性高聚物的韧性用冲击韧度表示。各类高聚物的冲击韧度相差很大,脆性高聚物的冲击韧度值一般都小于0.2J/cm2,韧性高聚物的冲击韧度值一般都大于0.9J/cm2。

  (6)耐磨性高聚物的硬度低,但耐磨性高。如塑料的摩擦因数小,有些还具有自润滑性能,在无润滑和少润滑的摩擦条件下,它们的耐磨、减摩性能要比金属材料高很多。

  2、有机高分子材料的电学和物理化学性能

  (1)电学性能高聚物内原子间以共价键相连,没有自由电子和离子,因此介电常数小、介电损耗低,具有高的绝缘性。

  (2)热性能高聚物在受热过程中,大分子链和链段容易产生运动,因此其耐热性较差。由于高聚物内部无自由电子,因此具有低的导热性能。高聚物的线胀系数也较大。

  (3)化学稳定性高聚物不发生电化学反应,也不易与其他物质发生化学反应。所以大多数高聚物具有较高的化学稳定性,对酸、碱溶液具有优良的耐蚀性。

 

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