1、5/19/2022.1High polymer Material主讲人：李安铭主讲人：李安铭 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.2绪绪 论论一、非金属工程材料的定义：一、非金属工程材料的定义：金属材料之外的所有工程材料。金属材料：金属材料：钢铁、有色金属；工程材料工程材料高分子材料：高分子材料：塑料、橡胶、复合材料；无机非金属材料无机非金属材料：陶瓷，玻璃、水泥；三大固体材料，称为材料的三大支柱。三大固体材料，称为材料的三大支柱。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.3二、非金属材料的发展：二、非金属材料的发展：1.1.金属材料的优点及局限性：金属材
2、料的优点及局限性：使用性能：使用性能：高强韧性；导电导热性；优点优点工艺性能工艺性能：切削加工；铸、锻、焊；柯垂尔：金属今后一段时间仍是主要的工程材料。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.4局限性：局限性：难以适用密度小、耐腐蚀、电绝缘、减 震、消音、耐高温等。密度：密度：钢7.8、铝 2.7、高分子 0.8-2.0；耐腐蚀：耐腐蚀：金属难以与陶瓷相比；耐高温：耐高温：金属耐热钢800、镍基合金1000、 钼基合金1300、陶瓷工作温度1700-2000；材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.52.2.非金属材料的发展史：非金属材料的发展史：（1 1）
3、高分子材料：）高分子材料：1920年，确立了“大分子链结构 学说”，合成高分子材料诞生。19831983年：年：与钢铁材料相当；19851985年：年：占工程材料54，金属占38；20002000年：年：3.5万吨，体积是金属材料的4倍；发展很快，就体积来说。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.6（2 2）陶瓷材料：）陶瓷材料：传统陶瓷指：陶器、瓷器、玻璃、水 泥，性能硬、脆； 现代陶瓷指：所有无机非金属材料的总称。 近三十年来，以氧化物氧化物（例Al3O2)、氮化物氮化物（例Si3N4)和碳化物碳化物（例SiC）等高纯化合物为原料，经过传统陶瓷生产工艺制成的无机多晶产品
4、，已成为：高温材料：高温材料：例：火箭喷气口、高温电炉发热体；功能材料：功能材料：光导纤维；的主力军。的主力军。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.7（3 3）复合材料：）复合材料：高的比强度、高的刚度、低的密度 等，是单一材料和合金难以比拟的。（4 4）非金属材料不是金属材料的代用品，而是具有）非金属材料不是金属材料的代用品，而是具有 优越性能的不可缺少的材料。优越性能的不可缺少的材料。例如; 美国“哥伦比亚”号航天飞机，机身覆盖一万多 块隔热绝热陶瓷，以保护飞机。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.8三、非金属材料的发展趋势：三、非金属材料的发展
5、趋势：1 1、研制具有优良性能的新材料；、研制具有优良性能的新材料；2 2、对现有材料进行改性；、对现有材料进行改性；例如加入添加剂改性，是 工程材料的主要发展方向。3 3、研制复合材料：、研制复合材料：传统的纤维增强树脂复合； 现在:金属基复合、陶瓷基复合、功能复合材料， 例建筑屋顶，集构件、发电、采暖于一体。4 4、新型功能塑料的研制：、新型功能塑料的研制：例如：导电塑料、导磁塑 料、医用塑料、人工降解塑料等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.9基 本 概 念第 一 节Basic ConceptBasic Concept5/19/2022.10 一、高分子材料的基本
6、概念 1 1、高分子化合物、高分子化合物: :指分子量很大的有机化合物，每 个分子可含几千、几万甚至几十万个原子。 也叫高聚物、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之间。2 2万万-16-16万万1212万万- -百万百万2020万万9 9万万18018028286060分子量分子量聚氯乙烯聚氯乙烯聚乙烯聚乙烯淀粉淀粉橡胶橡胶单糖单糖乙烯乙烯石英石英名称名称材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.112 2、高分子材料、高分子材料: :以高分子化合物为主要组分的材料。主要包括：塑料、橡胶、化学纤维等。材料科学与工
7、程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.12 二、高分子化合物的组成定义：定义：组成高分子化合物的简单低分子化合物。 或：凡是可以聚合成大分子链的低分子化合物。 例：乙烯分子：CH2=CH2 高分子化合物的分子量虽很大，但其化学组成并不复杂，通常由一种或几种低分子化合物聚合而成。(22)n CHCH例例： 聚乙烯1 1、高分子化合物的单体、链节和聚合度、高分子化合物的单体、链节和聚合度: :单体：单体：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.13单体的必要条件：单体的必要条件：至少能形成两个或两个以上新键 的有机化合物，才能做为单体。 例：烯烃，双键；炔烃，三键。链节：
8、链节：定义：定义：构成高聚物的重复结构单元称为链节。 例：聚合度：聚合度：高分子链节中的数目n。氯乙烯氯乙烯苯乙烯苯乙烯氯乙烯链节氯乙烯链节尼龙尼龙-66-66链节链节材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.142 2、高聚物的分子量的多分散性和平均分子量：、高聚物的分子量的多分散性和平均分子量：高聚物的分子量是高聚物的分子量是M M：Mm nm:链节分子量； n:聚合度分子量不同，高聚物的性能和物理状态不同。例：聚乙烯分子量室温状态n=8 M=224气+液n50 M1400软态固体n2002000M5600560000固体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/20
9、22.15高聚物分子量的多分散性：高聚物分子量的多分散性：低分子化合物有确定而均一的分子量。 例：H2O，18；CO2，44。高分子化合物总是由不同大小的分子组成，这一现象 称为高分子化合物的分子量的多分散性多分散性。例：聚苯乙烯： 分子量 10000300000 聚丙烯脂： 分子量 60000500000分子量的分散性对性能产生影响。分子量的分散性对性能产生影响。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.16M平均分子量平均分子量M、平均分子量用 表示，具有统计概念。、平均分子量和分布宽窄（分散性大小） 影响高聚物的物理、力学性能。M 越大，强度越高，硬度越高，但融熔粘度增
10、大，流动性差。分散性大；熔融温度范围变宽， 有利于加工成型，但抗撕裂性差。、生产中，通过控制产品的分子量大小和分布 情况，改善性能以满足不同的需要。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.17分子量过高部分使聚合物的强度增加，但加工成型时塑化困难；低分子量部分使聚合物强度降低，但易于加工不同用途的聚合物应有其合适的分子量分布: 合成纤维：合成纤维：分子量分布宜窄； 塑料、橡胶：塑料、橡胶：分子量分布可宽；常用的聚合物的分子量（万）常用的聚合物的分子量（万） 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.18 其中氯乙烯 就是聚氯乙烯 的单体. 就是聚氯乙烯分子键的
11、链节， n就是聚合度。聚合度反映了大分子链的长短和分子量的大小，高分子化合物的分子量（M）是链节的分子量（M0）与聚合度（n）的乘积。M= M0n 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.19 三、高分子化合物的聚合： 定义：由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开环 相互结合成聚合物的反应称为加聚反应。均聚物均聚物: :由一种单体经过加聚反应生成的高分子化合物； 例如：聚乙烯、聚苯乙烯例如：聚乙烯、聚苯乙烯等。加成聚合反应 1. 加聚反应：加聚反应：特点：特点：聚合物的结构单元与单体组成相同； 分子量是单体分子量的整数倍； 聚合过程无副产物生成。nAAAAA均聚反应表达式
12、：均聚反应表达式： 或（A A）n n 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.20共聚物共聚物: : 由两种或两种以上的单体经过加聚反应生 成的高分子化合物。 例：例：ABSABS塑料。塑料。A A：丙烯脂：丙烯脂 B B：丁二烯：丁二烯 S S：苯乙烯：苯乙烯222nxCH=CH+gCH =CH-CH=CH +zCH=CH | CN A B SA B S2222)()() | x g CNCHCHCHCHCHCHCHCH z n共聚材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.21材料科学与工程学院材料科学与工程学院 、共聚反应表达式：、注意：共聚物不能理解为
13、混合物，而是主链中包 含两种或两种以上单体链节的新型聚合物。、共聚物中单体链节的排列方式：A、B表示两种单体 无规共聚：ABAABABBB 交替共聚：ABABABABA ()n xAyB共聚(Ax-By)n5/19/2022.22材料科学与工程学院材料科学与工程学院 嵌散共聚：AABBAABBA 接枝共聚：、共聚物的性能类似于合金，通过改变共聚物的单体 和比例，可以改善高聚物的性能。 例：ABS中，随,;,.AHBB韧性5/19/2022.23 由一种单体或多种单体相互缩合生成聚合物， 同时析出其它低分子化合物（如水、氨、醇、 卤化物等）的反应称为缩聚反应。 2. 缩聚反应：缩聚反应：共缩聚反
14、应：共缩聚反应：由两种或两种以上的单体进行 的缩聚反应。均缩聚反应：均缩聚反应：由一种单体进行的缩聚反应。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.24特点：特点： 官能团之间反应，缩聚物有特征结构官能团； 有低分子副产物； 缩聚物和单体分子量不成整数倍。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.25 四、四、高分子材料的分类按来源：按来源：、天然聚合物：、天然聚合物：天然橡胶，纤维素，蛋白质等。、人造聚合物：、人造聚合物：经人工改性的天然聚合物。 例：硝酸纤维。、合成聚合物：、合成聚合物：完全由低分子人工合成。 如聚氯乙烯。材料科学与工程学院材料科学与工程学院
15、 5/19/2022.26按反应类型：按反应类型：、加聚物：、加聚物：如聚烯烃、缩聚物：、缩聚物：如酚醛树脂按工艺性质：按工艺性质：塑料、橡胶、纤维、涂料按分子的几何结构：按分子的几何结构： 、线型高聚物； 、体型高聚物材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.27高分子结构第 二 节Macromolecule StructureMacromolecule Structure5/19/2022.28 结构分类：结构分类：聚合物聚合物结结 构构大分子大分子链结构链结构聚集态聚集态结结 构构宏观结构宏观结构结晶结晶无定无定型态型态线型线型重复单元结构玻璃态玻璃态微观结构微观结构高弹
16、态高弹态粘流态粘流态支链型支链型体型体型序列结构立体异构材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.29 1.大分子链结构单元的化学组成 在元素周期表中只有A、A、A、A中部分非金属、亚金属元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子链。由于高聚物中常见的C、H、O、N等元素均为轻元素，所以高分子材料具有密度小的特点。 一一. 大分子链结构：大分子链结构：分子内结构其中其中C C链这最多。链这最多。C C链结构链结构材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.3022()CHCH22()CFCF一般为共价链连接，一般为共价链连接，不易失去和获得电子。
17、比重小，都是轻元素：比重小，都是轻元素：C、H、O、N。故高分子材料 比重小，0.292.0g/cm3。组成元素不同，性能差别很大组成元素不同，性能差别很大。如聚乙烯中的H被F 原子代替，即聚四氟乙烯，是耐王水腐蚀的塑料王。四氟乙烯：四氟乙烯：聚乙烯：聚乙烯：大分子链的特点：大分子链的特点：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.311)1)线型分子链：线型分子链： 由许多链节组成的长链， 通常是卷曲成线团状。 这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料的典型结构。2)2)支化型分子链：支化型分子链： 在主链上带有支链。 这类结构高聚物的性能和加工都接近线型分子
18、链高聚物。2. 大分子链形态：大分子链形态：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.32 3)3)体型分子链体型分子链 ： 分子链之间由许多链节相互横向交联。 这类结构的高聚物硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性材料的典型结构。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 交联分子结构三维空间分子结构5/19/2022.33线型线型体型的转化：体型的转化：（不可逆）一定条件下，线形可以转化成体型。即固化或交联即固化或交联。 例：橡胶的硫化等。结构转化带来很大的性能变化结构转化带来很大的性能变化。例如： 低密度聚乙烯：有弹性，做薄膜、奶瓶等； 高密度聚乙烯：做较硬的水杯、工程塑料；
19、 交联聚乙烯：做海底电缆的包皮，有出色的绝 缘性， 耐热性。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.34低密度聚乙烯高密度聚乙烯交联聚乙烯密 度 g/cm3抗拉强度 MPa断裂伸长率 工作温度 熔 点 大分子链结构0.910-0.9257-1590-80080-100105支链线型0.941-0.96521-3760-100120135线型0.93-1.4010-21180-600135体型不同结构聚乙烯的性能不同结构聚乙烯的性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.354.大分子链的构象大分子链的构象 链的柔顺性及热运动特点：链的柔顺性及热运动特点： （
20、1 1）大分子链的构象：）大分子链的构象：、大分子链的热运动：、大分子链的热运动： 大分子链和其它的物质一样， 处于不停的热运动中，其运 动方式是共价单链的内旋转。如图：分子链可以在保持链长 和链角不变的情况下自旋转。 大量的单链都随时进行着旋转。 b b1 1b b2 2b b3 3材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.36、大分子链的构象：、大分子链的构象：由于单链内旋转运动引起原子在空间位置的变化而构成大分子链的各种形象称为大分子链的构象。（2 2）、大分子链的柔顺性：）、大分子链的柔顺性：、大分子链上单链的内旋转运动，造成整个大分子 链的形状及末端距离每一瞬间都不相
21、同，大分子链 时而蜷曲，时而伸展，该特性称为大分子链的柔顺性。柔顺性：柔顺性：大分子链构象变化而获得不同蜷曲程度的特性。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.37、柔顺性的好坏与链中单链的内旋转的难易程度有 关。运动的单元为链段，链段包含的链节数越少， 则运动越容易，大分子链的柔顺性越好。、大分子链的柔顺性是高聚物与低分子物质在许多 基本性能上差异的原因。例：高弹性。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.38 二二. 高分子聚集态结构：高分子聚集态结构：分子间结构分子间结构 1 1、大分子链间的作用力：、大分子链间的作用力：分子量越大，聚合度越高，大分子
22、间的作用力越大， 故强度、硬度增加。例：聚乙烯 分子量50万 =15MPa 分子量100万 =40MPa高分子化合物的聚集态结构：指高聚物内部高分子链 之间的几何排列或堆砌结构,也称超分子结构。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.39 依分子在空间排列的规整性可将高聚物分为： 结晶型、部分结晶型和无定型结晶型、部分结晶型和无定型( (非晶态非晶态) )三类。三类。 2 2、高聚物的结晶度：、高聚物的结晶度： 晶态结构在高分子化合物中所占的质量分数 或体积分数称为结晶度。 晶态 部分晶态 非晶态 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.40 结晶度越高，分
23、子间作用力越强，因此高分子化合物的强度、硬度、刚度和熔点越高，耐热性和化学稳定性也越好；而与键运动有关的性能，如弹性、伸长率、冲击韧性则降低。 （1 1）高聚物不存在完全晶态的高聚物，通常把结晶超过）高聚物不存在完全晶态的高聚物，通常把结晶超过50%50%的高聚物称为结晶的高聚物称为结晶高聚物。高聚物。结晶高聚物中：晶区、非晶区。结晶度一般为5090%材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.41（2 2）影响结晶度的因素：）影响结晶度的因素：、分子链的结构：、分子链的结构：结构简单、分子链短，利于结晶。、外力的影响：、外力的影响：拉伸促进高聚物的结晶。原因：原因：沿拉伸方向伸
24、展开，增加了分子链的接触面积和 减少距离，提高了分子间的作用力和结晶能力。例如：例如：尼龙绳、包装带越拉越强。 、冷却速度：、冷却速度：从熔融态缓慢冷却有利于结晶，快冷 不利于结晶。、温度：、温度：高聚物对应结晶速度最快的温度TK，在 TK温度保温，结晶可充分进行。例如：天然橡胶，TK=-24，若轮胎在低于TK温度 下工作，就会发生结晶而失去弹性。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.423 3、结晶对高聚物性能的影响：、结晶对高聚物性能的影响：（1 1）熔点、密度、刚性、硬度、耐热性、化学稳定性提高）熔点、密度、刚性、硬度、耐热性、化学稳定性提高。原因：聚集状态紧密，增强
25、了分子间的作用力。（2 2）弹性、断裂伸长率、冲击韧性降低）弹性、断裂伸长率、冲击韧性降低。结晶度（%）密度g/cm3抗拉强度 MPa断裂伸长率 %弹性模量 MPa硬度邵氏热变形温度耐有机溶剂性低密度聚氯乙烯40530.910.93716908001002504148324060以下 耐高密度聚氯乙烯60800.940.9722391510042010006070435480以下 耐材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.43高分子性能第 三 节Macromolecule PropertyMacromolecule Property 5/19/2022.44一、高聚物力学性能
26、与温度的关系 此类聚合物在恒定应力下的变形-温度曲线如图。 T Tb b：脆化温度：脆化温度； T Tg g：玻璃化温度：玻璃化温度； T Tf f ：粘流温度：粘流温度； T Td d：化学分解温度：化学分解温度。 （一）线形非晶态高聚物的力学性能：（一）线形非晶态高聚物的力学性能：Tg温度温度形变形变玻璃态玻璃态粘流态粘流态高弹态高弹态Tf材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.45 T Tb bTTTTg g 1. 玻璃态：玻璃态：、特点：、特点：应力与应变成正比，符合虎克定律， 具有一定的刚度。、机理：、机理：大分子链整体不能运动，链段也不 能运动，仅做微弱的热振动。
27、、塑料：、塑料：室温下处于玻璃态的高聚物叫塑料。 例：聚氯乙烯：Tg=87 聚苯乙烯：Tg=80 有机玻璃：Tg=100材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.46 T Tg gTTTTf f 2. 高弹态：高弹态：、特点：、特点：a a、可回复的弹性变形量高达1001000%。 b b、弹性模量小，一般100MPa,比普通弹性材料小 34数量级。 c c、变形时生热，回弹时吸热。、机理：、机理：链段可绕主链上的单键进行内旋转运动， 但分子链之间不能运动。、橡胶：、橡胶：室温下处于高弹态的高聚物，叫橡胶。 例：天然橡胶：Tg=-73、硅橡胶：Tg=-120材料科学与工程学院材
28、料科学与工程学院 5/19/2022.47、影响、影响TgTg的因素：的因素：a a、分子量增加，Tg升高，（TgTf）区域增大，高弹区 范围加宽，分子量小于一定数值时，高弹区消失。b b、链柔顺性好，Tg下降。注意：链柔顺性太好时，链段极易运动，可能出现链 间滑脱而产生冷流现象，需要在链间适当交联。 分子间的结合力强，Tg上升。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.48 T Tf fTTTTm； Tm：晶区熔化温度。（2 2）部分结晶：）部分结晶：在TgTm之间，未结晶部分为高弹态，结晶部分为硬结晶态，总的表现为既韧又硬的皮革态皮革态。材料科学与工程学院材料科学与工程学院
29、 5/19/2022.50 （三）体形高聚物的力学性能：（三）体形高聚物的力学性能：（1 1）交联对分子和链数运动的影响：）交联对分子和链数运动的影响： 阻止分子和链段的运动，故铰链越多，Tg上升，当铰链密度达到一定程度后，Tg= Tf。链段和分子链都不能运动，高弹态消失。 例如：酚醛塑料（电木）（2 2）交联的应用：）交联的应用： 适当交联可既保持高聚物的高弹性，又限制分子间的滑脱，可提高材料的稳定性、强度和刚度。例如：橡胶硫化，例如：橡胶硫化，0.50.55%S5%S软橡胶；软橡胶；202030%S30%S硬橡胶硬橡胶 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.51 二、高
30、分子材料的力学性能二、高分子材料的力学性能最具特性色的是弹性和粘弹性。1 1、高弹性，低的弹性模量：、高弹性，低的弹性模量： 例如：橡胶，弹性变形量可达100 1000%，弹性模量E=1MPa, 而钢为105MPa.必要条件：必要条件：柔软的分子链、较大 的分子量和一定的交联密度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.522 2、粘弹性：、粘弹性：（1 1）定义：）定义：弹性变形滞后于应力的变化，即弹性变 形不仅与外力有关，而且具有时间效应。（2 2）机理：）机理：高聚物的变形是通过调整内部分子构象 来实现的，这需要时间。（3 3）粘弹性的分类：）粘弹性的分类：静态粘弹性静
31、态粘弹性动态粘弹性动态粘弹性 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.53、静态粘弹性：、静态粘弹性：蠕变：蠕变：较小的恒定应力下，随tt，应力松弛：应力松弛：固定，随tt， 蠕变 应力一定t应力松弛 一定蠕变：塑料雨衣掛一段时间后破洞。应力松弛：松紧带，越用越松，密封圈的失效。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.54、动态粘弹性：、动态粘弹性：a.a.定义：定义：在交变应力作用下，变形速度跟不上应力变 化的速度，应力与应存在相位差，这就是动态粘弹性。b.b.内耗：内耗：由于应变落后于应力的变化，使应变储能一 部分通过内摩擦而产生热量。 即：滞后使机械能
32、转化为热能，这种现象叫内耗。c.c.影响：影响：不利：产生热，使工件温度升高，促进老化。 例：轮胎发热至80100 有利：减震，吸收冲击能量。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.55、强度和断裂：、强度和断裂：强度、弹性模量低：强度、弹性模量低：一般b约100MPa，即是玻璃增强的尼龙也只有200MPa。但由于比重低，故比强度仍较高。例玻璃钢。性能变化范围特别大：性能变化范围特别大：不同的聚集状态，性能差别很大。 硬而脆硬而脆 硬而强硬而强 硬而韧硬而韧 软韧软韧软而弱软而弱 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.56形变强烈依赖于工作温度形变强烈依赖
33、于工作温度T T和加载速度：和加载速度：随温度T，时间t，则弹性模量E, 形变率随温度T，时间t，则弹性模量E, 形变率例如：例如：飞机的轮胎，冲击载荷大， 速度快。链段变形来不及响应， 失去弹性。使用玻璃化温度Tg 很低的橡胶。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.57 三、高聚物的理化性能三、高聚物的理化性能1 1、耐热性；、耐热性；高聚物在变热过程中，容易发生链段运动和整个分子链运动，导致材料软化或熔化，使性能变坏，耐热性差。耐热性判据：耐热性判据： 塑料：热变形温度，HDT 橡胶：保持高弹性的最高温度。 橡胶的耐热性愈好，使用温度愈高。材料科学与工程学院材料科学与工
34、程学院 5/19/2022.58热变形温度热变形温度HDT ：高聚物能够长时间承受一定的载 荷而不变形的温度。线形无定型的HDT在玻璃化温 度Tg附近，结晶高聚物的HDT接近于熔点。塑料名称 Tg（）Tm（）THDT（）聚氯乙烯8721255-75聚苯乙烯10024090-105尼龙665026760-105聚碳酸脂150220130-140几种塑料的热变形温度几种塑料的热变形温度 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.59高分子材料导热性差，高聚物的导热性能约为金属的1/1001/1000。原因：内部无自由电子，分子链相互缠绕在一起， 受热不宜运动。利；做隔热材料：塑料方
35、向盘， 导弹用纤维增强塑料做隔热层弊：散热性差，温升快，轮胎发热，塑料轴承发热2 2、导热性、导热性材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.603 3、热膨胀系数、热膨胀系数: : 线膨胀系数大，为金属的3-10倍原因：原因： 受热后。分子链间缠绕程度降低，分子间结合 力减小，分子链柔性增大。弊：弊：与金属复合时，因膨胀系数相差过大而脱落， 例；铝壶的塑料手柄。4 4、绝缘性、绝缘性: : 好的绝缘材料。原因：原因：共价键结合，没有离子和自由电子 例: 导线的外包皮、塑料、橡胶。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.615 5、高的化学稳定性、高的化学稳定
36、性: : 在酸、碱等溶液中表现出优异的耐蚀性 例：聚四氯乙烯，在沸腾的王水中不受腐蚀。注意：与特定溶剂相遇，发生溶解或溶胀，性能变坏如：聚氯乙烯在有机溶液中溶胀，聚碳酸脂被四氯 化碳溶解。原因原因电化学腐蚀：电化学腐蚀：绝缘体，不发生电化学腐蚀化学腐蚀：化学腐蚀：分子链缠绕在一起，分子链上 的基团被包围在里面，不与外界接触， 化学稳定性好。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.62 四、高聚物的老化与防止四、高聚物的老化与防止1 1、老化的定义：、老化的定义：高聚物在加工、储存和使用过程 中，由于内、外（空气、水、光、热等）的综合 作用，丧失原有性质的现象。2 2、表现形式
37、：、表现形式： 变硬、变脆、出现龟裂、失去弹性； 变软、变粘、变色。 各种高聚物都存在老化问题，差别只是发生时间 不同，表现形式不同。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.633 3、老化的机理：、老化的机理： 产生大分子链的交联产生大分子链的交联变硬、变脆、开裂。 大分子链断开大分子链断开变软、发粘、褪色。4 4、防止老化的方法：、防止老化的方法： 进行结构改性，提高稳定性进行结构改性，提高稳定性。 例如：聚氯乙烯在氯气中用紫外线照射，成为氯化 聚氯乙烯；共聚方法制得共聚产物：ABS塑料。 加入防老化剂，抑制老化过程加入防老化剂，抑制老化过程。 例如：添加水杨酸酯，碳黑，
38、防紫外线老化。 表面处理：表面处理：表面镀金属，喷涂料，防止空气、水、 光引起的老化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.64工 程 塑 料第 四 节Engineering PlasticsEngineering Plastics 5/19/2022.65 一、塑料的分类：一、塑料的分类：1 1、按用途分：、按用途分：通用塑料、工程塑料、特种塑料 通用塑料：通用塑料：产量大、用途广、价格低，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。工程塑料：工程塑料：用于机械设备和工程结构。 要求：强度、刚度、韧性好，耐高温、耐腐蚀、 耐磨性好； 如：
39、聚碳酸酯、尼龙、ABS、聚四氟乙烯。特种塑料：特种塑料：通过改性，满足特种性能要求。 如：医用塑料、耐蚀氟塑料、导电塑料、导磁塑料。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.662 2、按树脂性质分类：、按树脂性质分类： 热塑性和热固性塑料热塑性塑料：热塑性塑料：又称热熔性塑料。 加热时软化，冷却后硬化成型，并可多次反复。 机理：机理：由聚合树脂制成，大分子链为线型结构。 如：聚乙烯、聚氯乙烯。热固性塑料：热固性塑料：加热、加压后发生化学反应，固化为 坚硬制品，且不能再生。 机理：机理：以缩聚树脂为基础，分子链为体型结构。 如：酚醛树脂、环氧树脂。材料科学与工程学院材料科学与工
40、程学院 5/19/2022.67 二、塑料的组成：二、塑料的组成： 树脂树脂+ +添加剂添加剂简单组分：基本由树脂组成， 如聚四氟乙烯，有机玻璃。复杂组分：树脂+各种添加剂 1 1、树脂：、树脂：起粘结作用，也叫粘料，占塑料的40100%。其种类、性质和所占比例决定着塑料的性能。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.682 2、添加剂：、添加剂：填充剂：填充剂：又叫填料，约占塑料组份的2060%。目的：目的：、改善塑料某些性能。 如：加入Al粉，增加反射和导热能力。 、降低塑料成本。 、扩大塑料的应用范围。 如：加入石棉，提高耐热性。要求要求：填料本身易被树脂浸润； 粘附性
41、好；性质稳定；价廉。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.69增塑剂：增塑剂：增加塑料的塑性和柔韧性。用量不多于20%。 机理：机理：降低大分子间的作用力，增大链段运动能力。 常用增塑剂：常用增塑剂：低熔点有机物。 如氧化石腊，磷酸脂等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.70（3 3）固化剂：）固化剂： 加入后可在聚合物中生成横跨链，使分 子交联，并由受热可塑的线型结构变成体型结构 的热稳定塑料的一类物质称固化剂。 （4 4）稳定剂：）稳定剂： 提高树脂在受热和光作用时的稳定性， 防止老化，延长使用寿命的一类物质称稳定剂。 （5 5）润滑剂：）润滑剂
42、： 为防止塑料在成型过程中粘在模具或 其它设备上而加入的，同时可使制品表面光亮美 观的物质称润滑剂（如硬脂酸等）。 （6 6）着色剂）着色剂 ：为使塑料制品具有美观的颜色及适合 使用的要求而加入的染料称着色剂。 （7 7） 发泡剂、催化剂、阻燃剂发泡剂、催化剂、阻燃剂等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.71 三、塑料的加工：三、塑料的加工：成型：成型：将原料在一定温度和压力下，塑制成一 定形状制品的过程。如：挤压管、棒等。 注射成型：注射成型：又叫注塑成型，在注塑机上进行。 模压成型：模压成型： 浇铸成型：浇铸成型：又叫浇铸法。 挤压成型：挤压成型：又叫挤塑成型。加工
43、：加工：指成型后的再加工。 机械加工：机械加工：车、钳、刨、铣、镗等。 连接：连接：焊接（热熔粘接） 表面处理：表面处理：涂装、浸渍、镀金属材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.72 塑料的成型工艺形式多样，主要有注射成型、压制成型、浇注成型、抗压成型、吹塑成型、真空成型等。等。 1.1.注射成型法注射成型法 生产率很高，可以实现 高度机械化、自动化生产， 制品尺寸精确，可以生产 形状复杂、 壁薄和带金 属嵌件的塑料制品， 适用于大批量生产。 （一）塑料制品的成型：（一）塑料制品的成型：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.73材料科学与工程学院材料科学
44、与工程学院 5/19/2022.74 2.2.模压成型法模压成型法 是塑料成型中最早的一种方法，通常用于热固性 塑料的成型，有时也用于热塑性塑料。 特别适用于形状复杂或带有复杂嵌件的制品，如 电器零件，电话机件、收音机外壳等。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.75 3.3.浇铸成型法浇铸成型法 又称浇塑法，有静态铸型、嵌铸型和离心铸型等方式。在液态的热固性或热塑性树脂中加入适量的固化剂或催化剂，然后浇入模具型腔中，在常压或低压下，常温或适当加热条件下，固化或冷却凝固成型。 特点特点：设备简单，操作方便， 成本低，便于制作大型制件； 但生产周期长，收缩率较大。 材料科学
45、与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.76 4. 4. 挤压成型法挤压成型法 又称挤塑成型。挤压成型法用于热塑性塑料各种型材的生产，一般需要经二次加工才制成零件。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.77塑料加工指塑料成型后的再加工，亦称二次加工； 1.1.机械加工机械加工 由于塑料的切削工艺性能与金属不同，因此所用的切削工艺参数与刀具几何形状及操作方法与金属切削有所差异。塑料的散热性差、弹性大，加工时容易引起工件的变形、表面粗糙，有时可能出现分层、开裂，甚至崩落或伴随发热等现象。要求切削刀具的前角与后角要大、刃口锋利，切削时要充分冷却，装夹时不宜过紧，切削速
46、度要高，进给量要小，以获得光洁的表面。 （二）塑料的加工：（二）塑料的加工：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.78 3.塑料制品的表面处理塑料制品的表面处理 为改善某些性能、美化其 表面、防止老化、延长 使 用寿命，主要的方法有涂漆， 镀金属（铬、银、铜等）。 镀金属可采用喷镀或电镀。 2.2.塑料的连接塑料的连接 机械连接方法、热熔接、溶剂粘接、胶粘剂粘接等。等。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.79 1 1、常用热塑性塑料、常用热塑性塑料聚酰胺（尼龙、锦纶、聚酰胺（尼龙、锦纶、PAPA） 聚酰胺是最早发现能够承受载荷的热塑性塑料。 尼龙6、
47、尼龙66、尼龙610、尼龙1010、铸型尼龙和芳香尼龙是常应用于机械工业中的几种。被大量用于制造小型零件替代有色金属及其合金。 尼龙棒和结构件 四、常用工程塑料：四、常用工程塑料：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.80 铸型尼龙通过简便的聚合工艺使单体直接在模具内聚合成型的一种特殊尼龙。 芳香尼龙具有耐磨、耐辐射及很好的电绝缘性等优点，是尼龙中耐热性最好的品种。 加入二硫化钼的尼龙耐磨件加入二硫化钼的尼龙耐磨件材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.81 2、常用热固性塑料、常用热固性塑料 固化处理就是在树脂中加入固化剂并压制成型， 使其由线型聚合物变
48、成体型聚合物的过程。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.82 酚醛塑料酚醛塑料 以酚醛树脂为基,加入木粉、布、石棉、纸等填料经固化处理而形成的交联型热固性塑料。具有较高的强度和硬度、耐热性、耐磨性、耐蚀性及良好的绝缘性。 环氧塑料（环氧塑料（EPEP） 以环氧树脂为基，加入各种添加剂经固化处理形成的热固性塑料。具有比强度高、耐热性、耐蚀性、绝缘性及加工成型性好的特点。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.83 五、塑料在机械工程中的应用：五、塑料在机械工程中的应用： 1.1.一般结构件一般结构件 要求一定的机械强度和耐热性。选用价低廉、成型性好的塑
49、料，如聚氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS等。 2.2.普通传动零件普通传动零件 要求有较高的强度、韧性、耐磨性 和耐疲劳性及尺寸稳定性。选用：尼 龙、MC尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、夹 布酚醛、增强聚丙烯等。 3.3.摩擦零件摩擦零件 要求强度一般，具有摩擦因数小和良好的自润滑性。可 选用：低压聚乙烯、尼龙1010、聚四氟乙烯等。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.84 4.4.耐蚀零件耐蚀零件 主要应用在化工设备上，要依据所接触的不同介质来选择，如全塑结构的耐蚀零件。常用耐蚀塑料有：聚丙烯、硬聚氯乙烯、填充聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯等。 5.5.电器零件电器零件 利用其优异的
50、绝缘性能。用于工频低压下的普通电器元件有：酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等；用于高压电器的绝缘材料要求耐压强度高、介电常数小、抗电晕及优良的耐侯性。常用有：交联聚乙烯、聚碳酸酯。氟塑料和环氧塑料等。 氨基塑料聚氯乙烯材料科学与工程学院材料科学与工程学院 5/19/2022.85橡 胶 材 料第 五 节Rebber MaterialRebber Material 5/19/2022.86 橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高聚物。具有显著高弹性的材料。以生胶为原料加入适量的配合剂而形成的高分子弹性体。 一般在-50-150处于高弹性，广泛用作密封件，减振件，轮胎等。材料科学与工程学院材料科学与工程学
