第九章、高分子建筑材料

1、第九章 高分子建筑材料第一節(jié) 高分子材料基本知識第二節(jié) 高分子建筑材料和制品用于建筑工程中的有機材料主要有：木材、瀝青材料、合成高分子材料。合成高分子材料包括三大類：塑料、橡膠、化學纖維（其中塑料占3/4）。在塑料、橡膠的基礎(chǔ)上衍生出膠粘劑、涂料。合成高分子材料的基本成分是合成高分子化合物。預計到21世紀初，合成高分子材料將占建筑材料用量的25%以上，主要用于制作建筑材料與制品、對傳統(tǒng)建筑材料進行改性。合成高分子建筑材料，除少數(shù)用作結(jié)構(gòu)材料代替鋼材和木材外，絕大多數(shù)用作非結(jié)構(gòu)材料及裝飾裝修材料。小資料：用于紡織的合成纖維，我國習慣以“綸”作后綴，如：滌綸（聚對苯二甲酸乙二酯）、錦綸（尼龍-6）

2、、腈綸（聚丙烯睛）、氯綸（聚氯乙烯）、維尼綸（聚乙烯醇縮甲醛）。第一節(jié)高分子材料基本知識一、高聚物的基本知識 在有機化合物中，一般將分子量為幾十、幾百的化合物稱為低分子化合物，而將分子量在104以上的稱為高分子化合物（有時將分子量在103以上的也稱為高分子化合物）。常見的高分子有機化合物有：合成樹脂、天然樹脂、纖維素酯或醚、瀝青等。 高分子化合物分為兩大類：天然高分子化合物（糧食、棉織品、木材、天然橡膠等）、合成高分子化合物（簡稱高聚物或聚合物或合成樹脂）。后者發(fā)展應用迅速。 高聚物是由單體（不飽和的低分子化合物）聚合而成。常用的聚合方法有兩種：加成聚合、縮合聚合。 加成聚合是在加熱或催化劑的

3、作用下，單體分子互相連結(jié)起來成為高聚物，反應過程中不產(chǎn)生副產(chǎn)物，所生成的高聚物具有與單體完全相同的組成。加聚反應生成的高聚物稱為聚合樹脂，為線型結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)屬熱塑性樹脂，由一種單體加聚而得的稱為均聚物，以“聚”+ 單體名稱命名，由兩種以上單體加聚而得的稱為共聚物，以單體名稱 +“共聚物”命名。建筑中常用的有：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚四氟乙烯、丁苯膠乳等。 縮合聚合是在加熱和催化劑的作用下，單體分子互相結(jié)合成為高聚物，同時析出水、氨、醇等副產(chǎn)物（低分子化合物），所生成高聚物的組成與原始單體完全不同。縮聚反應生成的高聚

4、物稱為縮合樹脂，多為體型結(jié)構(gòu)，屬熱固性樹脂，一般以單體名稱 +“樹脂”命名。建筑中常用的有：酚醛樹脂（PF）、脲醛樹脂（UF）、環(huán)氧樹脂（EP）、不飽和聚酯樹脂（UP）、三聚氰胺甲醛樹脂、有機硅樹脂（SI）等。 根據(jù)分子鏈的形態(tài)，高聚物分為：線型結(jié)構(gòu)、支鏈型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)型結(jié)構(gòu)、體型結(jié)構(gòu)。一般地，線型結(jié)構(gòu)的樹脂：強度較低、彈性模量較小、變形較大、耐熱性差、耐腐蝕性較差、可溶可熔、呈熱塑性；體型結(jié)構(gòu)的樹脂：強度較高、彈性模量較大、變形較小、較硬脆且多無塑性、耐熱性較好、耐腐蝕性較好、不溶不熔、呈熱固性。加聚物多為線型、支鏈型結(jié)構(gòu)，縮聚物可為線型、支鏈型、網(wǎng)型、體型結(jié)構(gòu)（如酚醛樹脂）。 根據(jù)受熱時的性能

5、，高聚物分為：熱塑性、熱固性。熱塑性高聚物為線型、支鏈型結(jié)構(gòu)，熱固性高聚物為體型結(jié)構(gòu)。 根據(jù)物質(zhì)的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，高聚物分為：晶態(tài)、非晶態(tài)。非晶態(tài)線型高聚物在溫度由低到高的不同范圍內(nèi)，具有三種力學性能不同的狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)。玻璃化溫度低于室溫的稱為橡膠，高于室溫的稱為塑料。粘流溫度以上可對高聚物進行塑造成型。體型高聚物一般僅有玻璃態(tài)。二、塑料的基本知識 塑料是以合成樹脂為主要成分，加入一定的添加劑，經(jīng)加工成型制成的有機合成材料。塑料用于建筑始于1950年代，目前已成為繼混凝土、鋼材、木材之后的第四種重要的建筑材料。世界上用于建筑上的塑料已占全部建筑材料用量的11%，占塑料總產(chǎn)量的25%

6、以上。建筑塑料主要用作裝飾板材、保溫材料、涂料、管道、門窗、防水及防腐材料等，玻璃纖維增強塑料可用作結(jié)構(gòu)材料。1. 塑料的組成（1）合成樹脂 合成樹脂是塑料的基本成分，起膠結(jié)劑的作用，占塑料重量的40%100%，它決定了塑料的主要性質(zhì)及成本。（2）添加劑 為改善塑料的某些性能而加入的物質(zhì)統(tǒng)稱為添加劑（除填料外的也稱助劑）。a. 填料：作用是降低成本、提高強度、硬度、尺寸穩(wěn)定性及耐熱性。常用：木粉、滑石粉、硅藻土、石灰石粉、鋁粉、碳黑、石棉、玻璃纖維等，摻量40%70%。b. 增塑劑：作用是提高加工時的可塑性、調(diào)節(jié)塑料的機械性能（強度、韌性、柔軟性、耐寒性等）。c. 穩(wěn)定劑：作用是改善塑料在加工

7、、使用過程中對熱、光、氧的耐久性。d. 其他：潤滑劑、固化劑、發(fā)泡劑、阻燃劑、著色劑、抗靜電劑、稀釋劑等。 決定塑料性能的主要成分是樹脂，而樹脂的性質(zhì)又決定于其成分（單體）及分子結(jié)構(gòu)狀況（線型、體型）。 老化，指高分子材料在長期使用中，由于受機械力、空氣中的氧、光、熱等作用，出現(xiàn)強度降低、軟化、發(fā)粘、發(fā)脆、失去彈性、變色等現(xiàn)象。老化的原因是高分子鏈的交鏈反應（線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，使材料變硬、變脆、失去彈性。）或裂解反應（高分子鏈斷裂，長鏈變短，分子量變小，使材料變粘、變軟、強度下降。）。2. 塑料的特性（1）加工性能優(yōu)良 可采用多種加工工藝（擠壓、壓鑄、發(fā)泡）塑制成多種形狀（薄膜、薄板、管

8、材、異型材等）的產(chǎn)品，制品便于切割、焊接。通過改變塑料組成配方與生產(chǎn)工藝，可按需要調(diào)節(jié)制品的硬度、密度、表觀密度、色澤等，制成具有特殊性能的工程材料，如強度超過鋼材的碳纖維復合材料，具有承重、質(zhì)輕、隔音、保溫性能的復合板材，柔軟而富有彈性的密封、防水材料等。（2）質(zhì)輕 塑料的密度一般為0.82.2g/cm3，平均值（1.45 g/cm3）與木材接近，是鋼的1/5、混凝土的1/3、鋁的1/2。比強度接近或超過鋼材，遠超過混凝土，屬于輕質(zhì)高強材料。（3）裝飾性能好 塑料制品可著色、印刷、壓花、燙金、電鍍，表現(xiàn)出良好的質(zhì)感和裝飾效果。（4）耐水性、耐化學腐蝕性好：適用于防潮、防水工程，化工建筑。（5

9、）隔熱性、電絕緣性好：塑料的熱導率一般為0.0240.81W/(m.K)，是金屬的1/1500、混凝土的1/40。（6）耐熱、耐燃、耐老化性差（7）彈性模量（剛度）?。▋H為鋼材的1/101/20）（8）經(jīng)濟性較好：目前塑料的成本較高，但隨著高分子工業(yè)的發(fā)展，其成本在逐漸下降；而塑料生產(chǎn)的低能耗及優(yōu)良的使用性能也會帶來良好的綜合效益。小資料：塑料的生產(chǎn)能耗是玻璃的50%、鋼材的16%、鋁材的8%第二節(jié)高分子建筑材料和制品一、常用建筑塑料1. 熱塑性塑料（1）聚氯乙烯（PVC） 聚氯乙烯是由乙炔與氯化氫合成氯乙烯單體、再經(jīng)聚合而成，屬熱塑性線型聚合物。 聚氯乙烯是建筑中應用最多的一種塑料，有硬質(zhì)、

10、半硬質(zhì)、軟質(zhì)、發(fā)泡制品。 聚氯乙烯難燃，具有自熄性，可溶于環(huán)已酮、四氫呋喃。由于對光、熱的不穩(wěn)定性，以及強度較差，聚氯乙烯樹脂不能單獨使用，一般要加入其他助劑。耐熱溫度5070（硬質(zhì)）、6580（軟質(zhì)）。 硬聚氯乙烯制品強度較高，有極好的耐風化力，適用于天溝、水落管、外墻覆面板、天窗材料、給排水管道，易熔接粘合，產(chǎn)量大，價格低，使用溫度低。加入發(fā)泡劑可制成泡沫塑料。 軟聚氯乙烯可擠壓成板片、型材，作地面材料、裝修材料（塑料地板、門窗、壁紙）、防水材料、止水帶等。（2）聚乙烯（PE） 聚乙烯由乙烯單體聚合而成，是產(chǎn)量最大、用途最廣的一種熱塑性樹脂。按聚合方法分為三種：高壓聚乙烯、低壓聚乙烯、中壓

11、聚乙烯。 聚乙烯耐低溫性（-70）、耐化學腐蝕性、抗水性好，電絕緣性突出，強度不高，易燃，質(zhì)地較軟，吸收油類會引起膨脹、變色、破裂。最高使用溫度為100。 聚乙烯可作防水材料、涂料、絕緣材料等。聚乙烯塑料在建筑上常用來制成排水管、水箱、薄膜。（3）聚丙烯（PP） 聚丙烯是一種結(jié)晶性高聚物。 聚丙烯密度最低（0.900.91 g/m3），易燃，不耐磨，常溫下沒有溶劑。耐熱溫度100120。 聚丙烯常用于生產(chǎn)管材、衛(wèi)生潔具、薄膜、纖維、地毯等。（4）聚苯乙烯（PS） 聚苯乙烯透明度好，價廉，易于加工和染色，易燃，性脆，耐候性差，可溶于苯、甲苯、乙苯等芳香族溶劑。耐熱溫度6595。 聚苯乙烯主要用于

12、生產(chǎn)泡沫塑料、燈具、涂料等。 商品聚苯乙烯分為：抗沖型、工業(yè)型、日用型、顆粒型。（5）ABS塑料（丙烯睛-丁二烯-苯乙烯共聚物） ABS是一種性能優(yōu)良的工程塑料：聚丙烯睛具有良好的化學穩(wěn)定性和表面硬度，聚丁二烯具有良好的韌性和耐低溫性能，聚苯乙烯具有良好的加工性能。 ABS用于生產(chǎn)建筑五金、壓花裝飾板、管材。（6）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，有機玻璃） 聚甲基丙烯酸甲酯是由丙酮、氰化物、甲醇反應生成的甲基丙烯酸甲酯單體加聚而成。 PMMA是透光性最好的一種塑料，質(zhì)輕、堅韌而具有彈性、耐水性及耐熱性好，價格高，耐磨性差。耐熱溫度6590。 PMMA可制成板材（平板、瓦楞板、珠光玻璃）、管材，用玻

13、璃纖維增強可制作面盆、浴缸，PMMA水乳液可用于浸漬木材、水泥制品。（7）聚酰胺（PA，尼龍） 尼龍由胺基酸縮聚而成。 尼龍耐磨性突出，機械性能良好，沖擊韌性好，耐油性好，消音性好，耐熱溫度130150，較難燃，可用作水管零部件、涂料。2. 熱固性塑料（1）酚醛塑料（PF） 酚醛樹脂通常以苯酚與甲醛縮聚而成。 酚醛樹脂在建筑上主要用于生產(chǎn)層壓板、玻璃鋼制品、膠粘劑等。未熱固的酚醛樹脂磨細后與木粉和顏料可配制“電木粉”，用于壓塑成各種電工器材。（2）不飽和聚脂樹脂（UP） 不飽和聚脂樹脂耐腐蝕、成型工藝性能好，可在室溫下固化，固化時收縮較大。耐熱溫度120。 不飽和聚脂樹脂可用于生產(chǎn)玻璃鋼、涂料

14、、裝飾板、人造大理石、管道等。（3）環(huán)氧樹脂（EP） 環(huán)氧樹脂的品種牌號很多，其分類參見化工部標準HG2-742-72，其中生產(chǎn)最早、使用最廣的是雙酚A型環(huán)氧樹脂（其產(chǎn)量占環(huán)氧樹脂的80%90%），其牌號主要有：E-51、E-44、E-42等（E為雙酚A型環(huán)氧樹脂的代號，后續(xù)數(shù)字為平均環(huán)氧值。）。 環(huán)氧樹脂有較強的粘結(jié)力，可室溫固化，固化時收縮很小?；瘜W穩(wěn)定性、耐熱性、機械強度好，吸水率低。 環(huán)氧樹脂可用于生產(chǎn)玻璃鋼、膠粘劑、涂料等。 環(huán)氧樹脂具有很多優(yōu)良性能，在工程上使用較為廣泛，產(chǎn)品有：粘合劑、密封材料、涂料、復合層壓材料、澆注材料、浸漬材料等。在建筑上使用最廣的是環(huán)氧樹脂粘合劑（俗稱萬能

15、膠），用于結(jié)構(gòu)修補。（4）氨基塑料 氨基塑料包括脲醛塑料（UF）、密胺塑料（MF）。 脲醛樹脂是由脲素和甲醛縮聚而成，耐熱溫度78。低分子量時呈液態(tài)，常用作粘合劑、涂料；高分子量時為白色固體，加工成的塑料商品稱為電玉，可作裝飾品、電氣絕緣材料；經(jīng)發(fā)泡處理可制得閉孔型硬質(zhì)氨基泡沫塑料，用作填充保溫絕熱吸聲材料。 密胺樹脂是由三聚氰胺和甲醛縮聚而成。低分子量未硬化的呈淺色或無色漿體，高分子量的為白色或淺色固體。密胺樹脂可用于生產(chǎn)裝飾層壓板、涂料、粘合劑。MF加入亞硫酸鈉聚合后可制成陰離子型高效表面活性劑，可用于混凝土作高效減水劑，價格較貴。（5）聚氨酯（PU） 聚氨酯可制成單組份或雙組份的涂料、粘

16、合劑、彈性體、硬塑料、泡沫塑料（硬質(zhì)、軟質(zhì)）。 聚氨酯性能優(yōu)良，生產(chǎn)工藝簡便，可常溫聚合、發(fā)泡。 聚氨酯可用于生產(chǎn)泡沫塑料、涂料、膠粘劑、防水材料等。（6）有機硅樹脂（SI） 有機硅樹脂有良好的流動性，便于施工。有機硅憎水、耐水、耐候、耐高溫（250）、耐寒、耐腐蝕、電絕緣性好。 有機硅可用于制作高級絕緣材料、防水材料。3. 樹脂基復合材料（1）玻璃鋼（GRP） 玻璃纖維增強塑料，俗稱玻璃鋼，具有輕質(zhì)高強的特點，是合成高分子化合物用作結(jié)構(gòu)材料的主要代表。 玻璃鋼由合成樹脂膠結(jié)玻璃纖維或玻璃布制成，一般常用酚醛樹脂、聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂，其中聚酯樹脂因其化學穩(wěn)定性好、價格較低而使用最多

17、。 玻璃鋼密度1.52.0g/cm3，抗拉強度接近或超過碳素鋼，但剛度比金屬差，層間剪切強度低，耐老化性能不夠理想。 玻璃鋼在航空、高壓容器、軍用及民用制品上得到廣泛應用。在建筑工程中，可用作采光材料、圍護材料、裝飾裝修材料，如：瓦楞形屋面板、整體采光罩、浮雕、浴盆、管道等。 復合材料能綜合各組分的優(yōu)良特性，有針對性地改善材料某些方面的性能。復合材料的類型有：纖維復合材料、層合復合材料、顆粒復合材料。（2）蜂窩塑料 以塑料板或金屬薄板、膠合板為面板，中間為具有格子（多為六角形蜂窩狀）的夾層（經(jīng)樹脂浸漬并固化的玻璃布或紙張），用氨基樹脂或環(huán)氧樹脂緊密粘合在兩片面板之間，制成質(zhì)輕、抗壓和抗彎性能好

18、的隔墻板、門板、地板、家具等。（3）增強塑料薄膜 用玻璃纖維或尼龍纖維網(wǎng)制成的塑料薄膜，有較好的韌性，可用于建造半永久性或可拆遷的大跨度充氣結(jié)構(gòu)倉庫和房屋。（4）鈣塑材料 樹脂中加入大量碳酸鈣、亞硫酸鈣等鈣鹽填充料和必要的添加劑、加工塑制成的復合材料稱為鈣塑材料。 鈣塑材料尺寸穩(wěn)定，難燃，便于鋸、刨、釘、印刷、粘合等加工，可制成板材、管材、中空異形材等裝修、保溫、防水材料與用品，在建筑上廣泛用作天花板、吸音板及墻面裝修。（5）樹脂混凝土 以合成樹脂作膠凝材料，加入固化劑、粉料、粗細骨料配制而成。參見特種混凝土部分的內(nèi)容。二、常用建筑塑料制品（1）塑料壁紙 塑料壁紙通常分為普通壁紙、發(fā)泡壁紙、特

19、種壁紙（耐水壁紙、防火壁紙、彩色砂粒壁紙、植絨壁紙等）。（2）塑料地板 塑料地板種類很多，按形狀分為：塊狀、卷狀；按柔性分為：軟質(zhì)、半硬質(zhì)；按結(jié)構(gòu)分為：單層、多層復合。 塑料地板所使用的樹脂有聚氯乙烯、聚乙烯-醋酸乙烯、氯乙烯-聚丙烯等，目前絕大部分為聚氯乙烯塑料地板。 塑料涂布地面是由聚合物樹脂砂漿和樹脂涂料兩層組成。砂漿由樹脂、填料、顏料等現(xiàn)場調(diào)配，直接涂抹在地面上（厚約212mm），硬化后表面涂以樹脂薄膜層（厚度小于1mm）。常用不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂。塑料涂布地面具有施工簡單、耐磨、無縫的特點，可用于耐化學腐蝕及衛(wèi)生標準要求較高的地面，如醫(yī)院手術(shù)室、食品加工廠、奶制品廠等，也適用于舊

20、地面翻修。（3）化纖地毯 世界地毯總產(chǎn)量中95%為化纖地毯。 化纖地毯按加工方法分為：簇絨地毯、針扎地毯、機織地毯等，其中簇絨地毯使用最普遍。 化纖地毯的構(gòu)成：面層織物（常用聚丙烯睛纖維、尼龍纖維、聚丙烯纖維）、初級背襯（常用聚丙烯機織布或無紡布）、防松涂層（常用丁苯膠乳）、次級背襯（常用黃麻、聚丙烯、發(fā)泡型聚氨酯）。（4）塑料門窗 塑料門窗是由硬質(zhì)聚氯乙烯型材經(jīng)焊接、拼裝、修整而成的門窗制品，分為全塑門窗、復合塑料門窗（塑鋼門窗）。 塑料門窗具有保溫、隔熱、隔聲、耐潮濕、耐腐蝕、不需涂裝等特性，能在-4070的環(huán)境溫度下使用30年以上。塑料門窗不能與發(fā)煙硫酸、硝酸、醋酸、氯氣等接觸。（5）塑

21、料管道 以塑料代鐵已是國際上給排水管道發(fā)展的方向，塑料管道已成為建筑塑料中用量最大的品種（占建筑塑料產(chǎn)量的40%以上）。 塑料管道有硬管、軟管兩種，建筑上主要使用硬質(zhì)聚氯乙烯管。硬質(zhì)聚氯乙烯壓力管可用于建筑室內(nèi)供水系統(tǒng)，硬質(zhì)聚氯乙烯非壓力管可用于住宅、旅館、商店、醫(yī)院建筑的排水排污系統(tǒng)。硬質(zhì)聚氯乙烯管使用溫度范圍050，不能輸送熱水和蒸汽。（6）合成高分子防水材料 包括防水卷材（樹脂類、橡膠類、樹脂-橡膠共混型）、密封材料。三、土工合成材料 土工合成材料是以高分子材料制成的一種平面材料，置于土體內(nèi)部、表面和各層土體之間，起著加強和保護土體的作用。 土工合成材料大約在20世紀50年代開始應用于土

22、工建筑。1953年美國墾務局首先在渠道上使用聚乙烯薄膜防滲；1955年以前，以合成纖維織物做成的沙袋已在荷蘭、德國、日本等國家應用。 土工合成材料分為五類：土工織物、土工膜、特種土工合成材料、復合型土工合成材料、土工泡沫。四、粘合劑 凡能在兩個物體表面之間形成薄膜并將它們緊密粘結(jié)在一起的材料稱為粘合劑（又稱膠粘劑）。 粘結(jié)強度通常以拉伸剪切強度（單面搭接）進行評定。影響粘結(jié)強度的因素有：粘合劑的性質(zhì)（粘度、極性、體積收縮等）、被粘材料的性質(zhì)（極性、表面粗糙度等）、粘結(jié)工藝（表面處理、搭接長度、加熱加壓、膠層厚度等）、環(huán)境條件（溫度、濕度）等。1. 粘合劑的組成（1）粘料 粘料是粘合劑的主要組成

23、，起基本粘結(jié)作用。主要采用合成樹脂，結(jié)構(gòu)用粘合劑多采用熱固性樹脂（強度高，變形小，耐久性好），非結(jié)構(gòu)用粘合劑多采用熱塑性樹脂。（2）固化劑 固化劑使粘合劑硬化，常用固化劑為胺類、酸酐類等。（3）填料 加入填料是為了增加強度、提高耐熱性、降低成本。常用的填料有：石棉粉、滑石粉、鐵粉等。 （4）稀釋劑 稀釋劑用于調(diào)節(jié)粘合劑的粘度，增加涂敷潤濕性。常用的稀釋劑有：環(huán)氧丙烷、丙酮等。 （5）其它 根據(jù)需要還可加入增韌劑、穩(wěn)定劑、防腐劑等。2. 常用建筑粘合劑 建筑上使用較早的有機粘合劑有：牛皮膠、魚膠、蟲膠、瀝青類材料等，目前大多采用合成高分子材料。（1）熱固性樹脂粘合劑a. 環(huán)氧樹脂粘合劑 環(huán)氧樹脂粘合劑是使用最普遍的粘結(jié)材料（俗稱萬能膠），其配方極多，所用固化劑對粘合劑的性能起重要作用。 環(huán)氧樹脂粘合劑具有粘合力強、收縮小、穩(wěn)定性好等特點，對金屬、木材、玻璃、硬塑料、混凝土都有很強的粘附力（但對聚乙烯、聚四氟乙烯、硅樹脂、硅橡膠等少數(shù)幾種塑料膠接性較差），還可用于水下作業(yè)。在建筑工程中，環(huán)氧樹脂粘合劑不僅用作結(jié)構(gòu)粘合劑，也是很好的防水防腐材料。b. 不飽和聚脂樹脂粘合劑 不飽和聚脂樹脂主要用于制造玻璃鋼，但也可粘結(jié)陶瓷、玻璃鋼、金屬、木材、混凝土等，屬無溶劑型粘合劑，可室溫固化，應注意其固化收縮率很大（必