第2章聚合物化學(xué)與塑料基礎(chǔ)

1、 第2章 聚合物化學(xué)與塑料基礎(chǔ) 聚合物是以簡單的低分子量化合物為原料，經(jīng)過一定的化學(xué)反應(yīng)“聚合”而成。 聚合物又稱為高分子化合物或高聚物，還稱為樹脂。 合成聚合物所用的低分子原料稱為單體。 CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CHClClClClCH2 CHCl聚合物單體 根據(jù)使用用途不同，高分子材料分為：纖維，橡膠，塑料，黏合劑，涂料。 聚合物與塑料是兩個(gè)不同的概念。 聚合物是塑料的基本原料，是純凈的高分子材料。 塑料是聚合物中添加了有利于加工和改善使用性能的各種輔助材料，經(jīng)過熱加工塑制而成的材料或制品。2.2 聚合物合成 2.2.1加聚反應(yīng) 加聚反應(yīng)是在一定條件下，讓單體分子

2、的活性鍵發(fā)生相互作用，互相連接起來，加聚成一條大分子鏈的過程。大類聚合物主要是通過加聚形成，最常見是具有雙鍵的烯類化合物。括號內(nèi)的重復(fù)單元稱為結(jié)構(gòu)單元，n稱為聚合度。 2.2.2縮聚反應(yīng) 另外一大類聚合物主要是通過縮聚形成，當(dāng)兩個(gè)不同的分子縮聚時(shí)會去掉一個(gè)簡單的分子。在多數(shù)情況下，簡單分子為水，但其他也包括氨，乙醇和一系列簡單物質(zhì)。參加縮聚反應(yīng)的低分子化合物需要具有兩個(gè)或兩個(gè)以上具有反應(yīng)能力的活性基團(tuán)。 CH2 CH2 nCH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CHClClClCl熱塑性聚酯PET聚合過程：2.3 聚合物結(jié)構(gòu) 2.3.1 聚合物鏈的結(jié)構(gòu)（一根高分子） （1）結(jié)構(gòu)單元

3、結(jié)構(gòu)單元取決于所用的原料單體 聚合物的結(jié)構(gòu)式：聚合物的結(jié)構(gòu)式： 重復(fù)單元的結(jié)構(gòu) n碳鏈高分子：主要是碳原子構(gòu)成的主鏈雜鏈高分子：在主鏈上除了碳原子之外，還有氧、氮、硫等原子的高分子。 （2）鏈的長度 由組成鏈狀分子的結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量決定的。 （3）鏈的幾何形狀 鏈的形狀有線型、支鏈型和交聯(lián)型(體型或網(wǎng)狀)之分。 線型和支鏈型大分子彼此以次價(jià)力相互作用，可溶于適當(dāng)溶劑，加熱也可熔化；交聯(lián)型可視作許多線型或支鏈型大分子由共價(jià)鍵結(jié)合的網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)，交聯(lián)度小的聚合物，加熱可軟化但不熔融，在溶劑中可溶脹但不溶解；交聯(lián)度大的則不溶解也不熔融。 （4）結(jié)構(gòu)單元在鏈中的排列a：烯烴類單體上的取代基在高分子鏈上

4、的立體排列，稱為空間異構(gòu) 等規(guī)立構(gòu)等規(guī)聚合物 結(jié)晶聚合物 間規(guī)立構(gòu) 間規(guī)聚合物 無規(guī)立構(gòu) 無規(guī)聚合物 無定形聚合物 以聚丙烯為例：全同立構(gòu)體全同立構(gòu)體C C C C CC C C C CHCH3CH3CH3HHHHHHHHHHHHHHCH3CH3C C C C CC C C C CHCH3CH3CH3HHHHHHHHHHHHHHCH3CH3間同立構(gòu)體間同立構(gòu)體C C C C CC C C C CHCH3CH3CH3HHHHHHHHHHHHHHCH3CH3無規(guī)立構(gòu)體無規(guī)立構(gòu)體 b: 兩種或兩種以上單體聚合而成的共聚物，其結(jié)構(gòu)在鏈中的排列 以A和B兩種單體的共聚物為例： 2.3.2 聚合物的聚集體

5、結(jié)構(gòu)（一群高分子） 指大分子鏈間的排列和堆砌方式，可粗略地分為晶態(tài)和無定形結(jié)構(gòu) （1）結(jié)晶聚合物 結(jié)晶聚合物是指線型和支鏈型的高分子。結(jié)構(gòu)規(guī)整或鏈間次價(jià)力較強(qiáng)的聚合物容易結(jié)晶，例如聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺，聚甲醛，聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。 結(jié)晶聚合物中存在著或多或少的無定型區(qū),因而其結(jié)晶度不如小分子來得高,宏觀上表現(xiàn)出沒有固定的熔點(diǎn)Tm,而是一個(gè)熔點(diǎn)范圍。結(jié)晶聚合物加熱到一定溫度,可能直接進(jìn)入粘流態(tài)。熔融溫度是結(jié)晶聚合物使用的上限溫度。 （2）無定形聚合物 無定形聚合物是指結(jié)構(gòu)不規(guī)整或鏈間次價(jià)力較弱的聚合物如聚氯乙烯、ABS、無規(guī)聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基

6、丙烯酸甲酯等難以結(jié)晶。無定形聚合物在一定負(fù)荷和受力速度下，于不同溫度可呈現(xiàn)玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種力學(xué)狀態(tài)。 對于無定型聚合物加熱到一定的溫度,由硬而脆的玻璃態(tài)變?yōu)楦邚棏B(tài),如果繼續(xù)加熱則由高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)。 無定型聚合物的力學(xué)三態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài) 玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度稱玻璃化溫度(Tg)，是無定形塑料使用的上限溫度，橡膠使用的下限溫度。從高彈態(tài)到粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度稱粘流溫度(Tf)，是聚合物加工成的重要參數(shù)。2.4塑料類別及組成 1按塑料用途分： 通用塑料(Universal Plastics)：一般指產(chǎn)量大、用途廣、成型性好、價(jià)廉的塑料。包括：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚

7、苯乙烯（PS）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、環(huán)氧樹脂（EP）、酚醛樹脂（PF）、聚氨酯（PU）、不飽和聚脂 泛用工程塑料(Engineering Plastics)：一般指能承受一定的外力作用，并有良好的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性，在高、低溫下仍能保持其優(yōu)良性能，可以作為工程結(jié)構(gòu)件的塑料。包括：聚酰胺（PA）、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚苯醚（PPO） 特種塑料：一般指具有特種功能（如耐熱、自潤滑等），應(yīng)用于特殊要求的塑料。如聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PSU）、聚醚砜（P

8、ES）、聚四氟乙烯（PTFE）等氟塑料、聚醚醚酮（PEEK） 2按塑料的物理化學(xué)性能分： 熱塑性塑料：指在特定溫度范圍內(nèi)能反復(fù)加熱軟化和冷卻硬化的塑料。如聚乙烯、聚氯乙烯塑料等。 熱固性塑料：因受熱或其它條件能固化成不熔不溶性物料的塑料。如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。 2.4.1 塑料組成 塑料是以合成樹脂為主要原料，加入必要的添加劑，在一定的溫度和壓力條件下，塑制而成的具有一定塑性的材料。塑料的主要成分是樹脂；塑料的性質(zhì)主要由樹脂決定的。為了滿足各種實(shí)際應(yīng)用的要求，往往要加入必要的添加劑，以改善性能，塑料中常用到的添加劑有： a填充劑 也稱為填料 b穩(wěn)定劑 c增塑劑 d著色劑 e潤滑劑 f抗氧劑

9、g光穩(wěn)定劑 h阻燃劑塑料英文縮寫符號塑料英文縮寫符號 表表1.8 常用聚合物英文縮寫符號常用聚合物英文縮寫符號 PA-66聚己二酰己二胺聚己二酰己二胺PAN聚丙烯腈聚丙烯腈PET聚對苯二甲酸乙二醇聚對苯二甲酸乙二醇酯酯PVAc聚醋酸乙烯聚醋酸乙烯EP環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯PC聚碳酸酯聚碳酸酯PS聚苯乙烯聚苯乙烯PVFo聚乙烯醇縮甲醛聚乙烯醇縮甲醛PP聚丙烯聚丙烯PIP聚異戊二烯聚異戊二烯PE聚乙烯聚乙烯PB聚丁二烯聚丁二烯PVC聚氯乙烯聚氯乙烯英文縮寫英文縮寫聚合物名稱聚合物名稱英文縮寫英文縮寫聚合物名稱聚合物名稱2.5 塑料的成型加工 塑料的加工有下面三個(gè)基

10、本要素. 成型設(shè)備 成型工藝 成型模具 2.5.1 加工原理與加工性能 2.5.1.1加工原理 聚合物在一定溫度下可以處于粘流態(tài)，在力的作用下，聚合物熔體發(fā)生流動和變形。塑料的粘流溫度和結(jié)晶聚合物的熔點(diǎn)在成型加工中就很重要。一些材料的粘流溫度或熔點(diǎn)見表2-5常用塑料的粘流溫度和結(jié)晶塑料的熔點(diǎn)塑料名稱粘流溫度/塑料名稱熔點(diǎn)/聚苯乙烯175195高密度聚乙烯 110137軟聚氯乙烯150160聚丙烯168174ABS180190聚甲醛165175聚甲基丙烯酸甲酯160180聚酰胺205225聚碳酸酯215225聚苯硫醚280285聚砜285300聚四氟乙烯327 2.5.1.2加工性能 （1）加工

11、穩(wěn)定性 a:原料在成型過程中不會發(fā)生不利于加工或改變原料結(jié)構(gòu)的化學(xué)變化 b:物料的流動處于在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài) （2）加工的流動性 黏度：流體內(nèi)部分子間相互吸引和分子不規(guī)則運(yùn)動的具體反應(yīng)。 聚合物流動特征是： a:熔體黏度大 b:熔體具有粘彈性 c:熔體在其成型區(qū)間表現(xiàn)為非牛頓流體，通常是隨剪切速率的增大，熔體黏度降低。 評價(jià)熔體流動性的兩個(gè)術(shù)語： 熔體流動速率：在一定溫度和負(fù)荷下，熱塑性塑料熔體每10min通過標(biāo)準(zhǔn)口模流出的重量克數(shù)。 螺旋線流動長度：在一定注射壓力下，給定壁厚在標(biāo)準(zhǔn)螺線的最大長度。流徑比FLR，見表2-6表2-6部分塑料的流徑比塑料名稱流徑比塑料名稱流徑比聚苯乙烯20025

12、0高密度聚乙烯250聚氯乙烯100低密度聚乙烯275300聚對苯二甲酸丁二醇酯160300線型低密度聚乙烯275300ABS30160聚丙烯150350聚碳酸酯30100聚甲醛100250聚砜60120尼龍6140340尼龍66140340聚苯硫醚150聚苯醚200聚芳酯30100 2.5.2加工過程與加工工藝 2.5.2.1加工過程 原料的準(zhǔn)備、制品的成型加工、 成型制品的后加工 2.5.2.2加工工藝 確定一種成型方法，需考慮下面幾個(gè)方面： a:制品的外部形狀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能需要幾外觀要求 b:制品的厚薄、尺寸大小及精度 c:材料材質(zhì)的組成、材料的性能 d：加工成本，如產(chǎn)量、批量、設(shè)備及模

13、具投資 2.5.2.3成型方法 （1）模壓成型 （2）注射成型 a. 氣體輔助注射成型 B 可熔芯模技術(shù) C 注射壓縮成型技術(shù) D 反應(yīng)注射成型 E 共注射成型 （3）擠出成型 （4）中空吹塑成型塑料熱成型機(jī)熱成型長方盒熱成型制品 （5）熱成型塑料包裝面包盒熱成型是利用熱塑性塑料的片材作為原料來制造塑料制品的一種方法。制造時(shí)，先將裁成一定尺寸和固定形樣的片材夾在框架上，并將其加熱到高彈態(tài)，然后借施加的壓力使其貼近模具的型面，從而得到與型面相仿的形樣，成型后的片經(jīng)冷卻后，從模具中取出，最后經(jīng)過適當(dāng)?shù)男揎椉闯蔀橹破?（6）滾塑成型，也稱旋轉(zhuǎn)成型滾塑成型技術(shù)又稱旋轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)成型技術(shù)。它是將塑料粉料裝入模具中，使粉料在模具中繞兩個(gè)相互垂直的軸，一邊加熱一邊轉(zhuǎn)動。由于在旋轉(zhuǎn)過程中，粉料不斷翻動，彼此間相互摩擦及其模具表面對粉料的拖拽，使粉料不斷向模具壁上方運(yùn)動，直到其運(yùn)動作用力足以克服粉料所受重力作用時(shí)，粉料才能越過粉料池達(dá)到對面模壁，粉料隨模具做360度轉(zhuǎn)動。經(jīng)過反復(fù)受熱旋轉(zhuǎn)動作的重復(fù)，粉料便發(fā)生熔融并均勻地黏附在模具內(nèi)