合成高分子材料

第六講合成高分子材料

合成材料是人們運用化學(xué)方法人工合成出的材料，大致可分為無機合成材料和有機合成材料。本章介紹的合成高分子材料屬于有機合成材料。

第一節(jié)高分子的結(jié)構(gòu)和特性1高分子

由一千個以上原子通過共價鍵結(jié)合形成，分子量可達幾萬至幾百萬，這類分子稱為高分子，或稱高分子化合物。天然高分子：淀粉、纖維素、棉、麻、絲、毛；蛋白質(zhì)、糖類、核酸

合成高分子：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺(尼龍)

聚乙烯

通常把乙烯分子稱為單體，單體經(jīng)聚合后得到的聚乙烯分子稱為聚合物，或稱高聚物。聚乙烯分子中有一個重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元[-CH2-CH2-]稱為鏈節(jié)，n稱為聚合度，也就是聚乙烯分子中所含鏈節(jié)的數(shù)目。

2高分子的原料和合成方法原料：淀粉類如薯類、植物種子、橡子等;煤；石油

具體的合成方法有加成聚合、縮合聚合和共聚合等

①加成聚合反應(yīng)

加聚反應(yīng)后除了生成聚合物外，再沒有任何其他產(chǎn)物生成，聚合物中包含了單體中全部原子，如聚乙烯、聚氯乙烯。

加成聚合的方式聚氯乙烯分子進行加成聚合反應(yīng)時，可能產(chǎn)生三種情況：頭—頭、尾—尾連接；頭—尾連接；混亂無序連接，如圖所示。(a)

頭—頭、尾—尾連接

(b)

頭—尾連接(c)

無規(guī)則連接在工業(yè)上利用加成聚合反應(yīng)生產(chǎn)的合成高分子約占合成高分子總量的80％，最重要的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等。

②縮合聚合反應(yīng)

含有雙官能團或多官能團的單體分子，通過分子間官能團的縮合反應(yīng)把單體分子聚合起來，同時生成水、醇、氨等小分子化合物，稱為縮合聚合反應(yīng)，簡稱縮聚反應(yīng)。

尼龍-66又稱聚酰胺。用己二胺和己二酸作為單體，這兩種單體分子之間通過脫水縮合，最終形成長鏈狀大分子聚合物，它的商品名稱叫尼龍-66或錦綸-66。

“的確良”是對苯二甲酸和乙二醇脫水縮合聚合而成的聚酯纖維高分子，商品名稱也叫滌綸，它有挺括不皺、易洗易干等特點。

縮合聚合反應(yīng)在合成高分子工業(yè)上的重要性僅次于加聚反應(yīng)，常見的聚酰胺(尼龍)、聚酯(滌綸)、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂、聚碳酸酯等。

③共聚合反應(yīng)

將兩種或兩種以上不同的單體進行聚合，這種聚合物叫做共聚物。共聚物中單體單元的結(jié)構(gòu)、數(shù)量和排列方式會影響共聚物的物理性能。例如聚丙烯腈(腈綸)性如羊毛，但著色性差，若用1％的丙烯基磺酸鈉與之共聚合后，腈綸纖維就可染成各種顏色。又如將丙烯腈(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(S)進行共聚合制得的ABS樹脂，是一種綜合性能極好的三元共聚物。

3合成高分子的結(jié)構(gòu)、特性和命名

結(jié)構(gòu):線型長鏈狀不帶支鏈的、帶支鏈的和體型網(wǎng)狀的.線型高分子可呈蜷曲、彎折或呈螺旋狀，加熱可熔化，也可溶于有機溶劑，易于結(jié)晶，合成纖維和大多數(shù)塑料都是線型高分子。支鏈高分子在很多性能上與線型高分子相似，但支鏈的存在使高分子的密度減小，結(jié)晶能力降低。體型高分子具有不熔不溶、耐熱性高和剛性好的特點，適用作工程和結(jié)構(gòu)材料。

高分子特點熱塑性、熱固性、耐磨性、絕緣性、相對密度小、比強度高等特殊的性能。相對密度在1～2之間，聚丙烯塑料，相對密度只有0.91；泡沫塑料的相對密度只有0.01。高分子材料相對密度小，但強度高，有的工程塑料的強度超過鋼鐵和其他金屬材料。例如玻璃鋼的強度比合金鋼大1.7倍，比鋁大1．5倍，比鈦鋼大l倍。高分子中存在強大的分子間作用力是高分子材料具有高強度的主要原因。

高分子化合物的化學(xué)反應(yīng)性能較差，對化學(xué)試劑顯得比較穩(wěn)定。高分子具有耐酸、耐腐蝕等特性，著名的“塑料王”聚四氟乙烯，其耐酸程度遠超過金。聚四氟乙烯是優(yōu)異的耐酸、耐腐蝕材料。高分子中的分子鏈是原子以共價鍵結(jié)合起來的，分子既不能電離，也不能在結(jié)構(gòu)中傳遞電子，所以高分子具有絕緣性，電線的包皮、電插座等都是用塑料制成。此外，高分子可以抗輻射。

合成高分子的命名，一種是在單體前加“聚”宇，如聚乙烯聚氯乙烯等；另一種是在簡化的單體名稱后面加“樹脂”二字，如酚醛樹脂，它是由甲醛和苯酚縮聚得到的，又如脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。

第二節(jié)合成高分子材料

1塑料

塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。若將塑料按性能和用途來分類，可分為通用塑料、工程塑料、特種塑料和增強塑料。通用塑料產(chǎn)量大、用途廣、價格低，其中聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯約占全部塑料產(chǎn)量的80％，尤以聚乙烯的產(chǎn)量最大。

①聚乙烯

低壓聚乙烯適合做強度、硬度較高的塑料制品，如桶、瓶、管、棒等。

高壓聚乙烯，又稱低密度聚乙烯。適合做食品包裝袋、奶瓶等軟塑料制品。②工程塑料

可作為工程材料和代替金屬用的塑料。主要有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS塑料等

如聚甲醛的力學(xué)、機械性能與銅、鋅相似，用它做汽車上的軸承，使用壽命比金屬的長一倍。又如聚碳酸酯，它不但可代替某些金屬，還可代替玻璃、木材和合金等，做各種儀器的外殼、自行車車架、飛機的擋風(fēng)玻璃等。

③特種塑料

是指在高溫、高腐蝕或高輻射等特殊條件下使用的塑料，它們主要用在尖端技術(shù)設(shè)備上。例如聚四氟乙烯具有優(yōu)異的絕緣性能，抗腐蝕性特別好，能耐高溫和低溫，可在-200～250C范圍內(nèi)長期使用，在宇航、冷凍、化工、電器、醫(yī)療器械等工業(yè)部門都有廣泛的應(yīng)用。

2合成纖維

合成纖維是由合成高分子為原料，通過拉絲工藝獲得纖維。合成纖維的品種很多，最重要的品種是聚酯(滌綸)、聚酰胺(尼龍、錦綸)、聚丙烯腈(腈綸)，它們占世界合成纖維總產(chǎn)量的90％以上。此外還有聚乙烯醇縮甲醛(維綸)、聚丙烯(丙綸)、聚氯乙烯(氯綸)等。

①聚酯纖維

商品名滌綸，又叫的確良。主要用于織衣料，也可做運輸帶、纜繩等。滌綸的分子鏈結(jié)構(gòu)中含有酯基(COOR)，這類剛性基團的存在，使分子排列規(guī)整、緊密，結(jié)晶度較高，不易變形，受力形變后也易恢復(fù)，這是滌綸抗皺性好的原因。

②聚酰胺纖維

商品名尼龍，也叫錦綸；最常見的是尼龍-6和尼龍—66。尼龍主要用于制做漁網(wǎng)、降落傘、絲襪及針織內(nèi)衣等。尼龍織物的特點是強度大，彈性好，耐磨性好。這些優(yōu)越的性能是由結(jié)構(gòu)決定的。聚酰胺分子鏈中存在酰胺基(CONH2)，分子鏈之間通過氫鍵的作用，使分子鏈之間的作用力大為加強，保證了織物的強度。

3合成橡膠

橡膠分天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠的基本組成是異戊二烯。人們用異戊二烯作為單體進行聚合反應(yīng)，得到了合成橡膠，稱為異戊橡膠。丁二烯來源豐富，以丁二烯為基礎(chǔ)開發(fā)了一系列合成橡膠。如順丁橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠等。世界橡膠產(chǎn)量中，天然橡膠僅占15％左右，其余都是合成橡膠。

合成橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。通用橡膠用量較大，例如丁苯橡膠占合成橡膠產(chǎn)量的60％；其次是順丁橡膠，占15％；此外還有異戊橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠等，它們都屬通用橡膠。特種橡膠是在特殊條件下使用的橡膠，它們有特殊的性質(zhì)，如硅橡膠是以硅氧原于取代主鏈中的碳原子形成的一種特種橡膠，它柔軟、光滑，能耐高溫，可承受高溫消毒而不變形。

許多合成橡膠是線型高分子，具有可塑性，但強度低，回彈力差，易產(chǎn)生永久變形。加入硫磺與橡膠分子作用，可使橡膠硫化。硫的作用是使線型橡膠分子之間形成硫橋而交聯(lián)起來，轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，使橡膠失去塑性，同時獲得高彈性。

第三節(jié)新型高分子材料

在合成高分子的主鏈或支鏈上接上帶有顯示某種功能的官能團，使高分子具有特殊的功能，滿足光、電、磁、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的功能要求，這類高分子通稱為功能高分子。它將成為合成高分子材料中很有發(fā)展前途的一個分支。已知的功能高分子的品種和分類如下。

①導(dǎo)電高分子

70年代人們合成了聚乙炔，發(fā)現(xiàn)它有導(dǎo)電性能。乙炔分子中碳與碳以叁鍵結(jié)合，單體經(jīng)加聚聚合后得到聚乙炔，這是一種雙鍵、單鍵間隔連接的線型高分子，分子中存在共軛鍵體系，電子可以在整個共軛體系中自由流動，因此可以導(dǎo)電。隨后，又發(fā)現(xiàn)聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、等都具有導(dǎo)電性，導(dǎo)電高分子材料引起人們的重視。用導(dǎo)電塑料做成的塑料電池已進人市場，硬幣大小的電池，一個電極是金屬鋰，另一個電極是聚苯胺導(dǎo)電塑料，電池可多次重復(fù)充電使用，工作壽命長。

②醫(yī)用高分子

高分子材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上已有40多年歷史。目前已知可用于制做人造器官的合成高分子材料有：尼龍、環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡膠、聚氨酯、聚碳酸酯等。除了腦、胃和部分內(nèi)分泌器官外，人體中幾乎所有器官都可用高分子材料制造。

③可降解高分子

包裝食品的塑料袋和泡沫塑料飯盒用可降解高分子材料來做，那末廢棄的塑料將在一定條件下自行分解成為粉末。

目前己提出生物降解、化學(xué)降解和光照降解等三種方法，并合成了生物降解塑料、化學(xué)降解塑料和光照降解塑料，這類可降解高分子將在解決環(huán)境污染方面起到重要的作用。

④高吸水性高分子

高吸水性高分子吸收超過自重幾百倍甚至上千倍的水，體積雖然膨脹，但加壓卻擠不出水來。這類奇特的高分子材料可用淀粉、纖維素等天然高分子與丙烯酸、苯乙烯磺酸進行接枝共聚得到，或用聚乙烯醇與聚丙烯酸鹽交聯(lián)得到。高吸水性高分子的吸水機制尚不清楚，可能與高分子交聯(lián)后結(jié)構(gòu)中立體網(wǎng)絡(luò)擴充有關(guān)。

第四節(jié)復(fù)合材料

前面介紹的合成高分子材料、金屬材料和無機非金屬材料各有其長處和短處，如果將這三類不同的材料通過復(fù)合工藝組合成為新的復(fù)合材料，它既能保持原來材料的長處，又能彌補短處。

例如金屬材料易腐蝕，合成高分子材料易老化、不耐高溫，陶瓷材料易碎裂等缺點二都可以通過復(fù)合的方法予以改善和克服。因此復(fù)合材料是在三大材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新材料。

高分子(塑料、樹脂)、金屬、陶瓷等材料都可以作為基體，摻入增強體后便成為復(fù)合材料。若按增強體的形狀分類，復(fù)合材料可分為：顆粒增強復(fù)合材料、夾層增強復(fù)合材料和纖維增強復(fù)合材料。目前發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的是纖維增強復(fù)合材料，若按基體分類，也可分為三類：樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。

1纖維增強樹脂基復(fù)合材料

①玻璃鋼它是由玻璃纖維與聚酯類樹脂復(fù)合而成的材料。將玻璃熔化并以極快的速度拉成細絲，這種玻璃纖維異常柔軟，可以紡織。玻璃纖維的強度很高，比天然纖維或化學(xué)纖維高出5-30倍。在制造玻璃鋼時，可將直徑為5-10m的玻璃纖維制成紗、帶材或織物加到樹脂中，也可以把玻璃纖維切成短纖維加入基體。玻璃鋼具有優(yōu)良的性能，它的強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗沖擊、絕緣性好。增強體除了用普通玻璃外，還可以根據(jù)具體用途調(diào)整玻璃成分，制取耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、高強度和高模量的玻璃纖維。玻璃鋼已經(jīng)廣泛用于飛機、汽車、船舶、建筑和家具等行業(yè)。

②碳纖維增強塑料

目前制備碳纖維的方法是將聚丙烯腈合成纖維在200—300C的空氣中加熱使其氧化，然后，在1000—1500C的惰性氣體中碳化，即可得到強度很高的碳纖維。用瀝青為原料也可制成碳纖維，成本比用聚丙烯腈降低約50％。碳纖維原料來源廣、成本低、性能好，是很有發(fā)展前途的增強材料。

碳纖維增強塑料可以根據(jù)使用溫度的不同選擇不同的樹脂基體。如環(huán)氧樹脂使用溫度為150～200C；聚雙馬來酰亞胺為200～250C；而聚酰亞胺在300℃以上。這類熱固性樹脂的碳纖維復(fù)合材料較多應(yīng)用于制造航天飛行器外殼或火箭噴管的耐燒蝕材料中。新一代的運動器材如羽毛球拍、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、滑雪杖、滑雪板、撐桿、弓箭等都采用碳纖維增強塑料來做，為運動員創(chuàng)造世界記錄做出了貢獻。

2纖維增強金屬基復(fù)合材料

樹脂基復(fù)合材料的耐熱性低，一般不超過300℃，且不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性也較差，這就限制了它們在某些條件下的使用。而金屬基復(fù)合材料恰好在這些方面具有優(yōu)勢，成為各國竟相發(fā)展的新材料。

主要使用硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維?；w金屬用得較多的是鋁、鎂、鈦及某些合金。

碳纖維是金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的增強材料。碳纖維增強鋁具有耐高溫、耐熱疲勞、耐紫外線和耐潮濕等性能，適合于在航空、航天領(lǐng)域中做飛機的結(jié)構(gòu)材料。硼纖維增強鋁也用于空間技術(shù)和軍事方面。碳化硅纖維增強鋁比鋁輕10％，強度高10％，剛性高一倍，具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性和高溫抗氧化性。它們主要用于汽車工業(yè)和飛機制造業(yè)。用碳化硅纖維增強鈦做成的板材和管材已用來制造飛機垂尾、導(dǎo)彈殼體和空間部件。

3纖維增強陶瓷基復(fù)合材料

隨著對高溫高強材料的要求愈來愈高，人們轉(zhuǎn)向研制陶瓷基復(fù)合材料?；w陶瓷大體有Al