高分子材料及其性質(zhì)天鼎豐非織造布有限公司培訓(xùn)報告

高分子材料及其性質(zhì)

報告人：郭云力

SDU

天鼎豐為綠色為健康天鼎豐非織造布有限公司培訓(xùn)報告1材料分類金屬材料鋼鐵、鋁合金、銅線無機非金屬材料玻璃、陶瓷、水泥、礦石高分子塑料、橡膠、化纖復(fù)合材料玻璃鋼、釣魚竿、碳纖維自行車、胎基布

材料學(xué)主要研究材料的組成-結(jié)構(gòu)-工藝-性質(zhì)的關(guān)系，獲得所需使用性能。2什么是高分子（高聚物）？3高分子科學(xué)諾貝爾獎獲得者H.Staudinger（德國）:把“高分子”這個概念引進科學(xué)領(lǐng)域，并確立了高分子溶液的粘度與分子量之間的關(guān)系（1953年）K.Ziegler（德國）,G.Natta

（意大利）:乙烯、丙烯配位聚合（1963年）P.J.Flory

(美國）:聚合反應(yīng)原理、高分子物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系（1974年）。deGennes(法國)：軟物質(zhì)、液晶（1991年）。H.Shirakawa白川英樹(日本),AlanG.MacDiarmid(美國),AlanJ.Heeger(美國)：對導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展（2000年）。4高分子基本概念

高分子也叫聚合物、高聚物或大分子。其名字由來主要因為這種物質(zhì)具有很高的分子量。H2O、CH3CH2-OH主鏈由1共價鍵結(jié)合，具有2高的分子量，其結(jié)構(gòu)必須是由3多個重復(fù)單元所組成，并且這些重復(fù)單元實際上或概念上是由相應(yīng)的小分子（單體）衍生而來。概括的說，高分子是由許多相同的重復(fù)單元通過化學(xué)鍵連接而成的大分子。

聚氯乙烯5

高聚物的分子量有兩個特點，一是分子量很大，二是分子量多分散性。對于低分子化合物而言，每種分子都有確定的分子量，分子大小一樣，所以都有固定的分子量。而絕大多數(shù)高分子聚合物都是分子量不等的同系物的混合物。例如通常所說分子量10萬的聚乙烯，可能是由分子量2萬－20萬大小不同的聚乙烯分子組成的，這種現(xiàn)象稱為分子量的多分散性。高聚物材料是數(shù)量眾多的大分子鏈的聚集體，由于大分子鏈長短不同，每根大分子鏈的分子量也不同。高聚物的分子量用“平均分子量”表示，高聚物分子量不是一個確定值，而是一個數(shù)值范圍。高聚物重量W

分子量M高聚物分子量分布及重均分子量高聚物分子量的多分散性6分子可分割性：低分子物質(zhì)的分子不能用一般的機械方法把分子分開。如果把它分開，它就改變性質(zhì)（即分解）成另外的物質(zhì)。高分子則不然，因為它分子很大，一個分子量很大的分子用外力把它拉斷或切開，變成兩個分子后，高分子化合物的性質(zhì)一般沒有明顯的改變。高分子結(jié)構(gòu)的這種特征稱為可分割性。具有彈性：高分子化合物在外力作用下容易發(fā)生變形，當(dāng)外力解除，這種變形就可以恢復(fù)到原狀。具有可塑性：高分子化合物受熱以后先是經(jīng)過一個較長的軟化過程，而后才能變?yōu)榭闪鲃拥囊后w。這是高分子化合物具有可塑性的原因，例如聚酯切片螺桿機中融化才能噴絲紡絲。具有絕緣性：高分子化合物對電、熱、聲具有良好的絕緣性能?？扇夹裕焊叻肿硬牧蠟槭怯袡C物，主要由碳?xì)溲醯貥?gòu)成，大部分的高分子都能在空氣中燃燒。高分子材料的基本特點71）碳鏈聚合物：主鏈由碳原子一種元素組成2）雜鏈聚合物：主鏈除碳外，還有其它元素C1

109o28，ˊ

C2

C3C4碳鏈C—C鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)示意圖伸展鏈無規(guī)線團鏈折疊鏈螺旋鏈

單個大分子鏈的幾種構(gòu)象示意圖—C—C—C—C—C——O—Si—O—Si—O——C—C—S—C—C—高分子的構(gòu)象和柔性碳碳鍵可以內(nèi)旋使得高分子具有柔性，主鏈段可以在空間運動8高分子鏈的組成和構(gòu)造由于聚合反應(yīng)的復(fù)雜性，在合成聚合物的過程中，可以發(fā)生各種各樣的反應(yīng)形式，所以高分子鏈也會呈現(xiàn)出各種不同的形態(tài)。一般說來，高分子鏈的幾何形狀有以下三種：（1）線型高分子：由許多鏈節(jié)組成的長鏈，通常是卷曲成線團狀。這類高聚物的特點是彈性、塑性好、硬度低、熱塑性高聚物。此類材料加熱后軟化，冷卻后又硬化成型，隨溫度變化可以反復(fù)進行。聚乙烯、聚氯乙烯、滌綸等烯類聚合物都屬于典型的熱塑性高聚物。（2）支鏈型高分子在主鏈上帶有支鏈。這類高聚物的性能和加工都接近于線型高分子，也屬于熱塑性高聚物。（3）體型(網(wǎng)狀)高分子分子鏈之間有許多鏈節(jié)互相交聯(lián)，呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這類高聚物的硬度高、脆性大、無塑性，是熱固性高聚物。此類材料受熱發(fā)生化學(xué)變化而固化成型，成型后再受熱也不會軟化變形，如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。高分子鏈的幾何形狀9高分子空間結(jié)構(gòu)

線形高分子、支化高分子、交聯(lián)高分子是高聚物主要的三種空間結(jié)構(gòu)，如上圖所示。線性和枝化的高分子可以被溶解，交聯(lián)的高分子不能被溶解，交聯(lián)程度高的高分子也不能溶脹。熱固性塑料和硫化橡膠屬于交聯(lián)高分子。不能被溶解也不能溶脹。交聯(lián)程度決定高分子分為熱塑性和熱固性。熱固性和熱塑性高分子性質(zhì)差距很大。10熱塑性和熱固性高分子熱塑性：具有經(jīng)加熱到工藝溫度就可以塑造的特性，而且是具有可以多次加熱多次塑造的特性，稱為熱塑性。加熱時只發(fā)生物理變化，變成粘流態(tài)，冷卻凝固，過程可逆。熱固性高分子可再生、回收利用。熱塑性高分子剛度和強度較低，一般是線性和枝化結(jié)構(gòu)。

本質(zhì)區(qū)別是：熱塑性塑料在受熱成型過程中是不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的，熱固性塑料在受熱或固化劑的作用下發(fā)生化聯(lián)反應(yīng)，是化學(xué)反應(yīng)。熱塑性受熱只是物理變化。另外一個依據(jù)是再次加熱是否會熔化。公司的纖維都是熱塑性纖維，滌綸長絲是從切片加熱融化后紡絲加工而成，是一種典型的熱塑性纖維，PPS也是熱塑性高分子。熱固性：

經(jīng)加熱到工藝溫度或者常溫就可以塑造、交聯(lián)固化，冷卻后就是成品，而且是不具備再加熱再塑造的特性，稱為熱固性。加熱時發(fā)生化學(xué)變化，不可逆，不可再生的。熱固性高分子具有很高的強度和剛度，是三維網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)。11

伴隨溫度的升高，聚合物要經(jīng)理三個階段，玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。玻璃態(tài)就是我們常見的硬塑料，高彈態(tài)就是橡膠制品，粘流態(tài)就是液態(tài)的樹脂，膠水也屬于粘流態(tài)。Tg：玻璃化溫度，玻璃態(tài)的最高溫度，高彈態(tài)的最低溫度。高彈態(tài)又叫橡膠態(tài)。從工藝上：Tg是塑料使用的上限溫度

Tg是橡膠的使用下限溫度，上限溫度是T學(xué)科上：Tg是衡量聚合物鏈柔性高低的表征溫度。Tg越小，鏈的柔性越好當(dāng)溫度高于非晶態(tài)聚合物的Tf、晶態(tài)聚合物的Tm時，聚合物變?yōu)榭闪鲃拥恼沉鲬B(tài)或稱熔融態(tài)。熱塑性聚合物的加工成型大多是利用其熔體的流動性能。高聚物三態(tài)12材料力學(xué)性能的指標(biāo)圖一般材料的力學(xué)性能檢測指標(biāo)13強力（拉力）和強度力：力是物體對物體的作用，力不能脫離物體而單獨存在。兩個不直接接觸的物體之間也可能產(chǎn)生力，例如引力，重力等，力單位牛頓，N，用字母F表示應(yīng)力：物體由于外因（受力、濕度、溫度場變化等）而變形時，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用。應(yīng)力是單位面積所承受的力，單位帕斯卡，Pa用σ表示Pa=N/m2應(yīng)力(σ)等于力(F)比上受力面積(S)：

σ=F/S應(yīng)變：物體在受到外力作用下會產(chǎn)生一定的變形，變形的程度稱應(yīng)變。應(yīng)變是一個長度的改變量與原始長度的比值，沒有單位，用ε表示ε=ΔL/L0

拉伸試驗得到的是力和位移，通過變化得到的其實就是應(yīng)力和應(yīng)變，曲線斜率就是剛度和模量的另一種表達方式

強度和強力不是同一物理概念，強度是一個材料承受應(yīng)力的程度單位是Pa強力是一個力的大小概念，單位是N。兩者單位不同，不要混淆。

纖維直徑越大，單絲的強力越大，強度卻越低。（材料缺陷理論）14

應(yīng)力-應(yīng)變圖拉伸曲線（a）無塑性變形的脆性材料（例如鑄鐵）；（b）有明顯屈服點的延性材料（例如低碳鋼）；（c）沒有明顯屈服點的延性材料（例如純鋁、塑料）。圖中的σ—ε曲線上，OA段為彈性階段，在此階段，如卸去載荷，試樣伸長量消失，試樣恢復(fù)原狀。材料的這種不產(chǎn)生永久殘余變形的能力稱為彈性。A點對應(yīng)的應(yīng)力值稱為彈性極限。

材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值E=σ/εE稱為彈性模量，代表材料抵抗彈性變形的能力，表示材料的剛度。彈性和剛度15

玻璃態(tài)聚合物被拉伸時，典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如右圖：在曲線上有一個應(yīng)力出現(xiàn)極大值的轉(zhuǎn)折點B，叫屈服點，對應(yīng)的應(yīng)力稱屈服應(yīng)力（y

）；xB應(yīng)變應(yīng)力ebby玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在屈服點之前，應(yīng)力與應(yīng)變基本成正比（虎克彈性），經(jīng)過屈服點后，即使應(yīng)力不再增大，但應(yīng)變?nèi)员３忠欢ǖ纳扉L；當(dāng)材料繼續(xù)被拉伸時，將發(fā)生斷裂，材料發(fā)生斷裂時的應(yīng)力稱斷裂應(yīng)力（b

），相應(yīng)的應(yīng)變稱為斷裂伸長率（eb）。材料破壞有二種方式，可從拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀和破壞是斷面形狀來區(qū)分：脆性破壞:①試樣在出現(xiàn)屈服點之前斷裂

②斷裂表面光滑韌性破壞:①試樣在拉伸過程中有明顯屈服點和頸縮現(xiàn)象

②短裂表面粗糙16聚合物的力學(xué)屈服某規(guī)格胎基布的拉伸曲線ABCD無屈服點AB階段為彈性階段伸長量大約5mm可恢復(fù)B點以后開始塑性形變不可恢復(fù)AB階段剛度大于BC階段大于CD階段B點淀粉膠開始破壞C點滌綸纖維開始破壞D點為斷裂點，對應(yīng)最斷裂伸長率。17相對分子質(zhì)量較小的物質(zhì)相對分子質(zhì)量高達幾萬、幾百萬的高分子聚合反應(yīng)高分子合成nCH2=CH2

[CH2

CH2

]n

(聚乙烯)單體鏈節(jié)聚合度兩種聚合方式：加聚和縮聚加聚：A+B=AB無其他產(chǎn)物生產(chǎn)100%轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物縮聚：A+B=C+D有小分子產(chǎn)生不能完全轉(zhuǎn)化18定義：不飽和單體（含不飽和鍵雙鍵和三鍵）間通過加成反應(yīng)相互結(jié)合生成高分子化合物的反應(yīng)條件：不飽和單體（含C＝C、C≡C、C＝O等）特點：無小分子生成，所生成的高分子的式量是單體式量的整數(shù)倍，高分子與單體具有相同的元素質(zhì)量組成1、加聚反應(yīng)單體鏈節(jié)聚合度形成高分子化合物的小分子物質(zhì)高分子化合物中不斷重復(fù)的基本單元形成高分子化合物鏈節(jié)的數(shù)目nCH2

＝CH2催化劑〔CH2

－CH2

〕n

19定義：單體分子間脫去小分子而相互結(jié)合生成高分子化合物的反應(yīng)。條件：一般來說其單體必須至少有兩個官能團。例如：HO-CH2-COOH、H2N-CH2-COOH、HOOC－COOH、HO-CH2CH2-OH等等特點：有小分子生成，產(chǎn)物質(zhì)量有損失2、縮聚反應(yīng)苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）為原料縮聚反應(yīng)而制得的高聚物—聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），又稱滌綸2021材料受外力作用時的形變行為：1、理想的彈性固體服從虎克定律形變與時間無關(guān)瞬間形變，瞬間恢復(fù)2、理想的粘性液體服從牛頓粘性定律形變與時間成線性關(guān)系3、高分子的形變行為是與時間有關(guān)的彈性和粘性的組合22粘彈性：外力作用下，高聚物材料的形變性質(zhì)兼具固體的彈性和液體粘性的特征，其現(xiàn)象表現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)隨時間而變化的力學(xué)松弛現(xiàn)象。所以高聚物常稱為粘彈性材料。高聚物的粘彈性蠕變應(yīng)力松弛滯后力學(xué)損耗靜態(tài)粘彈性動態(tài)粘彈性高聚物的粘彈性

靜態(tài)粘彈性-蠕變

在恒溫下施加一定的恒定外力時，材料的形變隨時間而逐漸增大的力學(xué)現(xiàn)象。蠕變的意義：高聚物蠕變性能反映了材料的尺寸穩(wěn)定性和長期負(fù)載能力。例如：軟質(zhì)PVC絲鉤一定的法碼，該絲會慢慢伸長23

公司做的熱伸長實驗本質(zhì)是一個蠕變性實驗（時溫等效原理），用來檢測材料負(fù)載后的尺寸的穩(wěn)定性。

靜態(tài)粘彈性-應(yīng)力松弛

在恒溫下保持一定的恒定應(yīng)變時，材料的應(yīng)力隨時間而逐漸減小的力學(xué)現(xiàn)象。應(yīng)力松馳的原因：鏈段熱運動，纏結(jié)點散開，分子鏈相互滑移，內(nèi)應(yīng)力逐漸消除。交聯(lián)聚合物不產(chǎn)生質(zhì)心運動，只能松馳到平衡值。高分子鏈的構(gòu)象重排和分子鏈滑移是導(dǎo)致材料蠕變和應(yīng)力松弛的根本原因。例如：拉伸一塊未交聯(lián)的橡膠，至一定長度，保持長度不變，隨時間的增加，內(nèi)應(yīng)力慢慢減小至零。24定義：材料在交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變的變化落后于應(yīng)力的變化的現(xiàn)象

例如：汽車速度60公里/小時，輪胎某處受300次/分的周期應(yīng)力作用。動態(tài)粘彈性-滯后現(xiàn)象ε(t)wtσ(t)σ025產(chǎn)生滯后的原因：外力作用時，鏈段運動要受到內(nèi)摩擦阻力的作用，外力變化時鏈段運動跟不上外力的變化，ε落后于σ。

聚合物在交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，而使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿默F(xiàn)象

內(nèi)耗的情況可以從橡膠拉伸—回縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線上看出ε1

ε0

ε2σεσ0回縮拉伸硫化橡膠拉伸—回縮應(yīng)力應(yīng)變曲線26拉伸曲線下面積為外力對橡膠所作的拉伸功回縮曲線下面積為橡膠對外力所作的回縮功面積之差損耗的功動態(tài)粘彈性-內(nèi)力損耗內(nèi)力損耗使高聚物吸收機械能發(fā)熱，具有吸音降噪和阻尼性能27

滌綸是合成纖維中的一個重要品種，是我國聚酯纖維的商品名稱。它是以精對苯二甲酸（PTA）或?qū)Ρ蕉姿岫柞ィ―MT）和乙二醇（EG）為原料經(jīng)酯化或酯交換和縮聚反應(yīng)而制得的成纖高聚物——聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），經(jīng)紡絲和后處理制成的纖維。中國俗稱“的確良”，大量用于制造衣著面料和工業(yè)制品，滌綸是世界產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的合成纖維品種，滌綸占世界合成纖維產(chǎn)量的60%以上。

滌綸具有酯基和苯環(huán)，使大分子的柔曲性和吸濕能力較差。強度為35.2～52.8cN/tex，伸長率為30%～40%。滌綸密度1.39g/cm3左右，染色性差，耐熱性好，但是電阻大，易起靜電。滌綸纖維28PPS分子鏈?zhǔn)怯杀江h(huán)經(jīng)對位硫原子交替連接構(gòu)成，分子結(jié)構(gòu)中含有剛性、耐熱性的亞苯基及柔性耐熱性的硫醚鍵，且苯環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)由柔性的硫醚鍵連接起來，故纖維比起常規(guī)纖維具有更優(yōu)良的耐熱性和熱穩(wěn)定性。PPS在高溫下具有優(yōu)良的強度、剛性及耐疲勞性，可在200-240℃下連續(xù)使用，在低于400℃的空氣或氮氣中較穩(wěn)定，基本無重量損失。其耐化學(xué)腐蝕性與號稱“塑料之王”的聚四氟乙烯（PTFE）相近，能抵抗酸、堿、氯烴、烴類、酮、醇、醋等化學(xué)品的侵蝕，在200℃下不溶于任何化學(xué)溶劑。PPS具有優(yōu)異的阻燃性能，限氧指數(shù)（LOI）為34%，在火焰上能燃燒，但不會滴落，且離火自熄，發(fā)煙率低于鹵化聚合物。PPS無親水基，故吸水率很低在0.4%以下，容易起靜電。PPS聚苯硫醚29芳綸纖維

芳綸全稱為“聚對苯二甲酰對（間）苯二胺”,（帝人芳綸的商品名為Twaron

，杜邦公司的商品名為Kevlar），是一種新型高科技合成纖維，，具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能,其強度是鋼絲的5～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，在560度的溫度下，不分解，不融化。它具有良好的絕緣性和抗老化性能，具有很長的生命周期。廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、防彈制品、建材、特種防護服裝、電子設(shè)備等領(lǐng)域。芳綸主要分為兩種，對位芳酰胺纖維（PPTA）和間位芳酰胺纖維（PMIA），一般情況下，對位芳綸性能優(yōu)于間位芳綸纖維。芳綸纖維價格比PPS貴很多。芳綸纖維主要特點是高強度、高剛度、熱穩(wěn)定性和阻燃性。30一般無紡布微觀形貌

一般無紡布外觀看起來為纖維雜亂纏結(jié)的聚集體，看到到少了針刺孔（水刺等），因為非織造布纖維不規(guī)則，不致密。一般短纖無紡布直徑10-30μm靜電紡納米無紡布

兩圖為兩種無紡布的掃描電鏡的照片，從微觀形貌看，由于吸納為并非致密的組合在以前，所以無紡布具有較大空隙和氣孔率，才體現(xiàn)為透氣性和透水性，這也是非織造布用于過濾行業(yè)的主要原因。31提高非織造布的發(fā)展方向多功能化和環(huán)境友好性是非織造布發(fā)展的兩個主要技術(shù)方向?？萍己繒絹碓礁撸瑧?yīng)用領(lǐng)域行航空航天、交通設(shè)備、醫(yī)學(xué)等高附加值領(lǐng)域發(fā)展?？频聦氶_發(fā)出全球第一款有100%可生物降解的滌綸纖維非織造襯布，這種襯布的可降解性使得其在未來交通工具內(nèi)飾，生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有極大的競爭優(yōu)勢

32誤差誤差：測量值與真實值之間的