高分子材料分析

教師課時計劃1課日期題教學(xué)3、了解對材料進行分析與性能測試的目的，初步掌握分析與性能測試目的內(nèi)容，了解其測試過程的4、了解行業(yè)相關(guān)標準重點重點：橡塑材料的定義、分類及特點與難點：分析測試的內(nèi)容難點教具:內(nèi)容及教授方教具: (分)新課橡塑工業(yè)的發(fā)展，橡塑材料分析與性能測試，標準小結(jié)作業(yè)55導(dǎo)言：《高分子材料分析與測試》課程是我院高分子材料加工技術(shù)專業(yè)的主干課程之一，是學(xué)生在學(xué)習了基礎(chǔ)課如基礎(chǔ)化學(xué)、高分子化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上安排的。我們?yōu)榱吮碚餍阅芘c組成、結(jié)構(gòu)和加工參數(shù)之間的關(guān)系，分析測試技術(shù)將起到唯一的決定作用；并為評定材料質(zhì)量，改進產(chǎn)品性能和研制新材料提供依據(jù)。所以說對同學(xué)們而言，學(xué)好這門課程無論是就業(yè)還是升學(xué)深造都是非常必要的。本課程教學(xué)一學(xué)希望我們密切配合，圓滿完成本學(xué)期的教學(xué)和學(xué)習任務(wù)。正文：一、橡塑工業(yè)的發(fā)展橡膠和塑料都是現(xiàn)代國民經(jīng)濟與科技領(lǐng)域中不可缺少的高分子材料，用途十分航天等各個領(lǐng)域的技術(shù)要求。橡膠、塑料工業(yè)的發(fā)展都是伴隨著高分子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展而興起的年輕工業(yè)。同特點就是發(fā)展速度都相當快?？v觀橡塑工業(yè)的發(fā)展史，大致可分為兩個不同的發(fā)展階段，即天然高分子時期與合成高分子時期。1、天然高分子的研究和利用時期1826年開放式煉膠機t世界上第一臺橡膠工業(yè)加工設(shè)備20世紀初以前，高分子科學(xué)和技術(shù)的主要任務(wù)還是從事對天然橡膠和天然纖維的研究和利用。所以將這一時期稱為天然高分子時期。2、合成高分子發(fā)展與應(yīng)用時期1907年酚醛樹脂t人類進入了合成高分子時代。工程塑料及特殊高分子材料60~70年代開發(fā)出熱塑性彈性體(TPE)、耐熱高分子70年代開始對高分子聚合物進行改性近年來高分子材料的分子設(shè)計發(fā)展迅速；高性能復(fù)合材料從軍用向民用拓展。3、高分子材料的發(fā)展趨勢未來的高分子材料的科學(xué)發(fā)展可以概況為高性能化、功能化、復(fù)合化。(1)高性能化：指的是開發(fā)具有高強度、高耐熱性、高模量、高耐光性、高電絕緣性、高耐腐蝕性的高聚物材料。(2)功能化：功能高分子材料研究的新領(lǐng)域是注意研究具有光、電、磁等功能高分子材料產(chǎn)生各種功能的原理，注意研究生物高分子的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，尤其智能高分子材料將是功能高分子的一個新生長點。(3)復(fù)合化：近30年來，科技發(fā)展迅速，特別是尖端科技的突飛猛進對材料的性能越來越高、越來越嚴和越來越多的要求。在許多方面，傳統(tǒng)的單一材料已經(jīng)料、橡膠、纖維、金屬、陶瓷等各自的優(yōu)點，可以按需要設(shè)計、復(fù)合而成為綜合性能優(yōu)異的新型材料。所以，我們說未來的材料科學(xué)發(fā)展必然走向復(fù)合化。比如說現(xiàn)在發(fā)展迅猛的木塑材料(wood-plasticcomposite，WPC)就是一種典耐酸堿、防水防蟲、環(huán)保，既可以像木材一樣釘、鉆、刨、鋸、膠合和油漆，也可像熱塑性塑料一樣成型加工和表面裝飾印刷，一般來說，木塑復(fù)合材料的硬度較未處理的木材高2~8倍，耐磨性高4~5倍，甚至比大理石還高。而各種添加劑的應(yīng)用，又賦予它許多特殊的性能，比如向木塑復(fù)合材料的原料中加入發(fā)泡劑進行發(fā)泡擠出，可以降低產(chǎn)品密度，提高其韌性和抗沖擊性能；在制品中加入玻纖，可使制經(jīng)濟政策，而且原料廉價豐富，在減少環(huán)境污染、保護森林資源、促進經(jīng)濟發(fā)展方塑復(fù)合材料已進行了大量的研究，近年來國內(nèi)對它的研究也日益增多。同時它的生產(chǎn)和應(yīng)用也得到了迅速增加，北美和歐洲2002年消費的木塑復(fù)合材料達到68萬t；速度增長，遠遠高于同期塑料工業(yè)的總體增長率。二、橡塑材料(一)塑料料就以電氣材料為起點而發(fā)展起來。隨著后來石油化學(xué)工業(yè)的建立和發(fā)展，塑料材料進展更是突飛猛進。如今不論是在人們的日常生活中，或是在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，到處都會感覺到塑料所處的顯要位置。假如沒有塑料材料，很難設(shè)想現(xiàn)代化的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、通訊等行業(yè)以及人類的生活質(zhì)量會達到今天的水平。盡管今天塑料已成為隨處可見的材料，然而要對其確切定義卻是困難的。我國在1980年的國家標準(GT2035-80)對“塑料”是這樣定義的：“以樹脂(有時用單體在加工過程中直接聚合)為主要成分，一般含有添加劑，在加工過程中能流動成國標(GB/T2035-1996)對“塑料”重新做了定義：“以高聚物為主要成分，并在加工型加工方法都在接近和互相滲透，而且其性能也正通過共混和共聚取得相互補充。因此從發(fā)展趨勢來看，它們之間的界線不是越來越清晰，而是日漸模糊。下面我們簡單說一下合成樹脂和塑料的區(qū)別(合成樹脂這個詞我們經(jīng)常能看到)，塑料和合成樹脂的主要區(qū)別是合成樹脂為純的聚合物，而塑料則是以樹脂以主要成分，在添加一些助劑得到的聚合物制品，那么當塑料由純樹脂制成時兩個概念塑料的分類體系比較復(fù)雜，各種分類方法也有所交叉，按常規(guī)分類主要有以下(1)按使用特性分類鈣塑增強塑料品如鈣塑板，它是以高壓聚乙烯為基材，加入大量輕質(zhì)碳酸鈣熱壓、發(fā)泡等工藝過程制成。這種板材輕潮。主要用于吊頂面根據(jù)名種塑料不同的使用特性，通常將塑料分為通用塑料、工程塑料和特種塑①通用塑料一般是指產(chǎn)量大、用途廣、成型性好、價格便宜的塑料，通用塑料有五大品種，即聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABS。它們都是熱塑性塑料。②工程塑料一般指能承受一定外力作用，具有良好的機械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩(wěn)定性較好，可以用作工程結(jié)構(gòu)的塑料，如聚酰胺、聚砜等。在工程塑料中又將其分為通用工程塑料和特種工程塑料兩大類。熱塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。特種工程塑料又有交聯(lián)型的非交聯(lián)型之分。交聯(lián)型：耐熱環(huán)氧樹脂、聚氨基雙馬來酰胺、交聯(lián)聚酰亞胺等。非交聯(lián)型：聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚醚醚酮(PEEK)等。③特種塑料一般是指具有特種功能，可用于航空、航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域的塑料。如氟塑料高緩沖性等特殊性能，這些塑料都屬于特種塑料的范疇。a、增強塑料增強塑料原料在外形上可分為粒狀(如鈣塑增強塑料)、纖維狀 (如玻璃纖維或玻璃布增強塑料)、片狀(如云母增強塑料)三種。按材質(zhì)可分為布基增強塑料(如碎布增強或石棉增強塑料)、無機礦物填充塑料(如石英或云母填充塑料)、纖維增強塑料(如碳纖維增強塑料)三種。塑料沒有柔韌性，壓縮硬度很大，只有達到一定應(yīng)力值才產(chǎn)生變形，應(yīng)力解除后不能恢復(fù)原狀；軟質(zhì)泡沫塑料富有柔韌性，壓縮硬度很小，很容易變形，應(yīng)力解除后能恢復(fù)原狀，殘余變形較??；半硬質(zhì)泡沫塑料的柔韌性和其他性能介于硬質(zhì)他軟質(zhì)(2)按理化特性分類根據(jù)各種塑料不同的理化特性，可以把塑料分為熱固性塑料和熱塑料性塑料兩①熱固性塑料熱固性塑料是指在經(jīng)加熱固化成型后，再受熱不能溶化或溶化的塑料，像雞蛋那樣一次加熱硬化，其樹脂分子由線型結(jié)構(gòu)交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，再加強熱則會分解破壞。典型的熱固性塑料有酚醛、環(huán)氧、氨基、不飽和聚酯、呋喃、聚硅醚等材料，優(yōu)點。缺點是機械強度一般不高，但可以通過添加填料，制成層壓材料或模壓材料來提高②熱塑料性塑料熱塑料性塑料是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、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等。熱塑性塑料具有優(yōu)良的電絕緣性，特別是聚四氟P的這些弱點,滿足在空間技術(shù)、新能源開發(fā)等領(lǐng)域應(yīng)用的需要，各國都在開發(fā)可熔融成型的耐熱性樹脂，如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚芳砜(PASU)、聚苯硫醚PPS)等。以它們作為基體樹脂的復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能和耐化學(xué)腐蝕性，能熱成型和焊接。如用聚醚醚酮作為基體樹脂與碳纖維制成復(fù)合材料，耐疲勞性超過環(huán)氧／碳纖維。它的耐沖擊性好，在室溫下具有良好的耐蠕變性，加工性好，可在240~270℃連續(xù)使用，是一種非常理想的耐高溫絕緣材料。用聚醚砜作為基體樹脂與碳纖維制成的復(fù)合材料在200℃具有較高的強度和硬度，在-100℃尚能保持良好的耐沖擊性；無毒，不燃，發(fā)煙最少，耐輻射性好，預(yù)期可用它作航天飛船的關(guān)鍵部件，還可模塑加工成雷達天線罩等。(3)按加工方法分類根據(jù)各種塑料不同的成型方法，可以分為模壓、層合、注射、擠出、吹塑、澆鑄塑料和反應(yīng)注射塑料等多種類型。其中注射、擠出、吹塑、模壓這四種方法是塑料成型加工的主要方法，注射、擠出、吹塑得到的塑料為熱塑性塑料，模壓法得到(1)比強度高→質(zhì)輕且堅固(2)優(yōu)異的電絕緣性→是良好的絕緣體(3)化學(xué)穩(wěn)定性好→抗腐蝕(4)優(yōu)良的減摩、耐磨性能→耐用(5)減震消聲、透光性好，防水→作透明、阻隔材料(6)制造成本低→便宜(二)橡膠橡膠是一種高彈性的高分子化合物，是無定形的高聚物，也稱彈性體。也就是說在很小的外力作用下能產(chǎn)生較大的形變，除去外力后能恢復(fù)原狀。橡膠一詞來源生橡膠樹，割開橡膠樹皮即流出乳液，那么這種乳液經(jīng)凝固后的產(chǎn)物就是天然橡膠。19世紀中葉，英國人取橡膠樹的種子在錫蘭(斯里蘭卡)種植成功，并逐漸擴大到尼等地，但是制造天然橡膠制品中，生膠如何溶解與加工是一大問題。直到19世紀40年代美國人發(fā)現(xiàn)用松節(jié)油、硫黃與碳酸鉛共熱后得到不粘而有彈性制品，即所謂硫化技術(shù)，因此，到1920年左右，亞洲地區(qū)天然橡膠出口量達70多萬噸，與當時巴西的野生橡膠出口量相同。下面我們簡單來了解一下生膠為什么要經(jīng)過硫化才能使用。生膠從使用上來說，受熱它會變軟，遇冷它會變硬、發(fā)脆，不易成型，容易磨損；容易在汽油中溶解。這主要是由于生橡膠的分子是線型高分子，呈蜷曲的形狀，在外力作用下由蜷曲變?yōu)樯煺?，外力消失后又能夠恢?fù)其原蜷曲狀態(tài)，這是具有彈性的必要條件。但鏈跟鏈之間容易滑動，強度和韌性差，必須經(jīng)過交聯(lián)，使分子鏈跟分子鏈之間有化學(xué)鍵的聯(lián)系，通過交聯(lián)，使線型高分子交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子鏈間才不能滑動，具有可是硫化。硫化就是在生橡膠中混煉入一定量的硫黃，然后把它放進成型模具內(nèi)并加熱(約140℃)，硫原子即通過化學(xué)鍵使高分子鏈間發(fā)生交聯(lián)，得到硫化橡膠制品。硫化過程是很復(fù)雜的，常是形成雙硫鍵起交聯(lián)作用。得到的硫化橡膠具有很高的彈要性能。橡膠的主要特征是分子量特別大，是所有高分子材料中最大的，一般都在數(shù)十萬，有的甚至可以達到上百萬；其次是橡膠具有多分散性，就是說橡膠的分子是大小不等的，有一個分布范圍。橡膠的使用溫度范圍是在玻璃化溫度和粘流溫度之間。橡膠主要分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。天然橡膠主要來源于三葉橡膠樹，當這種橡膠樹的表皮被割開時，就會流出乳白色的汁液，稱為膠乳，膠乳經(jīng)凝聚、洗滌、成型、干燥即得天然橡膠。合成橡膠是由人工合成方法而制得的，采用不同的原料(單體)可以合成出不同種類的橡膠。(1)按其性能和用途：通用橡膠和特種橡膠通用橡膠是指部分或全部代替天然橡膠使用的膠種，如丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠等，主要用于制造輪胎和一般工業(yè)橡膠制品。通用橡膠的需求量大，是合成橡膠的主要品種。凡是具有特殊性能的如耐候性、耐熱性、耐油、耐臭氧等，用來制造特定條件下使用的橡膠制品的為特種橡膠。如丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、下面我們簡單介紹幾種通用橡膠：丁苯橡膠丁苯橡膠是由丁二烯和苯乙烯共聚制得的，是產(chǎn)量最大的通用橡膠，有乳聚丁順丁橡膠還具有較好的耐老化性能。順丁橡膠絕大部分用于生產(chǎn)輪胎，少部分用于制造耐寒制品、緩沖材料以及膠帶、膠鞋等。順丁橡膠的缺點是抗撕裂性能交差，抗?jié)窕阅懿缓?。異戊橡膠異戊橡膠是聚異戊二烯橡膠的簡稱，采用溶液聚合法生產(chǎn)。異戊橡膠與天然橡膠一樣，具有良好的彈性和耐磨性，優(yōu)良的耐熱性和較好的化學(xué)穩(wěn)定性。異戊橡膠生膠(未加工前)強度顯著低于天然橡膠，但質(zhì)量均一性、加工性能等優(yōu)于天然橡膠。異戊橡膠可以代替天然橡膠制造載重輪胎和越野輪胎，還可用于生產(chǎn)各種橡膠乙丙橡膠以乙烯和丙烯為主要原料合成，耐老化、電絕緣性能和耐臭氧性能突出。乙丙橡膠可大量充油和填充碳黑，制品價格較低，乙丙橡膠化學(xué)穩(wěn)定性好，耐磨性、彈性、耐油性和丁苯橡膠接近。乙丙橡膠的用途十分廣泛，可以作為輪胎胎側(cè)、膠條和內(nèi)胎以及汽車的零部件，還可以作電線、電纜皮及高壓、超高壓絕緣材料。還可制造膠鞋、衛(wèi)生用品等淺色制品。氯丁橡膠它是以氯丁二烯為主要原料，通過均聚或少量其它單體共聚而成的。其化學(xué)穩(wěn)定性較高，抗張強度高，耐水性良好，耐熱、耐光、耐老化性優(yōu)良，耐油性優(yōu)于天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠，具有較強的耐燃性和優(yōu)異的抗延燃性。其缺點是電絕緣性能，耐寒性能較差，生膠在貯存時不穩(wěn)定。氯丁橡膠用途廣泛，如用來制作運輸皮帶和傳動帶，電線、電纜的包覆材料，制造耐油膠管、墊圈以及耐化學(xué)腐蝕的設(shè)備襯里。(2)按結(jié)構(gòu)特點：飽和膠和不飽和膠、極性膠和非極性膠如乙丙膠為飽和的非極性膠，丁腈膠為不飽和極性膠，順丁膠為不飽和非極性(3)按用途：輪胎、膠帶、膠管、膠鞋及工業(yè)橡膠制品運輸、醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)等方面的機械設(shè)備、儀器儀表、車輛、船舶和飛機、宇航運載工具等所必需的橡膠制品或配件，種類極為繁雜，大致上可分為兩大類：模型制品模型制品是采用金屬模具進行模壓硫化的制品，包括密封減震制品，如各種耐油耐水密封圈、密封墊、儲油隔膜、防水防護罩、橋梁和鐵路軌枕墊、隔音橡膠配件、絕緣隔熱制品、機械設(shè)備及儀器緩沖座墊、醫(yī)療衛(wèi)生制品和膠輥膠板等。非模型制品主要是膠布和膠布制品，又分為防護類膠布及其制品和工業(yè)用膠布及其制品。防護類膠布及制品如生活用膠布、篷布、墊布、潛水服、生產(chǎn)服、下水衣和雨衣，還有耐油、耐化學(xué)藥品、耐熱、絕緣、防毒、防射線等各種膠布。工業(yè)用膠布制品有各類橡皮船、救生筏、飛艇、水囊等。(1)高彈性橡膠的彈性模量小，一般在1~9.8MPa。伸長變形大，伸長率可高達1000%，仍表現(xiàn)有可恢復(fù)的特性，并能在很寬的溫度(-50~150℃)范圍內(nèi)保持有彈性。(2)粘彈性時受時間、溫度等條件的影響，表現(xiàn)有明顯的應(yīng)力松弛和蠕變現(xiàn)象。(3)緩沖減震作用橡膠對聲音及振動和傳播有緩和作用，可利用這一特點來防除噪音和振動。(4)電絕緣性橡膠和塑料一樣是電絕緣材料，天然橡膠和丁基橡膠的體積電阻率可達到(5)溫度依賴性高分子材料一般都受溫度影響。橡膠在低溫時處于玻璃態(tài)變硬變脆，在高溫時(6)具有老化現(xiàn)象如同金屬腐蝕、木材腐朽、巖石風化一樣，橡膠也會因環(huán)境條件的變化而發(fā)生(7)必須硫化橡膠必須加入硫黃或其它能使橡膠硫化(或稱交聯(lián))的物質(zhì)，使橡膠大分子交聯(lián)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，才能得到具有使用價值的橡膠制品。另外，需要注意的是：熱除此之外，橡膠密度低，屬于輕質(zhì)材料，硬度低，柔軟性好；透氣性較差，可做氣密性材料；還是較好的防水性材料等等。使