第8章合成高分子材料

第10章建筑塑料§10.1高分子化合物的基本知識§10.2合成高分子材料在土木工程中的應(yīng)用⑴熟悉合成高分子材料的性能特點(diǎn)及主要的高分子材料品種；⑵熟悉土木工程中合成高分子材料的主要制品及應(yīng)用，包括塑料型材和管材。本章的難點(diǎn)是從合成高分子材料的組成來理解它的性能，正確地根據(jù)工程實際選用合適的合成高分子材料?！?/p>

10.1高分子化合物的基本知識10.1.1基本概念高分子化合物又聚合物，或高聚物，指的是分子量很大的天然或合成的有機(jī)物質(zhì)，由這些物質(zhì)組成的材料又稱為聚合物材料或高分子材料。塑料、橡膠和纖維等均屬于高分子化合物。10.1.2聚合物的分類與命名1.分類分類原則種類來源天然高分子人工合成高分子半天然高分子聚合物主鏈元素碳鏈高分子雜鏈高分子元素有機(jī)高分子用途塑料纖維橡膠（彈性體）涂料粘合劑功能高分子10.1.3聚合物的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)高分子化合物按其鏈節(jié)在空間排列的幾何形狀，可分為線型聚合物和體型聚合物兩類，其中線型聚合物包括線型和支鏈型。線型結(jié)構(gòu)的合成樹脂可反復(fù)加熱軟化，冷卻硬化，故稱為熱塑性樹脂。體型結(jié)構(gòu)的合成樹脂僅在第一次加熱時軟化，并且分子間產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)而固化，以后再加熱不會軟化，故稱為熱固性樹脂。圖10-1聚合物分子形狀示意圖圖聚合物分子形狀示意圖10.2合成高分子材料在土木工程中的應(yīng)用10.2.1塑料的基本組成、分類及主要性能1.塑料的組成

塑料是以聚合物為基本材料，加入各種添加劑后，在一定溫度和壓力下混合、塑化、成型的材料或制品的總稱。塑料按組成成份的多少，可分為單組分塑料和多組分塑料。單組分塑料僅含合成樹脂，如“有機(jī)玻璃”就是由一種被稱為聚甲基丙烯酸甲酯的合成樹脂組成。多組分塑料除含有合成樹脂外，還含有填充料、增塑劑、固化劑、著色劑、穩(wěn)定劑及其他添加劑。建筑裝飾上常用的塑料制品一般都屬于多組分塑料。

（一）樹脂

樹脂是塑料的基本組成材料，在多組分塑料中約占30%-70%，單組分的塑料中含有樹脂幾乎達(dá)100%。樹脂在塑料中主要起膠結(jié)作用，把填充料等其他組分膠結(jié)成一個整體。因此，樹脂是決定塑料性質(zhì)的最主要因素。

（二）填充料

又稱填充劑或填料。是為了改善塑料制品某些性質(zhì)如提高塑料制品的強(qiáng)度、硬度和耐熱性以及降低成本等而在塑料制品中加入的一些材料。填料在塑料組成材料中約占40%-70%，常用的填料有木粉、滑石粉、硅藻土、石灰石粉、鋁粉、炭黑、云母、二硫化鉬、石棉、玻璃纖維等。其中纖維填料可提高塑料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；石棉填料可改善塑料的耐熱性；云母填料能增強(qiáng)塑料的電絕緣性；石墨、二硫化鉬填料可改善塑料的磨擦和耐磨性能等。此外，由于填料一般都比合成樹脂便宜，故填料的加入能降低塑料的成本。（三）增塑劑

為了提高塑料在加工時的可塑性和制品的柔韌性、彈性等，在塑料制品的生產(chǎn)、加工時要加入少量的增塑劑。增塑劑通常是具有低蒸氣壓、不易揮發(fā)的分子量較低的固體或液體有機(jī)化合物。主要為酯類和酮類。常用的有鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、磷酸二辛酯、磷酸二甲苯酯、己二酸酯、二苯甲酮等。

（四）固化劑

固化劑又稱硬化劑或熟化劑。其主要作用是使某些合成樹脂的線型結(jié)構(gòu)交聯(lián)成體型結(jié)構(gòu)，從而使樹脂具有熱固性。不同品種的樹脂應(yīng)采用不同品種的固化劑。酚醛樹脂常用六亞甲基四胺；環(huán)氧樹脂常用胺類、酚酐類和高分子類；聚酯樹脂常用過氧化物等。（五）穩(wěn)定劑

許多塑料制品在成型加工和使用過程中，由于受熱、光氧的作用，過早地發(fā)生降解，氧化斷鏈、交聯(lián)等現(xiàn)象，使材料性能變壞。為了穩(wěn)定塑料制品的質(zhì)量，延長使用壽命，通常要加入各種穩(wěn)定劑，如抗氧劑（酚類化合物等）、光屏蔽劑（炭黑等）、紫外線吸收劑（2-羥基二苯甲酮、水楊酸苯酯等）、熱穩(wěn)定劑（硬脂酸鋁、三鹽基亞磷酸鉛等）。（六）著色劑

為使塑料制品具有特定的色彩和光澤，可加入著色劑。著色劑按其在著色介質(zhì)中的溶解性分為染料和顏料。染料皆為有機(jī)化合物，可溶于被著色的樹脂中；顏料一般為無機(jī)化合物，不溶于被著色介質(zhì)，其著色性是通過本身的高分散性顆粒分散于被染介質(zhì)，其折射率與基體差別大，吸收一部分光，而又反射另一部分光線，給人以顏色的視覺。顏料不僅對塑料具有著色性，同時兼有填料和穩(wěn)定劑的作用。

此外，根據(jù)建筑塑料使用及成型加工中的需要，有時還加入潤滑劑、抗靜電劑、發(fā)泡劑、阻燃劑及防霉劑等。塑料擠出成型工藝流程擠出過程：加料——在螺桿中熔融塑化——機(jī)頭口模擠出——定型——冷卻——牽引——切割注射成型原理2.塑料的分類(1)按塑料受熱時的變化特點(diǎn)，塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料

熱塑性塑料的特點(diǎn)是受熱時軟化或熔融，冷卻后硬化，再加熱時又可軟化，冷卻后又硬化，這一過程可反復(fù)多次進(jìn)行，而樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變，始終呈線型或支鏈型。常用的熱塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯，ABS塑料等。熱固性塑料的特點(diǎn)是受熱時軟化或熔融，可塑造成型，隨著進(jìn)一步加熱，硬化成不熔的塑料制品。該過程不能反復(fù)進(jìn)行。大分子在成型過程中，從線型或支鏈型結(jié)構(gòu)最終轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)。常用的熱固性塑料有酚醛、環(huán)氧、不飽和聚酯、有機(jī)硅塑料等。3.塑料的主要性能

(1)密度小，比強(qiáng)度高。塑料的密度一般為0.8—2.2g/cm3，與木材的密度相近，約為鋼的1/8—1/4，鋁的1/2，混凝土的1/3—2/3。塑料的比強(qiáng)度(強(qiáng)度與表觀密度之比)接近甚至超過鋼材，是普通混凝土的5—15倍。是一種很好的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。例如，玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)塑料就是很好的結(jié)構(gòu)材料，并在結(jié)構(gòu)加固中得到廣泛應(yīng)用。碳纖維增強(qiáng)塑料碳纖維的發(fā)明可追溯到愛迪生時代。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(qiáng)材料。碳纖維增強(qiáng)材料是由樹脂基體經(jīng)加熱氧化、高溫碳化而得到的高強(qiáng)度碳纖維。可以根據(jù)使用溫度的不同選擇不同的樹脂基體。新一代的運(yùn)動器材如羽毛球拍、網(wǎng)球拍、高爾夫球拍、滑雪杖、撐桿、弓箭等都用碳纖維增強(qiáng)塑料制成，為運(yùn)動員創(chuàng)造世界記錄做出了貢獻(xiàn)。美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入微量短碳纖維后，其電阻會隨外加應(yīng)力的變化而成比例改變。這種混凝土的應(yīng)用可使橋梁充當(dāng)高靈敏度的壓力和應(yīng)力探測器。碳纖維增強(qiáng)塑料片碳纖維加固

碳纖維加固是近年來美日等國家所研發(fā)的應(yīng)用在土木工程中的新型加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。該方法采用同一方向排列的碳纖維織物，在常溫下用環(huán)氧樹脂膠粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，利用其緊密粘著于混凝土結(jié)構(gòu)表面，使二者作為一個新的整體，共同受力，是一種非常簡單且優(yōu)良的加固補(bǔ)強(qiáng)方法，與傳統(tǒng)的粘鋼加固不同，碳纖維加固在不增加結(jié)構(gòu)物的荷重的前題下達(dá)到高效加固的目的。(2)可加工性好，裝飾性強(qiáng)。塑料可以采用多種方法加工成型，制成薄膜、薄板、管材、異型材等各種產(chǎn)品；并且便于切割、粘結(jié)和“焊接”加工。塑料易于著色，可制成各種鮮艷的顏色；也可以進(jìn)行印刷、電鍍、印花和壓花等加工，使得塑料具有豐富的裝飾效果。(3)耐化學(xué)腐蝕性好，耐水性強(qiáng)。大多數(shù)塑料對酸、堿、鹽等的耐腐蝕性比金屬材料和部分無機(jī)材料強(qiáng)，特別適合做化工廠的門窗、地面、墻壁等；熱塑性塑料可被某些有機(jī)溶劑所溶解，熱固性塑料則不能被溶解，僅可能出現(xiàn)一定的溶脹。塑料對環(huán)境水也有很好的抵抗腐蝕能力，吸水率較低，可廣泛用于防水和防潮工程。(4)隔熱性能好，電絕緣性能優(yōu)良。塑料的導(dǎo)熱性很小，導(dǎo)熱系數(shù)一般只有0.024一0.69w／m·K，只有金屬的1／100。特別是泡沫塑料的導(dǎo)熱性最小，與空氣相當(dāng)。常用于隔熱保溫工程。塑料具有良好的電絕緣性能，是良好的絕緣材料。(5)彈性模量低，受力變形大。塑料的彈性模量小，是鋼的1／l0一1／20。且在室溫下，塑料在受荷載后就有明顯的蠕變現(xiàn)象。因此，塑料在受力時的變形較大．并具有較好的吸振、隔聲性能。(6)耐熱性、耐火性差，受熱變形大。塑料的耐熱性一般不高，在高溫下承受荷載時往往軟化變形，甚至分解、變質(zhì)，普通的熱塑性塑料的熱變形溫度為60—120℃，只有少量品種能在200℃左右長期使用。部分塑料易著火或緩慢燃燒，燃燒時還會產(chǎn)生大量有毒煙霧，造成建筑物失火時的人員傷亡。塑科的線膨脹系數(shù)較大，比金屬大3—10倍。因而，溫度變形大，容易因為熱應(yīng)力的累積而導(dǎo)致材料破壞。10.2.2建筑中常用的塑料制品塑料在土木工程的各個領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。它既可用做防水、隔熱保溫、隔聲和裝飾材料等功能材料；也可制成玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)塑料，用做結(jié)構(gòu)材料。塑料可以加工成塑料壁紙、塑料地板、塑料地毯、塑料門宙和塑科管道等在建筑中應(yīng)用。本節(jié)主要介紹塑料門窗和塑料管材。

1.塑料門窗

塑料門窗是由硬質(zhì)聚氯乙烯型材經(jīng)切割、焊接、拼裝、修整而成的門窗制品，現(xiàn)有推拉門窗和平開門窗等幾大類系列產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的鋼、木門窗相比，塑料門窗具有美觀耐用、安全、節(jié)能等一系列的優(yōu)點(diǎn)。由于塑料容易加工成型和拼裝，塑料門窗的結(jié)構(gòu)型式靈活多樣。在塑料門窗中，為了增加聚氯乙烯材料的剛性，常在門窗框、窗扇的異型材空腔內(nèi)，插入金屬增強(qiáng)材料，故又稱塑鋼門窗。塑料門窗的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，至今已有40多年的應(yīng)用歷史，應(yīng)用技術(shù)十分成熟。塑鋼門窗、鋁合金門窗孰優(yōu)孰劣塑鋼門窗作為一種新型建筑產(chǎn)品，近兩年在門窗市場異軍突起，市場份額大大超過普通的木質(zhì)、鋼質(zhì)門窗、彩板門窗，直逼鋁合金門窗。更有資料表明，下世紀(jì)將是塑鋼門窗之天下，屆時，鋁合金門窗將退居一隅，進(jìn)入被淘汰的行列。那么，塑鋼門窗與鋁合金門窗到底孰優(yōu)孰劣呢？我們不妨通過下列性能特征來進(jìn)行比較。１、隔音性能據(jù)資料表明，塑鋼門窗的隔音性能大大優(yōu)于鋁合金門窗。比方說：達(dá)到同樣噪音要求的建筑物，安裝鋁合金門窗的建筑與交通干道的距離需在５０米以外，如果用塑鋼門窗則可縮短到１６米以內(nèi)。２、隔熱性能提到隔熱性能，我們需從材質(zhì)基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)比較，例如ＰＶＣ材料的導(dǎo)熱系數(shù)為０．１４，而鋁合金則為１10５。也就是說，在同等條件下，就材質(zhì)導(dǎo)熱能力而言，鋁材是ＰＶＣ材料的１２５０倍。當(dāng)然，如果將ＰＶＣ制成門窗，進(jìn)行能耗比較，就很難一概而論。因為室內(nèi)散失熱量，通常與屋面、地面、墻壁和門窗有關(guān)。但科研資料表明，作為普通住宅，同樣開啟空調(diào)，裝塑鋼門窗的房間比裝鋁合金門窗的房間每天節(jié)電要超過５度。

３、耐腐蝕性塑鋼門窗能耐酸耐堿及其它化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，故不怕城市環(huán)境污染、鹽酸和酸雨等的侵蝕。而鋁合金則不然，遇腐蝕后容易導(dǎo)致表面氧化，縮短使用壽命。４、門窗的安裝性能及使用壽命塑鋼門窗自重大大低于鋁合金門窗，更由于是整體成型，安裝速度很快，從而使得整個工效大為提高。使用壽命方面，塑鋼門窗的正常使用壽命為３０至５０年，低于鋁合金門窗。５、產(chǎn)品款式及工藝性能塑鋼門窗與鋁合金門窗均可根據(jù)設(shè)計人員的設(shè)計要求制作成平開、推拉、上懸及弧形窗，造型美觀大方新穎。塑鋼門窗表面可著色、覆膜、多色共擠；鋁合金門窗表面可噴涂、電泳，色澤也可做到多樣化。６、產(chǎn)品使用途徑及價格塑鋼門窗及鋁合金門窗均可應(yīng)用于各種工業(yè)與民用建筑上，普通塑鋼門窗的價格在２００至５００元／平方米，雙層塑鋼門窗的價格在５００元／平方米以上，高檔塑鋼