高分子材料HighpolymerMaterial《工程材料》多媒體課件主講人：李安銘

材料科學與工程學院

10/3/20231.高分子材料HighpolymerMaterial《工緒論一、非金屬工程材料的定義：金屬材料之外的所有工程材料。金屬材料：鋼鐵、有色金屬；工程材料高分子材料：塑料、橡膠、復合材料；無機非金屬材料：陶瓷，玻璃、水泥；三大固體材料，稱為材料的三大支柱。材料科學與工程學院10/3/20232.緒論一、非金屬工程材料的定義：金屬材料之外的所有二、非金屬材料的發展：1.金屬材料的優點及局限性：使用性能：高強韌性；導電導熱性；優點工藝性能：切削加工；鑄、鍛、焊；柯垂爾：金屬今后一段時間仍是主要的工程材料。材料科學與工程學院10/3/20233.二、非金屬材料的發展：1.金屬材料的優點及局限性：使用性能：局限性：難以適用密度小、耐腐蝕、電絕緣、減震、消音、耐高溫等。密度：鋼7.8、鋁2.7、高分子0.8-2.0；耐腐蝕：金屬難以與陶瓷相比；耐高溫：金屬耐熱鋼＜800℃、鎳基合金＜1000℃、鉬基合金＜1300℃、陶瓷工作溫度1700-2000℃；材料科學與工程學院10/3/20234.局限性：難以適用密度小、耐腐蝕、電絕緣、減密度：鋼7.8、鋁2.非金屬材料的發展史：（1）高分子材料：1920年，確立了“大分子鏈結構學說”，合成高分子材料誕生。1983年：與鋼鐵材料相當；1985年：占工程材料54％，金屬占38％；2000年：3.5萬噸，體積是金屬材料的4倍；發展很快，就體積來說。材料科學與工程學院10/3/20235.2.非金屬材料的發展史：（1）高分子材料：1920年，確立了（2）陶瓷材料：傳統陶瓷指：陶器、瓷器、玻璃、水泥，性能硬、脆；現代陶瓷指：所有無機非金屬材料的總稱。近三十年來，以氧化物（例Al3O2)、氮化物（例Si3N4)和碳化物（例SiC）等高純化合物為原料，經過傳統陶瓷生產工藝制成的無機多晶產品，已成為：高溫材料：例：火箭噴氣口、高溫電爐發熱體；功能材料：光導纖維；的主力軍。材料科學與工程學院10/3/20236.（2）陶瓷材料：傳統陶瓷指：陶器、瓷器、玻璃、水近三十年來，（3）復合材料：高的比強度、高的剛度、低的密度等，是單一材料和合金難以比擬的。（4）非金屬材料不是金屬材料的代用品，而是具有優越性能的不可缺少的材料。例如;美國“哥倫比亞”號航天飛機，機身覆蓋一萬多塊隔熱絕熱陶瓷，以保護飛機。材料科學與工程學院10/3/20237.（3）復合材料：高的比強度、高的剛度、低的密度（4）非金屬材三、非金屬材料的發展趨勢：1、研制具有優良性能的新材料；2、對現有材料進行改性；例如加入添加劑改性，是工程材料的主要發展方向。3、研制復合材料：傳統的纖維增強樹脂復合；現在:金屬基復合、陶瓷基復合、功能復合材料，例建筑屋頂，集構件、發電、采暖于一體。4、新型功能塑料的研制：例如：導電塑料、導磁塑料、醫用塑料、人工降解塑料等。材料科學與工程學院10/3/20238.三、非金屬材料的發展趨勢：1、研制具有優良性能的新材料；材料基本概念第一節BasicConcept10/3/20239.基本概念第一節BasicConcept8/5/2

一、高分子材料的基本概念

1、高分子化合物:指分子量很大的有機化合物，每個分子可含幾千、幾萬甚至幾十萬個原子。也叫高聚物、或聚合物；

分子量＜500，叫低分子；分子量＞500，叫高分子，一般高分子材料的分子量在103-106之間。2萬-16萬12萬-百萬＞20萬～9萬1802860分子量聚氯乙烯聚乙烯淀粉橡膠單糖乙烯石英名稱材料科學與工程學院10/3/202310.一、高分子材料的基本概念分子量＜500，叫低分子；分2、高分子材料:以高分子化合物為主要組分的材料。主要包括：塑料、橡膠、化學纖維等。材料科學與工程學院10/3/202311.2、高分子材料:以高分子化合物為主要組分的材料。主要包括：塑

二、高分子化合物的組成定義：組成高分子化合物的簡單低分子化合物。或：凡是可以聚合成大分子鏈的低分子化合物。例：乙烯分子：CH2=CH2高分子化合物的分子量雖很大，但其化學組成并不復雜，通常由一種或幾種低分子化合物聚合而成。例：

聚乙烯1、高分子化合物的單體、鏈節和聚合度:①單體：材料科學與工程學院10/3/202312.二、高分子化合物的組成定義：組成高分子化合物的簡單低分單體的必要條件：至少能形成兩個或兩個以上新鍵的有機化合物，才能做為單體。例：烯烴，雙鍵；炔烴，三鍵。②鏈節：定義：構成高聚物的重復結構單元稱為鏈節。例：③聚合度：高分子鏈節中的數目n。氯乙烯苯乙烯氯乙烯鏈節尼龍-66鏈節材料科學與工程學院10/3/202313.單體的必要條件：至少能形成兩個或兩個以上新鍵②鏈節：③聚合度2、高聚物的分子量的多分散性和平均分子量：①高聚物的分子量是M：m:鏈節分子量；n:聚合度分子量不同，高聚物的性能和物理狀態不同。例：聚乙烯分子量室溫狀態n=8M=224氣+液n>50M>1400軟態固體n>200～2000M>5600～560000固體材料科學與工程學院10/3/202314.2、高聚物的分子量的多分散性和平均分子量：m:鏈節分子量；②高聚物分子量的多分散性：低分子化合物有確定而均一的分子量。例：H2O，18；CO2，44。高分子化合物總是由不同大小的分子組成，這一現象稱為高分子化合物的分子量的多分散性。例：聚苯乙烯：分子量10000～300000聚丙烯脂：分子量60000～500000分子量的分散性對性能產生影響。材料科學與工程學院10/3/202315.②高聚物分子量的多分散性：分子量的分散性對性能產生影響。材料③平均分子量ⅰ、平均分子量用表示，具有統計概念。ⅱ、平均分子量和分布寬窄（分散性大小）影響高聚物的物理、力學性能。越大，強度越高，硬度越高，但融熔粘度增大，流動性差。分散性大；熔融溫度范圍變寬，有利于加工成型，但抗撕裂性差。ⅲ、生產中，通過控制產品的分子量大小和分布情況，改善性能以滿足不同的需要。材料科學與工程學院10/3/202316.③平均分子量ⅰ、平均分子量用表示，具有統計概分子量過高部分使聚合物的強度增加，但加工成型時塑化困難；低分子量部分使聚合物強度降低，但易于加工不同用途的聚合物應有其合適的分子量分布:

合成纖維：分子量分布宜窄；

塑料、橡膠：分子量分布可寬；常用的聚合物的分子量（萬）

材料科學與工程學院10/3/202317.分子量過高部分使聚合物的強度增加，但加工成型時塑不同用途的聚

其中氯乙烯就是聚氯乙烯的單體.

就是聚氯乙烯分子鍵的鏈節，n就是聚合度。聚合度反映了大分子鏈的長短和分子量的大小，高分子化合物的分子量（M）是鏈節的分子量（M0）與聚合度（n）的乘積。M=M0×n

材料科學與工程學院10/3/202318.材料科學與工程學院8/5/202318.三、高分子化合物的聚合：

定義：由一種或多種單體相互加成，或由環狀化合物開環相互結合成聚合物的反應稱為加聚反應。均聚物:由一種單體經過加聚反應生成的高分子化合物；

例如：聚乙烯、聚苯乙烯等。加成聚合反應1.

加聚反應：特點：聚合物的結構單元與單體組成相同；分子量是單體分子量的整數倍；聚合過程無副產物生成。均聚反應表達式：

或（A）n

材料科學與工程學院10/3/202319.三、高分子化合物的聚合：定義：由一種或多種共聚物:由兩種或兩種以上的單體經過加聚反應生成的高分子化合物。

例：ABS塑料。A：丙烯脂B：丁二烯S：苯乙烯

ABS材料科學與工程學院10/3/202320.共聚物:由兩種或兩種以上的單體經過加聚反應生例：ABS塑料材料科學與工程學院ⅰ、共聚反應表達式：ⅱ、注意：共聚物不能理解為混合物，而是主鏈中包含兩種或兩種以上單體鏈節的新型聚合物。ⅲ、共聚物中單體鏈節的排列方式：A、B表示兩種單體無規共聚：—A—B—A—A—B—A—B—B—B—

交替共聚：—A—B—A—B—A—B—A—B—A—

10/3/202321.材料科學與工程學院ⅰ、共聚反應表達式：8/5/202321材料科學與工程學院嵌散共聚：—A—A—B—B—A—A—B—B—A

接枝共聚：ⅳ、共聚物的性能類似于合金，通過改變共聚物的單體和比例，可以改善高聚物的性能。例：ABS中，隨10/3/202322.材料科學與工程學院嵌散共聚：—A—A—B—B—

由一種單體或多種單體相互縮合生成聚合物，同時析出其它低分子化合物（如水、氨、醇、鹵化物等）的反應稱為縮聚反應。2.

縮聚反應：共縮聚反應：由兩種或兩種以上的單體進行的縮聚反應。均縮聚反應：由一種單體進行的縮聚反應。材料科學與工程學院10/3/202323.由一種單體或多種單體相互縮合生成聚合物，2特點：官能團之間反應，縮聚物有特征結構官能團；有低分子副產物；縮聚物和單體分子量不成整數倍。材料科學與工程學院10/3/202324.特點：材料科學與工程學院8/5/202324.四、高分子材料的分類①按來源：ⅰ、天然聚合物：天然橡膠，纖維素，蛋白質等。ⅱ、人造聚合物：經人工改性的天然聚合物。例：硝酸纖維。ⅲ、合成聚合物：完全由低分子人工合成。如聚氯乙烯。材料科學與工程學院10/3/202325.四、高分子材料的分類材料科學與工程學院8/5/2023②按反應類型：ⅰ、加聚物：如聚烯烴ⅱ、縮聚物：如酚醛樹脂③按工藝性質：塑料、橡膠、纖維、涂料④按分子的幾何結構：ⅰ、線型高聚物；ⅱ、體型高聚物材料科學與工程學院10/3/202326.②按反應類型：③按工藝性質：塑料、橡膠、纖維、涂料④按分子的高分子結構第二節MacromoleculeStructure10/3/202327.高分子結構第二節MacromoleculeStruct

結構分類：聚合物結構大分子鏈結構聚集態結構宏觀結構結晶無定型態線型重復單元結構玻璃態微觀結構高彈態粘流態支鏈型體型序列結構立體異構材料科學與工程學院10/3/202328.結構分類：聚合物結構大分子聚集態宏觀結構

1.大分子鏈結構單元的化學組成

在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金屬、亞金屬元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子鏈。由于高聚物中常見的C、H、O、N等元素均為輕元素，所以高分子材料具有密度小的特點。

一.

大分子鏈結構：分子內結構其中C鏈這最多。C鏈結構材料科學與工程學院10/3/202329.1.大分子鏈結構單元的化學組成一.大分子鏈結①一般為共價鏈連接，不易失去和獲得電子。②比重小，都是輕元素：C、H、O、N。故高分子材料比重小，0.29～2.0g/cm3。③組成元素不同，性能差別很大。如聚乙烯中的H被F原子代替，即聚四氟乙烯，是耐王水腐蝕的塑料王。四氟乙烯：聚乙烯：大分子鏈的特點：材料科學與工程學院10/3/202330.①一般為共價鏈連接，不易失去和獲得電子。四氟乙烯：聚乙烯：大1)線型分子鏈：

由許多鏈節組成的長鏈，通常是卷曲成線團狀。這類結構高聚物的特點是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料的典型結構。2)支化型分子鏈：

在主鏈上帶有支鏈。這類結構高聚物的性能和加工都接近線型分子鏈高聚物。2.大分子鏈形態：材料科學與工程學院10/3/202331.1)線型分子鏈：2)支化型分子鏈：2.大分子鏈形態：材

3)體型分子鏈：

分子鏈之間由許多鏈節相互橫向交聯。這類結構的高聚物硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是熱固性材料的典型結構。材料科學與工程學院交聯分子結構三維空間分子結構10/3/202332.3)體型分子鏈：材料科學與工程學院交聯分子結構三維空線型→體型的轉化：（不可逆）一定條件下，線形可以轉化成體型。即固化或交聯。例：橡膠的硫化等。結構轉化帶來很大的性能變化。例如：低密度聚乙烯：有彈性，做薄膜、奶瓶等；高密度聚乙烯：做較硬的水杯、工程塑料；交聯聚乙烯：做海底電纜的包皮，有出色的絕緣性，耐熱性。材料科學與工程學院10/3/202333.線型→體型的轉化：（不可逆）材料科學與工程學院8/5/20低密度聚乙烯高密度聚乙烯交聯聚乙烯密度g/cm3抗拉強度MPa斷裂伸長率％工作溫度℃熔點℃大分子鏈結構0.910-0.9257-1590-80080-100105支鏈線型0.941-0.96521-3760-100120135線型0.93-1.4010-21180-600135體型不同結構聚乙烯的性能材料科學與工程學院10/3/202334.低密度聚乙烯高密度聚乙烯交聯聚乙烯密度g/c4.大分子鏈的構象

——鏈的柔順性及熱運動特點：

（1）大分子鏈的構象：ⅰ、大分子鏈的熱運動：大分子鏈和其它的物質一樣，處于不停的熱運動中，其運動方式是共價單鏈的內旋轉。如圖：分子鏈可以在保持鏈長和鏈角不變的情況下自旋轉。大量的單鏈都隨時進行著旋轉。

b1b2b3材料科學與工程學院10/3/202335.4.大分子鏈的構象（1）大分子鏈的構象：b1b2b3材料科學ⅱ、大分子鏈的構象：由于單鏈內旋轉運動引起原子在空間位置的變化而構成大分子鏈的各種形象稱為大分子鏈的構象。（2）、大分子鏈的柔順性：ⅰ、大分子鏈上單鏈的內旋轉運動，造成整個大分子鏈的形狀及末端距離每一瞬間都不相同，大分子鏈時而蜷曲，時而伸展，該特性稱為大分子鏈的柔順性。柔順性：大分子鏈構象變化而獲得不同蜷曲程度的特性。材料科學與工程學院10/3/202336.ⅱ、大分子鏈的構象：（2）、大分子鏈的柔順性：材料科學與工程ⅱ、柔順性的好壞與鏈中單鏈的內旋轉的難易程度有關。運動的單元為鏈段，鏈段包含的鏈節數越少，則運動越容易，大分子鏈的柔順性越好。ⅲ、大分子鏈的柔順性是高聚物與低分子物質在許多基本性能上差異的原因。例：高彈性。材料科學與工程學院10/3/202337.ⅱ、柔順性的好壞與鏈中單鏈的內旋轉的難易程度有材料科學與工程二.

高分子聚集態結構：分子間結構

1、大分子鏈間的作用力：分子量越大，聚合度越高，大分子間的作用力越大，故強度、硬度增加。例：聚乙烯分子量50萬σ=15MPa

分子量100萬σ

=40MPa高分子化合物的聚集態結構：指高聚物內部高分子鏈之間的幾何排列或堆砌結構,也稱超分子結構。材料科學與工程學院10/3/202338.二.高分子聚集態結構：分子間結構1、大分子鏈間

依分子在空間排列的規整性可將高聚物分為：

結晶型、部分結晶型和無定型(非晶態)三類。

2、高聚物的結晶度：

晶態結構在高分子化合物中所占的質量分數或體積分數稱為結晶度。

晶態部分晶態非晶態

材料科學與工程學院10/3/202339.依分子在空間排列的規整性可將高聚物分為：2、高聚物的結

結晶度越高，分子間作用力越強，因此高分子化合物的強度、硬度、剛度和熔點越高，耐熱性和化學穩定性也越好；而與鍵運動有關的性能，如彈性、伸長率、沖擊韌性則降低。（1）高聚物不存在完全晶態的高聚物，通常把結晶超過50%的高聚物稱為結晶高聚物。結晶高聚物中：晶區、非晶區。結晶度一般為50～90%材料科學與工程學院10/3/202340.結晶度越高，分子間作用力越強，因此高分子化合（1）高聚（2）影響結晶度的因素：ⅰ、分子鏈的結構：結構簡單、分子鏈短，利于結晶。ⅱ、外力的影響：拉伸促進高聚物的結晶。原因：沿拉伸方向伸展開，增加了分子鏈的接觸面積和減少距離，提高了分子間的作用力和結晶能力。例如：尼龍繩、包裝帶越拉越強。

ⅲ、冷卻速度：從熔融態緩慢冷卻有利于結晶，快冷不利于結晶。ⅳ、溫度：高聚物對應結晶速度最快的溫度TK，在TK溫度保溫，結晶可充分進行。例如：天然橡膠，TK=-24℃，若輪胎在低于TK溫度下工作，就會發生結晶而失去彈性。材料科學與工程學院10/3/202341.（2）影響結晶度的因素：例如：尼龍繩、包裝帶越拉越強。ⅲ、3、結晶對高聚物性能的影響：（1）熔點、密度、剛性、硬度、耐熱性、化學穩定性提高。原因：聚集狀態緊密，增強了分子間的作用力。（2）彈性、斷裂伸長率、沖擊韌性降低。結晶度（%）密度g/cm3抗拉強度MPa斷裂伸長率%彈性模量MPa硬度邵氏熱變形溫度耐有機溶劑性低密度聚氯乙烯40~530.91~0.937~1690~800100~25041~4832~4060℃以下耐高密度聚氯乙烯60~800.94~0.9722~3915~100420~100060~7043~5480℃以下耐材料科學與工程學院10/3/202342.3、結晶對高聚物性能的影響：結晶度密度抗拉強斷裂伸彈性模硬度高分子性能第三節MacromoleculeProperty

10/3/202343.高分子性能第三節MacromoleculeProper一、高聚物力學性能與溫度的關系

此類聚合物在恒定應力下的變形-溫度曲線如圖。

Tb：脆化溫度；Tg：玻璃化溫度；Tf：粘流溫度；

Td：化學分解溫度。

（一）線形非晶態高聚物的力學性能：Tg溫度形變玻璃態粘流態高彈態Tf材料科學與工程學院10/3/202344.一、高聚物力學性能與溫度的關系此類聚合物在恒定應力下

Tb<T<Tg1.

玻璃態：ⅰ、特點：應力與應變成正比，符合虎克定律，具有一定的剛度。ⅱ、機理：大分子鏈整體不能運動，鏈段也不能運動，僅做微弱的熱振動。ⅲ、塑料：室溫下處于玻璃態的高聚物叫塑料。例：聚氯乙烯：Tg=87℃聚苯乙烯：Tg=80℃有機玻璃：Tg=100℃材料科學與工程學院10/3/202345.Tb<T<Tg1.玻璃態：ⅰ、特點：應力與應變

Tg<T<Tf2.

高彈態：ⅰ、特點：a、可回復的彈性變形量高達100～1000%。

b、彈性模量小，一般100MPa,比普通彈性材料小3～4數量級。

c、變形時生熱，回彈時吸熱。ⅱ、機理：鏈段可繞主鏈上的單鍵進行內旋轉運動，但分子鏈之間不能運動。ⅲ、橡膠：室溫下處于高彈態的高聚物，叫橡膠。例：天然橡膠：Tg=-73℃、硅橡膠：Tg=-120℃材料科學與工程學院10/3/202346.Tg<T<Tf2.高彈態：ⅰ、特點：a、可回復ⅳ、影響Tg的因素：a、分子量增加，Tg升高，（Tg~Tf）區域增大，高彈區范圍加寬，分子量小于一定數值時，高彈區消失。b、鏈柔順性好，Tg下降。注意：鏈柔順性太好時，鏈段極易運動，可能出現鏈間滑脫而產生冷流現象，需要在鏈間適當交聯。分子間的結合力強，Tg上升。材料科學與工程學院10/3/202347.ⅳ、影響Tg的因素：材料科學與工程學院8/5/202347

Tf<T<Td3.

粘流態：ⅰ、特點：流動的粘液，產生永久的不可逆變形。ⅱ、機理：鏈段和大分子鏈都可運動，鏈間產生滑脫。高聚物成為流動的粘液。ⅲ、油漆、涂料：室溫下處于粘流態的高聚物。粘液態也是熱塑料性和橡膠的加工成型狀態。材料科學與工程學院10/3/202348.Tf<T<Td3.粘流態：ⅰ、特點：流動的

（二）線形結晶高聚物的力學性能：（1）全部結晶（或很高的結晶度）性能類似于低分子材料，只有硬結晶態（Tg～Tm），和粘流態T>Tm；Tm：晶區熔化溫度。（2）部分結晶：在Tg～Tm之間，未結晶部分為高彈態，結晶部分為硬結晶態，總的表現為既韌又硬的皮革態。材料科學與工程學院10/3/202349.（二）線形結晶高聚物的力學性能：（1）全部結晶（或很

（三）體形高聚物的力學性能：（1）交聯對分子和鏈數運動的影響：阻止分子和鏈段的運動，故鉸鏈越多，Tg上升，當鉸鏈密度達到一定程度后，Tg=Tf。鏈段和分子鏈都不能運動，高彈態消失。例如：酚醛塑料（電木）（2）交聯的應用：適當交聯可既保持高聚物的高彈性，又限制分子間的滑脫，可提高材料的穩定性、強度和剛度。例如：橡膠硫化，0.5～5%S軟橡膠；20～30%S硬橡膠

材料科學與工程學院10/3/202350.（三）體形高聚物的力學性能：（1）交聯對分子和鏈數二、高分子材料的力學性能最具特性色的是彈性和粘彈性。1、高彈性，低的彈性模量：

例如：橡膠，彈性變形量可達100～

1000%，彈性模量E=1MPa,而鋼為105MPa.必要條件：柔軟的分子鏈、較大的分子量和一定的交聯密度。材料科學與工程學院10/3/202351.二、高分子材料的力學性能最具特性色的是彈性和粘彈性。2、粘彈性：（1）定義：彈性變形滯后于應力的變化，即彈性變形不僅與外力有關，而且具有時間效應。（2）機理：高聚物的變形是通過調整內部分子構象來實現的，這需要時間。（3）粘彈性的分類：靜態粘彈性動態粘彈性

材料科學與工程學院10/3/202352.2、粘彈性：（1）定義：彈性變形滯后于應力的變化，即彈性變靜ⅰ、靜態粘彈性：蠕變：較小的恒定應力σ下，隨t↑，ε↑應力松弛：ε固定，隨t↑，σ↓

蠕變

應力σ一定εt應力松弛

σεε一定蠕變：塑料雨衣掛一段時間后破洞。應力松弛：松緊帶，越用越松，密封圈的失效。材料科學與工程學院10/3/202353.ⅰ、靜態粘彈性：蠕變：較小的恒定應力σ下，隨t↑，ε↑應力松ⅱ、動態粘彈性：a.定義：在交變應力作用下，變形速度跟不上應力變化的速度，應力與應存在相位差，這就是動態粘彈性。b.內耗：由于應變落后于應力的變化，使應變儲能一部分通過內摩擦而產生熱量。即：滯后使機械能轉化為熱能，這種現象叫內耗。c.影響：不利：產生熱，使工件溫度升高，促進老化。例：輪胎發熱至80～100℃有利：減震，吸收沖擊能量。材料科學與工程學院10/3/202354.ⅱ、動態粘彈性：a.定義：在交變應力作用下，變形速度跟不上應３、強度和斷裂：①強度、彈性模量低：一般σb約100MPa，即是玻璃增強的尼龍也只有200MPa。但由于比重低，故比強度仍較高。例玻璃鋼。②性能變化范圍特別大：不同的聚集狀態，性能差別很大。硬而脆

硬而強

硬而韌

軟韌軟而弱

σε材料科學與工程學院10/3/202355.３、強度和斷裂：①強度、彈性模量低：②性能變化范圍特別大：硬③形變強烈依賴于工作溫度T和加載速度：隨溫度T↑，時間t↓，則彈性模量E↑,形變率ε↓隨溫度T↓，時間t↑，則彈性模量E↓,形變率ε↑例如：飛機的輪胎，沖擊載荷大，速度快。鏈段變形來不及響應，失去彈性。使用玻璃化溫度Tg很低的橡膠。材料科學與工程學院10/3/202356.③形變強烈依賴于工作溫度T和加載速度：隨溫度T↑，時間t↓，三、高聚物的理化性能1、耐熱性；高聚物在變熱過程中，容易發生鏈段運動和整個分子鏈運動，導致材料軟化或熔化，使性能變壞，耐熱性差。耐熱性判據：塑料：熱變形溫度，HDT橡膠：保持高彈性的最高溫度。橡膠的耐熱性愈好，使用溫度愈高。材料科學與工程學院10/3/202357.三、高聚物的理化性能1、耐熱性；材料科學與工程學院熱變形溫度HDT：高聚物能夠長時間承受一定的載荷而不變形的溫度。線形無定型的HDT在玻璃化溫度Tg附近，結晶高聚物的HDT接近于熔點。塑料名稱

Tg（℃）Tm（℃）THDT（℃）聚氯乙烯8721255-75聚苯乙烯10024090-105尼龍665026760-105聚碳酸脂150220130-140幾種塑料的熱變形溫度

材料科學與工程學院10/3/202358.熱變形溫度HDT：高聚物能夠長時間承受一定的載塑料名稱T高分子材料導熱性差，高聚物的導熱性能約為金屬的1/100－1/1000。原因：內部無自由電子，分子鏈相互纏繞在一起，受熱不宜運動。利；做隔熱材料：塑料方向盤，導彈用纖維增強塑料做隔熱層弊：散熱性差，溫升快，輪胎發熱，塑料軸承發熱2、導熱性材料科學與工程學院10/3/202359.高分子材料導熱性差，高聚物的導熱性能約為金屬2、導熱性材料科3、熱膨脹系數:線膨脹系數大，為金屬的3-10倍原因：受熱后。分子鏈間纏繞程度降低，分子間結合力減小，分子鏈柔性增大。弊：與金屬復合時，因膨脹系數相差過大而脫落，例；鋁壺的塑料手柄。4、絕緣性:好的絕緣材料。原因：共價鍵結合，沒有離子和自由電子例:導線的外包皮、塑料、橡膠。材料科學與工程學院10/3/202360.3、熱膨脹系數:4、絕緣性:好的絕緣材料。材料科學與5、高的化學穩定性:在酸、堿等溶液中表現出優異的耐蝕性例：聚四氯乙烯，在沸騰的王水中不受腐蝕。注意：與特定溶劑相遇，發生溶解或溶脹，性能變壞如：聚氯乙烯在有機溶液中溶脹，聚碳酸脂被四氯化碳溶解。原因電化學腐蝕：絕緣體，不發生電化學腐蝕化學腐蝕：分子鏈纏繞在一起，分子鏈上的基團被包圍在里面，不與外界接觸，化學穩定性好。材料科學與工程學院10/3/202361.5、高的化學穩定性:注意：與特定溶劑相遇，發生溶解或溶脹，性四、高聚物的老化與防止1、老化的定義：高聚物在加工、儲存和使用過程中，由于內、外（空氣、水、光、熱等）的綜合作用，喪失原有性質的現象。2、表現形式：變硬、變脆、出現龜裂、失去彈性；變軟、變粘、變色。各種高聚物都存在老化問題，差別只是發生時間不同，表現形式不同。材料科學與工程學院10/3/202362.四、高聚物的老化與防止1、老化的定義：高聚物在加工、3、老化的機理：

①產生大分子鏈的交聯→變硬、變脆、開裂。

②大分子鏈斷開→變軟、發粘、褪色。4、防止老化的方法：

①進行結構改性，提高穩定性。例如：聚氯乙烯在氯氣中用紫外線照射，成為氯化聚氯乙烯；共聚方法制得共聚產物：ABS塑料。

②加入防老化劑，抑制老化過程。例如：添加水楊酸酯，碳黑，防紫外線老化。

③表面處理：表面鍍金屬，噴涂料，防止空氣、水、光引起的老化。材料科學與工程學院10/3/202363.3、老化的機理：材料科學與工程學院8/5/202363.工程塑料第四節EngineeringPlastics

10/3/202364.工程塑料第四節EngineeringPlasti一、塑料的分類：1、按用途分：通用塑料、工程塑料、特種塑料

①通用塑料：產量大、用途廣、價格低，塑料的3/4包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。②工程塑料：用于機械設備和工程結構。要求：強度、剛度、韌性好，耐高溫、耐腐蝕、耐磨性好；如：聚碳酸酯、尼龍、ABS、聚四氟乙烯。③特種塑料：通過改性，滿足特種性能要求。如：醫用塑料、耐蝕氟塑料、導電塑料、導磁塑料。材料科學與工程學院10/3/202365.一、塑料的分類：1、按用途分：通用塑料、工程塑料、特2、按樹脂性質分類：熱塑性和熱固性塑料①熱塑性塑料：又稱熱熔性塑料。加熱時軟化，冷卻后硬化成型，并可多次反復。機理：由聚合樹脂制成，大分子鏈為線型結構。如：聚乙烯、聚氯乙烯。②熱固性塑料：加熱、加壓后發生化學反應，固化為堅硬制品，且不能再生。機理：以縮聚樹脂為基礎，分子鏈為體型結構。如：酚醛樹脂、環氧樹脂。材料科學與工程學院10/3/202366.2、按樹脂性質分類：熱塑性和熱固性塑料材料科學與工程學院二、塑料的組成：

樹脂+添加劑簡單組分：基本由樹脂組成，如聚四氟乙烯，有機玻璃。復雜組分：樹脂+各種添加劑1、樹脂：起粘結作用，也叫粘料，占塑料的40～100%。其種類、性質和所占比例決定著塑料的性能。材料科學與工程學院10/3/202367.二、塑料的組成：樹脂+添加劑1、樹脂2、添加劑：①填充劑：又叫填料，約占塑料組份的20～60%。目的：ⅰ、改善塑料某些性能。如：加入Al粉，增加反射和導熱能力。ⅱ、降低塑料成本。ⅲ、擴大塑料的應用范圍。如：加入石棉，提高耐熱性。要求：填料本身易被樹脂浸潤；粘附性好；性質穩定；價廉。材料科學與工程學院10/3/202368.2、添加劑：材料科學與工程學院8/5/202368.②增塑劑：增加塑料的塑性和柔韌性。用量不多于20%。機理：降低大分子間的作用力，增大鏈段運動能力。常用增塑劑：低熔點有機物。如氧化石臘，磷酸脂等。材料科學與工程學院10/3/202369.②增塑劑：增加塑料的塑性和柔韌性。用量不多于20%。材料科學（3）固化劑：加入后可在聚合物中生成橫跨鏈，使分子交聯，并由受熱可塑的線型結構變成體型結構的熱穩定塑料的一類物質稱固化劑。

（4）穩定劑：提高樹脂在受熱和光作用時的穩定性，防止老化，延長使用壽命的一類物質稱穩定劑。

（5）潤滑劑：為防止塑料在成型過程中粘在模具或其它設備上而加入的，同時可使制品表面光亮美觀的物質稱潤滑劑（如硬脂酸等）。

（6）著色劑：為使塑料制品具有美觀的顏色及適合使用的要求而加入的染料稱著色劑。

（7）發泡劑、催化劑、阻燃劑等。材料科學與工程學院10/3/202370.（3）固化劑：加入后可在聚合物中生成橫跨鏈，使分材料科學與三、塑料的加工：成型：將原料在一定溫度和壓力下，塑制成一定形狀制品的過程。如：擠壓管、棒等。

注射成型：又叫注塑成型，在注塑機上進行。

模壓成型：

澆鑄成型：又叫澆鑄法。

擠壓成型：又叫擠塑成型。加工：指成型后的再加工。

機械加工：車、鉗、刨、銑、鏜等。

連接：焊接（熱熔粘接）

表面處理：涂裝、浸漬、鍍金屬材料科學與工程學院10/3/202371.三、塑料的加工：成型：將原料在一定溫度和壓力下，塑制

塑料的成型工藝形式多樣，主要有注射成型、壓制成型、澆注成型、抗壓成型、吹塑成型、真空成型等。

1.注射成型法

生產率很高，可以實現高度機械化、自動化生產，制品尺寸精確，可以生產形狀復雜、壁薄和帶金屬嵌件的塑料制品，適用于大批量生產。（一）塑料制品的成型：材料科學與工程學院10/3/202372.塑料的成型工藝形式多樣，主要有注射成型、壓制成型、澆注成材料科學與工程學院10/3/202373.材料科學與工程學院8/5/202373.

2.模壓成型法

是塑料成型中最早的一種方法，通常用于熱固性塑料的成型，有時也用于熱塑性塑料。特別適用于形狀復雜或帶有復雜嵌件的制品，如電器零件，電話機件、收音機外殼等。

材料科學與工程學院10/3/202374.2.模壓成型法材料科學與工程學院8/5/202374

3.澆鑄成型法

又稱澆塑法，有靜態鑄型、嵌鑄型和離心鑄型等方式。在液態的熱固性或熱塑性樹脂中加入適量的固化劑或催化劑，然后澆入模具型腔中，在常壓或低壓下，常溫或適當加熱條件下，固化或冷卻凝固成型。

特點：設備簡單，操作方便，成本低，便于制作大型制件；但生產周期長，收縮率較大。

材料科學與工程學院10/3/202375.3.澆鑄成型法材料科學與工程學院8/5/20237

4.擠壓成型法

又稱擠塑成型。擠壓成型法用于熱塑性塑料各種型材的生產，一般需要經二次加工才制成零件。

材料科學與工程學院10/3/202376.4.擠壓成型法材料科學與工程學院8/5/20塑料加工指塑料成型后的再加工，亦稱二次加工；

1.機械加工由于塑料的切削工藝性能與金屬不同，因此所用的切削工藝參數與刀具幾何形狀及操作方法與金屬切削有所差異。塑料的散熱性差、彈性大，加工時容易引起工件的變形、表面粗糙，有時可能出現分層、開裂，甚至崩落或伴隨發熱等現象。要求切削刀具的前角與后角要大、刃口鋒利，切削時要充分冷卻，裝夾時不宜過緊，切削速度要高，進給量要小，以獲得光潔的表面。

（二）塑料的加工：材料科學與工程學院10/3/202377.塑料加工指塑料成型后的再加工，亦稱二次加工；1.機械

3.塑料制品的表面處理為改善某些性能、美化其表面、防止老化、延長使用壽命，主要的方法有涂漆，鍍金屬（鉻、銀、銅等）。鍍金屬可采用噴鍍或電鍍。

2.塑料的連接

機械連接方法、熱熔接、溶劑粘接、膠粘劑粘接等。

材料科學與工程學院10/3/202378.3.塑料制品的表面處理2.塑料的連接材料科

1、常用熱塑性塑料聚酰胺（尼龍、錦綸、PA）

聚酰胺是最早發現能夠承受載荷的熱塑性塑料。尼龍6、尼龍66、尼龍610、尼龍1010、鑄型尼龍和芳香尼龍是常應用于機械工業中的幾種。被大量用于制造小型零件替代有色金屬及其合金。

尼龍棒和結構件四、常用工程塑料：材料科學與工程學院10/3/202379.1、常用熱塑性塑料聚酰胺（尼龍、錦綸、PA）尼龍棒和結

鑄型尼龍通過簡便的聚合工藝使單體直接在模具內聚合成型的一種特殊尼龍。芳香尼龍具有耐磨、耐輻射及很好的電絕緣性等優點，是尼龍中耐熱性最好的品種。

加入二硫化鉬的尼龍耐磨件材料科學與工程學院10/3/202380.鑄型尼龍通過簡便的聚合工藝使單體直接在模具內聚合成

2、常用熱固性塑料

固化處理就是在樹脂中加入固化劑并壓制成型，使其由線型聚合物變成體型聚合物的過程。

材料科學與工程學院10/3/202381.2、常用熱固性塑料材料科學與工程學院8/5/20酚醛塑料

以酚醛樹脂為基,加入木粉、布、石棉、紙等填料經固化處理而形成的交聯型熱固性塑料。具有較高的強度和硬度、耐熱性、耐磨性、耐蝕性及良好的絕緣性。

環氧塑料（EP）以環氧樹脂為基，加入各種添加劑經固化處理形成的熱固性塑料。具有比強度高、耐熱性、耐蝕性、絕緣性及加工成型性好的特點。

材料科學與工程學院10/3/202382.酚醛塑料材料科學與工程學院8/5/202382.

五、塑料在機械工程中的應用：

1.一般結構件

要求一定的機械強度和耐熱性。選用價低廉、成型性好的塑料，如聚氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS等。

2.普通傳動零件

要求有較高的強度、韌性、耐磨性和耐疲勞性及尺寸穩定性。選用：尼龍、MC尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯、夾布酚醛、增強聚丙烯等。

3.摩擦零件

要求強度一般，具有摩擦因數小和良好的自潤滑性。可選用：低壓聚乙烯、尼龍1010、、聚四氟乙烯等。

材料科學與工程學院10/3/202383.五、塑料在機械工程中的應用：1.

4.耐蝕零件主要應用在化工設備上，要依據所接觸的不同介質來選擇，如全塑結構的耐蝕零件。常用耐蝕塑料有：聚丙烯、硬聚氯乙烯、填充聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯等。

5.電器零件利用其優異的絕緣性能。用于工頻低壓下的普通電器元件有：酚醛塑料、氨基塑料、環氧塑料等；用于高壓電器的絕緣材料要求耐壓強度高、介電常數小、抗電暈及優良的耐侯性。常用有：交聯聚乙烯、聚碳酸酯。氟塑料和環氧塑料等。

氨基塑料聚氯乙烯材料科學與工程學院10/3/202384.4.耐蝕零件5.電器零件氨基塑料聚氯乙烯材料橡膠材料第五節RebberMaterial

10/3/202385.橡膠材料第五節RebberMaterial8橡膠是具有高彈性的輕度交聯的線型高聚物。具有顯著高彈性的材料。以生膠為原料加入適量的配合劑而形成的高分子彈性體。

一般在-50～-150℃處于高彈性，廣泛用作密封件，減振件，輪胎等。材料科學與工程學院10/3/202386.橡膠是具有高彈性的輕度交聯的線型高聚物。具一般在-50生膠、各種添加劑、增強材料。１、生膠：定義：未加添加劑的橡膠。生產上也有定義：未經硫化的橡膠稱為生膠。生膠分為天然橡膠和合成橡膠。性能：機械強度低，高溫發粘，低溫變脆，必須加入添加劑才能使用。

一、橡膠的組成：

材料科學與工程學院10/3/202387.生膠、各種添加劑、增強材料。２、添加劑：①硫化劑：作用：使橡膠線型分子相互交聯成為網狀。硫化劑有硫磺，金屬氧化物等。硫化：橡膠的交聯過程。軟橡膠：1～4%硫化劑半硬質橡膠：10%硬質橡膠：30～40%材料科學與工程學院10/3/202388.２、添加劑：材料科學與工程學院8/5/202388.②促進劑：又叫硫化促進劑。作用：縮短硫化時間，降低硫化硬度。③軟化劑：增加橡膠的塑性，改善粘附力，降低硬度，提高耐寒性。如：硬脂酸，精制蠟。④補強劑：凡能提高硫化橡膠強度，硬度，耐磨性的物質，都叫補強劑。主要是炭黑。⑤填充劑：增加強度，降低成本。如：滑石粉、硫酸鋇、白陶土、氧化鋅等。⑥著色劑：有機或無機染料。材料科學與工程學院10/3/202389.②促進劑：又叫硫化促進劑。材料科學與工程學院8/5/202３、增強材料:各種纖維制品，簾布及鋼絲。作用：增加強度，限制橡膠制品的變形。如輪胎中的簾子布。材料科學與工程學院10/3/202390.３、增強材料:各種纖維制品，簾布及鋼絲。材料科學與工程學

二、橡膠的分類：

1、按原料來源：天然橡膠，合成橡膠。2、按用途分：合成橡膠又分為：通用合成橡膠。如輪胎、運輸帶，例：丁苯橡膠；特種合成橡膠，用作高溫、低溫、酸、堿、油等條件下工作。例如：丁脂橡膠，耐油。材料科學與工程學院10/3/202391.二、橡膠的分類：1、按原料來源：天然橡膠

三、橡膠的老化與防止：

１、影響橡膠老化的因素：①氧化作用：ⅰ、產生氧化，使橡膠分子鏈斷裂→發粘，變軟。ⅱ、氧化產生自由基自由基反應使橡膠分子交聯→變硬、變脆。天然橡膠多數以裂解為主，老化特征為變軟變粘。丁苯、氯丁和丁睛橡膠則多以交聯為主，老化多為變硬、變脆。②臭氧的作用：同于氧氣，其活潑性高于氧氣。材料科學與工程學院10/3/202392.三、橡膠的老化與防止：１、影響橡膠老化的③熱、光、金屬鹽：ⅰ、熱：Ａ、加熱氧化，溫度增加10℃,氧化速度增加一倍，當溫度在100℃以上時，氧化速度非常大。Ｂ、熱的作用：多數橡膠在300～400℃溫度發生分解。ⅱ、光：促進氧化反應。ⅲ、多價金屬鹽促進老化。例：混入微量銅、錳、鐵、鎳金屬鹽，加速老化。材料科學與工程學院10/3/202393.③熱、光、金屬鹽：材料科學與工程學院8/5/202393.①選用耐老化的橡膠。例：硅橡膠，氟橡膠。②加入防老化劑。包括：抗氧化劑、抗臭氧劑、紫外線吸收劑。③合適的配合劑。如：天然橡膠，采用適當的促進劑，降低Ｓ的用量，可提高耐熱老化性能。④減少表面氧化。原料中加入適當的蠟基物質或在表面涂以涂料，蠟在表面形成一層保護膜。２、老化的防止：⑤正確掌握硫化工藝。不要過硫化或硫化不足。⑥運輸、貯存中盡量不要重壓或曝曬。材料科學與工程學院10/3/202394.①選用耐老化的橡膠。例：硅橡膠，氟橡膠。２、老化的防止：⑤正天然橡膠：具有較高的彈性、較好的力學性能、良好的電絕緣性及耐堿性。用于制造輪胎、膠帶、膠管等。

四、常用橡膠材料：

材料科學與工程學院10/3/202395.天然橡膠：具有較高的彈性、較好的力學性能、良好的電絕緣性及耐通用合成橡膠：

（1）丁苯橡膠

由