高分子材料第一章绪论课件.ppt

第一章 绪 论,prolegomenon,高分子材料的分类及特点,1.按性能和用途分类：,塑料橡胶纤维涂料粘合剂功能高分子材料其他(如合金、复合材料等),塑料是在玻璃态下使用的、具有可塑性的高分子材料。它以树脂为主要组分，加入各种添加剂，能在一定温度和压力下加工成形的各种材料的总称。,塑料,塑料的组成：1）树脂:塑料的主要组分。2）填充剂（填料）:提高塑料的力学、电学性能或降低成本等。常用填充剂有云母粉、石墨粉、炭粉、氧化铝粉、木屑、玻璃纤维、碳纤维等。3）增塑剂:提高塑料的可塑性和柔软性,常用增塑剂有芳香酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡等。4）稳定剂:提高塑料对热、光、氧等的稳定性，延长使用寿命。常用热稳定剂有硬酯酸盐、环氧化合物和铅的化合物等。光稳定剂有炭黑、氧化锌等遮光剂。5）增色剂:赋予塑料制品各种色彩。常用的着色剂是一些有机染料和无机颜料。有时也采用能产生荧光或磷光的颜料。6）润滑剂:提高塑料在加工成形过程中的流动性和脱模能力，同时可使制品光亮美观。常用润滑剂有硬酯酸、盐类等。7）固化剂:与树脂发生交联反应，使受热可塑的线型结构变成热稳定好的体型结构。常用的固化剂如六次甲基四胺、过氧化二苯甲酰等。8）其他:还有发泡剂、催化剂、阻燃剂等。,塑料的分类：,1）按塑料热性质分类：热塑性塑料：受热时软化或熔融、冷却后硬化，韧性好，可反复成形。它包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯醚、聚四氟乙烯等。热固性塑料：在加热、加压并经过一定时间后即固化为不溶、不熔的坚硬制品，不可再生。具有更好耐热性和抗蠕变能力。常用热固性塑料有酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、有机硅树脂等。,2）按塑料的功能和用途分类：通用塑料：产量大用途广价格低的塑料。主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料等，产量占塑料总产量的75%以上。工程塑料：具有较高性能，能替代金属制造机械零件和工程构件的塑料。聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂等。功能塑料：导电塑料、导磁塑料、感光塑料等。,橡胶,在室温下具有高弹性的高分子材料称为橡胶。在外力作用下，橡胶能产生很大的形变（可达1000%），外力除去后又能迅速恢复原状。,按来源,天然橡胶-,合成橡胶-,按化学结构,按用途,顺-聚1，4-聚异戊二烯,巴西橡胶树（天然橡胶,NR）,反-聚1，4-聚异戊二烯,杜仲胶、古塔波胶,通用橡胶 顺丁橡胶、丁苯橡胶,特种橡胶,乙丙橡胶、丁腈橡胶,橡胶的分类,按受热行为和是否具备反复成型加工性,热固性橡胶-化学交联后，不熔融也不能溶解在溶剂中，不能反复加工和成型 热塑性弹性体-高温下能塑化成型而在常温下能显示橡胶弹性-聚氨酯类热塑性弹性体-苯乙烯类热塑性弹性体-其它热塑性弹性体,纤维,具备或保持其本身长度大于直径 1000 倍以上而又具有一定强度的线条或丝状高分子材料称为纤维。纤维的直径一般是很小的，受力后形变较小(一般为百分之几到百分之二十),在较宽的温度范围内(-50+150)机械性能变化不大。,纤维的分类,塑料、纤维和橡胶三大类聚合物之间并没有严格的界限。有的高分子可以作纤维，也可以作塑料，如聚氯乙烯是典型的塑料，又可做成纤维即氯纶；若将氯乙烯配入适量增塑剂，可制成类似橡胶的软制品。又如尼龙既可以用作纤维又可做工程塑料；橡胶在较低温度下也可作塑料使用。,涂料,在中国传统称为油漆。指涂布于物体表面在一定的条件下能形成薄膜而起保护、装潢或其他特殊功能（绝缘、防锈、防霉、耐热等）的一类液体或固体材料。醇酸树脂涂料聚氨酯涂料环氧树脂涂料丙烯酸树脂涂料其他涂料,粘合剂,具有粘性的物质，借助其粘性能将两种分离的材料连接在一起。环氧树脂粘合剂聚氨酯粘合剂酚醛树脂粘合剂其他粘合剂,功能高分子材料,功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体的指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。,导电高分子材料磁性高分子材料光功能高分子材料液晶高分子材料高分子分离膜材料高吸水性树脂化学（反应型）功能高分子材料离子交换树脂高分子催化剂高分子化学反应试剂,高分子材料的加工,主要介绍三大合成材料 合成树脂 合成橡胶 合成纤维的加工方法,高分子材料的加工,热塑性塑料的主要成型方法,高分子材料的加工,热固性塑料的主要成型方法量,原料的混合,高分子材料的加工,挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。大部分热塑性塑料和橡胶都能用此法进行加工。一、挤出成型的特点与其它成型方法相比，挤出成型有下述特点：1、生产过程是连续的，因而其产品都是连续的；-可连续化生产 2、生产效率高,一台200挤出机700kg/小 时，德国500挤出机20t/小时,挤出成型,3、应用范围广，能生产管材、棒材、板材、薄膜、单丝、电线、电缆、异型材，以及中空制品等；4、投资少，收效快 5、结构简单，易操作。,挤出成型,二、挤出成型的过程挤出过程是这样进行的：将塑料加热，使之呈粘流状态，在加压的情况下，使之通过具有一定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体，然后通过冷却，使其具有一定几何形状和尺寸的塑料由粘流态变为高弹态，最后冷却定型为玻璃态，得到所需要的制品。（玻璃态-粘流态-高弹态-玻璃态）为使成型过程得以进行，一台挤出机一般由下列各部分组成：,挤出成型,挤出成型,挤出机的组成1、主机挤压系统：主要由料筒和螺杆组成。塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立的压力下，被螺杆连续地定压定量定温地挤出机头。传动系统：它的作用是给螺杆提供所需的扭矩和转速。加热冷却系统：其功用是通过对料筒（或螺杆）进行加热和冷却，保证成型过程在工艺要求的温度范围内完成。,挤出成型,挤出机的内部结构,挤出成型,2、辅机机头（口模、芯架等）：它是制品成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面和尺寸。定型装置：它的作用是将从机头中挤出的塑料的既定形状稳定下来并对其进行精整，从而得到更为精确的截面形状、尺寸和光亮的表面。通常采用冷却和加压的方法达到这一目的。冷却装置：由定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，获得最终的形状和尺寸。牵引装置：其作用为均匀地牵引制品。并对制品的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定地进行。,挤出成型,3、控制系统（检测和控制）挤出机的控制系统：它由各种电器、仪表和执行机构组成。根据自动化水平的高低，可控制挤出机的主机、辅机的拖动电机、驱动油泵、油（汽）缸和其它各种执行机构按所需的功率、速度和轨迹运行，以及检测、控制主辅机的温度、压力、流量，最终实现对整个挤出机组的自动控制和对产品质量的控制。我们一般称由以上各部分组成的挤出装置为挤出机组。,挤出成型,1、挤出2、挤长丝3、挤硬管4、挤波纹管,注射成型,注射成型：是一种以高速高压将塑料熔体注入到 已闭合的模具型腔内，经冷却定型，得到的与模腔相一致的塑料制件的成型方法。注射成型的特点:a)能一次成型出外形复杂，尺寸精确或带有嵌件的塑料制件b)对各种塑料加工的适应性强c)机器生产率高以及易于实现自动化生产等,注射成型,注射装置,合模装置,液压传动系统,电气控制系统,锁紧前移注射保压冷却后移开模顶出,闭模,闭模前移注射保压冷却后移开模顶出,锁紧,闭模锁紧注射保压冷却后移开模顶出,前移,闭模锁紧前移保压冷却后移开模顶出,注射,闭模锁紧前移注射冷却后移开模顶出,保压,闭模锁紧前移注射保压后移开模顶出,冷却,闭模锁紧前移注射保压冷却开模顶出,后移,闭模锁紧前移注射保压冷却后移顶出,开模,闭模锁紧前移注射保压冷却后移开模,顶出,吹塑成型,吹塑是借助于气体压力使闭合在模具中的热熔型坯吹胀形成中空制品的方法，是常用的塑料加工方法，同时也是发展较快的一种塑料成型方法。主要用于薄膜和瓶体的加工,吹塑成型,吹塑,模压成型,模压成型主要用于热固性材料及大型制件模压成型：又称压缩模塑；即将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的塑料放入加热的阴模模槽中，合上阳模后加热使其熔化，并在压力作用下使物料充满模腔，形成与模腔形状一样的模制品，再经加热(使其进一步发生交联反应而固化)或冷却对热塑性塑料应冷却使其硬化，脱模后即得制品。,模压成型,（1）模压成型工艺：加料 合模 加热熔化 加压充模 固化 退模 后处理物态：固态 熔化态 固态（2）模压成型的工艺特性和影响因素：特点：加压预成型 熔化 加压充模 固化成型,模压成型,模压成型,压延成型,压延成型（1）压延成型的含义：将已经塑化的接近粘流温度的热塑性塑料通过一系列相向旋转着的水平辊筒间隙，使物料承受挤压和延展作用，成为具有一定厚度、宽度与表面光洁度的薄片状制品。（2）压延设备：压延机（主要结构：机体、辊筒（有加热冷却功能）、辊筒轴承、辊距调整装置、档料装置、切边装置、传动系统、安全装置和加热冷却装置等。）,压延成型,人造革就是以布(或纸)为基材，在其上复以聚氯乙烯糊或聚氨酯的一种复合材料。,橡胶加工,线性分子体形分子橡胶硫化后，其弹性会大大增加。,橡胶的硫化,橡胶加工,密炼机结构,密炼室内部结构,原料的混合,橡胶加工,开炼机横截面,轮胎加工,压延设备,压延完成的帘布,轮胎成型,轮胎硫化,纤维加工,合成纤维是指以简单化合物为原料,通过聚合或缩聚反应制成成纤高分子物，再通过纺丝和后处理加工制成纤维。一、成纤高分子物条件具备一定的分子量具备一定的分子结构(线形、或支化度很低)超分子结构具有取向并部分结晶具有一定的耐热性具有一定的机械物理性能具有一定的化学稳定性具有一定的染色性,纤维加工,合成纤维的优缺点 优点：强度高、弹性好、耐穿耐用、光泽好、化学稳定性强、耐霉腐、耐虫蛀 缺点：吸湿性差、耐热性差、导电性差、防污性差、易起毛起球、腊状手感,纤维加工,按纤维结构分为：涤纶、腈纶、锦纶、氨纶、芳纶、维纶、丙纶按纤维长短分为：短纤维：a.棉型 b.毛型 c.中长纤维（仿毛、仿麻）长 丝：a.单丝 加工弹力丝：高弹丝 b.复丝 低弹丝,纤维加工,合成纤维的纺丝方法，目前大致可分为以下三种：,纤维加工,1、熔融纺丝法纺丝液是熔体，纺出的丝在空气中固化。熔融纺丝的纺丝速度高，目前一般的纺丝速度为10002000m/min，采用高速纺丝时，可达3000 6000m/min 或更高。熔融纺丝加工成本低，但喷丝板孔数少，丝的截面多为圆形。涤纶、锦纶、丙纶等均采用此法,纤维加工,熔融纺丝工艺流程,纤维加工,纤维加工,溶液纺丝法的纺丝液是溶解的高聚物溶液，纺出的丝的固化方式分为湿法与干法两种。,2湿法纺丝湿法纺丝纺出的丝在溶液中固化这种方法纺丝速度低，一般速度为18380m/min。湿法纺丝加工成本高且对环境污染较严重，纺出丝的截面多为非圆形，有皮芯结构。腈纶、维纶、氯纶、粘胶纤维多采用此法。,纤维加工,湿法纺丝工艺流程,纤维加工,3干法纺丝干法纺丝纺出的丝在空气中固化这种方法目前一般的纺丝速度为200500m/min，高者可达10001500m/min。干法纺丝溶剂挥发易污染环境，成本高，但丝的质量好，此法多用于制作长丝。,纤维加工,干法纺丝工艺流程,纤维加工,报告提纲,简介高分子化学基础高分子的合成高分子材料的加工高分子材料的生产和消费情况总结,高分子材料的成型加工方法,主要用于热固性塑料的成型这种成型方法是将粉状、碎屑状或纤维状的塑料加入成型温度下的模具型腔中，然后闭模加压而使其成型并固化，脱模后即得制品。模压成型的塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯等,（1）模压成型,模压成型特点,生产过程控制较成熟，使用的设备及模具较简单，可模压较大平面的制品和利用多槽模进行大量生产。热固性塑料模压制品具有耐热性好、使用温度范围宽、变形小及高温下物理力学性能降低较小等特点，其缺点是生产周期长、效率低、较难实现自动化，不能成型形状复杂的制品，且制品的尺寸准确性较差。,（2）挤出成型,挤出成型又称挤塑，它是在挤出成型机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。绝大多数热塑性塑料均可用此法成型。特点是具有很高的生产率且能生产连续的型材，如管、棒、板、薄膜、丝、电线、电缆以及各种型材，还可用来混合、塑化、造粒和着色等。,物料的塑化和加压过程一般都是在挤出机内进行。挤出机按其加压方式可分为螺杆式和柱塞式两种,挤出成型过程分两个阶段进行,第一阶段:将物料加热塑化，使其呈粘流状态并在加压下通过一定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体第二阶段将这种连续体用适当的方法冷却、定型为所需产品。,（3）注射成型,注射成型，是热塑性塑料成型制品应用广泛的一种重要方法。除极少数几种热塑性塑料外，几乎所有的热塑性塑料及其共混改性塑料都可用此法成型。用注射成型可成型各种形状、精度、尺寸，满足各种要求的模制品。成型周期短，对成型各种塑料的适应性强；生产效率高，易于实现全自动化生产。是一种比较经济而先进的成型技术发展迅速。,注射机的类型,按机器的外形特征分为：立式注射机、卧式主使机和角式注射机等，目前以卧式最为常用按物料熔融塑化方式分为：柱塞式和螺杆式注射机,基本作用均为两个：1.加热塑料，使其达到熔化状态；2.对熔融塑料施加高压，使其射出而充满模具型腔。,（4）吹塑成型,吹塑成型是借助流体压力使闭合在模具中的热熔塑料型胚吹胀形成空心制品的工艺吹塑制品包括塑料瓶、塑料容器及各种形状的中空制品。广泛应用于食品、饮料、化妆品、药品、洗涤制品、儿童玩具等领域,（5）压延成型,压延成型是将熔融塑化的热塑性塑料通过两个以上的平行相异旋转辊筒间隙（以旋转辊筒作为模具），使熔料挤压延展、拉伸而成为一定厚度和表面光洁的连续片状制品的成型方法压延成型的主要塑料是聚氯乙烯、ABS、聚乙烯醇、纤维素、改性聚苯乙烯、聚乙烯等塑料,（6）泡沫塑料的成型,物理发泡法 用惰性气体发泡 用低沸点液体发泡化学发泡法 化学发泡剂 用原料组分间相互作用析出气体,高分子材料的应用,1高分子在工业上的应用 作为结构材料广泛地应用于工业中的塑料，称为“工程塑料”。工程塑料质轻，仅为钢的 18，但强度却可以与钢材相媲美，它可代替金属制造各种齿轮、轴承等机械零件，如用酚醛塑料代替黄铜制成轧钢机的轴承，使用寿命大大提高,用玻璃钢作矿井支柱比金属和木材质轻且耐腐蚀。电气工业是最先使用高分子材料的,至今电气电子工业中大量采用高分子作绝缘材科、壳体零部件等,如电源开关、插头等电器零件是由酚醛模塑粉制成的，电线的覆盖层是用橡胶或聚氯乙烯制造的，用硅树脂作电机中的绝缘材料则可大大提高其工作温度(180)和使用功率，并且能延长使用寿命。,化学工业中采用高分子作稳定材料和防腐蚀材料，可涂于管道、反应器的表面，也可直接制成储槽、管道、罐、反应器等化工设备。在轻工业方面，塑料引起了包装革命。塑料除直接用于包装外，还可与纸、纸板、玻璃纸、铝箔等材料复合使用，应用很广。合成纤维(涤纶、尼龙、腈纶等)和人造纤维等的出现为纺织工业提供了大量原料，使纺织品的花色品种大大增加，产品更加美观耐用。此外，塑料鞋、塑料雨衣、薄膜、人造革以及各种塑料日用品，都以其美观、耐用、轻便而深受人们的欢迎。,2高分子在农业上的应用,采用塑料薄膜育苗，塑料大棚种菜，能大大提高农田利用率和产量；用黑色薄膜覆盖田垄，可以抑制杂草生长并且保温，有利农作物生长；化肥用塑料袋包装利于运输和储存；农业机械的轮胎要使用橡胶，水利排灌管道、农用机械零部件等都大量使用塑料，可见高分子合成材料的发展对实现农业现代化起着重要作用。,3高分子在国防上的应用,为国防工业现代化和尖端科学技术的发展，研制了各种特殊高分子材料和功能高分子材料，它们具有耐高温（或耐低温）、高强度(高模量)、高绝缘、耐辐射、耐腐蚀等优良性能，以及光、电、磁等特殊性能，所以在宇航、超音速飞机、原子能设备、大型集成电路和军事装备上采用高分子材料制作部件，在实现轻微型化上起着重要作用。例如，火箭外壳表层采用的高分子材料(短期耐 6 000甚至 10 000以上高温)，在军舰生产上使用的玻璃钢，人造卫星和宇宙飞船上使用的高分子烧蚀材料，飞机制造中代替金属使用的高分子材料，密封腻子等等，都是各种新型的高分子材料。,4高分子在交通、建筑、医药等方面的应用,在交通运输业中每年生产轮胎用的橡胶占橡胶总用量的 60-70,车厢、车身外壳使用了增强塑料，其它如船舱隔板、车厢机舱装饰、门窗等也都使用塑料。在建筑业中，门窗、地板、房梁及流动房屋、上下水道、公路涵洞及各种涂料、粘合剂等都可以用高分子材料制成。建筑方面还大量使用塑料管材、板材、棒材和泡沫塑料，它们具有坚韧美观，隔音保温等优良性能。,在医药卫生方面，除制造医疗器械、医用器皿用具(如手套)使用高分子材料外，还有高分子药物,并且高分子材料还可用于制造人工眼球角膜、人工心脏瓣膜、人造心肺、人工肾、人工血管、人工皮肤、人工骨骼、人造血浆和组织粘合剂等。可以预见人工制造的生理器官的范围将会愈来愈大，医用高分子已成为一个重要的科学分支。,高分子材料的未来,材料、能源和信息构成现代文明的三大支柱。新世纪对材料不仅功能上提出更高的要求，而且必须考虑资源、能源、环境和安全等与可持续发展有关的问题。未来材料的发展趋势大致可以概括为“六化”：即智能化、仿生化，复合化、精细化、轻量化和高功能化。,1智能化,智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而自动作出适时、灵敏和适当的响应，并能自动地调节、修饰和修复。例如，形状记忆合金便是一种智能材料。高分子属于软物质，其特点是对弱的外界影响作出相对显著的响应和变化。因此研究高分子的软物质特征，利用外场的变化来调节高分子功能的变化，发掘高分子的自适应性，寻找实现高分子功能材料智能化的途径，将是人们今后的努力目标。,2仿生化,通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，学习制造新材料的思路和方法，并在材料的设计和制造中加以模仿，称为仿生材料学。,汽车陶瓷发动机,科学家找到了贝壳硬而摔不破的原因，于是模仿贝壳的结构设计出一种摔不破的陶瓷。将涂有石墨层的SiC陶瓷片用热压法层层叠起来，抗冲击能力可提高100倍。英国科学家用其制造汽车陶瓷发动机，它耐高温，不需要水冷系统。,3复合化,复合材料可以克服单一材料的缺点，发挥各自组成材料的优点，扩大材料的应用范围，提高材料的经济效益。复合材料是材料的发展方向。复合材料与高分子材料紧密相关。高分子树脂是结构复合材料的最主要的基体材料，许多高性能的增强材料也是由高分子材料所构成。玻璃纤维增强树脂复合材料，当前已大规模的生产和应用，占高聚物基复合材料的绝大部分，主要用于交通运输、建筑、船舶、家电等领域，而今后仍会有所发展。目前研究的重点正以汽车应用领域为中心，进行成型材料和加工技术的开发，提高生产率。,高性能结构复合材料是新材料革命的一个重要方向，目前主要应用于航空、宇航、军事、造船、海洋工程技术等方面。其中应用最多的是高聚物基高性能复合材料。当前复合材料中基体树脂以热固性树脂为主，但热塑性树脂作为基体材料，近年来研究开发也十分活跃。今后复合材料领域中的研究方向主要是：高强度、高模量的纤维增强材料的研究与开发；研制兼具有优良强度、成型加工性和耐热性优良的新基体树脂；界面特性、粘接性提高及其评价技术的改进；确立无损检测技术，提高复合材料的可靠性；微观复合和宏观复合的综合利用；崭新成型加工技术的开发。,4.精细化,近年来电子信息技术迅猛发展，这就要求所用的原材料及采用的加工工艺技术，进一步向高纯化、超净化、精细化、功能化方向发展。例如超大规模集成电路用光致抗蚀剂，目前光刻工艺分辨率可达 12m，研究水平接近 0.1m。为了发展亚微米级（0.01m）和纳米级（0.001m）的超细光刻工艺，除了要发展适于波长更短的光源（紫外光、电子束、X射线等）曝光的新型光致抗蚀剂外，还必须改进光刻工艺。有机电子材料（例如有机导体和超导体、有机与高分子非线性光学材料、有机铁磁体、有机半导体、光导体等）相继问世。这一研究领域非常活跃，属于高科技领域，目前基本上正处于探索阶段。,5高功能化,功能高分子是高分子材料科学中充满活力的新领域，目前虽处于发展的初期，但正十分广泛而活跃地进行研究、开发、创新，并且已在深度和广度上取得进展，出现了一大批各种各样的高功能高分子材料。主要包括电磁功能高分子材料，光学功能高分子材料，物质传输、分离功能高分子材料，催化功能高分子材料，生物功能高分子材料和力学功能高分子材料等。例如像金属那样导电的导电性高聚物，能吸收大量水分的吸水性树脂，用于制造大规模集成电路的光刻胶，作为人造血管和人造心脏等原料的医用高分子材料等等。,