工程材料网络课程 5 高分子材料 5.1 通用高分子材料

发布日期:[13-02-13 19:07:47] 浏览人次:[]

高分子材料虽然相对于其它材料出现较晚,但发展迅速,种类繁多,性能各异,应用遍及国民经济各部门,按性能和用途可分为通用高分子材料、功能高分子材料、聚合物基复合材料、纳米高分子材料等。

5.1.1 通用高分子材料

5.1.1.1 塑料

1.塑料概述

以合成或天然高聚物为基本成分,配以一定的高分子助剂(如填料、增塑剂、稳定剂、着色剂等),经加工塑化成型,并在常温下保持其形状不变的材料,称为塑料。

塑料有许多不同的分类,常用的是按材料的受热行为可分为热塑性塑料和热固性塑料,其中热塑性塑料占塑料总量的80%。按树脂的化学结构有聚烯烃类、聚苯乙烯类、丙烯酸类、聚酰胺类、聚酯类、聚砜类、聚酰亚胺类等。按塑料的使用功能分,把产量大、价格便宜、原料来源丰富、应用面广的称为通用塑料,一般有聚乙烯、聚丙稀、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛和氨基塑料,占塑料总量的80%,其力学性能、热性能都比较差,主要作为非结构材料使用。工程塑料一般是指可以作为结构材料使用,具有优异的力学性能、热性能、尺寸稳定性或能满足特殊要求的某些塑料如聚四氟乙烯、聚酰胺、聚甲醛等。当然这两者有时难以有绝对的界限,如某些通用塑料如聚丙稀、聚苯乙烯经改性之后也可以作为结构材料使用。

塑料根据组分数目又可分为单一组分和多组分塑料。单组分塑料基本是由高聚物组成,典型的是聚四氟乙烯,不加任何助剂。大多数塑料是多组分体系,除高聚物这一基本成分外,还加入添加剂(高分子助剂),助剂能改善材料的加工性能、使用性能以及降低成本。主要的助剂有填料和增强剂、增塑剂、稳定剂、阻燃剂、发泡剂等。

2.通用塑料

⑴聚乙烯(Polyethylene,PE)

聚烯烃(polyolefin PO)是聚烯烃高聚物的总称,一般指乙烯、丙稀、丁烯、苯乙烯的均聚物和共聚物,其中产量最大的是聚乙烯。聚乙烯主要是制成板材、管、薄膜、贮槽和容器等,用于工业、农业及日常生活用品。

聚乙烯按树脂合成工艺的不同,可分为低密度聚乙烯(LDPE),1937年首先工业化生产;高密度聚乙烯(HDPE),1965年工业化生产;同时美国菲利普石油公司开发了中密度聚乙烯(MDPE)。2000年,世界上聚乙烯的总产量大约为4 800万吨,其中LDPE、LLDPE、HDPE分别占33%、24%和34%。

乙烯为生产聚乙烯的主要原料,主要是由石油烷烃热裂解后,分离精制而得。

聚乙烯是仅含有碳氢两种元素的长链脂肪烃,单体对称,结构单元在大分子链中以反式键接。但由于聚合方法的不同,也即表现在大分子的支化程度及结构有较大的差异,如图5–1所示,因而在性能上有明显的不同。高压法是自由基聚合机理,在反应中容易发生大分子间和大分子内链转移,导致LDPE支化度高,长短支链不规整,呈树枝状,分子量低,分子量分布宽,故结晶度低,机械强度低。低压法是按配位机理聚合,使得HDPE支化度低,线型结构,分子量高,分子量分布窄,因而结晶度高。

图5–1 三种形态的聚乙烯

制品的耐热性好,机械强度比LDPE高。LLDPE由于具有规整的短支链结构,虽然结晶度和密度与LDPE相似,抗撕裂性和耐应力开裂性比LDPE和HDPE高。超高分子量聚乙烯由于巨大的分子量,增加了大分子间的缠绕程度,虽然结晶度、密度介于LDPE和HDPE之间,但冲击强度和拉伸强度都成倍的增加,并具有高的耐磨、自润滑性,使用温度在100℃以上。

聚乙烯为不透明或半透明的蜡状固体,无毒、无嗅,无味,几乎不吸水,密度比水小,聚乙烯的物理机械性能依赖于结晶度,具体数据见表10–1。但LDPE、HDPE和LLDPE三者都存在蠕变大、尺寸稳定性差,不能做结构件使用。UHMW-PE是强而韧的材料,具有优异的性能,耐磨、自润滑、蠕变低,可以做传动零件。

表10–1 各种聚乙烯性能比较

性能

LDPE

HDPE

LLDPE

UHMW-PE

密度(g/cm3)

0.91~0.92

0.94~0.96

0.91~0.92

0.92~0.94

透明性

半透明

不透明

半透明

不透明

洛氏硬度

D41~46

D60~70

D40~50

R55

拉伸强度(MPa)

7~15

21~37

15~25

30~50

拉伸模量(GPa)

0.17~0.35

1.3~1.5

0.25~0.35

1~7

缺口冲击强度(kJ/m2)

80~90

40~70

>70

>100

熔点(℃)

105~115

131~137

122~124

135~137

热变形温度(℃)

50

78

75

95

脆化温度(℃0

-80~-55

-140~-100

<-120

<-137

介电常数

2.25~2.35

2.30~2.35

2.25~2.35

2.30~2.35

介电损耗

<5×10-4

<10-4

<5×10-4

<2×10-4

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