第八章

合成高分子材料

合成高分子材料主要包括合成樹脂、合成橡膠和合成纖維三大類。合成樹脂主要用于制備建筑塑料、建筑涂料和膠粘劑等，是用量最大的合成高分子材料。合成橡膠主要用于防水密封材料、橋梁支座和瀝青改性材料等，用量僅次于合成樹脂。合成纖維主要用于土工織物、纖維增強水泥、纖維增強塑料和膜結(jié)構(gòu)用膜材料等，用量也在不斷增加。1§8.1高分子化合物的概述§8.1.1基本知識一、基本概念高分子化合物又稱高聚物或聚合物，其分子量很大，一般為104～106。其分子往往由許多相同的、簡單的結(jié)構(gòu)單元，通過共價鍵重復(fù)連接而成。其中每個單元稱為“鏈節(jié)”，結(jié)構(gòu)單元的重復(fù)數(shù)量稱為“聚合度”。2二、聚合物的分類按聚合物的來源：天然聚合物和合成聚合物；按分子結(jié)構(gòu)：線型聚合物和體型聚合物；按聚合物受熱的行為：熱塑性聚合物和熱固性聚合物；按主鏈元素：碳鏈高分子（主鏈只含碳元素）、雜鏈高分子（主鏈含碳、氧、氮、磷等元素）、元素有機高分子（主鏈不含碳元素）和無機高分子（主鏈不含有機元素）。3三、聚合物的命名天然聚合物用專有名稱，如纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)等；合成聚合物在單體名稱前加上“聚”字，例如聚氯乙烯、聚苯乙烯等；也可在原料名稱后加“樹脂”、“橡膠”、“纖維”等來命名.4四、聚合反應(yīng)由低分子單體合成聚合物的反應(yīng)叫做聚合反應(yīng)。聚合反應(yīng)按單體和聚合物在組成和結(jié)構(gòu)上發(fā)生的變化，分為加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)兩大類。加聚反應(yīng)：以單體通過加成的方式，聚合形成聚合物的反應(yīng)?？s聚反應(yīng)：含有兩個以上官能團的單體，通過官能團間的反應(yīng)生成聚合物的反應(yīng)?？s聚反應(yīng)聚合物分子鏈增長過程是逐步反應(yīng)，同時伴有低分子副產(chǎn)物如水、氨、甲醇等的生成。5§8.1.2聚合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)一、聚合物的分子結(jié)構(gòu)分為為線型聚合物和體型聚合物。（一）線型聚合物定義：線型聚合物的大分子鏈排列成線狀主鏈（如圖8－1a），有時帶有支鏈（如圖8－1b），且線狀大分子間以分子間力結(jié)合在一起。具有線型結(jié)構(gòu)的聚合物包括全部加聚樹脂和部分縮聚樹脂。特性：具有線型結(jié)構(gòu)的樹脂，強度較低，彈性模量較小，變形較大，耐熱、耐腐蝕性較差，且可溶可熔。支鏈型聚合物因分子排列較松，分子間作用力較弱，因而密度、熔點及強度等低干線型聚合物。線型聚合物樹脂均為熱塑性樹脂。6（二）體型聚合物定義：線型大分子通過化學(xué)鍵交聯(lián)作用而形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，又稱網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)（如圖8～1c），部分縮合樹脂具有體型結(jié)構(gòu)（交聯(lián)或固化前也為線型或支鏈型分子）。特性：縮合樹脂的強度高，彈性模量較大，變形較小，較硬脆，且塑性小，耐熱性、耐腐蝕性較好，不溶不熔。體型聚合物樹脂均為熱固性樹脂。7二、聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)定義：聚集態(tài)結(jié)構(gòu)就是指分子鏈間的排列、堆砌方式和規(guī)律?？煞譃榫B(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)和織態(tài)結(jié)構(gòu)等聚集狀態(tài)。晶態(tài)結(jié)構(gòu)：聚合物的結(jié)晶為部分結(jié)晶，即在結(jié)晶聚合物中存在“晶區(qū)”和“非晶區(qū)”，且大分子鏈可以同時跨越幾個晶區(qū)和非晶區(qū)。晶區(qū)所占的百分比稱為結(jié)晶度。結(jié)晶度越高，則聚合物的密度、彈性模量、強度、耐熱性、折光系數(shù)等越高，而沖擊韌性、粘附力、斷裂伸長率、溶解度等越低。晶態(tài)聚合物一般為不透明或半透明狀，非晶態(tài)聚合物則一般為透明狀。體型聚合物只有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。8取向態(tài)結(jié)構(gòu)：指聚合物在一維或二維方向的有序排列結(jié)構(gòu)。取向在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，在合成纖維生產(chǎn)中，采用熱牽引工藝，使分子鏈取向，可提高纖維的強度和彈性模量。聚乙烯纖維未取向時的抗拉強度約為60～80MPa，而取向后的強度可達800MPa?？棏B(tài)結(jié)構(gòu)：指將兩種或兩種以上的聚合物或不同分子量的同種聚合物混合而得到的材料結(jié)構(gòu)，屬非均相體系結(jié)構(gòu)。由一個分散相和一個連續(xù)相組成的兩相共混物應(yīng)用最多。9三、聚合物的物理狀態(tài)和特點聚合物的物理狀態(tài)可根據(jù)溫度－變形曲線劃分，線型非晶態(tài)聚合物分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種物理狀態(tài)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）：溫度升高到Tg以上后，分子動能增加，分子鏈段能運動，但大分子鏈的運動仍被凍結(jié)，聚合物彈性模量較小，在外力作用下，產(chǎn)生較大的變形，且變形是可恢復(fù)的，這種狀態(tài)稱為高彈態(tài)。玻璃化轉(zhuǎn)變粘流溫度（Tf）：當(dāng)溫度升高Tf到以上后，分子動能增加到鏈段和整個大分子鏈都可以運動，聚合物成為可以流動的粘稠液體，此時，聚合物在外力作用下，分子間相互滑動，產(chǎn)生粘性流動，外力除去后保持變形，變形不可逆。1011四、聚合物的的老化定義：在使用過程中中，聚合物會會由于光、熱熱、空氣（氧氧和臭氧）等等的作用而發(fā)發(fā)生結(jié)構(gòu)或組組成的變化，，從而出現(xiàn)各各種性能劣化化現(xiàn)象，如出出現(xiàn)變色、變變硬、龜裂、、發(fā)粘、發(fā)軟軟、變形、斑斑點、機械強強度降低等，，稱為聚合物物的老化。分類：聚合物物的老化分為為熱老化和光光老化兩類。。12§8.1.3常常用的聚合物物一、合成樹脂脂（一）熱塑性性樹脂1.聚乙烯(PE)定義：聚乙烯（PE）是由乙烯單體體聚合而成的的，根據(jù)聚合合反應(yīng)時采用用的引發(fā)劑、、聚合條件的的不同可得到到性質(zhì)不同的的產(chǎn)品。分類：高壓聚乙烯和和低壓聚乙烯烯。超高分子子量聚乙烯（（UHMWPE）和線性低密度度聚乙烯（LLDPE））。性質(zhì)：聚乙烯塑料無無臭、無毒，，原料來源豐豐富，價格較較低，且具有有優(yōu)異的耐低低溫性（最低低使用溫度可可達－70℃℃～－100℃）、化學(xué)學(xué)穩(wěn)定性、電電絕緣性和加加工性能。用途：在建筑中，聚乙烯烯主要用于生產(chǎn)防防水材料（薄膜、、卷材等）、給排排水管材（冷水））、電絕緣材料、、水箱和衛(wèi)生潔具具等。132.聚氯乙烯(PVC)定義：氯乙烯通過自由基基聚合，用懸浮法法、乳液法或本體體法制成白色粉未未或糊狀的樹脂。。性質(zhì)：有良好的耐化學(xué)腐腐蝕性，但質(zhì)脆而而硬，較少彈性。。通過添加增塑劑劑可以改善PVC的柔韌性。用途：硬質(zhì)聚氯乙烯主要要用作天溝、落水水管、外墻覆面板板、天窗及給排水水管。軟質(zhì)聚氯乙乙烯常加工為片材材、板材、型材等等，如卷材地板、、塊狀地板、壁紙紙、防水卷材和止止水帶等。在PVC中混入大量的碳酸酸鈣制成鈣塑料可可以提高塑料的硬硬度、降低成本，，用于代替鋼材和和木材制作塑料門門窗、樓梯扶手、、地板、天花板和和電線套管等，將將PVC輕度發(fā)泡可以制成成塑料地毯和塑料料壁紙等。143.聚苯乙烯(PS)定義：聚苯乙烯（PS）的均聚物是由苯乙乙烯單體聚合而得得。性質(zhì)：質(zhì)地堅硬，化學(xué)性性能和電絕緣性能能優(yōu)良，易于成型型出各類色彩鮮艷艷、表面光潔的制制品。但PS耐熱性差、質(zhì)脆。。用途：改性后可以用于建建筑中聚苯乙烯主主要用于制作泡沫沫塑料，其隔熱保保溫性能優(yōu)異。此此外，聚苯乙烯也也常用于涂料和防防水薄膜的生產(chǎn)。。ABS樹脂主要用于生產(chǎn)產(chǎn)塑料裝飾板和管管材等。還有常用用的安居板。154.聚丙烯(PP)5.聚甲基丙烯酸甲酯酯（PMMA）聚甲基丙烯酸甲甲酯（PMMA）是透明、無毒無無味的無定形熱熱塑性樹脂，其其最大優(yōu)點是具具有優(yōu)異的光學(xué)學(xué)性能，對可見見光的透過率可可達92％，對對紫外線的透過過率達73.5％，均優(yōu)于普普通無機硅酸鹽玻璃，，并具有有較好的的耐氣候候老化性性，質(zhì)輕輕（約為為無機玻玻璃的1/2）），抗沖沖擊強度度較高。。在建筑中中，聚甲甲基丙烯烯酸甲酯酯主要用用作采光光天窗、、防震玻玻璃、室室內(nèi)裝飾飾等，以以適當(dāng)方方式對其其增強后后，也可可用于制制作透明明管材及及其他建建筑制品品。（二）熱熱固性樹樹脂1.酚醛醛樹脂（（PF）定義：酚醛樹脂脂是酚類類和醛類類化合物物經(jīng)縮聚聚反應(yīng)而而得的樹樹脂的統(tǒng)統(tǒng)稱，其其中應(yīng)用用較多的的是苯酚酚－甲醛醛縮聚物物（PF）。。當(dāng)所用催催化劑的的酸堿性性以及苯苯酚／甲甲醛比例例不同時時，可以以生成熱熱塑性或或熱固性性酚醛樹樹脂，兩兩者能相相互轉(zhuǎn)化化。特點：有較好的的電性能能，密度度低，強強度較高高，具有有很高的的熱強度度等，但但質(zhì)脆，，抗沖擊擊性能差差。用途：主主要用于于制造各各種層壓壓板和玻玻璃纖維維增強塑塑料，以以及防水水涂料、、木結(jié)構(gòu)構(gòu)用膠等等。172.脲醛醛樹脂（（UF）定義及特特點：脲醛樹脂脂是由甲甲醛和尿尿素縮聚聚而成的的聚合物物，它具具有耐燃燃、耐電電弧、易易著色、、表面硬硬度高、、而溶劑劑、本身身呈透明明狀等特特點。因因此，可可制成表表面光潔潔、色彩彩鮮明的的玉狀制制品（俗俗稱“電電玉”）），但耐耐濕性差差，受潮潮氣和水水的作用用易發(fā)生生變形或或開裂，，而且耐耐熱性較較差。用途：脲醛樹脂主主要用于生生產(chǎn)木絲板板、膠合板板、層壓板板等。經(jīng)發(fā)發(fā)泡處理后后，可制得得一種硬質(zhì)質(zhì)泡沫塑料料，用作填填充性絕緣緣材料。經(jīng)經(jīng)過改性處處理的脈醛醛樹脂還可可用于制造造涂料、膠膠粘布等。。183.不飽和和聚脂樹脂脂（UP）定義：不飽和聚酯酯樹脂（UP）是指分子鏈鏈主鏈上含含有不飽和和鍵的聚酯酯。特點：多樣化，硬硬質(zhì)的、有有彈性的、、柔軟的、、耐腐蝕的的、耐氣候候老化的或或耐燃的，，這些性能能上的變化化形成了UP在應(yīng)用上的的多樣化。。用途：用于制造涂涂料、玻璃璃纖維增強強塑料以及及聚合物混混凝土的膠膠結(jié)料中，，可用于墻墻面、地面面裝飾，制制作人造大大理石，具具有裝飾性性好、耐磨磨等特點。。194.環(huán)氧氧樹脂（EP）環(huán)氧樹脂（（EP）是分子結(jié)構(gòu)構(gòu)中含有環(huán)環(huán)氧基的聚聚合物。環(huán)環(huán)氧樹脂的的種類很多多，其中用用途最廣的的是環(huán)氧氯氯丙烷與雙雙酚A縮聚得到的的雙酚A型環(huán)氧樹脂脂，這種環(huán)環(huán)氧樹脂是是線型結(jié)構(gòu)構(gòu)，具有熱熱塑性，應(yīng)應(yīng)用時必須須加入固化化劑，使環(huán)環(huán)氧樹脂固固化。固化化劑品種很很多，常用用的有胺類類、酸酐類類等。固化化后的環(huán)氧氧樹脂具有有強度高、、粘結(jié)力強強、收縮率率小、耐水水、耐化學(xué)學(xué)腐蝕性和和電絕繡性性好等特點點，不耐高高溫。環(huán)氧樹脂主主要用于結(jié)結(jié)構(gòu)膠粘劑劑、玻璃纖纖維增強塑塑料、聚合合物混凝土土以及防底底涂料和地地坪材料等等。20二、合成橡橡膠定義:橡膠是玻璃璃化轉(zhuǎn)變溫溫度Tg較低，在室室溫下具有有高彈性的的聚合物。。特點：在-50～～＋150℃范圍內(nèi)內(nèi)，具有極極為優(yōu)異的的彈性，在在外力作用用下，變形形量可以達達到百分之之幾百，并并且在外力力取消后，，變形可完完全恢復(fù)。。此外，橡橡膠還具有有良好的抗抗拉強度、、耐疲勞強強度，良好好的不透水水性、不透透氣性、耐耐酸堿腐蝕蝕性和電絕絕緣性等。。由于橡膠膠良好的綜綜合性能，，在土木工工程中，廣廣泛用作防防水材料和和密封材料料等。分類:橡膠按來源源分為天然然橡膠和合合成橡膠。。21（一）丁基基橡膠（IIR）定義:丁基橡膠是是通過異丁丁烯與異戊戊二烯聚合合制備的結(jié)結(jié)晶性非極極性橡膠。。特點：丁基橡膠最最獨特的性性能是氣密密性非常好好，水滲透透率極低，，其耐熱性性、耐氣候候老化性能能、耐臭氧氧老化性能能也很好。。但彈性較較低、工藝藝性能較差差、硫化速速度慢、粘粘著性和耐耐油性等也也較差。用途：丁基橡膠主主要用作防防水卷材和和防水密封封材料。22（二）氯丁丁橡膠（CR）定義:氯丁橡膠是是通過氯丁丁二烯聚合合制備的結(jié)結(jié)晶性橡膠膠，。氯丁丁橡膠是所所有合成橡橡膠中密度度最大的，，其相對密密度約為1.23～～1.25，呈淺黃黃色或棕褐褐色。特點：其抗拉強度度較高，透透氣性、耐耐磨性較好好，不易老老化，耐油油、耐熱、、難燃、耐耐臭氧、耐耐酸堿腐蝕蝕性好，粘粘結(jié)力較強強。其缺點點是對濃硫硫酸和濃硝硝酸的抵抗抗力較差，，電絕緣性性也較差。。用途：氯丁橡膠被被廣泛地用用于膠粘劑劑、門窗密密封條、膠膠帶等。23（三）乙丙丙橡膠（EPM）定義:乙丙橡膠是是以乙烯、、丙烯為主主要單體原原料共聚的的無定形橡橡膠。根據(jù)據(jù)是否加入入第三單體體可分為二二元乙丙橡橡膠和三元元乙丙橡膠膠兩大類。。三元乙丙丙橡膠生產(chǎn)產(chǎn)和使用較較多。特點：有優(yōu)異的耐耐老化性能能，是現(xiàn)有有通用橡膠膠中耐老化化性能最好好的，能長長期在陽光光、潮濕、、寒冷的自自然環(huán)境中中使用；耐耐熱性能好好，可在120℃的的環(huán)境中長長期使用，，最高使用用溫度達150℃，，具有較好好的低溫性性能，最低低極限使用用溫度可達達-50℃℃或更低；；具有較好好的耐化學(xué)學(xué)腐蝕、耐耐熱水和水水蒸氣性能能；密度是是所有橡膠膠中最低的的，其缺點點是硫化速速度慢，自自粘性與互互粘性較差差，耐燃性性、耐油性性和氣密性性差。用途：主要用于生生產(chǎn)防水卷卷。24（四）丁苯苯橡膠（SBR）定義:丁苯橡膠是是丁二烯和和苯乙烯的的共聚物，，通過調(diào)節(jié)節(jié)苯乙烯的的含量可以以得到不同同性能的丁丁苯橡膠，，丁苯橡膠膠（SBR）是產(chǎn)量和消消耗量最大大的合成橡橡膠。特點：純丁苯橡膠的強度度低，須增強后后才具有實際使使用價值；其彈彈性、耐寒性較較差，耐撕裂性性和粘著性能均均較天然橡膠差差。但耐熱性、、耐老化性、耐耐磨性均優(yōu)于天天然橡膠。用途：主要用于鋪地材材料和瀝青改性性。（五）硅橡膠（（SR）（六）熱塑性彈性性體25三、合成纖維分類：纖維可分為天然然纖維（如羊毛毛、蠶絲、棉花花、麻等）和化化學(xué)纖維兩大類類，化學(xué)纖維按按其聚合物來源源又可分為人造造纖維和合成纖纖維兩類，人造造纖維是以天然然聚合物為原料料經(jīng)過化學(xué)處理理后再加工制成成的，如粘膠纖纖維、醋酸纖維維、硝酸纖維等等；合成纖維是是由合成的聚合合物制得的，有有聚酯纖維、聚聚酞胺纖維、聚聚丙烯睛纖維、、聚丙烯纖維等等品種。26（一）聚酯纖維維（的確良）定義：聚酯纖維是大大分子鏈中的各各鏈節(jié)與酯基相相連的聚合物紡紡制而成的合成成纖維。特點：聚酯纖維彈性好好、強度大、模模量高、吸濕性性低、耐熱性、、耐磨性、耐光光老化性能好。。用途：用于土工織物。。27（二）聚酰胺纖纖維（錦綸）定義：聚酰胺纖維是是分子主鏈由酰酰胺鍵連接起來來的一類合成纖纖維。特點：耐磨性非常好，，強度、耐沖擊擊性、彈性、耐耐疲勞性也很好好，而且密度小?。痪埘０防w維維的模量低、耐耐光性、耐熱性性、抗靜電性、、染色性、吸濕濕性較差。用途：用于繩索、化纖纖地毯等。28（三）聚丙烯腈腈纖維定義：聚丙烯腈纖維維是采用丙烯腈腈三元單體共聚聚物紡成的纖維維，又稱腈綸。。特點：彈性模量高、耐耐光性、耐輻射射性、化學(xué)穩(wěn)定定性、耐熱性好好，但強度較低低、耐磨性、抗抗疲勞性較差。。用途：腈綸廣泛用于污污水處理和碳纖纖維生產(chǎn)。（四）聚丙烯纖纖維（丙綸）（五）聚乙烯醇醇纖維（維綸））29§8.2土木工程程常用的合成高高分子材料§8.2.1建筑筑塑料定義：塑料是以合成樹樹脂為主要成分分，在一定條件件（溫度、壓力力等）下，可塑塑成一定形狀并并在常溫下保持持其形狀的高分分子材料。特點：與傳統(tǒng)的建筑材材料相比，塑料料具有質(zhì)輕、比比強度高、化學(xué)學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)小、裝裝飾性和加工性性能好及耗能較較低的特點。但但塑料還有剛度度小、易老化、、易燃、耐熱性性差的缺點。用途：塑料可作為結(jié)結(jié)構(gòu)材料和功功能材料。作作為結(jié)構(gòu)材料料應(yīng)用的主要要是纖維增強強塑料。作為為功能材料可可用于隔熱保保溫材料、裝裝飾裝修材料料等。30一、塑料的基基本組成（一）填料用途：粉狀填料有助助于提高塑