第19讲S6.3高分子材料的特性和应用材料化学导论课程教案s6.3高分子材料的特性及应用【目的要求】通过本讲课程的学习，主要了解塑料的特点，掌握主要的通用塑料和工程塑料的性能，掌握几类主要的橡胶的性能，了解有机胶粘材料。本讲课的教学采用“三维立体”教学方法和启发式教学方式，在掌握好理论深度，强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学生对基础理论知识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学有所用，提高学生的学习兴趣。【重点】通用塑料的类别，几类重要的工程塑料，工程塑料的结构与性能的关系，氟橡胶的特点。【难与点】工程塑料的结构与性能的关系。【本讲课程的内容】6.3.1塑料定义：塑料是以有机高分子化合物为基体材料，加入各种改性添加剂后，在一定的温度和压力下塑制而成的材料。在加热加压条件下可塑制成型，在常温下能保持固定形状的聚合物。特点：1）比重轻，比强度高（强度/密度），可做汽车外皮，飞机外壳。2）电绝缘性，绝热性好：如大棚用薄膜利用绝热性，交联PE做电缆绝缘外皮。3）耐腐蚀性和化学稳定性好；做塑料瓶盛放化学试剂。4）光学性好（聚酯）仪表外壳。5）耐磨，自润滑性能好，金属齿轮噪音很大，塑料的齿轮耐磨，噪音小。6）加工性能优良，能耗低，塑料加工成型方便，成本低廉。分类：通用塑料和工程塑料（一）通用塑料主要包括：聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚氯乙烯（PVC），聚苯乙烯（PS），酚醛树脂，氨基树脂六大塑料。（1）聚乙烯（PE）---结构最简单的塑料，-[CH2-CH2]-n可制作薄膜，食品包装膜，中空容器，交联PE可做电缆绝缘层。(2)聚氯乙烯（PVC）-----全能塑料，-[CH-CH-]n。c1
§6.3 高分子材料的特性和应用 材料化学导论课程教案 第 19 讲 §6.3 高分子材料的特性及应用 【目的要求】通过本讲课程的学习，主要了解塑料的特点，掌握主要的通用塑料和工程塑料 的性能，掌握几类主要的橡胶的性能，了解有机胶粘材料。本讲课的教学采用“三维立体” 教学方法和启发式教学方式，在掌握好理论深度，强调基础理论的应用，注意启发学生，加 强学生对基础理论知识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受 到学有所用，提高学生的学习兴趣。 【重 点】通用塑料的类别，几类重要的工程塑料，工程塑料的结构与性能的关系，氟橡 胶的特点。 【难 点】工程塑料的结构与性能的关系。 【本讲课程的内容】 6.3.1 塑料 定义：塑料是以有机高分子化合物为基体材料，加入各种改性添加剂后，在一定的温度 和压力下塑制而成的材料。在加热加压条件下可塑制成型，在常温下能保持固定形状的聚合 物。 特点： 1）比重轻，比强度高（强度/密度），可做汽车外皮，飞机外壳。 2）电绝缘性，绝热性好；如大棚用薄膜利用绝热性，交联 PE 做电缆绝缘外皮。 3）耐腐蚀性和化学稳定性好；做塑料瓶盛放化学试剂。 4）光学性好（聚酯）仪表外壳。 5）耐磨，自润滑性能好，金属齿轮噪音很大，塑料的齿轮耐磨，噪音小。 6）加工性能优良，能耗低，塑料加工成型方便，成本低廉。 分类：通用塑料和工程塑料 (一) 通用塑料 主要包括：聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚氯乙烯（PVC），聚苯乙烯（PS），酚醛树脂， 氨基树脂六大塑料。 （1）聚乙烯（PE）-结构最简单的塑料， -[CH2 -CH2 ]-n 可制作薄膜，食品包装膜，中空容器，交联 PE 可做电缆绝缘层。 (2)聚氯乙烯（PVC）-全能塑料， -[CH2- CH-] n 。 Cl
第19讲86.3高分子材料的特性和应用材料化学导论课程教案可做硬塑料，如管材，容器等；在建筑上应用较多，如塑钢门窗，吊顶板，楼梯扶手等。也可作软塑料，如薄膜，桌布，人造革等。(3)聚丙烯（PP）---最轻的塑料，-{-CH2-CH-n—CH3PP的p=0.9g/cm3，无毒，无味，耐热性好，常用作餐具，一次性塑料杯等，可制作高强度的扁丝，编织袋。耐曲折性好，可做眼镜盒的曲折部分，汽车保险杠等。（4）聚苯乙烯（PS）最鲜明的塑料，-{-CH2-CH-In一CoHs聚苯乙烯为无色透明，极易染成其它鲜明的颜色，可做装饰品，如玩具；发泡PS可做隔热和防震材料，建筑墙板，还可以做一次性餐具。（5）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可制备各种透明装饰面板，透明容器，仪表板，航空玻璃，防弹玻璃等，缺点是不耐划。(二)工程塑料定义：具有较高的机械强度和其它特殊性能的塑料，能代替金属做工程技术上的结构材料使用。（1）聚酰胺(PA，俗称尼龙）聚酰胺是一类热塑性塑料，通称尼龙，它是具有许多酰胺基团（-CO-NH-）的一类树脂的总称，主要是由二元酸和二元胺缩聚而成。特点：1）具有无毒、无味，对化学试剂稳定，可溶于浓硫酸，甲酸和酚类中：2）机械强度高，具有优良的机械性能和耐温性，可做机械、仪器等零件：3）自润滑性好，无油润滑系数为0.1-0.3，是巴氏合金的1/3，可广泛用于齿轮，轴承等。聚酰胺的结构与性能关系：（1）聚酰胺分子链可以形成具有相当强作用力的氢键，形成氢键的多少，由大分子的立体化学结构来决定。氢键的形成使聚合物大分子间的作用力增大，易于结晶，且具有较高的机械强度和熔点。（2）在聚酰胺分子结构中的次甲基（-CH2-）的存在，使分子链比较柔顺，有较高的韧性。（3）随结构中碳链的增长，其机械强度下降，但柔性、疏水性增加。（4）对大多数化学试剂稳定，特别是耐油性好。可做输油管道，储油容器
§6.3 高分子材料的特性和应用 材料化学导论课程教案 第 19 讲 可做硬塑料，如管材，容器等；在建筑上应用较多，如塑钢门窗，吊顶板，楼梯扶手等。 也可作软塑料，如薄膜，桌布，人造革等。 (3) 聚丙烯（PP）-最轻的塑料，-[-CH2 - CH-]n— CH3 PP 的ρ =0.9g/cm3, 无毒，无味，耐热性好，常用作餐具，一次性塑料杯等，可制作高 强度的扁丝，编织袋。耐曲折性好，可做眼镜盒的曲折部分，汽车保险杠等。 （4）聚苯乙烯（PS）最鲜明的塑料，-[-CH2-CH-]n— C6H5 聚苯乙烯为无色透明，极易染成其它鲜明的颜色，可做装饰品，如玩具；发泡 PS 可做隔 热和防震材料，建筑墙板，还可以做一次性餐具。 （5）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 可制备各种透明装饰面板，透明容器，仪表板，航空玻璃，防弹玻璃等，缺点是不耐划。 (二) 工程塑料 定义：具有较高的机械强度和其它特殊性能的塑料，能代替金属做工程技术上的结构材 料使用。 （1）聚酰胺(PA，俗称尼龙) 聚酰胺是一类热塑性塑料，通称尼龙，它是具有许多酰胺基团(-CO-NH-)的一类树脂的总 称，主要是由二元酸和二元胺缩聚而成。 特点： 1）具有无毒、无味，对化学试剂稳定，可溶于浓硫酸，甲酸和酚类中； 2）机械强度高，具有优良的机械性能和耐温性，可做机械、仪器等零件； 3）自润滑性好，无油润滑系数为 0.1-0.3，是巴氏合金的 1/3,可广泛用于齿轮，轴承等。 聚酰胺的结构与性能关系： （1）聚酰胺分子链可以形成具有相当强作用力的氢键，形成氢键的多少，由大分子的立 体化学结构来决定。氢键的形成使聚合物大分子间的作用力增大，易于结晶，且具有较高的 机械强度和熔点。 （2）在聚酰胺分子结构中的次甲基（-CH2-）的存在，使分子链比较柔顺，有较高的韧 性。 （3）随结构中碳链的增长，其机械强度下降，但柔性、疏水性增加。 （4）对大多数化学试剂稳定，特别是耐油性好。可做输油管道，储油容器
第19讲86.3高分子材料的特性和应用材料化学导论课程教案缺点：吸湿性高，尺寸变形大，抗蠕变性较差，不适合做精密零件。（2）、聚四氟乙烯（PTFE）-[CF2-CF2]--聚四氟乙烯是氟树脂中综合性能最突出的一种，应用最广，产量最大，约占氟塑料的85%。是由单体四氟乙烯经自由基聚合反应而成的。PTFE的优点：（1）优异的化学稳定性，卓越的耐腐蚀性能，对任何酸，碱，煮沸的王水不反应，有“塑料王”之称。化学稳定性超过了玻璃，陶瓷、不锈钢甚至金，铂等。（2）耐热、耐寒性能好，在-200-250°C范围内长期使用。良好的耐热性是因为C-F键能高，破坏C-F键需要较高能量。良好的耐寒性使之做航空和核工业中的超低温材料。（3）电绝缘性优异，且不受温度、交流电频率的影响；F原子对称性分布，整个分子偶极矩接近于0，可做电容器，通用电缆的绝缘材料。（4）吸水率接近于0，低摩擦系数和不粘性等优异性能，可做减磨材料，密封零件，无油润滑下轴承或活塞环。(3)、ABS树脂ABS树脂化学名称为丙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，英文名称：AcrylonitrileButadieneStyrene。比重：1.05g/cm2，成型收缩率：0.4-0.7%成型温度：200-240℃干燥条件：80-90℃，2小时ABS树脂是由丙烯腈（A），丁二烯（B），-苯乙烯（S）三种单元组成，是三者的共聚物。丙烯（A），CH=CH-CN，具有强极性-CN基，故不仅使链的刚性增大，同时使分子间作用力增强，故使ABS树脂具有较高的强度，硬度，耐热性和耐腐蚀性能。丁二烯（B）可使树脂获得韧性，高弹性和提高其抗冲击强度。苯乙烯（S）则使ABS树脂有优良的电性能和良好的成型加工性能。它们的共同作用是的ABS树脂刚韧兼备，性能良好，成为最受欢迎的工程塑料。特点：a、综合性能较好，冲击强度较高，化学稳定性，电性能良好b、有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别。ABS工程塑料一般是不透明的，外观呈浅象牙色、无毒、无味，兼有韧、硬、刚的特性燃烧缓慢，火焰呈黄色，有黑烟，燃烧后塑料软化、烧焦，发出特殊的肉桂气味，但无熔融滴落现象。（4）聚碳酸酯（Polycarbonate）常用缩写PC
§6.3 高分子材料的特性和应用 材料化学导论课程教案 第 19 讲 缺点：吸湿性高，尺寸变形大，抗蠕变性较差，不适合做精密零件。 （2）、聚四氟乙烯（PTFE） -[CF2-CF2]-n 聚四氟乙烯是氟树脂中综合性能最突出的一种，应用最广，产量最大，约占氟塑料的 85%。 是由单体四氟乙烯经自由基聚合反应而成的。 PTFE 的优点： （1）优异的化学稳定性，卓越的耐腐蚀性能，对任何酸，碱，煮沸的王水不反应，有“塑 料王”之称。化学稳定性超过了玻璃，陶瓷、不锈钢甚至金，铂等。 （2）耐热、耐寒性能好，在-200-250ºC 范围内长期使用。良好的耐热性是因为 C-F 键 能高，破坏 C-F 键需要较高能量。良好的耐寒性使之做航空和核工业中的超低温材料。 （3）电绝缘性优异，且不受温度、交流电频率的影响；F 原子对称性分布，整个分子偶 极矩接近于 0，可做电容器，通用电缆的绝缘材料。 （4）吸水率接近于 0，低摩擦系数和不粘性等优异性能，可做减磨材料，密封零件，无 油润滑下轴承或活塞环。 （3）、ABS 树脂 ABS 树脂化学名称为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，英文名称: Acrylonitrile Butadiene Styrene。比重:1.05g/cm3 ，成型收缩率:0.4-0.7% 成型温度：200-240℃ 干燥条件：80-90℃ ， 2 小时 ABS 树脂是由丙烯腈（A），丁二烯（B），-苯乙烯（S）三种单元组成，是三者的共聚物 。 丙烯腈（A）, CH2=CH-CN, 具有强极性-CN 基，故不仅使链的刚性增大，同时使分子间 作用力增强，故使 ABS 树脂具有较高的强度，硬度，耐热性和耐腐蚀性能。 丁二烯（B）可使树脂获得韧性，高弹性和提高其抗冲击强度。 苯乙烯（S）则使 ABS 树脂有优良的电性能和良好的成型加工性能。 它们的共同作用是的 ABS 树脂刚韧兼备，性能良好，成为最受欢迎的工程塑料。 特点： a、综合性能较好,冲击强度较高,化学稳定性,电性能良好. b、有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别。 ABS 工程塑料一般是不透明的，外观呈浅象牙色、无毒、无味，兼有韧、硬、刚的特性， 燃烧缓慢，火焰呈黄色，有黑烟，燃烧后塑料软化、烧焦，发出特殊的肉桂气味，但无熔融 滴落现象。 （4）聚碳酸酯（Polycarbonate）常用缩写 PC
第19讲86.3高分子材料的特性和应用材料化学导论课程教案聚碳酸酯是1985年开始工业化生成，种类很多，大规模生成的是双酚A型据聚碳酸酯。0分子结构式：foR-C,式中，R可为多种不同的基团或原子：聚碳酸酯大分子是由n个上式所示链节相互连接而成的。PC的分子结构对称，简单规整，可结晶，但结晶条件很严格。聚碳酸酯的链节结构与性能的关系：聚碳酸酯链节结构直接影响到它分子链的柔曲性、分子间的相互作用，进而影响到它的性能。主链上除R基外的基团外，还有苯基、氧基、羰基和酯基。①苯基主链上的苯环限制了大分子的内旋转，减少了分子的柔顺性，提高了分子链的刚性，增大了聚合物的机械强度、耐热性、耐化学药品性、耐候性和尺寸稳定性，降低了它在有机溶剂中的溶解性和吸水性。②氧基氧基又叫醚键。它的作用与苯基有些相反：增大了分子链的柔曲性，使链段容易绕氧基两端单键发生分子内旋转，加大了聚合物在有机溶剂中的溶解性和吸水性，③炭基羰基增大了分子链间的相互作用力，使大分子链间靠得更紧密，聚合物刚性增大。④酯基氧基与羰基结合形成酯基，酯基是一种极性较大的基团，增加了分子间作用力，使空间位阻增加，亦增大分子刚性；酯基是聚碳酸酯分子链中较薄弱的部分。它容易水解断裂，使聚碳酸酯较易溶于极性有机溶剂，也是它的电绝缘性能不及非极性甚至弱极性聚合物的重要原因。优良的性能：正是PC分子链中含有柔顺性的酯基和刚性的苯环的交替结构，使PC具有特别高额韧性、强度和抗冲击性能。PC具有金属的机械强度，玻璃的光学性能，是透明度高的工程塑料，。Tg=149℃，在-100-140℃机械性能优良，电绝缘性优良，无毒，在机械、汽车、电子等领域应用非常广泛。6.3.2合成橡胶橡胶的优点：弹性好，伸长率高达1000%，强度大，抗撕裂性及电绝缘性好，耐寒、耐磨性好。缺点：耐油、溶剂、03，耐老化差，定向聚合合成的橡胶95是顺式的
§6.3 高分子材料的特性和应用 材料化学导论课程教案 第 19 讲 聚碳酸酯是 1985 年开始工业化生成，种类很多，大规模生成的是双酚 A 型据聚碳酸酯。 分子结构式： 式中，R 可为多种不同的基团或原子；聚碳酸酯大分子是由 n 个上式所示链节相互连接 而成的。PC 的分子结构对称，简单规整，可结晶，但结晶条件很严格。 聚碳酸酯的链节结构与性能的关系： 聚碳酸酯链节结构直接影响到它分子链的柔曲性、分子间的相互作用，进而影响到它的 性能。主链上除 R 基外的基团外，还有苯基、氧基、羰基和酯基。 ① 苯基 主链上的苯环限制了大分子的内旋转，减少了分子的柔顺性，提高了分子链的刚性，增 大了聚合物的机械强度、耐热性、耐化学药品性、耐候性和尺寸稳定性，降低了它在有机溶 剂中的溶解性和吸水性。 ② 氧基 氧基又叫醚键。它的作用与苯基有些相反：增大了分子链的柔曲性，使链段容易绕氧基 两端单键发生分子内旋转，加大了聚合物在有机溶剂中的溶解性和吸水性。 ③ 羰基 羰基增大了分子链间的相互作用力，使大分子链间靠得更紧密，聚合物刚性增大。 ④ 酯基 氧基与羰基结合形成酯基，酯基是一种极性较大的基团，增加了分子间作用力，使空间 位阻增加，亦增大分子刚性；酯基是聚碳酸酯分子链中较薄弱的部分。它容易水解断裂，使 聚碳酸酯较易溶于极性有机溶剂，也是它的电绝缘性能不及非极性甚至弱极性聚合物的重要 原因。 优良的性能: 正是 PC 分子链中含有柔顺性的酯基和刚性的苯环的交替结构，使 PC 具有特别高额韧性、 强度和抗冲击性能。PC 具有金属的机械强度，玻璃的光学性能，是透明度高的工程塑料，。 Tg=149℃,在-100-140℃机械性能优良，电绝缘性优良，无毒，在机械、汽车、电子等领域应 用非常广泛。 6.3.2 合成橡胶 橡胶的优点：弹性好，伸长率高达 1000%，强度大，抗撕裂性及电绝缘性好，耐寒、耐 磨性好。 缺点：耐油、溶剂、O3,耐老化差，定向聚合合成的橡胶 95 是顺式的
S6.3高分子材料的特性和应用第19讲材料化学导论课程教案作为橡胶使用的分子结构特点：（1）分子链柔顺性较好：（2）分子链间仅有较弱的作用力：（3）分子链一般含有容易进行交联的集团。介绍儿种典型的合成橡胶（1）丁二烯类合成橡胶优点：结构规整有序，有优良的耐磨性、老化和耐低温性能。缺点：抗撕裂能力差，只能做小汽车的轮胎。（2）丁苯橡胶优点：耐老化，耐磨性比天然橡胶好，可做鞋底，轮胎用。缺点：不耐油和有机溶剂。（3）丁橡胶优点：耐油，拉伸比丁苯橡胶好，耐热性比天然橡胶好。可做机械垫圈，油封等。缺点：绝缘性，耐寒性差。（4）硅橡胶主链上有Si原子的一类橡胶的总称。长链结构和链节旋转带来高弹性和可塑性。Si-0耐热性，抗老化性突出。主链四周排列非极性的烃基，链节结构对称，具有优良的蔬水性和点绝缘性。特点：①既耐低温又耐高温，是目前最好的既耐高温有耐严寒的橡胶，可以在-100-300℃下工作，在-60-250℃保持优良的弹性。②耐油、防水、电绝缘性。主要应用在需要耐高低温的火箭、导弹、飞机等零件，耐热绝缘材料，高温高压设备的衬垫，油管的衬里等。缺点：机械性能较差，易撕裂。（5）氟橡胶主链或侧链的C原子上含有F原子的合成橡胶的总称。F是极性最强的元素，具有极强的吸电子能力，容易形成键能高的C-F键，并使C-C键能升高，因此，氟橡胶具有优良的耐高低温性能，耐溶剂及化学稳定性。成为航空、航天，导弹、火箭等尖端技术领域不可缺少的弹性材料
§6.3 高分子材料的特性和应用 材料化学导论课程教案 第 19 讲 作为橡胶使用的分子结构特点： （1）分子链柔顺性较好； （2）分子链间仅有较弱的作用力； （3）分子链一般含有容易进行交联的集团。 介绍几种典型的合成橡胶； （1）丁二烯类合成橡胶 优点：结构规整有序，有优良的耐磨性、老化和耐低温性能。 缺点：抗撕裂能力差，只能做小汽车的轮胎。 （2）丁苯橡胶 优点：耐老化，耐磨性比天然橡胶好，可做鞋底，轮胎用。 缺点：不耐油和有机溶剂。 （3）丁腈橡胶 优点：耐油，拉伸比丁苯橡胶好，耐热性比天然橡胶好。可做机械垫圈，油封等。 缺点：绝缘性，耐寒性差。 （4）硅橡胶 主链上有 Si 原子的一类橡胶的总称。长链结构和链节旋转带来高弹性和可塑性。Si-O 耐热性，抗老化性突出。主链四周排列非极性的烃基，链节结构对称，具有优良的疏水性和 点绝缘性。 特点： ①既耐低温又耐高温，是目前最好的既耐高温有耐严寒的橡胶，可以在-100-300℃下工 作，在-60-250℃保持优良的弹性。 ②耐油、防水、电绝缘性。主要应用在需要耐高低温的火箭、导弹、飞机等零件，耐热 绝缘材料，高温高压设备的衬垫，油管的衬里等。 缺点：机械性能较差，易撕裂。 （5）氟橡胶 主链或侧链的 C 原子上含有 F 原子的合成橡胶的总称。 F 是极性最强的元素，具有极强的吸电子能力，容易形成键能高的 C-F 键，并使 C-C 键 能升高，因此，氟橡胶具有优良的耐高低温性能，耐溶剂及化学稳定性。成为航空、航天， 导弹、火箭等尖端技术领域不可缺少的弹性材料