合工大機械工程材料教案第9章 高分子材料

第九章高分子材料§9.1概述高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物，又稱高分子或大分子等。高分子化合物中分子所含的原子數(shù)可達數(shù)萬，甚至數(shù)十萬，而低分子化合物分子的原子數(shù)不過幾個，最多數(shù)百個。習(xí)慣上將分子量小于500的，稱為低分子化合物，分子量大于5000的稱為高分子化合物。高聚物的分子量雖大，但其化學(xué)組成卻比較簡單，它通常由C、H、O、N、S等元素構(gòu)成。高分子材料以其特有的性能：重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、絕緣性好，被大量地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中。

§9.2工程塑料一.塑料的涵義與組成塑料是一類以天然或合成樹脂為基本原料，在一定溫度、壓力下可塑制成形，并在常溫下能保持其形狀不變的高聚物材料。塑料常被用作耐腐蝕材料、電絕緣材料、絕熱保溫材料、摩擦材料，難以應(yīng)用到高溫、高強度的場合中。根據(jù)塑料的組成不同，可分簡單組分和復(fù)雜組分兩類。簡單組分的塑料基本上由一種物質(zhì)(樹脂)組成，如聚四氟乙烯、聚苯乙烯等，僅加入少量色料、潤滑劑等輔助物質(zhì)。復(fù)雜組分的塑料除樹脂外，還須加入添加劑，如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。樹脂是塑料的主要成分，在常溫下呈固體或黏稠液體，但受熱時軟化或呈熔融狀態(tài)。樹脂主要決定塑料的類型(熱塑性或熱固性)，也決定塑料的基本性能。因此，大多數(shù)塑料就是以所用樹脂的名稱命名。塑料添加劑(即助劑)是指那些為改善塑料的使用性能和成型加工特性而分布于樹脂中，但對樹脂的分子結(jié)構(gòu)無明顯影響的物質(zhì)，包括增塑劑、穩(wěn)定劑(防老化劑)、填充劑(填料)、固化劑(硬化劑)、潤滑劑、著色劑(染料)、發(fā)泡劑、催化劑和阻燃劑等。

二.塑料的分類根據(jù)樹脂受熱行為的不同，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。1.熱塑性塑料它的特點是：受熱軟化、熔融，具有可塑性，冷卻后堅硬，再受熱又可軟化，如此反復(fù)其基本性能不變；可溶解在一定的溶劑中(即具有可溶可熔性)；成型工藝簡便，形式多種多樣，生產(chǎn)效率高，可直接注射、擠壓、吹塑成所需形狀的制品，而且具有一定的物理、力學(xué)性能。缺點是：耐熱性和剛性都較差，最高使用溫度一般只有120℃左右，否則就會變形。但近期發(fā)展的氟塑料、聚酰亞胺等有突出的性能，如更優(yōu)良的耐腐蝕、耐高溫等性能，成為性能相當(dāng)優(yōu)越的工程塑料。2.熱固性塑料它的特點是：在一定溫度下，經(jīng)過一定時間的加熱或加入固化劑后，即可固化成型。固化后的塑料質(zhì)地堅硬、性質(zhì)穩(wěn)定，不再溶于溶劑中，也不能用加熱方法使它再軟化(即具有不溶不熔性)，強熱則分解、破壞；抗蠕變性強，受壓不易變形，耐熱性較高，即使超過其使用溫度極限，也只是在表面產(chǎn)生碳化層，不會立即失去功能。缺點是：樹脂性質(zhì)較脆，機械強度不高，必須加入填料或增強材料以改善性能，提高強度；成型工藝復(fù)雜，大多只能采用模壓或?qū)訅悍ǎa(chǎn)效率低。

三.塑料的性能特點塑料的優(yōu)點是：1.相對密度小、質(zhì)輕質(zhì)輕是塑料最大特性之一，一般塑料的相對密度為0.9～2.3具有很好的比強度。2.良好的減摩、耐磨和自潤滑性能塑料的摩擦系數(shù)較小，同時許多塑料如聚四氟乙烯、尼龍等具有良好的自潤滑性能。3.電絕緣性能好4.耐腐蝕性能好一般塑料對酸、堿、大氣腐蝕等化學(xué)介質(zhì)具有良好的抵抗能力。5.具有消音吸震性用它制作傳動零件可減少噪音，改善環(huán)境。工程塑料也存在一些嚴(yán)重的缺點：1.強度、剛度低這是塑料作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的最大障礙之一。2.沖擊韌性低3.蠕變溫度低塑料在室溫下受到載荷作用后即有顯著的蛹變現(xiàn)象產(chǎn)生冷流性至發(fā)生蠕變斷裂。4.耐熱性低、線膨脹系數(shù)大載荷大大多數(shù)塑料只在100℃以下使用，只少數(shù)在200℃左右的環(huán)境下長期使用。塑料的線膨脹系數(shù)比金屬要大3—10倍，因此難以與金屬件緊密結(jié)合。5.有老化現(xiàn)象

四.常用工程塑料簡介1.聚乙烯(PE)聚乙烯由單體乙烯聚合而成，一般可分為低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)兩種。前者分子量、密度及結(jié)晶較低、質(zhì)地柔軟，且耐沖擊，常用于制造塑料薄膜、軟管等。后者分子量、密度及結(jié)晶均較高，比較剛硬、耐磨、耐蝕，絕緣性也較好，所以可作結(jié)構(gòu)材料，如耐蝕管道等”。2.聚氯乙烯(PVC)聚氯乙烯是以氯乙烯為單體制得的高聚物。PVC的密度、強度、剛度及硬度均高于PE。PVC加入少量添加劑時，可制得軟、硬兩種PVC。硬質(zhì)PVC塑料具有較高的機械強度，良好的耐蝕性、耐油性和耐水性，常被用于化工、紡織工業(yè)和建筑業(yè)中。軟質(zhì)PVC塑料堅韌柔軟、耐撓曲，彈性和電絕緣性好，吸水率低，難燃及耐候性好，廣泛用于制造農(nóng)用塑料薄膜、包裝材料、防雨材料及電線電纜的絕緣層等，用途十分廣泛。3.聚丙烯(PP)聚丙烯是以丙烯為單體聚合制得的高聚物。PP的相對密度小(塑料中最輕的)，耐熱性能良好(可以加熱至150C不變形)，機械強度、剛度、硬度高，具有優(yōu)良的電絕緣性。應(yīng)用于機械、化工、電氣等工業(yè)。4.ABS塑料ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三種單體的三元共聚物，三種單體相對含量可任意變化，制成各種樹脂。ABS兼有三種組元的共同性能，A使其耐化學(xué)腐蝕、耐熱，并有一定的表面硬度，B使其具有高彈性和韌性，S使其具有熱塑性塑料的加工成型特性并改善電性能。因此ABS塑料是一種原料易得、綜合性能良好、價格便宜、用途廣泛的“堅韌、質(zhì)硬、剛性”材料。ABS塑料在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業(yè)及化工中獲得了廣泛的應(yīng)用。5.聚酰胺(PA，稱尼龍或錦綸)聚酰胺(PA)是指主鏈節(jié)含有極性酰胺基團(—CO—NH—)的高聚物。最初用作制造纖維的原料，后來由于PA具有強韌、耐磨、自潤滑、使用溫度范圍寬等優(yōu)點，成為目前工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種工程塑料。PA廣泛用來代替銅及其他有色金屬制作機械、化工、電器零件，如柴油發(fā)動機燃油泵齒輪、水泵、高壓密封圈；輸油管等。6.聚甲醛(POM)聚甲醛是指大分子鏈中以—CH2O—鏈節(jié)為主的高聚物。POM的疲勞強度、耐磨性和自潤滑性比大多數(shù)工程塑料優(yōu)越，并且還有高彈性模量和強度，吸水性小，同時尺寸穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及電絕緣性也好，是一種綜合性能良好的工程材料。POM主要用于代替有色金屬制作各種結(jié)構(gòu)零部件。用量最大的是汽車工業(yè)、機械制造、精密機器、電器通訊設(shè)備乃至家庭用具等領(lǐng)域。7.聚碳酸酯(FC)聚碳酸酯的大分子鏈中既有剛性的苯環(huán)，又有柔性的醚鍵，所以具有優(yōu)良的力學(xué)、熱和電性能。FC常被人們譽為“透明金屬”。FC最突出的優(yōu)點是沖擊韌性極高，并耐熱耐寒(可在—100～130℃范圍內(nèi)使用)，具有良好的電性能、抗化學(xué)腐蝕性和耐磨性。導(dǎo)熱系數(shù)小，但線膨脹系數(shù)比金屬大得多。FC不但可代替某些金屬和合金，還可代替玻璃、木材等，廣泛應(yīng)用于機械、電氣、光學(xué)、醫(yī)藥等部門。8.聚四氟乙烯(PTFE或F-4，俗稱塑料王)PTFE是由四氟乙烯(的聚合物。性能特點是突出的耐溫性能(長期使用溫度為—180—250℃)，極低的摩擦系數(shù)，因而可作為良好的減摩、自潤滑材料；優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性，不論是強酸、強堿還是強氧化物對它都不起作用。其化學(xué)穩(wěn)定性超過了玻璃、陶瓷、不銹鋼及金、鉑，故有‘“塑料王”之稱；優(yōu)良的電性能，它是目前所有固體絕緣材料中介電損耗最小的。PTFE主要用于特殊性能要求的零部件，如化工設(shè)備中的耐蝕泵。9.酚醛塑料(PF)酚醛塑料是以酚醛樹脂為主，加入添加劑而制成的。它是酚類化合物和醛類化合物縮聚而成，其中以苯酚與甲醛縮聚而得的酚醛樹脂最為重要。PF具有一定機械強度和硬度，絕緣性能良好，兼有耐熱、耐磨、耐蝕的優(yōu)良性能，但不耐堿，性脆。PF廣泛應(yīng)用于機械、汽車、航空、電器等工業(yè)部門，用來制造各種電氣絕緣件(電木)，較高溫度下工作的零件，耐磨及防腐蝕材料，并能代替部分有色金屬(鋁、銅、青銅等)制作零件。10.環(huán)氧塑料(EP)環(huán)氧塑料是由環(huán)氧樹脂加入固化劑填料或其他添加劑后制成的熱固性塑料。環(huán)氧樹脂是很好的膠黏劑，俗稱“萬能膠”。在室溫下容易調(diào)合固化，對金屬和非金屬都有很強的膠黏能力。EP具有高的機械強度，較好的韌性，優(yōu)良的耐酸、堿及有機溶劑的性能，還能耐大多數(shù)霉菌、耐熱、耐寒，能在苛刻的熱帶條件下使用，具有突出的尺寸穩(wěn)定性等。用環(huán)氧樹脂浸漬纖維后，于150℃和130～140MPa的壓力下成型，成為環(huán)氧“玻璃鋼”，常用作化工管道和容器、汽車、船舶和飛機等的零部件。

§9.3橡膠材料橡膠是指常溫下彈性特別好的高聚物材料，它們的彈性變形可達到100％～1000％。由于它具良好的伸縮性、儲能能力和耐磨、隔音、絕緣等性能，因而廣泛用于彈性材料、密封材料、減震防震材料和傳動材料，起著其他材料所不能替代的作用。橡膠材料是工業(yè)、國防上的重要戰(zhàn)略物資，人們?nèi)粘Ｉ钜搽x不開它。

一.橡膠的組成橡膠是以生膠為原料，加入適量的配合劑以后所組成的高分子彈性體。生膠按其來源可分為天然生膠和合成生膠。天然生膠一般從熱帶的橡樹上取得。生膠是橡膠制品的重要組成部分，但它受熱發(fā)黏、遇冷變硬、強度差、不耐磨、也不耐溶劑，只能在5—35℃范圍內(nèi)保持彈性，故不能直接用來制造橡膠制品。通常要在生膠中加入硫化劑、促進劑、活化劑、填充劑、增塑劑、防老劑、著色劑、發(fā)泡劑、硬化劑等，統(tǒng)稱為配合劑。

二.橡膠的主要性能特點1.高彈性橡膠由若干細長而柔順的分子鏈組成。分子鏈通常蜷曲成無規(guī)線團狀，相互纏曲。當(dāng)受外力拉伸時分子鏈就伸直，外力去除后又恢復(fù)蜷曲。橡膠的彈性模量低，變形量大，形變快速可逆。2.機械強度橡膠的實際機械強度是決定橡膠使用壽命的重要因素。指標(biāo)包括抗撕裂強度和定伸強度(即把橡膠拉伸至一定長度所需要的應(yīng)力值)。3.耐磨性耐磨性即橡膠抵抗磨損的能力。通常橡膠強度愈高，耐磨性越好。

三.常用橡膠材料1.天然橡膠(NR)NR的來源是橡樹的膠乳。NR有較好的彈性和機械強度，有較好的耐堿性能，但不耐強酸，在非極性溶劑中膨脹，故不耐油。它能吸收空氣中的氧，造成橡膠發(fā)黏和龜裂等。NR廣泛用于制造輪胎、膠帶、膠管、膠鞋等各種橡膠制品。2.通用合成橡膠天然橡膠資源有限，而合成橡膠由于原料價格便宜，來源豐富，且具有高彈性、不透水、耐油、耐磨、耐寒等優(yōu)異性能，所以獲得長足發(fā)展。丁苯橡膠(SBR)：與NR相比，SBR具有較好的耐磨性、耐熱性、耐老化性，質(zhì)地均勻、價格低，它能與NR以任意比例混用。SBR在大多數(shù)情況下可代替NR使用。$BR的缺點是生膠強度低，黏性差，成型困難，制成的輪胎在使用中發(fā)熱量大，彈性差。氯丁橡膠(CR)：人們常稱之為“萬能橡膠”。CR的耐油性、耐磨性、耐熱性、耐燃燒性