有機高分子材料

有機高分子材料的基本特點

　　高分子是指相對分子質(zhì)量很大，可達(dá)幾千乃至幾百萬的一類有機化合物。它們在結(jié)構(gòu)上是由許多簡單的、相同的稱為鏈節(jié)(單體)的結(jié)構(gòu)單元，通過化學(xué)鍵重復(fù)連接而成。高分子也稱高聚物或聚合物。

　　有機高分子材料是以高分子化合物為主要成分，與各種添加劑(或配合劑)配合，經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ざ伞２牧系幕拘阅苤饕Q于高分子化合物。有機高分子材料有以下基本特點：

　　1、密度小——比鋼鐵、銅輕得多，與鋁、鎂相當(dāng)，對機電產(chǎn)品的輕量化有利。

　　2、有足夠的強度和模量——能夠代替部分金屬材料制造多種機械零部件。

　　3、優(yōu)良的電(絕緣)性能——對電機、電器、儀器儀表、電線電纜中的絕緣起著重要的推進作用。而添加適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料又可成為特殊導(dǎo)體材料。

　　4、優(yōu)良的減摩、耐磨和自潤滑性能——許多高分子材料可在液體介質(zhì)中或少油、無油干摩擦條件下運行，其性能甚至優(yōu)于金屬。

　　5、優(yōu)良的耐蝕性能——對酸、堿或某些化學(xué)藥品一般都具有良好的耐蝕性能。在一些特殊介質(zhì)中，如含氯離子的酸性介質(zhì)。其耐蝕能力勝過金屬，甚至勝過一般的不銹鋼。

　　6、富于粘結(jié)力——高分子膠粘劑能將不同品種、不同形狀的材料零件膠接一起，膠接牢固，并且有密封、堵漏作用。

　　7、易于合金化——兩種或兩種以上的高聚物可用物理的、化學(xué)的方法共混制得共混聚合物合金。如尼龍與聚烯烴共混的塑料合金，其沖擊韌度可提高15倍以上。聚合物的合金化使材料改性的自由度加大，可制備出性能多樣、適應(yīng)不同工況要求的新材料。

　　8、富有彈性——不論是線型或體型高分子，都具有一定的彈性。橡膠彈性最好，具有良好的吸振、防振和密封功能。

　　9、優(yōu)良的透光性——不少塑料是透明的，如有機玻璃、聚苯乙烯的透光率可達(dá)90%以上。不少的高聚物還具有優(yōu)良的隔熱、隔聲性，是很好的輕型建筑材料。

　　10、耐熱性差——長期使用溫度大多在200℃以下。近年來，可用于200℃以上的品種有所增加；用在300～4000℃溫度下的，是追求的目標(biāo)。但有的高分子材料能耐液氮、液氦等超低溫度。

　　11、可燃——高分子材料是有機物，具有可燃性，或離火自熄；通常加入阻燃劑以消除其可燃性。

　　12、易老化——在熱、光、氧的長期作用過程中，高分子發(fā)生降解過程，使其理化性能、力學(xué)性能降低。完全消失以至失去使用價值。為此，常須加入防老化劑及其他防護措施延長使用壽命。

有機高分子材料的類別

　　有機高分子材料種類繁多，根據(jù)不同的分類原則可將其分為不同的類別。

　　1、按聚合物的性能和用途分類

　　根據(jù)聚合物的性能和用途，可將有機高分子材料分為塑料、纖維、像膠三大類，此外還有涂料、膠粘劑和粒子交換樹脂等。

　　(1)塑料在一定條件下具有流動性、可塑性，并能加工成形，當(dāng)恢復(fù)平常條件時仍可保持加工時形狀的高分子材料稱為塑料。塑料又分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩種。熱塑性塑料可溶、可熔，并且在一定條件下可以反復(fù)加工成形，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等；熱固性塑料則不溶、不熔，并且在一定溫度及壓力下加工成形時會發(fā)生變化，這樣形成的材料在再次受壓、受熱下不能反復(fù)加工成形，而具有固定的形狀，例如酚醛樹脂、脲醛樹脂等。

　　(2)纖維具備或保持其本身長度大于直徑1000倍以上而又具有一定強度的線條或絲狀高分子材料稱為纖維。纖維的直徑一般很小，受力后形變較小(一般為百分之幾到20%)，在較寬的溫度范圍內(nèi)力學(xué)性能變化不大。纖維分為天然纖維和化學(xué)纖維?；瘜W(xué)纖維又分為改性纖維素纖維(人造纖維，如粘膠纖維)與合成纖維。改性纖維素纖維是將天然纖維經(jīng)化學(xué)處理后再紡絲而得到的纖維。例如將天然纖維用堿和二硫化碳處理后，在酸液中紡絲就得到人造絲(即粘膠纖維)。合成纖維是將單體經(jīng)聚合反應(yīng)而得到的樹脂經(jīng)紡絲而成的纖維。重要的纖維品種有：聚酯纖維(又稱滌綸)；聚酰胺纖維，如尼龍66；聚丙烯腈纖維(又稱腈綸)；聚丙烯纖維(丙綸)和聚乙烯纖維(氯綸)等。

　　(3)橡膠在室溫下具有高彈性的高分子材料稱為橡膠。在外力作用下，橡膠能產(chǎn)生很大的形變(可達(dá)1000%)，外力除去后又能迅速恢復(fù)原狀。重要的橡膠品種有：聚丁二烯(順丁橡膠)、聚異戊二烯(異戊橡膠)、氯丁橡膠、丁基橡膠等。

　　塑料、纖維和橡膠三大類聚合物之間并沒有嚴(yán)格的界限。有的高分子可以作纖維，也可以作塑料，如聚氯乙烯既是典型的塑料，又可做成纖維即氯綸；若將氯乙烯配入適量增塑劑，可制成類似橡膠的軟制品。又如尼龍既可以用作纖維又可作工程塑料；橡膠在較低溫度下也可作塑料使用。

　　2、按聚合物的熱行為分類

　　(1)熱塑性高分子材料熱塑性高分子材料成形后分子呈線性結(jié)構(gòu)，在一定條件(如溫度、壓力)下可塑成一定形狀并在常溫下保持其形狀，而且還可在特定的溫度范圍內(nèi)反復(fù)加熱軟化、冷卻固化，加工成形方便，有利于制品再生。因此，熱塑性高分子材料用途廣、產(chǎn)量大(占所有高分子材料的80%以上)。常見的熱塑性高分子材料有聚乙烯、聚丙烯等。

　　(2)熱固性高分子材料熱固性高分子材料成形后變成網(wǎng)狀的體型結(jié)構(gòu)，不熔不溶，受熱后只能分解，不能軟化，不能回復(fù)到可塑狀態(tài)。常見的熱固性高分子材料有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。

有機高分子材料的加工性能

　　有機高分子材料具有一些特有的加工性能，如良好的高彈性、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性等，這些加工性能為有機高分子材料提供了適用多種加工技術(shù)的可能性，也是高分子材料能夠得到廣泛應(yīng)用的重要原因。

　　1、有機高分子材料的力學(xué)性能

　　(1)高彈性輕度交聯(lián)的高聚物具有典型的高彈性，即變形大、彈性模量小，而且彈性隨溫度升高而增大。橡膠是典型的高彈性材料。

　　(2)粘彈性高聚物的粘彈性是指高聚物材料既具有彈性材料的一般特性，又具有粘性流體的一些特性，即受力的同時發(fā)生高彈性變形和粘性流動，主要表現(xiàn)在蠕變和應(yīng)力松弛、滯后和內(nèi)耗等現(xiàn)象上。

　　1)蠕變和應(yīng)力松弛。在恒定溫度和應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象稱為蠕變。應(yīng)力松弛是在應(yīng)變恒定的情況下，應(yīng)力隨時間延長而衰減的現(xiàn)象。在外力的作用下，高聚物大分子鏈由原來的卷曲態(tài)變?yōu)檩^伸直的形態(tài)，從而產(chǎn)生蠕變；隨時間的延長，大分子鏈構(gòu)象逐步調(diào)整，趨向于比較穩(wěn)定的卷曲狀態(tài)，從而產(chǎn)生應(yīng)力松弛。

　　2)滯后和內(nèi)耗。滯后是指在交變應(yīng)力的作用下，變形速度跟不上應(yīng)力變化的現(xiàn)象。在克服內(nèi)摩擦?xí)r，一部分機械能被損耗，轉(zhuǎn)化為熱能，即內(nèi)耗。滯后越嚴(yán)重，內(nèi)耗越大。內(nèi)耗大對減振和吸聲有利，但內(nèi)耗會引起發(fā)熱，導(dǎo)致高聚物老化。

　　(3)強度高聚物的強度很低，如塑料的抗拉強度一般低于100MPa，比金屬材料低很多。但高聚物的密度很小，只有鋼的1/4～1/8，所以其比強度比一些金屬高。

　　(4)斷裂高聚物材料由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均一，含有許多微裂紋，造成應(yīng)力集中，使裂紋容易很快發(fā)展。在小應(yīng)力下即可斷裂，稱為環(huán)境應(yīng)力斷裂。

　　(5)韌性高聚物的韌性用沖擊韌度表示。各類高聚物的沖擊韌度相差很大，脆性高聚物的沖擊韌度值一般都小于0.2J/cm2，韌性高聚物的沖擊韌度值一般都大于0.9J/cm2。

　　(6)耐磨性高聚物的硬度低，但耐磨性高。如塑料的摩擦因數(shù)小，有些還具有自潤滑性能，在無潤滑和少潤滑的摩擦條件下，它們的耐磨、減摩性能要比金屬材料高很多。

　　2、有機高分子材料的電學(xué)和物理化學(xué)性能

　　(1)電學(xué)性能高聚物內(nèi)原子間以共價鍵相連，沒有自由電子和離子，因此介電常數(shù)小、介電損耗低，具有高的絕緣性。

　　(2)熱性能高聚物在受熱過程中，大分子鏈和鏈段容易產(chǎn)生運動，因此其耐熱性較差。由于高聚物內(nèi)部無自由電子，因此具有低的導(dǎo)熱性能。高聚物的線脹系數(shù)也較大。

　　(3)化學(xué)穩(wěn)定性高聚物不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，也不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以大多數(shù)高聚物具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，對酸、堿溶液具有優(yōu)良的耐蝕性。