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1、第四节 高分子材料的结构与性能,一、高分子材料的基本概念 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。 常称聚合物或高聚物。 高分子化合物的分子量一般104 。 高分子化合物有天然的,也有人工合成的。工业 用高分子材料主要是人工合成的。,(一)、高分子化合物的组成 由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成聚乙 烯: CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2- ,组成聚合物的低分子化合物称为单体。 聚合物的分子为很长的链条,称为大分子链。,聚乙烯分子链,(二)高分子化合物的聚合,1 加聚反应 由一种或多种单体相互加成,或由环状 化合 物开环相互结合成聚合物的反应。 2
2、缩聚反应 由一种或多种单体互相缩合生成聚合物,同时 析出其他低分子化合物(如水、氨、醇、卤化氢等)的 反应。,(三)高分子化合物的分类及命名,1、高分子材料的分类 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。 按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。 按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性 聚合物 按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚 合物和元素有机聚合物,2. 高分子化合物的命名 大多数采用习惯命名法,在单体 前面加“聚”字;或在原料名称后 加“树脂”二字,如酚醛树脂等。,二、高分子材料的结构,(一)、高分子链的结构 (分子内结构) 1. 高分子链结构单元的化学组成 在元素周期表中只有A、A
3、、A、A 中部分非金属、亚金属元素才能形成高分子 链。,2. 高分子链的形状 按照大分子链的几何形状,可将高分子化合物 分为线型结构、支链型结构和体型结构。 线型结构高聚物的弹性、塑性好,硬度低,是 热塑性材料。支链型结构近于线型结构 。体型 结构高聚物硬度高,脆性大,无弹性和塑性, 是热固性材料。,(二)高分子的聚集态结构 (分子间结构) 固态高聚物分为晶态和非晶态两大类,晶态为分子 链排列规则的部分,而排列不规则的部分为非晶态。,一个大分子链可以穿 过几个晶区和非晶区。 晶区熔点、密度、强度、 硬度、刚性、耐热性、 化学稳定性高,而弹性、 塑性、冲击强度下降。,三、高分子材料的力学状态,(
4、一)线型非晶态高分子材料的力学状态 1 玻璃态:低温下,链段不能运动。在外力作用下, 只发生大分子原子的微量位移,产生少量弹性变形。,高聚物呈玻璃态的 最高温度称玻璃化温 度,用Tg表示。用于 这种状态的材料有塑 料和纤维。,线型非晶态高聚物的温度-变形曲线,2 高弹态:温度高于Tg,分子活动能力增加,受力时 产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。 3 粘流态:由于温度高,分子活动能力很大,在外力 作用下,大分子链可以相对滑动。粘流态是高分,子材料的加工 态,大分子链开 始发生粘性流动 的温度称粘流温 度,用Tf表示。,线型非晶态高聚物的温度-变形曲线,(二)其它类型高聚物的力学状态 分
5、为一般分子量和很大分子量两种情况。一般分子 量的高聚物在低温时,链段不能活动,变形小,在 Tm 以下与非晶态的玻璃相似,高于Tm 则进入粘流态。 分子量很大的晶态存高聚物在高弹态。,部分结晶高聚物在非 晶区Tg与晶区T m 间,非 晶区柔性好,晶区刚性 好,处于韧性状态,即皮 革态。,线型晶态高聚物的温度-变形曲线,四、 高分子材料的性能特点,(一)高分子材料的力学性能特点 1. 低强度和较高的比强度 2. 高弹性和低弹性模量 3. 粘弹性 4. 高耐磨性,(二)高分子材料的物化性能特点 1. 高的绝缘性 2. 低耐热性 3. 低导热性 4. 高热膨胀性 5. 高化学稳定性,(三)高分子材料的老化及防止,老化现象 高分子材料在长期储存和使用过程中,由于受氧、 光、热、机械力、水蒸气及微生物等外因的作用, 使性能逐渐退化,直至丧失使用价值的现象。 防止老化措施 (1)改变高聚物结构 (2)添加防老剂 (3)表面处理,聚酰亚胺层压板,
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