“材料科学”讲座

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1、“材料科学”讲座一.合成高分子材料从20世纪初人工合成第一个高聚物——酚醛树脂并投入工业化生产以来，人们开始了有关高分子的理论研究，随着科学技术的不断发展，高分子科学逐渐成为了一门独立的学科。虽然合成高分子工业历史这样短暂，但其发展是十分迅速的。人们常称之为“三大合成材料”的合成塑料、合成橡胶和合成纤维已渗透到国民经济的各个部门，成为四化建设不可缺少的材料。1 高聚物的类型与特点（1）．线型、支化和交联高聚物高聚物（也叫高分子）是由一种或几种简单的低分子化合物（简称单体）聚合而成的分子量很大的物质。例如聚乙烯，它是由单体乙烯聚合而成的：聚乙烯通常称作线型或叫直链聚合物。这是因为它含有长的碳-

2、碳链的原因。但是这个名称并不十分妥当，因为碳链上的碳原子是以sp3杂化轨道互相成键，因此碳-碳主链不可能呈直线。碳链不为直线的更重要的原因是随着碳原子数的增多，碳链本身弯曲成无规的结构形式，如图8-14（a）。]支化高聚物是指在主链上有一些短的支链段，如图8-14（b），要使这种高聚物有规则的排列就较困难。因此，支化高聚物的结晶程度随支化的增加而降低，因而导致它们的物性也有差异。例如，由于聚合工艺的不同，聚乙烯可分为高密度聚乙烯和低密度聚乙烯。在Ziegler-Natta催化剂作用下，聚合压力较低（0.2～1.5MPa），所得到的是支化少的线型聚乙烯，它易于结晶，所以密度大，因此叫高密度聚乙

3、烯（也叫低压聚乙烯）。当由自由基引发加聚时，聚合压力高（约150MPa），得到的是支化度较高、结晶度较小的低密度聚乙烯（也叫高压聚乙烯）。这两种聚乙烯性能差异见表8-8。交联高聚物（也叫体型高聚物）可以看作许多线型或支链型大分子由化学键连接而成的体型结构（图8-14（c））。许多大分子键合在一起，形成一个整体，已无单个大分子可言。表8-8高压聚乙烯与低压聚乙烯性能比较性能高压聚乙烯低压聚乙烯密度／g·cm-30.91～0.930.94～0.96熔点／℃105～110125～130结晶度55％～65％80％～90％ 膜拉伸强度／MPa2443断裂伸长率50％～60％5％～400％用途薄膜瓶、管

4、、棒等线型和支化的聚合物一般是热塑性的，加热时能流动，并能塑制成一定的形状。常见的热塑性高聚物如聚烯烃、聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）以及聚酰胺（尼龙）等。轻度交联的高聚物为网状结构，受热时可以软化，但不熔融。适当的溶剂可使其溶胀，但不溶解。许多生橡胶，如天然橡胶和丁苯橡胶等，加工前都是高分子量的线型聚合物，加工时，由于加入适当助剂（如硫），才使之交联成为体型聚合物。由于交联程度浅，故保持有良好的高弹性。还有一些聚合物，如酚醛、脲醛及醇酸等树脂，在树脂合成阶段，需控制原料比和反应程度，使之停留在线型或少量支化的低分子阶段上。在成型加工阶段，经加热再使其中潜在的活性基因继续反应成体型结构，聚合物

5、因而固化；继续加热不再塑化，这种行为称热固性。一般交联度愈高，高聚物变得愈刚硬、尺寸愈稳定。（2）．均聚物与共聚物由一种单体聚合而成的聚合物叫均聚物，如聚乙烯。由两种或两种以上的单体聚合而成的聚合物叫共聚物，如丁苯橡胶和丁腈橡胶等。在共聚物中，按照单体的分布情况可分：无规共聚、交替共聚、嵌段共聚和接枝共聚等：共聚物的分子链包含一种以上单体，单体的结构、相对数量以及排列方式决定了共聚物的性能。因此，通过共聚可制得一系列不同性能的产物。例如聚苯乙烯，由于主链上有相当密度的苯基侧基，阻碍了主链碳的内旋转，大分子的柔顺性差，质脆，内应力大，不耐冲击，软化点低（约80℃），在沸水下变形，限制了它的应用

6、。可通过共聚使其改性。如用丙烯腈与苯乙烯共聚，可制得AS树脂，它的抗冲击性，耐应力开裂等均较聚苯乙烯好。又如，用75％的丁二烯与25％的苯乙烯共聚，制成丁苯橡胶（SBR），这是合成橡胶中最大的品种，具有较好的耐磨性和耐老化性：再如，用丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚可制成腈丁苯树脂（ABS）。它具有优良的抗冲击性，又能在较高压力下使用，不仅具有较好的抗冲击性，同时具有优良的抗拉强度、弯曲强度和硬度等。因此ABS树脂被广泛用于汽车工业中作零部件，机械工业中制造齿轮、把手、管道以及仪表外壳等。（3）．立体规整性与顺反立构某些单体在形成高聚物中，由于其取代基在空间排列方式的不同，有可能形成立体规整性

7、不同的高聚物。例如，聚丙烯中甲基侧基有规则地全部分布在碳-碳骨架面的同一侧叫等规（也叫全同）聚丙烯；若甲基间隔地分布在碳-碳骨架面的两侧叫间规聚丙烯；若甲基无规则地分布在碳-碳骨架面的两侧时叫无规聚丙烯，见图8-15。由于立体规整性不同，高聚物的性能也有较大的差异。等规聚丙烯质轻、熔融温度高（无规聚丙烯熔融温度太低，不能成型），强度高和硬度都很大，且耐磨、耐化学腐蚀，耐弯曲及耐疲劳等。单体1，3-丁二烯可聚合