工程塑料（1）在线视频

同学们好

今天我们开始学习课程的第四章

高分子材料

高分子材料它的结构与性能特点

本应该在第一章第三节讲

为了连贯

我们把它挪到这里一起来讲

所以我们先讲

高分子材料的结构与性能

在这一部分

我们要讲两个内容

一个是结构 一个是性能特点

我们先看什么是高分子材料

高分子材料是指高聚合物材料

或者说是以高分子化合物

为主要组成的有机材料

有时候又简称为高聚物材料

高分子化合物

是指相对分子量很大的化合物

它的分子量一般在五千以上

有的甚至高达到几百万

高分子化合物

由低分子化合物

通过聚合反应获得

组成高分子化合物的

低分子化合物简称为单体

聚合反应有两种

一种称为加成聚合反应

简称为加聚反应

另外一种称为缩合聚合反应

简称为缩聚反应

我们现在学习

高分子材料的结构

第一 大分子链结构

大分子链

它的化学组成有以下特点

第一个它的元素

主要是碳 氢 氧

还有包括其它一些元素

如氮 硅 硫等

如果它的分子链 主链

完全是以碳原子

以共价键相连接

组成的分子链

我们称为碳链大分子

如果它的分子链 主链

除碳以外还有其它一些元素

如氧 氮 硫 磷等

以共价键相连接

那我们称为杂链大分子

如果说主链中不含碳

由硅 氧 硼 硫 磷等原子组成

我们称之为元素链大分子

二 大分子链的形态

大分子链有三种基本形态

第一种称为线型分子链

它的直径小于一个纳米

长度可达几百甚至几千纳米

呈卷曲状

我们看这个图

二 支化型分子链

是指在主链的两侧

以共价键连接的支链

而构成的分子链

我们看 它如这个图

三 体型或者说交联型分子链

也就是指在线型

或者支化型分子链之间

以共价键相连接

形成空间网状的大分子

它的形态如这个图所示

二 大分子链的构象及柔性

单链它以一定的角度进行旋转

这种旋转叫内旋转

我们看这个图

内旋转它使分子链的

空间形象发生变化

或者说使空间构象发生变化

在拉力的作用下

线型的大分子链

它伸展拉直

外力去除后它缩回卷曲状

或者说线团状

能伸展 回缩的性能

称为分子链的柔性

这是聚合物具有弹性的原因

三 高分子材料的聚集状态

它有晶态 部分晶态和非晶态

三种聚集状态

所谓晶态是

分子链在空间呈规则排列

部分晶态是指分子链在空间

部分呈规则排列

而非晶态是分子链在空间

完全无规则排列

也简称为玻璃态

线型聚合物可以是晶态

或者是部分晶态

当然也可以是完全的非晶态

大多数聚合物是部分的晶态

或者说完全的非晶态

下面我们学习第二部分

高分子材料的性能特点

这里我们要介绍三个内容

第一是高分子材料的工艺性

高分子材料的加工工艺路线

如这个图所示

高分子做成原材料

好比说颗粒或者说型材

它通过成形加工进行成形

成形加工方式有热压 注塑

热挤 喷射 真空成形等等

然后可以做成零部件

高分子材料

它的加工路线比较简单

下面我们看一下

高分子材料主要成形工艺的比较

这里列有热压成型 喷射成型

热挤成型和真空成型

我们看不同的工艺

它的使用范围是不一样的

大家看这个范围

那么它适合做的产品的形状

也是不一样的

像热压成型和喷射成型

它可以做复杂形状的零件

而热挤成型和真空成型

它主要做棒状

它的表面粗糙度

或者说表面光洁度也不一样

热压成型和喷射成型

它的表面粗糙度比较低

而真空成型

它的表面粗糙度一般

尺寸精度也不一样

像热压成形它的精度比较好

而喷射成型精度很高

那其它的成形精度一般

模具费用和生产率也不一样

高分子材料

它的切削加工性能较好

但是它的导热性较差

在切削加工过程中

由于不容易散热

易使工件温度的急剧增高

使热固性的塑料容易变焦

使热塑性的塑料容易变软

二 高分子材料的力学性能

一高聚物的力学状态

我们先看一下

线型非晶态高聚物的力学状态

线型非晶态高聚物

在不同温度下

它表现出三种力学状态

一种称为玻璃态

一种称为高弹态

还有一种为粘流态

那我们看这是一个变形度

随温度变化的

这样一个曲线

中间T_g为玻璃化转变温度

或者说非晶化温度

T_f为粘流温度

T_d为分解温度

T_b为脆化温度

我们发现在T_b和T_g之间

它呈玻璃态

而在T_g和T_f之间

它呈高弹态

而当温度高于T_f的时候

它呈粘流态

在玻璃态的时候

它的变形量比较小

弹性模量较高

所以它具有比较高的刚度

当受力时

它符合胡克定律

应力和应变呈直线比

瞬间达到平衡

而在高弹态

它的变形量很大

弹性模量显著降低

在外力去除后

变形可以恢复

变形可逆

高聚态柔软而富有弹性

具有橡胶的特性

而粘流态

即温度高于T_f以后

变形迅速发展

弹性模量很快下降

高聚物产生粘性流动

变形不可逆

第二晶态高聚物的力学状态

完全晶态的线型高聚物

没有高弹态

而部分晶态的线型高聚物

非晶态区在T_g以上

而晶态区在熔点T_m以下时

它呈皮革态

所谓皮革态

是指它的强 韧都较好

而且具有较好的弹性

它的非晶态区属于高弹态

具有柔韧性

而晶态区具有较高的强度和硬度

三体形高聚物的力学状态

体形高聚物具有网状分子链

若它的交联程度比较轻的时候

它具有高弹性

例如硫化的橡胶

若交联程度较重

则没有高弹性

硬而脆 如酚醛树脂

二 高分子材料的力学性能特点

第一强度低

高聚物的强度平均为100MPa

比金属低得多 但密度小

很多高聚物比强度很高

某些工程塑料的比强度

甚至比钢还要高

对于粘弹性的高聚物

其强度主要受

温度和变形速度的影响

温度低 强度则高

温度高 强度则低

我们看这个示意图

当加载速度不同时

它的变形量也不一样

当加载较慢时

分子链来得及位移

呈韧性状态

低速拉伸时

强度较低 伸长率较大

而加载速度较快时

链段来不及运动

表现出脆性状态

快速拉伸时

强度较高 伸长率较低

二 弹性高 弹性模量低

高聚物的弹性变形量大

可达100%至1000%

而一般金属材料

它的弹性变形量

只有0.1%到1%

第二高聚物的弹性模量低

它的弹性模量约为2MPa到20MPa

而一般金属材料

为10的三次方兆帕

至2×10的五次方兆帕

第三粘弹性

所谓粘弹性

是指应变滞后于应力作用时间

我们看这个图

对于普通弹性

它的应力随时间的响应

和应变随时间的响应

是完全相同的

而对于粘弹性材料

它的应力响应比较快

但是它的应变响应

要滞后于应力响应

我们看这个图

4 塑性

高聚物有许多很长的分子组成

表现出明显的塑性

我们看这个图

5 韧性

高聚物的冲击韧性比金属小得多

为金属的百分之几

6 减摩 耐磨性能

大多数塑料

对金属和对塑料的摩擦系数

一般在0.2至0.4的范围

有一些塑料的摩擦系数非常低

例如聚四氟乙烯

对聚四氟乙烯的摩擦系数

只有0.04

几乎是所有固体中的最低值

塑料的磨损率也很低

三 高分子材料的物理

和化学性能特点

第一个特点是绝缘性

是良好的绝缘体

绝缘性能与陶瓷相当

对于热 声

也有很好的隔绝性能

2 耐热性

耐热性较低

常用的热塑性塑料

如聚乙烯 聚氯乙烯 尼龙等

长时间使用温度

一般在100度以下

热固性塑料

如酚醛树脂的使用温度

一般为130度到150度

即便是耐高温的塑料

如有机硅塑料

也只是能在200至300的

这样一个温度范围及以下使用

第三耐蚀性

高分子材料的化学稳定性很高

能耐水和无机溶剂

耐酸和碱的腐蚀

聚四氟乙烯耐强酸 强碱

即便在沸腾的王水中也很稳定

耐蚀性好是塑料的优点之一

四 老化

由于受各种因素的作用

高聚物的性能随时间不断恶化

逐渐丧失它的使用性能

它表现出橡胶变脆 龟裂

或变软 或发粘

塑料退色 失去光泽或开裂

这些现象是不可逆的

老化是高聚物的一个主要缺点

因此大家要记住

塑料制品是不可长时间保值的

好 下面我们对这一节

进行一下小结

高分子材料

它的特点是强度低 塑性好

弹性高 弹性模量低

具有粘弹性的特点

它能够减摩 耐磨性 绝缘性

和耐蚀性都很好

但耐热性较低 易老化

好 这一节就到这里