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高分子材料

时间:2017-12-17 [] 浏览次数:

  高分子材料:macromolecular material,以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料,包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料,高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。

  定义

  高分子材料:macromolecular material,以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料,通常分子量大于10000,包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料,高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合体。

  来源

  高分子材料按来源分为天然、半合成(改性天然高分子材料)和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料,并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物,用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期,进入天然高分子化学改性阶段,出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂,标志着人类应用合成高分子材料的开始。现代,高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同,成为科学技术、经济建设中的重要材料。

  分类

  高分子材料按来源分类

  高分子材料按来源分为天然、半合成(改性天然高分子材料)和合成高分子材料。

  天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料,并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物,用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期,进入天然高分子化学改性阶段,出现半合成高分子材料。1870年,美国人Hyatt用硝化纤维素和樟脑制得的赛璐珞塑料,是有划时代意义的一种人造高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂,真正标志着人类应用化学合成方法有目的的合成高分子材料的开始。1953年,德国科学家Zieglar和意大利科学家Natta,发明了配位聚合催化剂,大幅度地扩大了合成高分子材料的原料来源,得到了一大批新的合成高分子材料,使聚乙烯和聚丙烯这类通用合成高分子材料走人了千家万户,确立了合成高分子材料作为当代人类社会文明发展阶段的标志。

  现代,高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同,成为科学技术、经济建设中的重要材料。

  

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  高分子材料按应用分类

  高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。

  ①橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小,分子链柔性好,在外力作用下可产生较大形变,除去外力后能迅速恢复原状。有天然橡胶和合成橡胶两种。

  ②高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料,经过纺丝和后处理制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高,一般为结晶聚合物。

  ③塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分,再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料;按用途又分为通用塑料和工程塑料。

  ④高分子胶粘剂是以合成天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。

  ⑤高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质,添加溶剂和各种添加剂制得。根据成膜物质不同,分为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。

  ⑥高分子基复合材料是以高分子化合物为基体,添加各种增强材料制得的一种复合材料。它综合了原有材料的性能特点,并可根据需要进行材料设计。高分子符合材料也称为高分子改性,改性分为分子改性和共混改性。

  ⑦功能高分子材料。功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外,还具有物质、能量和信息的转换、磁性、传递和储存等特殊功能。已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物降解高分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料等。

  高聚物根据其机械性能和使用状态可分为上述几类。但是各类高聚物之间并无严格的界限,同一高聚物,采用不同的合成方法和成型工艺,可以制成塑料,也可制成纤维,比如尼龙就是如此。而聚氨酯一类的高聚物,在室温下既有玻璃态性质,又有很好的弹性,所以很难说它是橡胶还是塑料。

  按高分子主链结构分类

  ①碳链高分子:分子主链由C原子组成,如: PP、PE、PVC

  ②杂链高聚物:分子主链由C、O、N、P等原子构成。如:聚酰胺、聚酯、硅油

  ③元素有机高聚物:分子主链不含C原子,仅由一些杂原子组成的高分子。如:硅橡胶

  其它分类

  按高分子主链几何形状分类:线型高聚物,支链型高聚物,体型高聚物。

  按高分子排列情况分类:结晶高聚物,非晶高聚物。

  性能介绍

  高分子材料的结构决定其性能,对结构的控制和改性,可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点,使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能,从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域,并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。

  很多天然材料通常是高分子材料组成的,如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。一般称在生活中大量采用的,已经形成工业化生产规模的高分子为通用高分子材料,称具有特殊用途与功能的为功能高分子。

  

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  化合物特征

  一是分子量大(一般在1000以上),二是分子量分布具有多分散性。即高分子化合物与小分子不同,它在聚合过程后变成了不同分子量大小的许多高聚物的混合物。我们所说的某一高分子的分子量其实都是它的一种平均的分子量,当然计算平均分子量也以不同的权重方式分为了数均分子量、粘均分子量、重均分子量等。而小分子的分子量固定,都由确定分子量大小的分子组成。这是高聚物与小分子一个特征区别。

  名称和用途塑料

  塑料根据加热后的情况又可分为热塑性塑料和热固性塑料。

  加热后软化,形成高分子熔体的塑料成为热塑性塑料。主要的热塑性塑料有聚乙烯(PE[1])、聚丙烯(PP [2])、聚苯乙烯(PS [3])、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗称有机玻璃[4])、聚氯乙烯(PVC [5])、尼龙(Nylon [6])、聚碳酸酯(PC [7])、聚氨酯(PU [8] )、聚四氟乙烯(特富龙, PTFE [9])、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,PETE [10] )。加热后固化,形成交联的不熔结构的塑料称为热固性塑料。常见的有环氧树脂[11], 酚醛塑料, 聚酰亚胺,三聚氰氨甲醛树脂等。塑料的加工方法包括注射,挤出,膜压,热压,吹塑等等。

  橡胶

  橡胶又可以分为天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯。合成橡胶的主要品种有丁基橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶等等。

  纤维

  合成纤维是高分子材料的另外一个重要应用。常见的合成纤维包括尼龙、涤纶、腈纶聚酯纤维,芳纶纤维等等。

  涂料

  涂料是涂附在工业或日用产品表面起美观或这保护作用的一层高分子材料、 高分子材料

  常用的工业涂料有环氧树脂,聚氨酯等。

  黏合剂

  黏和剂是另外一类重要的高分子材料。人类在很久以前就开始使用淀粉,树胶等天然高分子材料做黏合剂。现代黏合剂通过其使用方式可以分为聚合型,如环氧树脂;热融型,如尼龙,聚乙烯;加压型,如天然橡胶;水溶型,如淀粉。

  相关介绍

  新型高分子材料

  高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中,被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国民经济建设与人民日常生活所必不可少的重要材料。尽管高分子材料因普遍具有许多金属和无机材料所无法取代的优点而获得迅速的发展,但目前业已大规模生产的还是只能寻常条件下使用的高分子物质,即所谓的通用高分子,它们存在着机械强度和刚性差、耐热性低等缺点。而现代工程技术的发展,则向高分子材料提出了更高的要求,因而推动了高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展,这样就出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。

  高分子分离膜

  高分子分离膜是用高分子材料制成的具有选择性透过功能的半透性薄膜。采用这样的半透性薄膜,以压力差、温度梯度、浓度梯度或电位差为动力,使气体混合物、液体混合物或有机物、无机物的溶液等分离技术相比,具有省能、高效和洁净等特点,因而被认为是支撑新技术革命的重大技术。膜分离过程主要有反渗透、超滤、微滤、电渗析、压渗析、气体分离、渗透汽化和液膜分离等。用来制备分离、渗透汽化和液膜分离等。用来制备分离膜的高分子材料有许多种类。现在用的较多的是聚枫、聚烯烃、纤维素脂类和有机硅等。膜的形式也有多种,一般用的是平膜和空中纤维。推广应用高分子分离膜能获得巨大的经济效益和社会效益。例如,利用离子交换膜电解食盐可减少污染、节约能源:利用反渗透进行海水淡化和脱盐、要比其它方法消耗的能量都小;利用气体分离膜从空气中富集氧可大大提高氧气回收率等。

  高分子磁性材料

  高分子磁性材料,是人类在不断开拓磁与高分子聚合物(合成树脂、橡胶)的新应用领域的同时,而赋予磁与高分子的传统应用以新的涵义和内容的材料之一。早期磁性材料源于天然磁石,以后才利用磁铁矿(铁氧体)烧结或铸造成磁性体,现在工业常用的磁性材料有三种,即铁氧体磁铁、稀土类磁铁和铝镍钴合金磁铁等。它们的缺点是既硬且脆,加工性差。为了克服这些缺陷,将磁粉混炼于塑料或橡胶中制成的高分子磁性材料便应运而生了。这样制成的复合型高分子磁性材料,因具有比重轻、容易加工成尺寸精度高和复杂形状的制品,还能与其它元件一体成型等特点,而越来越受到人们的关注。高分子磁性材料主要可分为两大类,即结构型和复合型。所谓结构型是指并不添加无机类磁粉而高分子中制成的磁性体。目前具有实用价值的主要是复合型。

  

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  光功能高分子材料

  所谓光功能高分子材料,是指能够对光进行透射、吸收、储存、转换的一类高分子材料。目前,这一类材料已有很多,主要包括光导材料、光记录材料、光加工材料、光学用塑料(如塑料透镜、接触眼镜等)、光转换系统材料、光显示用材料、光导电用材料、光合作用材料等。光功能高分子材料在整个社会材料对光的透射,可以制成品种繁多的线性光学材料,像普通的安全玻璃、各种透镜、棱镜等;利用高分子材料曲线传播特性,又可以开发出非线性光学元件,如塑料光导纤维、塑料石英复合光导纤维等;而先进的信息储存元件兴盘的基本材料就是高性能的有机玻璃和聚碳酸脂。此外,利用高分子材料的光化学反应,可以开发出在电子工业和印刷工业上得到广泛使用的感光树脂、光固化涂料及粘合剂;利用高分子材料的能量转换特性,可制成光导电材料和光致变色材料;利用某些高分子材料的折光率随机械应力而变化的特性,可开发出光弹材料,用于研究力结构材料内部的应力分布等。

  高分子复合材料

  高分子材料和另外不同组成、不同形状、不同性质的物质复合粘结而成的多相材料。高分子复合材料最大优点是博各种材料之长,如高强度、质轻、耐温、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质,根据应用目的,选取高分子材料和其他具有特殊性质的材料,制成满足需要的复合材料。高分子复合材料分为两大类:高分子结构复合材料和高分子功能复合材料。以前者为主。高分子结构复合材料包括两个组分:①增强剂。为具有高强度、高模量、耐温的纤维及织物,如玻璃纤维、氮化硅晶须、硼纤维及以上纤维的织物。②基体材料。主要是起粘合作用的胶粘剂,如不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂,这种复合材料的比强度和比模量比金属还高,是国防、尖端技术方面不可缺少的材料。

  发展历程

  15世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器,雨具等生活用品。

  1839年美国人Charles Goodyear发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能,使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质,变为富有弹性、可塑性的材料。

  1869年 美国人John Wesley Hyatt把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热,制造出了第一种人工合成塑料“赛璐珞”。

  1887年 法国人Count Hilaire de Chardonnet用硝化纤维素的溶液进行纺丝,制得了第一种人造丝。

  1909年 美国人Leo Baekeland用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料——酚醛树酯。

  1920年 德国人Hermann Staudinger发表了“关于聚合反应”的论文提出:高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚合),通过化学键连接在一起的大分子化合物,高分子或聚合物一词即源于此。

  1926年瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机,用它测量出蛋白质的分子量:证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。

  1926年美国化学家Waldo Semon合成了聚氯乙烯,并于1927年实现了工业化生产。

  1930年 聚苯乙烯(PS)发明。

  1932年 Hermann Staudinger总结了自己的大分子理论,出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。

  1935年 杜邦公司基础化学研究所有机化学部的Wallace H. Carothers合成出聚酰胺66,即尼龙。尼龙在1938年实现工业化生产。

  1930年 德国人用金属钠作为催化剂,用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶。

  1940年 英国人T. R. Whinfield合成出聚酯纤维(PET)。

  1940年代Peter Debye 发明了通过光散射测定高分子物质分子量的方法。

  1948年 Paul Flory 建立了高分子长链结构的数学理论。

  1953年德国人Karl Ziegler与意大利人Giulio Natta分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。

  1955年 美国人利用齐格勒-纳塔催化剂聚合异戊二烯,首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。

  1956年Szwarc提出活性聚合概念。高分子进入分子设计时代。

  1971年S. L Wolek 发明可耐300℃高温的Kevlar。

  1970年以后 高分子合成新技术不断涌现,高分子新材料层出不穷。

  合成加工

  高分子材料在加工之前,要先进行合成,把单体合成为聚合物进行造粒,然后才进行熔融加工。高分子材料的合成方法有本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合和溶液聚合。这其中引发剂起了很重要的作用,偶氮引发剂和过氧类引发剂都是常用的引发剂,高分子材料助剂往往对高分子材料性能的改进和成本的降低也有很明显的作用。

  加工工艺高分子材料的加工成型不是单纯的物理过程,而是决定高分子材料最终结构和性能的重要环节。除胶粘剂、涂料一般无需加工成形而可直接使用外、橡胶、纤维、塑料等通常须用相应的成形方法加工成制品。一般塑料制品常用的成形方法有挤出、注射、压延、吹塑、模压或传递模塑等。橡胶制品有塑炼、混炼、压延或挤出等成形工序。纤维有纺丝溶体制备、纤维成形和卷绕、后处理、初生纤维的拉伸和热定型等。

  在成型过程中,聚合物有可能受温度、压强、应力及作用时间等变化的影响,导致高分子降解、交联以及其他化学反应,使聚合物的聚集态结构和化学结构发生变化。因此加工过程不仅决定高分子材料制品的外观形状和质量,而且对材料超分子结构和织态结构甚至链结构有重要影响。