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高分子材料基础及加工流变学第一章材料科学概述材料(Materials)具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质称为材料。材料化过程(MaterialProcess)由化学物质或原料转变成适于一定用场的材料，这一转变过程称为材料化过程（材料工艺过程）.材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为材料.材料可由一种物质或若干种物质构成.同一种物质,由于制备或加工方法不同,可成为用途不同—不同类型的材料.材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。材料是全球新技术革命的四大标志之一:新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术未来新一代材料主要表现在：a.既是结构材料又具有多种功能的材料；b.具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料c.制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料；d.充分利用自然资源，能循环作用的可再生材料；e.少维修或不维修的长寿命材料。第二章高分子材料的制备反应结构单元有时也称为单体单元(Monomerunit)、重复单元(Repeatingunit)、链节(Chainelement)n表示重复单元数，也称为链节数，在此等于聚合度,聚合度（Degreeofpolymerization）是衡量高分子大小的一个指标均聚物（Homopolymer）：只含有一种重复单元的聚合物。共聚物（Copolymer）：含有两种以上重复单元的聚合物。高分子化合物的基本特征:1.高分子的溶液性质——难溶，甚至不溶，溶解过程往往要经过溶胀阶段2.溶液粘度比同浓度的小分子高得多3.分子之间的作用力大,只有液态和固态,不能汽化4.高分子固态具有多种力学性质高分子材料的组成和成型加工:1.在成型加工过程中，物料的形态、结构都会发生显著变化，从而改变材料的性能。2.当选择某种高分子材料时，不仅要考虑其潜在的优越性能，还必须考虑其成型加工工艺的可能性和难易。3.高分子材料的发展是与聚合技术的发展和成型加工技术的发展分不开的。第三章高分子材料的结构与性能大分子链的组成和构造:优点：大多数都具有好的可塑性；通常来讲加工成型比较容易；原料来源比较丰富，成本低缺点：大多数都容易燃烧；耐热性比较差；容易老化结构单元的空间排列方式:分子中邻近原子在空间的相对位置和排列，或者说分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。包括旋光异构和几何异构。聚合物的立构规整性影响聚合物的结晶能力:聚合物的立构规整性好，分子排列有序，有利于结晶，高结晶度导致高熔点、高强度、高耐溶剂性.大分子链骨架的几何形状:1.线型高分子:这类高聚物的主要特点是，由于大分子链之间没有任何化学键连结，因此它们柔软，有弹性，在加热和外力作用下，分子链之间可产生相互位移，并在适当的溶剂中溶解，可以抽丝，也可成膜，并可热塑成各种形状的制品，故常称为热塑性高分子。2.支链高分子:支链高分子堆砌松散，密度低，结晶度低，因而硬度、强度、耐热性、耐腐蚀性等也随之降低，但透气性增加。3.交联高分子:交联高分子与前述两种高分子在性能上有较大的差别，因为它成为既不溶解也不能熔融的网状结构。因此它的耐热性好，强度高，抗溶剂力强，并且形态稳定。4.梯形、双螺旋形:形状类似“梯子”和“双股螺旋”的大分子，是由双链构成，一般具有优异的耐高温性能。聚合物凝聚态结构:在分子间力作用下，大分子链相互聚集在一起所形成的组织结构。非晶态结构:是指玻璃态、橡胶态、粘流态（或熔融态）及结晶高聚物中非晶区的结构。分子排列无长程有序，对X-射线衍射无清晰点阵图案。聚合物晶体结构——三种结构的组合①分子链是无规线团的非晶态结构；②分子链折叠排列、横向有序的片晶；③伸直平行取向的伸直链晶体。第4章通用高分子材料塑料——是以聚合物为主要成分，在一定温度和压力下能塑制成一定形状，并且在常温下能保持其形状的材料。塑料的特点：质轻，机械性能好；适宜的阻隔性和渗透性；化学稳定性好；卫生性良好；光学性能优良；良好的加工性能和装饰性能.热塑性塑料——在加工过程，一般只起物理变化，即加热时变软，冷却时变硬，再加热又变软，可反复加工。树脂的化学结构不起变化，分子结构呈线型或支链型。热固性塑料——在加工过程起化学变化，受热时被软化并具有一定的可塑性，随着进一步的加热，树脂就硬化定型，若再加热也不会变软，温度过高则发生焦化分解。常见成型方法：1.注射成型:将固态塑料原料经塑化装置塑化为熔融状态，在压力作用下注射入密闭的模腔内，经保压冷却定型后，开模顶出而获得塑料制品的一种成型方法。2.压延成型:将已塑化的物料通过一组热辊筒之间使其厚度减薄，从而制得均匀片材制品的方法。压延成型主要用于制备聚氯乙烯片材和薄膜。3.模压成型:将松散状（粉状、粒状、碎屑状、纤维状）的固态成型物料直接放入成型温度下的模具型腔中，然后合模加压，使其逐渐软化熔融，并根据模具型腔形状进行流动成型，最终经过固化而成为塑料制品。4.吹塑成型:借助于压缩空气，使处于高弹态或塑性状态的空心塑料型坯发生吹胀变形，然后再经冷却定型，获取制品的成型加工方法。根据型坯制造方法不同，吹塑加工可分注射吹塑和挤出吹塑。热塑性塑料：1.聚乙烯（PE）polyethylene：无臭、无味、无毒；乳白色蜡状固体，半透明或不透明；透水率低但透气性大；易燃，是最易燃的塑料之一。聚乙烯是世界塑料品种中产量最大的品种，应用广泛，约占世界塑料总产量的四分之一。LDPE：易分子内链转移，支链较多，结晶度低，密度低，冷却后收缩率高。柔韧可延展材料，具较好的透明性和加工性能。抗张强度较低，耐热变形温度不高。耐化学药品性、耐溶剂性以及耐油性均不及HDPE，易吸收油脂而溶胀，使制品发粘。易成型加工，且成本较低。高内聚性（粘连）。MDPE：支链数较LDPE少，结晶度居LDPE与HDPE之间，是一种坚硬的材料。制品刚硬，强度较高，具有较好的抗应力开裂性。适于制成瓶、桶等包装容器。HDPE：不易链转移，直链型，结晶度高，密度大，性脆。坚韧的刚性材料，具较高的硬度、机械强度和耐热性。耐80°C以下的大多数溶剂，且具有耐油性。透明性、弹性以及成型加工性能较差。LLDPE:伸长率和耐穿刺性是PE中最好的,良好的热封合性。聚乙烯的加工性能:聚乙烯不易吸水，加工前不用干燥,聚乙烯结晶能力高，制品收缩大（1.8-2.2％）（注塑制品应注意）,聚乙烯加工时应避免熔体与空气直接接触；应加入抗氧剂,应避免与有机或化学药品接触,加工温度范围：150~220℃总体来说:聚乙烯力学性能一般,拉伸强度比较低,硬度不高,抗蠕变性差,抗冲击性能较好,良好的化学稳定性,较好的耐溶剂性,低表面能，黏附性低,耐热性低,耐寒性好,导热性在塑料里比较高,膨胀系数大.2.聚丙烯（PP）:聚丙烯是无色、无味、无毒带白色蜡状的粒状材料，外观似聚乙烯，但比聚乙烯更透明、更轻，比重为0.89-0.91，是最轻的塑料品种之一，它基本上是线性的高结晶聚合物，浮于水上。聚丙烯易燃，离火后可继续燃烧，火焰上端呈黄色，下端蓝色有少量黑烟，熔融拉伸性极好，燃烧后熔融滴落，发出石油气味。聚丙烯性能:聚丙烯的强度和刚性都比低压聚乙烯好，由于聚丙烯的规整度很高，它在室温和低温下的抗冲击性能较差。具有突出抗弯曲疲劳强度（能承受七千万次开闭折叠弯曲而无损坏迹象，俗称百折胶）。聚丙稀有良好的热性能,是优良的电绝缘体.3.聚苯乙烯(PS):聚苯乙烯为无色透明、无延展性，仿玻璃状的材料，制品掉下地面或敲打时，有清脆的响声，故俗称为“响胶”。聚苯乙烯具有燃烧特性：易燃，离火后继续燃烧，火焰橙黄色并有浓烟碳束，燃烧时塑料软化，起泡并发出特殊的聚苯乙烯单体味。聚苯乙烯性能:很好的透明性，仅次于有机玻璃，良好的光泽。着色性和印刷性好。熔融流动性好，易加工，成型收缩率低。吸水率很低，尺寸稳定性好。耐化学性较好。性脆，耐冲击强度低。表面硬度小，易划痕磨毛。成型中易产生内应力，易开裂（热处理）。耐热性较差，连续使用温度60－80度。气密性和防潮性不良。耐油性差，不耐烃类、酮类、高级脂肪酯，能溶于芳烃和氯代烃等。4.ABS:全称是丙烯睛—丁二烯—苯乙烯塑料A—丙烯睛，B—丁二烯，S—苯乙烯。ABS塑料不透明，除薄膜外都呈浅象牙色、瓷白色、天然色，均能配色成有光泽的其它色泽制品。比重在1.05左右，略重于水，具有坚韧、质硬、刚性的特点，低温抗冲击性能好是其另一特点。燃烧特性：燃烧缓慢，离火后仍继续，火焰呈黄色黑烟，燃烧后塑料软化、烧焦，发出特殊气味，但无熔融滴落。5.聚氯乙烯(PVC):无色、透明、坚韧。聚氯乙烯的燃烧特性为：难燃、离火即灭、火焰呈黄色，下端绿色，白烟，燃烧时塑料变软发出氯的刺激气味。聚氯乙烯性能:聚氯乙烯树脂是无定型结构的热塑性材料。没有明显的熔点，加热到120-150˚C时具有可塑性.较好的硬度和刚性，介电常数介电损耗＞PO。透明度高，表面光泽度高，优良机械性能、耐压性。硬质PVC具有较好的气密性、保香性、防潮性。可热封合，良好印刷性和难燃性。耐强酸、强碱、氧化剂和非极性溶剂。耐热性差。易受极性溶剂的侵蚀，可溶于氯化烃、某些酮类和酯类，溶胀于芳烃。硬质耐寒性较差，低温时易脆裂；软质增塑剂易外迁，有异味，有毒。5.聚乙烯醇（PVA）外观为白色粉末，是一种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物.PVA优点:水溶性,生物相容性,成膜性能,生物可降解性.PVA缺点:耐水性差,耐热性差,耐溶剂性差,蠕变大,强度低,热塑加工性能差.6.丙烯酸塑料:聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗称有机玻璃，也有人称亚克力，是甲基丙烯酸甲酯(MMA)的均聚物。特点：高透明性，是目前最优秀的有机透明材料，透光率达92%，比无机玻璃还高；机械强度高，耐紫外线和大气老化，户外放置5年后透光率下降1%，加工性能好，能切削加工、粘结、吹塑、注射、挤出、浇注成型等.工程塑料：1.聚酰胺（PA）俗称：尼龙：PA为白色至淡黄色的颗粒；PA的密度为1～1.16g.cm-3。制品坚硬有光泽；PA的吸水率很大。聚酰胺性能：具有较高的结晶度和较高的熔点（180-280˚C），且熔点范围较窄。（尼龙6，其熔点温度为210-215˚C。尼龙66，其熔点温度为255-264˚C。尼龙610，其熔点温度为215-223˚C。），尼龙是一种自润滑材料，其摩擦系数小而稳定，与其它塑料比较，其软化温度范围窄，具有比较明显的熔点，在高温条件下具有良好的电绝缘性能，耐很多化学药品，PA吸水率大，加工前必须干燥；PA的熔体黏度低、流动性好、易成型加工；PA热稳定性差、加工时应避免高温、长时间；PA的成型收缩率大。#尼龙66是聚酰胺中强度最高的一种，具有优良的耐磨性和自润滑性，耐热温度较高，能自熄。2.聚碳酸酯（PC）：聚碳酸酯是一种新型的热塑性塑料，透明度达90%，被誉为透明金属。无色透明（或淡黄色透明）、刚硬而坚韧的材料，无毒、无味，外观类似于有机玻璃。聚碳酸酯性能:透明度高，适用于作光学材料。优良的保香性，良好的气密性和防潮性。机械性能优良，突出的冲击韧性是热塑性塑料中最高的。蠕变小，尺寸稳定性好.抗拉强度、耐磨性以及电绝缘性等很好。优良的耐热性和耐寒性。无明显熔点，热分解温度高。能耐稀酸、氧化剂还原剂、盐、油脂类、脂肪烃类。耐疲劳强度较差3.聚甲醛(POM):学名聚氧亚甲基，是分子链中含（-CH2O-）基团的聚合物，是一种没有侧链、高密度、高结晶性的线型聚合物，具有优异的综合性能。聚甲醛的产量在工程塑料中，仅次于尼龙和PC.聚甲醛性能：聚甲醛是一种表面光滑、有光泽的硬而致密的材料，它的耐磨性和自润滑性比绝大多数工程塑料优越，有良好的耐油、耐过氧化物性能。不耐日光紫外线的辐射。熔融加工困难。4.聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）：无色透明，极为坚韧的材料，无毒，无味。聚对苯二甲酸乙二醇酯性能：优良机械性能，强韧性位所有热塑性塑料之首；良好的刚性、硬度、耐磨性、尺寸稳定性和耐蠕变性。优良的阻隔性，良好的气密性、防潮性。耐热、耐寒性好，在较宽温度范围内能保持其优良的物理机械性能。耐