第二章通用塑料

第二章通用塑料@学习要求•学习目的：通过本节的学习，了解塑料的含义、分类、性能与组成；掌握各种通用塑料的结构与性能特点、使用与用途；掌握各种工程塑料的结构与性能特点、使用与用途。•学习重点：1.塑料的含义与基本性能；2.聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等通用塑料的结构与性能、品种与使用、用途等；3.各种工程塑料的结构与性能特点、使用与用途。•学习难点：1.如何从结构去理解各种通用塑料的性能特点及其使用；2.各种工程塑料的主要结构特征及其性能。@31一、塑料的分类@（一）ABS@二、塑料的性能@（二）聚酰胺@三、塑料的组成@（三）聚甲醛@四、通用塑料@（四）聚碳酸酯@（一）聚乙烯@（八）酚醛树脂与塑料@（五）聚砜@（二）聚丙烯@（九）聚甲基丙烯酸甲酯@（六）氯化聚醚@（三）聚苯乙烯@（十）有机硅塑料@（七）氟塑料@（四）聚氯乙烯@（十一）不饱和聚酯树脂@（八）聚苯醚@（五）聚氨酯@（十二）呋喃树脂@（九）聚酯树脂与塑料@（六）氨基塑料@（十三）纤维素塑料@（十）聚酰亚胺@（七）环氧树脂@（十一）聚苯硫醚@五、工程塑料@（十二）聚醚醚酮@[思考与练习@]第一节塑料以合成或天然高聚物为基本成分，并配以一定的高分子助剂如填充剂、增塑剂、着色剂、稳定剂、固化剂、润滑剂等在一定条件（温度、压力）下经加工可成型一定形状，并在常温下保持其形状不变的材料。在室温下以固态存在的高分子材料中，除去合成纤维与弹性体，剩下的可统称为塑料。玻璃态是塑料的应用状态。凡是室温下处于玻璃态的高聚物材料称为塑料。显然，塑料的Tg高于室温。作为塑料使用的高聚物材料，Tg越高越好。一塑料的分类1、按照受热加工时流变特性的不同热塑性塑料是指在特定温度范围内具有反复加热软化、冷却硬化特性的塑料品种，这类塑料的力学性能较好，但刚性和耐热性较差。热固性塑料是指在特定温度下加热或通过加入固化剂可发生交联反应变成不溶不熔塑料制品的塑料品种，这类塑料具有耐热性高、在负荷下不易变形。2、按照功能、用途和使用条件的不同通用塑料、工程塑料和特种塑料这是生产和应用中都比较常用的分类法。3、根据化学组成聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、酚醛塑料、不饱和聚酯塑料等。4、按塑料组分数单一组分塑料，多组分塑料塑料的实体相对密度约在0.83～2.3之间，多数介于1～1.5之间。塑料密度与其中填料的种类和数量有关。没有填料的聚烯烃类塑料的相对密度小于1，相对密度最小的塑料为聚4-甲基-1-丁烯，只有0.83，最高为聚四氟乙烯，为2.22。泡沫塑料由于内部含有无数小孔，相对密度较低，一般在0.01～0.05之间。其中泡沫气孔的数量和大小不同，密度相差很大。二塑料的性能（一）塑料的基本性能1、密度2、吸水性塑料的吸水性一般为0.01～3%，高于金属、陶瓷、玻璃等无机材料，但不如木材。吸水性的测试方法是将一定大小的试样置于水中浸24小时后，测定其重量增加的百分数。主链或侧链含有亲水的酯基、羧基、羟基、氨基、酰胺基和醚基等亲水基团品种如醋酸纤维素等的吸水性较好。水对于某些塑料的作用相当于增塑剂，如聚酰胺、聚氨酯，水能够使相邻大分子之间的氢键断裂，因而降低了塑料中无定形区域的玻璃化温度。使之在正常使用温度和干燥条件下脆性材料变柔软，并使其密度增加。主链含有可水解基团时，水可以促进塑料的老化，如聚酯、聚酰胺等。3、透气性适用于塑料薄膜性能的评价，一般为一定厚度的薄膜在一定时间和压力下，单位面积所透过的气体体积，如测透水汽性，则测透过的重量。塑料薄膜的透气性与材料的化学结构和气体的种类有关。有些情况下要求有优良的透气性，如人工肺对氧气和二氧化碳的透过性；另外一些情况下则需要透气性差，如食品包装薄膜。为了评价塑料薄膜包装食品和香料的优劣，引入“屏蔽性”的新概念。高聚物的屏蔽性规律表现为对气体有良好屏蔽性的，通常表现对水的屏蔽性很差，主要是由于高聚物的极性所致。含有许多羟基的极性高聚物如聚乙烯醇和纤维素制品对气体有优良的屏蔽性，但对水的屏蔽性就很差。相反非极性的聚烯烃如聚乙烯则对水有优良的屏蔽性。而有时候要求既有气体屏蔽性又有水屏蔽性，这就是近来发展起来的复合薄膜，如聚乙烯/聚乙烯醇复合薄膜、聚丙烯/聚乙烯醇复合薄膜、聚丙烯/醋酸纤维素复合薄膜。为了提高屏蔽性和机械强度，还可采用铝箔与塑料薄膜复合。为获得优良的屏蔽性材料，高聚物应具备以下条件：沿主链分布有适当的极性基团如氰基、氯基、氟基、羧基或酯基；主链具有高的刚性，不为溶剂所作用；大分子与大分子之间的结合较紧密，所以要求结晶度高，规整性大，或者大分子之间存在化学键；玻璃化温度高。（二）机械性能塑料品种不同，其机械性能差别很大，如刚性的聚苯乙烯、酚醛塑料和柔性的低密度聚乙烯和软聚氯乙烯。同一品种的塑料可能由于分子结构的不同或是否加增塑剂可得到刚性材料也可得到柔性材料。柔性塑料不能测定其弯曲强度和冲击强度。塑料的机械强度与是否加有填料、填料的形态以及线形大分子是否有结晶取向等因素有关。泡沫塑料的机械强度还与密度的高低有关。薄膜与纤维的机械强度表现为拉伸强度、弹性模量和伸长率等。除玻璃和陶瓷的弯曲强度外，模塑塑料的强度高于非金属材料而低于金属材料。但增强塑料的机械性能可以与金属相比甚至高过金属材料。因为塑料的比重远远小于金属，所以比强度高于或接近金属。另外，塑料的弹性模量和硬度低于金属和硅酸盐材料，属于韧性材料。（三）热性能塑料的热性能主要从耐热性、导热系数、热膨胀系数、比热、耐寒性等方面进行评价。合成树脂可以测定其软化点或熔点。但由于多数塑料是多组分材料，且作为材料使用时，使用温度远低于其软化点或熔点，因此塑料的耐热性用在一定负荷下受热，形状变化达到规定范围时的温度来表示。国际上通用的有马丁耐热温度、维卡耐热温度和热扭变温度等三种测定塑料形状稳定温度的方法。以上三种方法的试样负荷不同，而且塑料变形标准不同，所得结果不能相互换算。将试样放置与每小时升温50℃的等速升温烘箱中，与上夹具相连的横杆上放一重锤，使试样受50Kg/cm2的弯曲应力。横杆末端与试样中线距离为240mm。当横杆末端端点下降达6mm时的温度为马丁耐热温度。●维卡耐热温度（维卡软化点）将试样放置于每小时升温50℃的等速升温烘箱中，试样上置测试用金属针，面积为1mm2，负荷为50N，金属针刺入塑料深度为1mm时的温度为维卡耐热温度。●热扭变温度（heatdistortiontemperature）将试样置油浴中，油浴以2℃/min的速度逐渐升高温度，试样中部承受负荷为4.55或18.2MPa，压杆下降为0.254mm时的温度为该负荷的热扭变温度。●马丁耐热温度●塑料的长期使用温度用一定温度下长时间受热后塑料的机械强度变化情况来评价。多数热塑性塑料的长期连续使用最高温度为60~100℃，聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜等工程塑料可在120℃左右连续使用，现有一些热塑性耐高温聚合物的连续使用温度可达260℃甚至300℃。热固性塑料的长期连续使用温度一般在100℃以上，加有无机填料的可在150℃长期使用。也有一些热固性耐高温聚合物的连续使用温度达300℃甚至更高。导热性塑料的导热性都很差，无定形热塑性塑料的导热性比结晶性热塑性塑料差，泡沫塑料的导热性更差。提高聚合物的结晶度和添加导热性好的填料可以改善塑料的导热性。热膨胀性塑料的热膨胀系数大于其他材料，在使用温度范围内，热塑性塑料的线性膨胀系数约在6×10-5~2.5×10-4K-1范围，而热固性塑料的线膨胀系数稍微小一些，约为2×10-5~6×10-5K-1。设计塑料成型模具以及用作设备的衬里或粘贴于其他材料上受热时，应考虑其膨胀系数。塑料的体积电阻在1010～1019Ω.㎝范围内，以石墨、碳黑、碳纤维和金属粉作为填料可降低体积电阻，并可降低高阻引起的静电荷。静电荷的存在会因电荷积累而产生安全问题，体积电阻小于1010Ω.㎝时较为安全。体积电阻还与温度有关，温度升高，体积电阻降低。塑料的介电常数常常在2左右，介电损耗低到10-4，耐电弧性优良，可与陶瓷、橡胶或其它绝缘材料媲美，可作为电气绝缘材料和电容器介质材料。一般塑料是电的不良导体。评价绝缘材料的主要电性能是体积电阻（Ω.㎝）和介电常数。（四）电性能1、塑料的主要电性能2、塑料的电性能与塑料的品种有关不同的塑料因为具有不同的电性能而具有不同的用途。如：聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等在高频条件下介质损耗甚低，适合用作高频或超高频绝缘材料，在雷达和电视技术中发挥了重大作用；氟化乙烯-丙烯共聚物、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚苯醚等可用作驻极体（永久极化的电介质）用于电声转换器、放射性计量仪、空气过滤器等方面；聚偏二氟乙烯具有压电和焦电效应；聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺等聚合物掺杂物具有半导体特性。（五）稳定性包括耐化学腐蚀性能、耐老化性能、耐候性、和耐火焰性能等。要正确合理的使用塑料，必须了解塑料的稳定性。1、耐化学腐蚀性能塑料的耐化学腐蚀性能包括对无机酸、碱、无机盐水溶液等的抗耐性和对有机溶剂、油脂等的抗耐性。与金属和木材相比，塑料的化学稳定性都很好。高聚物的化学结构、所含官能团的性质、填料的种类以及是否含有增塑剂等因素对于塑料的耐化学腐蚀性起决定作用。如主链周围全部为氟原子的聚四氟乙烯具有目前最佳的耐无机酸、碱、无机盐水溶液的化学腐蚀性和耐有机溶剂的性能。一般的塑料具有碳-碳主链，所以有机溶剂、油脂对多数塑料会产生腐蚀或溶解作用。这种作用遵循同性相容原则，即非极性塑料对非极性溶剂的作用敏感，极性塑料对极性溶剂的作用敏感。在应力作用下，溶剂对塑料的作用加剧，甚至会产生破裂。2、老化性能塑料在热氧和辐射条件下容易氧化降解、交联而老化，老化的速度与塑料的品种、化学结构、使用环境等有关，不适当的添加剂也可能促进老化作用。热塑性塑料易老化，需加适当的添加剂以防止或阻缓老化进程。3、燃烧性能塑料多是含碳的有机材料，所以绝大多数可燃。热塑性塑料在火焰中软化、熔融、燃烧、放出烟雾，其易燃程度和释放烟雾的多少与其化学结构有关。聚苯乙烯燃烧时放出大量的浓烟，聚氯乙烯燃烧时放出令人窒息的有害气体，聚乙烯燃烧时火焰小，烟雾少。热固性塑料燃烧时不会软化或熔融，释放的气体少，有的不易燃烧或脱离火焰后会自熄。作为建筑材料、电子设备、运输器材、家具等材料时，应当使用阻燃型高分子材料。阻燃的方法有反应性阻燃和添加剂阻燃。反应性阻燃主要应用于不饱和聚酯、环氧树脂或聚氨酯等品种，其方法是原料中经氯化、溴化引入氯原子或溴原子等。（六）塑料制品的成型加工方法1.成型2.机械加工车削和铣削、钻孔、切螺纹、锯切、剪切、冲切等。3.修饰磨削、锉削、转磨滚光、抛光、溶浸增光和透明涂层、彩饰、涂盖金属等。4.装配粘合、焊接、机械连接等。模压成型、挤出成型、注塑成型、传递成型、吹塑、铸塑、滚塑（旋转成型）、层压成型、压延、涂敷、泡沫塑料成型、热成型、固相成型、流延成型等。（七）塑料与其它材料的对比优点：①质轻。②电气绝缘性好。③力学强度范围宽。④优良的防腐蚀性。⑤隔热性能好。⑥成型加工性能好。塑料还具有减震、消音等特性，许多塑料还具有透光性。塑料这些优良、多样的性能，使它们在工农业生产、日常生活、国防以及科技领域获得相当广泛的应用。与金属相比：具有耐腐蚀、质量轻、绝缘、易成型为多样化制品、美观等优点；与硅酸盐材料相比：具有质轻、坚韧不易碎、易成型等优点；与木材相比：具有强度高，易成型，美观等优点。缺点：耐热性较低，力学强度不如金属，导热性较差，膨胀系数大，容易变形，大多数品种易燃，制品在使用过程中易产生蠕变、冷流和疲劳等现象。塑料的主要缺点是多数塑料可燃烧，其耐热性低于无机材料，成本还是相当高，因此使用范围受到一定限制。这些也正是当前研究塑料改性的方向和重点。三塑料的组成（一）基料1、树脂的分类和品种1）按来源分树脂（resin）一词来源于树木分泌的脂状物，这就是天然树脂。天然树脂是指直接从植物中提取后不经或稍经加工就能利用的脂状物。作为材料使用的树脂除了天然树脂外，还有数量比天然树脂多得多的合成树脂。合成树脂是人们利用化学方法合成出来的与天