第7章 合成高分子材料

土木工程材料上一内容下一内容回主目录7.1概述7.1.1高分子化合物的结构与性能7.1.2高分子化合物的分类7.2建筑塑料7.2.1塑料的特点7.2.2塑料的组成7.2.3建筑工程中常用的塑料制品7.3建筑涂料7.3.1涂料的组成7.3.2常用建筑涂料7.4胶粘剂7.4.1胶粘剂的基本组成7.4.2常用建筑胶粘剂7.4.3胶粘剂的选用原则第7章合成高分子材料土木工程材料上一内容下一内容回主目录高分子材料在建筑上的应用应用于非结构材料：装饰板材；各种管材和异性材，水管、门窗框等；建筑防水材料，屋顶膜；建筑涂料；建筑保温、隔声材料；应用于结构材料：桥梁，如人行天桥等；轻结构建筑物，玻璃钢、聚合物混凝土等；混凝土的增强筋等。土木工程材料上一内容下一内容回主目录9.1概述1、定义高分子材料是以高分子化合物为基材的一大类材料的总称。高分子化合物又称高分子聚合物（简称高聚物），其最大特点是分子量巨大，一般为104～106.2、高分子化合物的组成：高聚物是由一种或几种小分子化合物（单体），通过聚合反应，以共价键连接的分子量很大的化合物。它是生产塑料、涂料、胶粘剂、高分子防水材料的主要原料。化学组成：合成高分子主要由碳、氢元素组成，同时也含有少量杂原子，如：氧、氮、硫、磷、硅、钛等。单体组成：烃、羧酸、酯、醚等有机化合物及其衍生物。土木工程材料上一内容下一内容回主目录按高分子主链组成，聚合物的分类碳链聚合物——主链上只含碳元素，如聚乙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、丁苯橡胶、氯丁橡胶等。杂链聚合物——主链上除碳元素外，还含有O、N、P、S等元素，如聚酯树脂、环氧树脂等。元素聚合物——主链上没有碳元素，而有Si、Al、O、S、P、N、Ti等元素，如有机硅树脂、聚钛氧烷树脂、聚氯磷氰等。土木工程材料上一内容下一内容回主目录几个基本概念单体——用来合成聚合物的简单低分子化合物如：聚乙烯-[-CH2-CH2-]-n的单体为CH2＝CH2链节——大分子链的基本结构单元，-[-CH2-CH2-]-聚合度——大分子链中链节的重复次数n土木工程材料上一内容下一内容回主目录7.1.1高分子化合物的结构与性能聚合物(polymer)一、聚合物的分子结构聚合物虽分子量很大，但化学组成比较简单，主要由碳原子与其它原子形成简单的结构单元，然后以重复的方式连接起来，形成链状或空间网状结构。聚合物按其链节在空间排列的几何形状，分为线型和体型两种结构形式：土木工程材料上一内容下一内容回主目录1、线型聚合物——各链节连接成一长链，或带有支链。见图（a）、（b）。特点：链与链之间连接较弱，因此加热可熔化，并能溶于适当的溶剂中。热塑性聚合物属于这一类。2、体型聚合物——是线型大分子间相互交连，形成三维网状的聚合物。见图（c）。特点：加热时不软化，也不能流动，不溶于有机溶剂，最多只能溶脹，但在高温下会发生降解。热固性聚合物属于这一类。土木工程材料上一内容下一内容回主目录线型结构支链型结构体型结构非晶态聚集态结构晶态聚集态结构土木工程材料上一内容下一内容回主目录二、聚合物性能与结构的关系线型和支链型聚合物——具有热塑性，受热熔化，也能溶于特定的溶剂中形成溶液，强度较低、弹性模量较小、变形较大、耐热性较差；体型聚合物——具有热固性，它们不溶不熔，强度、硬度、脆性较高，耐热性好等。聚合物的结晶度越大，密度、强度、硬度、弹性模量、耐热性提高，而塑性、韧性、溶解度降低。土木工程材料上一内容下一内容回主目录三、聚合物的反应类型（中学化学内容）由低分子单体合成聚合物的反应称为聚合反应。聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。1、加聚反应——由单体相互加成而聚合起来的反应。其产物叫加聚物。加聚反应不产生副产物，加聚物的化学组成与单体基本相同。加聚物一般多在其原料单体前冠以“聚”字，如：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。分子结构：线型（大部分）2、缩聚反应——由两种或两种以上带有官能团的单体相互作用，同时产生低分子量的副产物的反应。其产物称为缩聚物。缩聚物常取其单体的简名，后面加上“树脂”二字来命名，如：酚醛树脂、脲醛树脂等。分子结构：线型或体型。土木工程材料上一内容下一内容回主目录四、聚合物的分类按聚合物的热行为分为：1、热塑性聚合物（树脂）——指受热软化、冷却后硬化，这一过程可反复进行的聚合物。由此制成的塑料称为热塑性塑料。分子结构：线型，包括全部加聚物和部分缩聚物。2、热固性聚合物（树脂）——指在加工时经加热软化塑造成型后，不再因受热而软化的聚合物（即只能塑制一次）。由此制成的塑料称为热固性塑料。分子结构：体型，包括大部分缩聚物。土木工程材料上一内容下一内容回主目录7.1.2高分子化合物的分类高分子种类繁多，根据其组成和性能的关系，通常分为三大类。1．树脂2．橡胶3．共聚物树脂即塑料，是具有可塑性的高聚物材料。在一定温度和压力下受到外力作用时可产生变形，而外力除去后仍能保持受力时的形状。树脂按其能否进行二次加工，又分为热塑性树脂（线型结构聚合物）和热固性树脂（体型结构聚合物）。橡胶是在常温下具有显著高弹性的高聚物材料。在外力作用下可产生较大的变形，外力卸掉后又恢复原状。按其产源又可分为天然橡胶和合成橡胶两类。共聚物也称为热塑性弹性体或热塑性橡胶，兼具树脂和橡胶的特点，具有非常好的工程性质。土木工程材料上一内容下一内容回主目录7.2建筑塑料塑料(plastic)是以合成树脂（聚合物）为主要成分，加入各种添加剂（增塑剂、填充剂、稳定剂、着色剂等），在一定的温度和压力下塑制而成制成的高分子材料。在塑料中聚合物起胶结作用，添加剂起改性作用。塑料已成为继砼、钢材、木材之后的第四大建筑材料，有着广阔的发展前途。塑料粒料土木工程材料上一内容下一内容回主目录7.2.1塑料的特点1、表观密度小：0.8-2.2g/cm3，比砼、钢材等材料轻，与木材相近；2、比强度高：是砼的5-10倍，接近或超过钢材，是一种优良的轻质高强材料；3、耐化学腐蚀性好：抗酸、碱、盐的腐蚀性高；4、抗振、吸声、保温性好：λ=0.02-0.8w/m.k，为金属的1/500，砼的1/40，砖的1/20，泡沫塑料是理想的绝热材料和吸声材料；5、耐水性、耐水蒸汽性好：W＜1%6、装饰性好；7、电绝缘性好。土木工程材料上一内容下一内容回主目录缺点：1、弹性模量小，刚度差：约为钢材的1/10-1/20，用作结构承重材料应慎重；2、易老化：在使用条件（如阳光、氧气、热等）作用下，塑料中的聚合物的结构和组成发生变化，致使其性质恶化的现象。加入防老化剂可改进，使用寿命可大大延长。3、易燃及毒性：部分塑料易燃且产生有毒烟雾。但也可通过改进配方制成自熄和难燃甚至不燃的产品（受热时能分解放出含有较多卤素和氮的气体的有机材料，具有自熄性），但其防火性仍比无机材料差。——使用时应予注意，并采取必要的措施。4、耐热性低：热变形温度一般在60-120℃，使用温度过高会促进老化，甚至分解。——应注意使用温度的限制。总之，塑料的优点大于缺点，并且许多缺点可以采取措施改进。它将在诸多方面逐渐代替木材、水泥及钢材。土木工程材料上一内容下一内容回主目录塑料管与镀锌铁管优缺点比较如图所示，请观察使用两年后的塑料管和镀锌铁管的照片，对其优缺点予以比较。从下图可见，镀锌铁管已生锈，产生污垢。塑料管内壁光滑如新，水的流动摩擦阻力很小，而且不会生锈，所以用塑料管作为上水管，不仅可以减少输水的水头损失，减少能耗，而且没有管内的锈蚀和污垢产生，使水的卫生标准提高。土木工程材料上一内容下一内容回主目录常用建筑塑料一、热塑性塑料基本组分：线型聚合物性能：优点—塑性好，加工成型方便缺点—耐热性、刚性差（热变形温度60-120℃）1、聚氯乙烯（PVC）建筑上应用最多，它是由氯乙烯单体聚合而成。其化学稳定性好，抗老化性能好，但耐热性差，通常的使用温度为60-80度以下。根据增塑剂的掺量不同，可制得软、硬两种聚氯乙烯塑料。硬质PVC——强度高、耐腐蚀、抗风化性好。用途——室内外建筑制品。2、聚乙烯（PE）分为高密度聚乙烯与低密度聚乙烯，二者性质差异大。特性：耐溶性好，化学稳定性好；易燃、易老化用途：防水材料、给排水管等。3、聚丙烯（PP）特性：密度小，强度比聚乙烯高，耐热性好，耐低温性差，易老化。用途：管材、容器、建筑另件、耐腐蚀衬板。4、聚苯乙烯（PS）特点：透明度高，其透光性仅次于有机玻璃；密度低，绝热性高；缺点是抗冲击性能差，脆性大和耐热性低。用途：主要用于泡沫绝热材料。土木工程材料上一内容下一内容回主目录二、热固性塑料基本组分：体型聚合物性能：优点——耐热性好，刚度大（热变形温度150℃左右）缺点——质地硬而脆，缺乏弹性与塑性1、酚醛塑料特点：强度高、刚度大、耐光、耐热、耐腐蚀、电绝缘性好。用途：电工器材、压层板、玻璃钢、防水涂料等。2、聚脂树脂（UP）特点：强度高，加工方便。用途：玻璃钢、涂料及聚脂装饰板等。3、环氧树脂（EP）特点：粘结力强用途：玻璃钢、粘合剂。4、有机硅（SI）塑料特点：耐水、绝缘、耐高温（250℃）用途：耐热高级绝缘材料，优良的防水密封材料。土木工程材料上一内容下一内容回主目录7.2.3建筑工程中常用的塑料制品1．塑料门窗塑钢门窗一般采用PVC塑料;塑钢门窗有良好的隔热性、气密性，有明显的节能效果，而且不必用油漆维修。塑料窗异型材截面土木工程材料上一内容下一内容回主目录塑料窗异型材截面土木工程材料上一内容下一内容回主目录塑料门异型材土木工程材料上一内容下一内容回主目录塑料门土木工程材料上一内容下一内容回主目录2．塑料管材特点：（1）质量轻，施工安装和维修方便。（2）表面光滑，不生锈，不结垢，流体阻力小。（3）强度高，韧性好，耐腐蚀，使用寿命长。（4）品种多样，可满足各行业的使用要求。品种：硬质聚氯乙烯（PVC）管;聚乙烯（PE）管;聚丙烯（PP）管;聚丁烯（PB）管;ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）管;玻璃钢（FRP）管;铝塑管等。土木工程材料上一内容下一内容回主目录各种管材的特点与应用聚乙烯（PE）管——比强度高，韧性和耐低温性能好，可用作城市燃气管道、给排水管等。聚丙烯（PP）管——具有坚硬、耐磨、防腐等优点，但也存在低温脆性大的缺点。常用作农田灌溉、污水处理、废液排放等。聚丁烯（PB）管——具有耐磨、耐高温、抗菌等性能，可用于供水管、热水管，使用寿命可达50年。ABS（丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物）管——具有质轻、韧性好、耐冲击等特点，常用作卫生洁具下水管、输气管、排污管、电导线管。土木工程中以聚氯乙烯（PVC）管材用量最大。主要用于民用住宅室内供水系统，非压力管道主要用于排水排污系统。压力管要求液压密封试验在1.5MPa静压下无渗漏现象；非压力管要求在0.2MPa静压下无渗漏现象。硬质PVC管使用温度为0～50˚C，不能输送热水和蒸汽。土木工程材料上一内容下一内容回主目录塑料排水管土木工程材料上一内容下一内容回主目录塑料给水管土木工程材料上一内容下一内容回主目录塑料管土木工程材料上一内容下一内容回主目录塑料管挤出成型土木工程材料上一内容下一内容回主目录3．玻璃纤维增强塑料以玻璃纤维布为增强材料，热固性树脂为胶结料而制成的一种复合材料。由于它的质量轻、比强度接近甚至高于合金钢，被称为“玻璃钢”。特点：比强度高（为钢的4-5倍），缺点是刚度不如金属。用途：轻质结构材料、屋顶膜、装饰材料和电绝缘材料，混凝土的增强筋和修补材料等。（1）结构材料：如各种薄板、波形瓦等；（2）采光材料：如采光罩、透明屋面板等；（3）装饰材料：如装饰板等；（4）门窗材料：玻璃钢门窗；（5）供水及卫生洁具：如冷却