高分子材料助剂-概述

高分子材料助剂（PolymerAdditives）关于高分子材料及加工常用高分子材料（塑料）的种类、结构、性能及其加工应用。高分子材料常用助剂的特性及使用。常用塑料品种的结构－加工－性能关系。通用塑料聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯工程塑料聚酰胺聚碳酸酯聚酯聚醚类塑料氟塑料热固性塑料酚醛树脂环氧树脂不饱和聚酯常用助剂抗氧剂稳定剂增塑剂润滑剂填充剂着色剂阻燃剂导电及抗静电剂发泡剂交联剂成核剂绪论1.塑料的定义和发展简史2.塑料的分类3.塑料工业发展现状4.塑料的性能高分子：Macromolecule，相对分子质量很大的分子，又称大分子或大分子化合物，一般指相对分子质量大于104的分子，其分子质量可高达几百万。其中，将能够以重复单元表示的高分子称为聚合物（Polymer）。根据材料分类可分为处于高弹态的橡胶（rubber），处于取向态并在取向方向上具有较高强度的纤维（fiber），处于玻璃态或半晶态的塑料（plastics），以及涂料（coatings），粘合剂（adhesive）等。用量最大，最为重要的是塑料。1.塑料的定义和发展简史“塑料”一词应用极为广泛而又难以准确定义。广义地讲，蜡烛、松香、虫胶、粘土、铁、铜、铝等有可塑性的材料，都可称为塑料。因为它们加热后，或在压力条件下，可以塑造成各种形状的物体。天然树脂，如虫胶、琥珀、沥青、松香等，因为成分和结构复杂，杂质很多，一般不用作塑料。通常的理解为：主要由高相对分子质量的聚合物组成，成品状态为非弹性体的柔韧性或刚性固体，在制造或成型加工过程中有一阶段能流动成型、或由原位聚合固化定型而得到的聚合物。什么是塑料？具体说来，塑料就是以树脂（主要是合成树脂）为基体，添加一些具有特定作用的助剂，将基体与助剂混合、分散，再通过塑炼加工，并在加工过程中显示塑性且能流动成型的材料。简而言之，塑料=树脂+助剂树脂是硬而脆的、固体或半固体、无定形、易熔融、易燃的物质。包括天然树脂、合成树脂。塑料的定义一些高分子材料的大致开发时间时间聚合物名称时间聚合物名称1907酚醛树脂1944PET1927聚氯乙烯1947环氧树脂1927醋酸纤维素1948ABS树脂1930丁苯橡胶1955线型聚乙烯1936聚甲基丙烯酸甲酯1957聚丙烯1936聚醋酸乙烯酯1957聚碳酸酯1938聚苯乙烯1960线型低密度聚乙烯1938尼龙661964离聚物树脂1939聚偏氯乙烯1965聚酰亚胺1941聚四氟乙烯1970热塑性弹性体1942不饱和聚酯1972丙烯腈共聚物1942支化聚乙烯1972乙烯-乙烯醇聚合物1943丁基橡胶1974聚芳酰胺1943尼龙61992茂金属聚合物1943含氟聚合物1994聚萘二甲酸乙二酯结构材料（StructuralMaterials）电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件绝缘材料（InsulationMaterials）电缆、绝缘版、电器零件建筑材料（BuildingMaterials）贴面板、地贴、塑料门窗、上下水管塑料的应用包装材料（PackagingMaterials）塑料袋、薄膜、泡沫塑料日用（HouseholdAppliances）衣架/椅子/盆类/书架/玩具/文具/办公用品/家具交通运输（TransportationMaterials）道路交通设施、车辆部件农用薄膜塑料的应用按树脂的化学成分分类：（1）元素聚合物为基础：氟聚合物、有机硅聚合物（2）无机聚合物为基础：聚硫酸铁、聚氯化磷腈（3）有机树脂为基础：PE、PP、PVC等2.塑料的分类按塑料的产量和耐热等级分类：（1）通用塑料：指一般用途的塑料。特点：成本低、产量大、用途广泛、性能变化大、制品多样，但机械性能和耐热性不高。耐热温度小于100oC。（2）工程塑料：指适于作工程机构件和化工设备等工业用途的塑料，与通用塑料无严格的区分。特点：强度、刚性、硬度等均比通用塑料高、耐高、低温性能好，但产量相对小，成本较高。耐热温度大于100oC。（3）特种工程塑料：耐热等级更高，价格更贵，产量更小。主要品种包括聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺等。项目通用塑料工程塑料极性基本无极性极性强度低高模量低高耐化学性高低耐热温度通常100C通常100C低温韧性较高通常较低加工性易加工难加工通用塑料与工程塑料的性能比较按化学结构及热行为分类：（1）热塑性塑料（ThermoplasticPlastics）以热塑性树脂为基础，其树脂的结构一般为直链型或带有少量支链的线性结构，多数为碳-碳为主链的聚合物。分子链之间主要以次价力或氢键相吸引而显示一定强度，同时表现出弹性和塑性。在适当的溶剂中能溶解；在加热状态下能熔化，其间只经历物理过程，不发生化学变化。即所谓的“可溶、可熔”的特性。（2）热固性塑料（ThermosettingPlastics）其初始状态一般是分子量不高的预聚物或齐聚物，在适当的溶剂中可以溶解或溶胀；受热也可以熔化。热固性树脂具有一定的反应活性，在熔化和继续受热过程中，反应性官能团会发生化学反应，形成新的化学键，即所谓的“固化反应”。同时树脂由线性结构变为三维体型（网状）结构，塑料不能溶于溶剂，受热也不会熔化。即“不溶、不熔”。塑料通用塑料工程塑料特种工程塑料低密度聚乙烯（LDPE）高密度聚乙烯（HDPE）聚丙烯（PP）聚氯乙稀（PVC）聚苯乙烯（PS）聚碳酸酯（PC）聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）聚酰胺（尼龙，PA）聚甲醛（POM）苯乙烯-丁二烯-丙稀腈共聚物（ABS）聚酰亚胺（PI）聚苯硫醚（PPS）聚醚醚酮（PEEK）聚砜（PSU）聚苯醚（PPO）聚苯砜（PPSU）热塑性塑料的基本分类和主要品种合成高分子材料年产量：3.0亿吨/年2003年塑料产量是钢铁体积产量的1.7倍3.塑料工业发展现状第一代高分子材料：通用高分子材料第二代高分子材料：工程塑料第三代高分子材料：特种工程塑料第四代高分子材料：导电高分子材料为代表第五代高分子材料：生物高分子材料为代表经过短短七十余年的发展，高分子材料已深入到人类社会活动的每一个领域，现在高分子材料已进入更新的阶段：4.1材料的性质（Propertiesofthematerials）内在性质（Speciality）加工性质（Processability）产品性质（ProductProperties）4.塑料的性能内在性质材料的属性——决定于材料的组成及其物理和化学结构内在性质是材料性能的内因，对产品性能有根本性的影响，是设计和生产制品时选材的主要依据。（1）材料能否成型加工的性质，即可加工性；（2）成型加工过程附加于材料的性质。可否用特定的加工方法成型加工过程会产生何种变化加工性质PolymerChemicalStructure只有线形和支链形结构的大分子能通过流动形变实现大分子链间的位移而取得所需的形状，具备进大变形的加工性能，一旦成为体形结构，其变形能力有限，一般只有实现机械加工。ChemicalStructure——Processing产品性质分为三种：外观性质使用性质耐久性质——产品性质是制品的属性产品性质内在性质加工性质产品性质一切产品的性质均取决于：——材料的选择（Selection）——制品的加工（Processing）——应用的条件（Environment）CONCLUSION:塑料的主要性能密度力学性能热性能电性能光学性能燃烧性耐化学溶剂性耐磨性阻隔性4.2塑料的可加工性1.温度、聚合物的力学状态与成型加工的关系2.塑料的可加工性ProcessabilityofPlastics温度、聚合物的力学状态与成型加工的关系物体的流动是其所处状态对外力的一种反映，所以根据物质的力学特征，物质可有着不同的力学状态。一般低分子物质有三种力学状态，即气态、液态、固态。而高分子材料的力学状态则有：晶态、玻璃态、高弹态、粘流态等。TransitionTemperatureofPolymer玻璃态（晶态）聚合物的力学行为特点是内聚能大，弹性模量高（一般可达1010-1011Pa）。在外力作用下，只能通过高分子主链键长、键角的微小改变发生变形，因此变形量很小，断裂伸长率一般在0.01%-0.1%范围内，在极限应力范围内形变具有可逆性。上述力学特点决定了在玻璃态（晶态）下聚合物不能进行引起大变形的成型，但适于进行机械加工，如车削、锉削、制孔、切螺纹等。如果将温度降到材料的脆化温度Tb以下，材料的韧性会显著降低，在受到外力作用时极易脆断，因此，Tb是塑料加工使用的最低温度。1）TTg（TTm）聚合物处于玻璃态（晶态）高弹态下聚合物力学行为的特点为：弹性模量与玻璃态相比显著降低（一般在105-107Pa）；在外力作用下，分子链运动可发生运动，因此变形能力大提高，断裂伸长率可达100%-1000%，所发生的形变可恢复，即，当外力去除后，高弹形变后会随时间延长而逐渐减小，直至为零。2）TgTTf力学状态为高弹态聚合物在高弹态下的力学行为特点决定了在该状态下可进行较大变形的成型加工，如压延成型、中空吹塑成型、热成型等。但需特别注意的是，因为此状态下发生的形变是可恢复的，因此，将变形后的制品迅速冷却至玻璃化温度以下确保制品形状及尺寸稳定的关键。同时，由于高弹态下聚合物发生的变形是可恢复的弹性变形，因此，骤冷容易使制品内部产生内应力。高弹态的力学行为粘流态下聚合物力学行为的特点为：整个分子链可以运动，在外力的作用下，材料可发生持续形变（即流动）。并主要为不可逆的粘流形变。因此，在粘流态下可进行变形大、形状复杂的成形，如注射成形、挤出成形等，而且由于此时发生的形变主要是不可逆的粘流形变，因此，当制品温度从成型温度Tm迅速降至室温时不易产生热致内应力，制品的质量易于保证。3）TTf力学状态为粘流态TgModulusTemperature1010-1011Pa107-105PaTfTdGlassyStateRubberStateFlowStateDegradation温度与聚合物状态的关系Thestateofpolymerrelateswiththetemperature玻璃态一般不能熔融加工，只可机械加工高弹态可进行需要大形变的加工粘流态可进行流动性加工薄膜和纤维冷拉伸薄膜和纤维热拉伸真空和压力成型中空吹塑成型压延成型挤出成型薄膜吹塑注射成型熔融纺丝玻璃态高弹态粘流态坚硬固体橡胶状弹性体粘性流体ProcessingTemperatureTgTfTdDeformation（％）线型非结晶聚合物的温度、力学状态及成型加工的关系影响因素:（A）内因:分子结构剪切粘度拉伸粘度（B）外因:设备结构成型温度成型压力挤出速度工业上用熔体流动速率MFR（MeltFlowRate，g/10min）值的大小评价。——在ASTM和JIS规定的温度和压力下，从规定长度和直径的小孔中10min挤压出热塑性树脂材料的克数。一般MFR值越大，熔体的流动性和加工性越好。可挤压性的表征成型方法产品材料的MFR/g·10min-1挤出成型管材＜0.1片材、瓶、薄壁管材0.1-0.5电线、电缆0.1-1.0薄片、单丝0.5-1.0多股丝或纤维≈1.0瓶（高级玻璃）1-2胶片9-15注射成型模压制件1-2涂布薄壁制件3-6涂敷纸9-15热成型制件0.2-0.5成型方法与熔体流动速率的关系220C190C170CFlowRate(m/min)Pressure（kPa）聚丙烯熔体流动速率与温度、压力的关系毛细管d=1.05mm，直径长径比L/D=4.752）塑料的可模塑性定义——塑料在温度、压力作用下产生变形并在模具中模制成型的能力。利用可挤压性可进行“模塑成型”。作用对象——聚合物熔体作用力——剪切作用（主要）塑料的可模塑性取决于材料的流变性、热性能及其它物理、力学性能等，对于热固性塑料还与聚合物在模塑条件下的化学反应性质有关。同时，因为可模塑性实质上考察的是塑料与模具间的适应关系，因此，模具的结构也影响其在给定条件下的可模塑性。影响因素:螺旋线流动