《高分子材料与助剂》ppt课件.ppt

1,高分子材料与助剂 (Polymer Materials and Additives),主讲教师：吕云伟 尹 波,2,本课程的教学目标,掌握常用高分子材料（塑料）的种类、结构、性能及其加工应用 掌握高分子材料常用助剂的特性及使用 理解常用塑料品种的结构－加工－性能关系,3,推荐教材或主要参考书,《高分子材料》，冯孝中、李亚东主编，哈尔滨工业大学出版社，2007年2月； 《塑料品种与性能手册》，张玉龙主编，化学工业出版社，2006年7月； 《塑料添加剂手册》，R.根赫特、H.米勒主编，成国祥、姚康德译，化学工业出版社，2000年1月,4,教学方式,课堂讲授为主 案例分析 课堂讨论 考察方式 平时出勤情况、课堂表现 期中小作业 期末考试,5,课程章节目录,第一章 绪论 第二章 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 第三章 工程塑料 聚酰胺 聚碳酸酯 聚酯 聚醚类塑料 氟塑料 第四章 热固性塑料 酚醛树脂 环氧树脂 不饱和聚酯 第五章 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,6,第一章 绪论,1.1 塑料的定义和发展简史 1.2 塑料的分类 1.3 塑料工业发展现状 1.4 塑料的性能,7,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1.1 塑料的定义和发展简史,8,“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？,9,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,11,结构材料 (Structural Materials) 电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件 绝缘材料 (Insulation Materials) 电缆、绝缘版、电器零件 建筑材料(Building Materials) 贴面板、地贴、塑料门窗、上下水管,塑料的应用,12,包装材料 (Packaging Materials) 塑料袋、薄膜、泡沫塑料 日 用 (Household Appliances) 衣架/椅子/盆类/书架/玩具/文具/办公用品/家具 交通运输 （Transportation Materials) 道路交通设施、车辆部件 农用薄膜,塑料的应用,13,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,1.2 塑料的分类,14,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100℃,（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100℃,（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15,通用塑料与工程塑料的性能比较,16,按化学结构及热行为分类：,（1）热塑性塑料 (thermoplastic plastics),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 (thermosetting plastics),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”热塑性塑料的基本分类和主要品种,18,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,,1.3 塑料工业发展现状,19,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：,20,1.4.1 材料的性质(Properties of the materials),内在性质 (Speciality) 加工性质 (Processability) 产品性质 (Product Properties),1.4 塑料的性能,21,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。

22,（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,Polymer Chemical Structure,24,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Chemical Structure —— Processing,25,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,26,,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:,27,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,28,1.4.2 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,Processability of Plastics,29,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30,Transition temperature of polymer,31,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1010～1011 Pa）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) T Tg (TTm) 聚合物处于玻璃态(晶态),32,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105～107 Pa）；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) Tg T Tf 力学状态为高弹态,33,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,34,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) T Tf 力学状态为粘流态,,,,,Tg,Modulus,Temperature,,1010 ~ 1011 Pa,107 ~ 105 Pa,Tf,Td,Glassy State,Rubber State,Flow State,Degradation,温度与聚合物状态的关系 The state of polymer relates with the temperature,,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,,线型非结晶聚合物的温度、 力学状态及成型加工的关系,,,,,,,,,,37,1) 塑料的可挤压性 2) 塑料的可模塑性 3) 塑料的可延展性 4) 塑料的可纺性,塑料的可加工性,38,定 义 —— 塑料通过挤压作用变形时，获得和 保持其形状的能力。

利用可挤压性可进行“口模成型” 作用对象 —— 塑料只有在熔体或浓溶液状态下 才具有可挤压性 作 用 力 —— 剪切作用（主要） 拉伸作用,1) 塑料的可挤压性,39,,,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,40,工业上用熔体流动速率 MFR(Melt Flow Rate, 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,成型方法与熔体流动速率的关系,,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=4.75,43,2) 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。