第4章高分子材料（Polymer）4.1概述高分子材料是以相對分子質量大于5000的高分子化合物為主要組分的材料。橡膠相對分子質量為10萬左右，聚乙烯相對分子質量在幾萬至幾百萬之間。高分子材料分為有機高分子材料和無機高分子材料。有機高分子材料由相對分子質量大于104并以碳、氫元素為主的有機化合物組成。無機高分子材料則在其分子組成中無碳元素，如硅酸鹽材料、玻璃、陶瓷(指它們當中的長分子鏈)等。

國家游泳中心“水立方”使用的是什么材料？新型的有機化合物材料，名為“ETFE（四氟乙烯聚合物）”，國內目前還不能生產，其價格高達每平方米2000元左右。“水立方”總面積為12萬平方米的ETFE氣枕，造價至少要2.5億元。ETFE的透光性能優越，但問題在于維護相當不容易，有報道說會出現發霉和起泡的現象。也有報道說這種材料的耐腐蝕性、保溫性俱佳，自潔能力強。國外的抗老化試驗證明，它可以使用15至20年。

高分子鏈按其幾何形狀可分為三種類型，即線型、支化型和體型（交聯型）。高分子材料的聚集態

下圖為聚合物三種聚集態結構示意圖。

聚合物三種聚集態結構示意圖4.2高聚物的物理狀態高聚物與低分子物質不同，在不同溫度范圍內具有不同的物理狀態。線型非晶態高聚物在不同溫度下，呈現出三種物理狀態：玻璃態、高彈態和粘流態。Tx為脆化溫度丁g為玻璃化溫度丁f為粘流溫度Td為分解溫度1．玻璃態T<Tg①力學特征：T<Tg，呈玻璃態，變形很小，有較好的力學性能。②分子運動特征：T低，分子鏈和鏈段運動“凍結”，受力時僅微量伸縮和微小鍵角變化，外力去除即消失，呈普彈性。Tx以下完全不能運動，Tx以下呈現脆性。3粘流態：T>Tf，呈可流動的粘稠狀液體。①力學特征：高溫下變形迅速發展且彈性模量E再次很快下降，高聚物產生粘性流動，變形不可逆，可進行加工成型。③

分子運動特征：Tf，分子動能↑↑，造成整個大分子鏈移動；受力時，分子鏈間相對滑移→不可逆流變。玻璃態：結構材料（性能比較剛硬），如塑料制品。高彈態：彈性材料，如橡膠制品。粘流態：粘接劑；高聚物的成型加工（Tf∽Td）狀態。4.3高分子材料的性能特點一、高分子材料的力學性能特點

與金屬材料相比具有以下特點

(一)低強度和較高的比強度(二)高彈性和低彈性模量橡膠是典型的高彈性材料，其彈性變形率為100％～1000％，彈性模量僅為lMPa左右。蠕變是在恒定載荷下，應變隨時間延長而增加的現象。應力松弛：在應變恒定的條件下，應力隨時間延長而逐漸衰減的現象。→連接管道的法蘭盤中間的硬橡膠密封墊片，經一定時間后由于應力松弛而失去密封性。內耗：由于力學滯后使機械能轉化為熱能的現象稱為內耗。內耗對橡膠制品不利，加速其老化。高速行駛的汽車輪胎，由內耗產生的熱量有時可使輪胎溫度升高至80～100℃，加速輪胎老化。但內耗對減震有利，可利用內耗吸收振動能，用于減振的橡膠應有盡可能大的內耗。(四)高耐磨性高聚物的硬度比金屬低，但耐磨性一般比金屬高，尤其塑料更為突出。塑料的摩擦系數小，有些塑料具有自潤滑性能，可在干摩擦條件下使用。所以，廣泛使用塑料制造軸承、軸套、凸輪等摩擦磨損零件。但橡膠則相反，其摩擦系數大，適宜制造要求較大摩擦系數的耐磨零件如汽車輪胎、制動摩擦件。(四)高熱膨脹性

高分子材料的線膨脹系數大，為金屬的3～10倍。(五)高化學穩定性高分子化合物均以共價鍵結合，不易電離，沒有自由電子，又由于分子鏈纏繞在一起，許多分子鏈的基團被包裹在里面，使高分子材料的化學穩定性好三、高分子材料的老化及其防止老化：高聚物因外界物理因素、化學因素、生物因素等長時作用下的性能劣化現象。原因：大分子鏈的交聯或裂解斷鏈。防止老化主要有三種措施：對高分子化合物進行結構改性，提高其穩定性。如采用共聚方法，制得共聚物，可提高抗老化能力：例如ABS就是典型的例子；添加防老化劑，以抑制老化過程。在高分子材料表面鍍金屬(如銀、銅、鎳等)和噴涂耐老化涂料(如漆、石蠟等)作為保護層，使材料與空氣、光、水分及其它引起老化的介質隔離，以防止老化。4.4常用高分子材料一、常用工程塑料(一)塑料的組成及分類塑料是以合成樹脂為主要成分的合成材料。在適當的溫度和壓力下能塑制成各種形狀規格的制品。

1．塑料的組成塑料一般是多種成分的，其中除主要成分樹脂外，再加入用來改善性能的各種添加劑，如填充劑、增塑劑、穩定劑、潤滑劑、染料、固化劑等。熱塑性塑料：包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺(尼龍)、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚苯醚、聚氯醚等。熱固性塑料：有酚醛樹脂、環氧樹脂、呋喃樹脂、有機硅樹脂等(2)按塑料應用范圍分類：常把塑料分為通用塑料和工程塑料。通用塑料：應用廣、量大，力性一般。聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料等。工程塑料：力性較高或特殊性能，聚甲醛、

ABS、聚酰胺等。?應用：普通結構零件；減摩自潤滑零件；耐蝕、電氣絕緣場合等。（二）常用的塑料介紹1．聚乙烯(PE-polyethylene)

無毒、無味，呈半透明狀。強度較低，耐熱性不高，易燃燒，抗老化性能較差。具有良好的耐化學腐蝕性，優良的電絕緣性能，吸水率很小。根據密度可分為低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)。

LDPE：日用制品、薄膜、軟質包裝材料、層壓紙、層壓板、電線電纜包覆等。

HDPE：硬質包裝材料、化工管道、儲槽、閥門、高頻電纜絕緣層、型材、襯套、小負荷齒輪等。3．聚苯乙烯(PS-polystyrene)

聚苯乙烯是無毒、無味、無色透明狀固體。吸水性低，電絕緣性優良，介電損耗極小。耐化學腐蝕性優良，但不耐苯、汽油等有機溶劑。強度較低，硬度高，脆性大，不耐沖擊，耐熱性差，易燃。

用途：日用、裝潢、包裝及工業制品。儀器儀表外殼、燈罩、光學零件、裝飾件、透明模型、玩具、化工儲酸槽，包裝及管道的保溫層，冷凍絕緣層等。4．聚丙烯(PP-polypropylene)

無毒、無味、無臭、半透明蠟狀固體。密度小，力學性能高于聚乙烯，耐熱性良好，化學穩定性好，但不耐芳香族和氯化烴溶劑，耐寒性差，易老化。

用途：主要用于化工管道、容器、醫療器械、家用電器部件、家具、薄膜、繩纜、絲織網、電線電纜包覆等，以及汽車及機械零部件，如車門、方向盤、齒輪、接頭等。

7．聚碳酸酯(PC-polycarbonate)

無毒、無味、無臭、微黃的透明狀物體。具有優良的耐熱性和沖擊韌度，耐低溫性好，尺寸穩定性高，良好的絕緣能，吸水性小，透光率高，阻燃性好，但化學穩定性差，耐磨性和抗疲勞性較差，容易產生應力腐蝕開裂。

用途：廣泛用于制造軸承、齒輪、蝸輪、蝸桿、凸輪、透鏡、擋風玻璃、防彈玻璃、防護罩、儀表零件、設備外殼、絕緣零件、醫療器械等。8．聚砜(PSF-polysulfone)

具有優良的耐熱性，蠕變抗力高，尺寸穩定性好，電絕緣性能優良，耐熱老化性能和耐低溫性能也很好。聚砜耐化學腐蝕性能較好，但不耐某些有機極性溶劑。

聚砜主要用于：制造高強度、耐熱、抗蠕變的結構零件，耐腐蝕零件及電氣絕緣件，如齒輪、凸輪、儀表殼罩、電路板、家用電器部件、醫療器具等。9．ABS塑料由丙烯晴(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三種單體共聚而成。丙烯晴能提高強度、硬度、耐熱性和耐腐蝕性，丁二烯能提高韌性，苯乙烯能提高電性能和成型加工性能。ABS塑料具有較好的抗沖擊性能、尺寸穩定性和耐磨性，成型性好，不易燃，耐腐蝕性好，但不耐酮、醛、酯、氯代烴類溶劑。

用途：電器外殼，汽車部件，輕載齒輪、軸承，各類容器、管道等。10．聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-polymethyl

methacrylate)又稱有機玻璃。較高的強度和韌性、優良的光學性能，透光率比普通硅玻璃好。優良的電絕緣性。耐化學腐蝕性好，耐候性好，熱導率低，但硬度低，表面易擦傷，耐磨性差，耐熱性不高。

用途：飛機、汽車的窗玻璃和罩蓋，光學鏡片，儀表外殼，裝飾品，廣告牌，燈罩，光學纖維，透明模型，標本，醫療器械等。11．酚醛塑料(PF-bakelite)有一定的強度和硬度、良好的耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性及電絕緣性、熱導率低。填料分為粉狀、纖維狀、層狀。以木粉為原料的酚醛塑料粉又稱膠木粉或電木粉，它價格低廉，但性脆、耐光性差，用于制造手柄、瓶蓋、電話及收音機外殼、燈頭、開關、插座等。以云母粉、石英粉、玻璃纖維為填料的塑料粉可用來制造電閘刀、電子管插座、汽車點火器等。以石棉為填料的塑料粉可用于制造電爐、電熨斗等設備上的耐熱絕緣部件。以玻璃布、石棉布等為填料的層狀塑料的可用于制造軸承、齒輪、帶輪、各種殼體等。12．環氧塑料(EP-epoxyplastics)以環氧樹脂為基，加入填料及其它添加劑而制成。環氧樹脂的強度較高，成型性好，具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、尺寸穩定性，優良的電絕緣性能。

環氧塑料主要用于：儀表構件、塑料模具、精密量具、電子元件的密封和固定、粘合劑、復合材料等。13．有機硅塑料(organicsiliconplastics)具有優良的耐熱性和電絕緣性，吸水性低，抗輻射，但強度低。有機硅塑料主要用于：電氣、電子元件和線圈的灌封和固定、耐熱零件、絕緣零件、耐熱絕緣漆、高溫粘合劑、密封件、醫用材料等。二、合成橡膠（syntheticrubber）?生膠（天然或合成，單體）→硫化、聚合→橡膠與合成橡膠（高彈態）。?主要性能：高彈性；耐磨性；易老化等。?分類：通用橡膠（一般應用）；特種橡膠（特殊性能）。?應用：輪胎、內胎、橡皮船；電線電纜包皮；管道、密封圈等。三．功能高分子材料

（一）、功能高分子材料的涵義具有新型骨架結構的高分子材料和在天然或合成高分子的主鏈或支鏈上引入某種功能的官能團，使其顯示出在光、電、磁、聲、熱、化學、生物、醫學等方面的特殊功能的高分子。功能高分子光敏高分子導電高分子高分子催化劑與試劑微生物降解高分子生物醫藥高分子高分子吸附劑高分子膜高吸水性樹脂交換型高分子感光樹脂光致變色高分子光導電高分子高分子半導體