合成高分子材料

合成高分子材料

合成高分子材料主要包括合成樹脂、合成橡膠和合成纖維三大類。

合成樹脂主要用于制備建筑塑料、建筑涂料和膠粘劑等，是用量最大的合成高分子材料。 合成橡膠主要用于防水密封材料、橋梁支座和瀝青改性材料等，用量僅次于合成樹脂。 合成纖維主要用于土工織物、纖維增強(qiáng)水泥、纖維增強(qiáng)塑料和膜結(jié)構(gòu)用膜材料等，用量也在不斷增加。

高分子化合物的概述

基本知識(shí)

一、基本概念

高分子化合物又稱高聚物或聚合物，其分子量很大，一般為104～106。其分子往往由許多相同的、簡單的結(jié)構(gòu)單元，通過共價(jià)鍵重復(fù)連接而成。其中每個(gè)單元稱為“鏈節(jié)”，結(jié)構(gòu)單元的重復(fù)數(shù)量稱為“聚合度”。

二、聚合物的分類

按聚合物的來源：天然聚合物和合成聚合物；

按分子結(jié)構(gòu)：線型聚合物和體型聚合物；

按聚合物受熱的行為：熱塑性聚合物和熱固性聚合物；

按主鏈元素：碳鏈高分子（主鏈只含碳元素）、雜鏈高分子（主鏈含碳、氧、氮、磷等元素）、元素有機(jī)高分子（主鏈不含碳元素）和無機(jī)高分子（主鏈不含有機(jī)元素）。

三、聚合物的命名

天然聚合物用專有名稱，如纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)等；

合成聚合物在單體名稱前加上“聚”字，例如聚氯乙烯、聚苯乙烯等；也可在原料名稱后加“樹脂”、“橡膠”、“纖維”等來命名.

四、聚合反應(yīng)

由低分子單體合成聚合物的反應(yīng)叫做聚合反應(yīng)。聚合反應(yīng)按單體和聚合物在組成和結(jié)構(gòu)上發(fā)生的變化，分為加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)兩大類。

加聚反應(yīng)：以單體通過加成的方式，聚合形成聚合物的反應(yīng)。

縮聚反應(yīng)：含有兩個(gè)以上官能團(tuán)的單體，通過官能團(tuán)間的反應(yīng)生成聚合物的反應(yīng)�？s聚反應(yīng)聚合物分子鏈增長過程是逐步反應(yīng)，同時(shí)伴有低分子副產(chǎn)物如水、氨、甲醇等的生成。

聚合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

一、聚合物的分子結(jié)構(gòu)

分為為線型聚合物和體型聚合物。

（一）線型聚合物

定義：線型聚合物的大分子鏈排列成線狀主鏈（如圖8－1a），有時(shí)帶有支鏈（如圖8－1b），且線狀大分子間以分子間力結(jié)合在一起。具有線型結(jié)構(gòu)的聚合物包括全部加聚樹脂和部分縮聚樹脂。

特性：具有線型結(jié)構(gòu)的樹脂，強(qiáng)度較低，彈性模量較小，變形較大，耐熱、耐腐蝕性較差，且可溶可熔。支鏈型聚合物因分子排列較松，分子間作用力較弱，因而密度、熔點(diǎn)及強(qiáng)度等低干線型聚合物。線型聚合物樹脂均為熱塑性樹脂。

（二）體型聚合物

定義：線型大分子通過化學(xué)鍵交聯(lián)作用而形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，又稱網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)（如圖8～1c），部分縮合樹脂具有體型結(jié)構(gòu)（交聯(lián)或固化前也為線型或支鏈型分子）。

特性：縮合樹脂的強(qiáng)度高，彈性模量較大，變形較小，較硬脆，且塑性小，耐熱性、耐腐蝕

性較好，不溶不熔。體型聚合物樹脂均為熱固性樹脂。

二、聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

定義：聚集態(tài)結(jié)構(gòu)就是指分子鏈間的排列、堆砌方式和規(guī)律�？煞譃榫�態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)和織態(tài)結(jié)構(gòu)等聚集狀態(tài)。

晶態(tài)結(jié)構(gòu)：聚合物的結(jié)晶為部分結(jié)晶，即在結(jié)晶聚合物中存在“晶區(qū)”和“非晶區(qū)”，且大分子鏈可以同時(shí)跨越幾個(gè)晶區(qū)和非晶區(qū)。晶區(qū)所占的百分比稱為結(jié)晶度。結(jié)晶度越高，則聚合物的密度、彈性模量、強(qiáng)度、耐熱性、折光系數(shù)等越高，而沖擊韌性、粘附力、斷裂伸長率、溶解度等越低。晶態(tài)聚合物一般為不透明或半透明狀，非晶態(tài)聚合物則一般為透明狀。體型聚合物只有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

取向態(tài)結(jié)構(gòu)：指聚合物在一維或二維方向的有序排列結(jié)構(gòu)。取向在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，在合成纖維生產(chǎn)中，采用熱牽引工藝，使分子鏈取向，可提高纖維的強(qiáng)度和彈性模量。聚乙烯纖維未取向時(shí)的抗拉強(qiáng)度約為60～80MPa，而取向后的強(qiáng)度可達(dá)800MPa。 織態(tài)結(jié)構(gòu)：指將兩種或兩種以上的聚合物或不同分子量的同種聚合物混合而得到的材料結(jié)構(gòu)，屬非均相體系結(jié)構(gòu)。由一個(gè)分散相和一個(gè)連續(xù)相組成的兩相共混物應(yīng)用最多。

三、聚合物的物理狀態(tài)和特點(diǎn)

聚合物的物理狀態(tài)可根據(jù)溫度－變形曲線劃分，線型非晶態(tài)聚合物分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種物理狀態(tài)。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）：溫度升高到Tg以上后，分子動(dòng)能增加，分子鏈段能運(yùn)動(dòng)，但大分子鏈的運(yùn)動(dòng)仍被凍結(jié)，聚合物彈性模量較小，在外力作用下，產(chǎn)生較大的變形，且變形是可恢復(fù)的，這種狀態(tài)稱為高彈態(tài)。

玻璃化轉(zhuǎn)變粘流溫度（Tf）：當(dāng)溫度升高Tf到以上后，分子動(dòng)能增加到鏈段和整個(gè)大分子鏈都可以運(yùn)動(dòng)，聚合物成為可以流動(dòng)的粘稠液體，此時(shí)，聚合物在外力作用下，分子間相互滑動(dòng)，產(chǎn)生粘性流動(dòng)，外力除去后保持變形，變形不可逆。

四、聚合物的老化

定義：在使用過程中，聚合物會(huì)由于光、熱、空氣（氧和臭氧）等的作用而發(fā)生結(jié)構(gòu)或組成的變化，從而出現(xiàn)各種性能劣化現(xiàn)象，如出現(xiàn)變色、變硬、龜裂、發(fā)粘、發(fā)軟、變形、斑點(diǎn)、機(jī)械強(qiáng)度降低等，稱為聚合物的老化。

分類：聚合物的老化分為熱老化和光老化兩類。

常用的聚合物

一、合成樹脂

（一）熱塑性樹脂

1.聚乙烯(PE)

定義：聚乙烯（PE）是由乙烯單體聚合而成的，根據(jù)聚合反應(yīng)時(shí)采用的引發(fā)劑、聚合條件的不同可得到性質(zhì)不同的產(chǎn)品。

分類：高壓聚乙烯和低壓聚乙烯。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和線性低密度聚乙烯（LLDPE）。

性質(zhì)：聚乙烯塑料無臭、無毒，原料來源豐富，價(jià)格較低，且具有優(yōu)異的耐低溫性（最低使用溫度可達(dá)－70℃～－100℃）、化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性和加工性能。

用途：在建筑中，聚乙烯主要用于生產(chǎn)防水材料（薄膜、卷材等）、給排水管材（冷水）、電絕緣材料、水箱和衛(wèi)生潔具等。

2.聚氯乙烯(PVC)

定義：氯乙烯通過自由基聚合，用懸浮法、乳液法或本體法制成白色粉未或糊狀的樹脂。 性質(zhì)：有良好的耐化學(xué)腐蝕性，但質(zhì)脆而硬，較少彈性。通過添加增塑劑可以改善PVC

的柔韌性。

用途：硬質(zhì)聚氯乙烯主要用作天溝、落水管、外墻覆面板、天窗及給排水管。軟質(zhì)聚氯乙烯常加工為片材、板材、型材等，如卷材地板、塊狀地板、壁紙、防水卷材和止水帶等。在PVC中混入大量的碳酸鈣制成鈣塑料可以提高塑料的硬度、降低成本，用于代替鋼材和木材制作塑料門窗、樓梯扶手、地板、天花板和電線套管等，將PVC輕度發(fā)泡可以制成塑料地毯和塑料壁紙等。

3.聚苯乙烯(PS)

定義：聚苯乙烯（PS）的均聚物是由苯乙烯單體聚合而得。

性質(zhì)：質(zhì)地堅(jiān)硬，化學(xué)性能和電絕緣性能優(yōu)良，易于成型出各類色彩鮮艷、表面光潔的制品。但PS耐熱性差、質(zhì)脆。

用途：改性后可以用于建筑中聚苯乙烯主要用于制作泡沫塑料，其隔熱保溫性能優(yōu)異。此外，聚苯乙烯也常用于涂料和防水薄膜的生產(chǎn)。ABS樹脂主要用于生產(chǎn)塑料裝飾板和管材等。還有常用的安居板。

4.聚丙烯(PP)

5.聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是透明、無毒無味的無定形熱塑性樹脂，其最大優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)異的光學(xué)性能，對(duì)可見光的透過率可達(dá)92％，對(duì)紫外線的透過率達(dá)73.5％，均優(yōu)于普通無機(jī)硅酸

鹽玻璃，并具有較好的耐氣候老化性，質(zhì)輕（約為無機(jī)玻璃的1/2），抗沖擊強(qiáng)度較高。 在建筑中，聚甲基丙烯酸甲酯主要用作采光天窗、防震玻璃、室內(nèi)裝飾等，以適當(dāng)方式對(duì)其增強(qiáng)后，也可用于制作透明管材及其他建筑制品。

（二）熱固性樹脂

1.酚醛樹脂（PF）

定義：酚醛樹脂是酚類和醛類化合物經(jīng)縮聚反應(yīng)而得的樹脂的統(tǒng)稱，其中應(yīng)用較多的是苯酚－甲醛縮聚物（PF）。當(dāng)所用催化劑的酸堿性以及苯酚／甲醛比例不同時(shí)，可以生成熱塑性或熱固性酚醛樹脂，兩者能相互轉(zhuǎn)化。

特點(diǎn)：有較好的電性能，密度低，強(qiáng)度較高，具有很高的熱強(qiáng)度等，但質(zhì)脆，抗沖擊性能差。 用途：主要用于制造各種層壓板和玻璃纖維增強(qiáng)塑料，以及防水涂料、木結(jié)構(gòu)用膠等。

2.脲醛樹脂（UF）

定義及特點(diǎn)：脲醛樹脂是由甲醛和尿素縮聚而成的聚合物，它具有耐燃、耐電弧、易著色、表面硬度高、而溶劑、本身呈透明狀等特點(diǎn)。因此，可制成表面光潔、色彩鮮明的玉狀制品（俗稱“電玉”），但耐濕性差，受潮氣和水的作用易發(fā)生變形或開裂，而且耐熱性較差。 用途：脲醛樹脂主要用于生產(chǎn)木絲板、膠合板、層壓板等。經(jīng)發(fā)泡處理后，可制得一種硬質(zhì)泡沫塑料，用作填充性絕緣材料。經(jīng)過改性處理的脈醛樹脂還可用于制造涂料、膠粘布等。

3.不飽和聚脂樹脂（UP）

定義：不飽和聚酯樹脂（UP）是指分子鏈主鏈上含有不飽和鍵的聚酯。

特點(diǎn)：多樣化，硬質(zhì)的、有彈性的、柔軟的、耐腐蝕的、耐氣候老化的或耐燃的，這些性能上的變化形成了UP在應(yīng)用上的多樣化。

用途：用于制造涂料、玻璃纖維增強(qiáng)塑料以及聚合物混凝土的膠結(jié)料中，可用于墻面、

地面裝飾，制作人造大理石，具有裝飾性好、耐磨等特點(diǎn)。

4. 環(huán)氧樹脂（EP）

環(huán)氧樹脂（EP）是分子結(jié)構(gòu)中含有環(huán)氧基的聚合物。環(huán)氧樹脂的種類很多，其中用途最廣的是環(huán)氧氯丙烷與雙酚A縮聚得到的雙酚A型環(huán)氧樹脂，這種環(huán)氧樹脂是線型結(jié)構(gòu)，具有熱塑性，應(yīng)用時(shí)必須加入固化劑，使環(huán)氧樹脂固化。固化劑品種很多，常用的有胺類、酸酐類等。固化后的環(huán)氧樹脂具有強(qiáng)度高、粘結(jié)力強(qiáng)、收縮率小、耐水、耐化學(xué)腐蝕性和電絕繡性好等特點(diǎn)，不耐高溫。

環(huán)氧樹脂主要用于結(jié)構(gòu)膠粘劑、玻璃纖維增強(qiáng)塑料、聚合物混凝土以及防底涂料和地坪材料等。

二、合成橡膠

定義: 橡膠是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg較低，在室溫下具有高彈性的聚合物。

特點(diǎn)：在-50～＋150℃范圍內(nèi)，具有極為優(yōu)異的彈性，在外力作用下，變形量可以達(dá)到百分之幾百，并且在外力取消后，變形可完全恢復(fù)。此外，橡膠還具有良好的抗拉強(qiáng)度、耐疲勞強(qiáng)度，良好的不透水性、不透氣性、耐酸堿腐蝕性和電絕緣性等。由于橡膠良好的綜合性能，在土木工程中，廣泛用作防水材料和密封材料等。

分類: 橡膠按來源分為天然橡膠和合成橡膠。

（一）丁基橡膠（IIR）

定義: 丁基橡膠是通過異丁烯與異戊二烯聚合制備的結(jié)晶性非極性橡膠。

特點(diǎn)：丁基橡膠最獨(dú)特的性能是氣密性非常好，水滲透率極低，其耐熱性、耐氣候老化性能、耐臭氧老化性能也很好。但彈性較低、工藝性能較差、硫化速度慢、粘著性和耐油性等也較差。

用途：丁基橡膠主要用作防水卷材和防水密封材料。

（二）氯丁橡膠（CR）

定義: 氯丁橡膠是通過氯丁二烯聚合制備的結(jié)晶性橡膠，。氯丁橡膠是所有合成橡膠中密度最大的，其相對(duì)密度約為1.23～1.25，呈淺黃色或棕褐色。

特點(diǎn)：其抗拉強(qiáng)度較高，透氣性、耐磨性較好，不易老化，耐油、耐熱、難燃、耐臭氧、耐酸堿腐蝕性好，粘結(jié)力較強(qiáng)。其缺點(diǎn)是對(duì)濃硫酸和濃硝酸的抵抗力較差，電絕緣性也較差。 用途：氯丁橡膠被廣泛地用于膠粘劑、門窗密封條、膠帶等。

（三）乙丙橡膠（EPM）

定義: 乙丙橡膠是以乙烯、丙烯為主要單體原料共聚的無定形橡膠。根據(jù)是否加入第三單體可分為二元乙丙橡膠和三元乙丙橡膠兩大類。三元乙丙橡膠生產(chǎn)和使用較多。

特點(diǎn)：有優(yōu)異的耐老化性能，是現(xiàn)有通用橡膠中耐老化性能最好的，能長期在陽光、潮濕、寒冷的自然環(huán)境中使用；耐熱性能好，可在120℃的環(huán)境中長期使用，最高使用溫度達(dá)150℃，具有較好的低溫性能，最低極限使用溫度可達(dá)-50℃或更低；具有較好的耐化學(xué)腐蝕、耐熱水和水蒸氣性能；密度是所有橡膠中最低的，其缺點(diǎn)是硫化速度慢，自粘性與互粘性較差，耐燃性、耐油性和氣密性差。

用途：主要用于生產(chǎn)防水卷。

（四）丁苯橡膠（SBR）

定義: 丁苯橡膠是丁二烯和苯乙烯的共聚物，通過調(diào)節(jié)苯乙烯的含量可以得到不同性能的丁苯橡膠，丁苯橡膠（SBR）是產(chǎn)量和消耗量最大的合成橡膠。

特點(diǎn)：純丁苯橡膠的強(qiáng)度低，須增強(qiáng)后才具有實(shí)際使用價(jià)值；其彈性、耐寒性較差，耐撕裂性和粘著性能均較天然橡膠差。但耐熱性、耐老化性、耐磨性均優(yōu)于天然橡膠。

用途：主要用于鋪地材料和瀝青改性。

（五）硅橡膠（SR）

（六）熱塑性彈性體

三、合成纖維

分類：纖維可分為天然纖維（如羊毛、蠶絲、棉花、麻等）和化學(xué)纖維兩大類，化學(xué)纖維按其聚合物來源又可分為人造纖維和合成纖維兩類，人造纖維是以天然聚合物為原料經(jīng)過化學(xué)處理后再加工制成的，如粘膠纖維、醋酸纖維、硝酸纖維等；合成纖維是由合成的聚合物制得的，有聚酯纖維、聚酞胺纖維、聚丙烯睛纖維、聚丙烯纖維等品種。

（一）聚酯纖維（的確良）

定義：聚酯纖維是大分子鏈中的各鏈節(jié)與酯基相連的聚合物紡制而成的合成纖維。

特點(diǎn)：聚酯纖維彈性好、強(qiáng)度大、模量高、吸濕性低、耐熱性、耐磨性、耐光老化性能好。 用途：用于土工織物。

（二）聚酰胺纖維（錦綸）

定義：聚酰胺纖維是分子主鏈由酰胺鍵連接起來的一類合成纖維。

特點(diǎn)：耐磨性非常好，強(qiáng)度、耐沖擊性、彈性、耐疲勞性也很好，而且密度��；聚酰胺纖維的模量低、耐光性、耐熱性、抗靜電性、染色性、吸濕性較差。

用途：用于繩索、化纖地毯等。

（三）聚丙烯腈纖維

定義：聚丙烯腈纖維是采用丙烯腈三元單體共聚物紡成的纖維，又稱腈綸。

特點(diǎn)：彈性模量高、耐光性、耐輻射性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性好，但強(qiáng)度較低、耐磨性、抗疲勞性較差。

用途：腈綸廣泛用于污水處理和碳纖維生產(chǎn)。

（四）聚丙烯纖維（丙綸）

（五）聚乙烯醇纖維（維綸）

土木工程常用的合成高分子材料

建筑塑料

定義：塑料是以合成樹脂為主要成分，在一定條件（溫度、壓力等）下，可塑成一定形狀并在常溫下保持其形狀的高分子材料。

特點(diǎn)：與傳統(tǒng)的建筑材料相比，塑料具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)小、裝飾性和加工性能好及耗能較低的特點(diǎn)。但塑料還有剛度小、易老化、易燃、耐熱性差的缺點(diǎn)。 用途：塑料可作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的主要是纖維增強(qiáng)塑料。作為功能材料可用于隔熱保溫材料、裝飾裝修材料等。

一、塑料的基本組成

（一）填料

用途：粉狀填料有助于提高塑料的熱穩(wěn)定性，降低可燃性，而片狀和纖維狀填料，則可明顯提高塑料的抗拉強(qiáng)度、抗磨強(qiáng)度和大氣穩(wěn)定性等。

（二）增塑劑

用途：聚合物塑性增加的物質(zhì)。它可降低樹脂的粘流溫度，使樹脂具有較大可塑性，以利于塑料的加工，少量的增塑劑還可降低塑料的硬度和脆性，使塑料具有較好的柔韌性。

（三）穩(wěn)定劑

用途：抑制或減緩老化的破壞作用的物質(zhì)。

（四）固化劑

用途：固化劑又稱為硬化劑，主要作用是使某些合成樹脂的線型結(jié)構(gòu)交聯(lián)成體型結(jié)構(gòu)，從而使樹脂具有熱固性。

（五）著色劑

二、土木工程常用的塑料制品

（一）裝飾裝修制品

1.塑料面磚

2.塑料壁紙

3.塑料地面卷材

4.塑料地板

（二）隔熱保溫材料

1.泡沫塑料

2.蜂窩塑料板

3.塑料門窗

4.纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）

建筑涂料

一、涂料的基本組成

（一）成膜物質(zhì)

成膜物質(zhì)也稱基料，是涂料最主要的成分，其性質(zhì)對(duì)涂料的性能起主要作用。

（二）顏料

（三）溶劑

溶劑通常是用以溶解成膜物質(zhì)的易揮發(fā)性有機(jī)液體。涂料涂敷于物體表面后，溶劑基本上應(yīng)揮發(fā)盡，不是一種永久性的組分。

（四）輔料

二、常用的建筑涂料

（一）外墻涂料

1.苯乙烯-丙烯酸酯乳液涂料

2.丙烯酸酯涂料

3.聚氨酯涂料

4.砂壁狀涂料(真石漆)

（二）內(nèi)墻涂料

1.聚醋酸乙烯涂料

2.醋酸乙烯一丙烯酸酯涂料

3.多彩涂料

（三）地面涂料