高分子材料的应用和开发

塑料、橡胶及合成纤维等有机高分子材料，都属于高分子化合物。高分子化合物的最基本特征是相对分子质量很大，一般为103～107，远高于低分子化合物。但其构成比较简单，通常由C，H，N，O，S等组成，且主要是碳氢化合物及其衍生物。高分子化合物都是由一种或几种简单的低分子化合物经重复连接而成，如聚乙烯是由低分子物质乙烯通过聚合而成，聚氯乙烯是由氯乙烯聚合而成的。

（1）塑料

1）塑料的组成

塑料是指以有机合成树脂为主要组成材料，对其进行加热、加压而形成的产品。在合成树脂中加入强加剂可获得改性品种，强加剂不同，其性能也不同。

合成树脂是由低分子化合物经聚合反应所得的高分子化合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂等。塑料的性能主要取决于树脂的性能。

为改善塑料的力学性能，常加入一些填料或增强材料，如石墨、三硫化钼、石棉纤维和玻璃纤维等。同时根据需要还常加入适量的固化剂、增塑剂、稳定剂、着色剂和阻燃剂等。

2）塑料的分类

塑料按使用性能，通常分为通用塑料和工程塑料。通常塑料如聚乙烯、聚氯乙烯等占塑料产量的75%以上，主要用于制造柔韧薄膜、电线包皮等。工程塑料是制造结构件的塑料，具有较高的强度、刚性和韧性。

塑料按受热时的性能，可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料加热时熔融，可多次反复加热使用。热固性塑料一次成型后，再次加热不能使其软化，也不溶于溶剂。

3）常用工程塑料

①聚苯乙烯（PS）

它是最鲜艳且成型性较好的塑料，具有良好的绝缘性能和耐腐蚀性能，常用于制作绝缘件、仪表外壳及日用装饰品等。

②ABS塑料

其中的A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯，它是在聚苯乙烯改性的基础上发展起来的工程塑料。ABS具有良好的综合性能，强度和硬度高，耐磨性和加工工艺性能好，并具有良好的绝缘性和尺寸稳定性。广泛用于化工设备容器、管道、设备外壳、叶轮和仪表等。

③聚酰胺（PA）

它是一种强韧而耐磨、耐油的塑料，其商业名为尼龙或锦纶，具有较高的强度、韧性和耐磨性，常用于制造减摩、耐磨传动零部件，高压油润滑密封圈及金屑防腐、耐磨涂层等。

④聚甲醛（POM）

其抗拉强度、冲击韧性高于尼龙，疲劳强度是热塑性塑料中最好的，且摩擦系数低，耐磨性好。适于制作减摩、耐磨性部件，绝缘、耐蚀件，化工容器以及仪表外壳、表盘等。

⑤聚碳酸酯（PC）

它是一种新型的热塑性塑料，透明度达90%，被誉为透明金属，具有较高的抗拉、抗弯强度和冲击韧性，良好的尺寸稳定性，优良的电性能，较高的透光率。适于制造高负荷条件下尺寸稳定性要求高的机械零件和仪表零件、电容和高级绝缘材料、大型灯罩、防护玻璃、飞机驾驶室风挡等。

⑥聚四氟乙烯（F4或PTFE）

它又称塑料王，化学稳定性极高，几乎不受任何化学药物的腐蚀，优于陶瓷、不锈钢以及金、铂等。其使用温度为180～260℃，在热塑性塑料中使用温度范围最宽。此外，还具有极好的电绝缘性，适于制造耐蚀件、耐磨件、密封件以及高温绝缘件等。

⑦酚醛树脂（PF）

它是合成塑料的鼻祖，由酚醛树脂和填料混合制成，以粉状供应，是常用的热固性塑料。其强度高、刚性大、变形小，具有良好的耐热性、耐蚀性和绝缘性能。这种塑料广泛应用于机械、运输、电器等工业部门，如制作仪表外壳、灯头、插座等。

⑧氨基树脂（AF）

像玉一样的树脂，热固性塑料中产量较大的品种。它是氨基化合物尿素或三聚氰胺与甲醛进行缩合而成为尿醛树脂或三聚氰胺甲醛树脂，再分别以这种树脂为基础，或以这两种树脂配合为基础制成，称为氰氨基塑料。可用于制作日用装饰件、装饰板和电气绝缘件等，其最大用途是作为刨花板和胶合板的黏合剂，其次用于高档涂料，仅少部分用于塑料制品及纤维。

⑨环氧塑料（EP）

它由环氧树脂加入固化剂发生交联反应而形成的热固性塑料。其强度较高，韧性较好，具有良好的化学稳定性及耐热、耐寒性，且绝缘性好，成型工艺性好，适合制作塑料模具、电子工业中的零部件等。

⑩聚氨酯（PU）

它是沙发、海绵所用的树脂，属于一种紧实制品的弹性体，其性能介于橡胶与塑料之间，具有高回弹性、吸震性，耐磨、耐油、耐撕裂、耐化学腐蚀及耐辐射，强韧性高、低温韧性好，使用温度为-60～80℃，易成型，生理相容性好。工业中主要用来生产软质和硬质泡沫塑料、聚氨酯弹性体及纤维、粘胶剂和涂料，为很好的隔热保温和吸音、防震材料。如高级人造革、体育跑道、实心轮胎、人造血管等。

4）塑料制品成型(www.xing528.com)

塑料的原材料一般是由树脂与添加剂经混合而成的粉末或颗粒。塑料制品的成型方法很多，主要有注射成型、挤压成型、压制成型和吹塑成型等。

①注射成型

将粉状或粒状原材料放入注射机的料斗，加热至黏流状态，用高速将其注入闭合的模具内，冷却后脱模，即得所需形状的制品，如图3.4所示。

图3.4　塑料注射成型示意图

1—模具；2—制品；3—模腔；4—模具；5—喷嘴；6—加热套；7—料筒；8—螺杆；9—料斗

②挤压成型

它又称挤出成型，是将装入挤出机料筒的粉末或颗粒状原材料加热成黏流状态，通过活塞或螺杆连续、均匀地挤出机头口的模形成制品，如图3.5所示。

图3.5　塑料挤压成型示意图

③压制成型

将固态原料放入已加热的压制模具型腔中，合上上模，加热、加压，使其逐渐软化和熔融并充满型腔。经固化脱模后获得制品，如图3.6所示。

④吹塑成型

属于塑料的二次加工，是将挤压或注射成型的半熔融状态的空心塑料型坯置于吹塑模具的型腔内，吹入压缩空气，将其吹胀并紧贴型腔的内壁，冷却后便可获得中空制品，如图3.7所示。

图3.6　塑料压制成型示意图

1—压头；2—原料；3—凹模；4—制品；5—顶杆

图3.7　塑料吹塑成型示意图

1—挤出机头；2—型坯；3—模具

（2）橡胶

橡胶也是以高分子化合物为基础的材料，与塑料相比，橡胶在常温下处于高弹性状态，能承受很大的变形，伸长率最高可达1 000%。橡胶还具有良好的吸振能力、稳定的化学性能和耐磨性，并能很好地与金属、线织物、石棉等材料连接。

1）橡胶种类

根据原材料的来源，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。

①天然橡胶　它是从植物巴西三叶胶树中提取的高弹性物质。天然橡胶的综合物理、力学和加工性能均优于合成橡胶，但耐老化性能不及合成橡胶。它是用途最广泛的通用橡胶品种，适用于制造轮胎、胶带、胶管等。

②合成橡胶　它是由一种或多种单体聚合生成的橡胶。大量使用的单体有乙烯、苯乙烯、丙烯腈等。按性能和用途不同，合成橡胶可分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两类。

通用合成橡胶的性能与天然橡胶相同或接近，能广泛用于制作轮胎和大多数橡胶制品，如丁苯橡胶、顺丁橡胶等。

特种合成橡胶指具有某些特殊性能的合成橡胶，如硅橡胶、聚氨酯橡胶等。特种合成橡胶不能用于制造轮胎和一船橡胶制品，但可用于某些有耐蚀、耐磨、耐热等特殊性能要求的制品。

2）橡胶制品成型

橡胶制品的成型方法也较多，如压延成型、挤出成型等。

压延成型是指将混炼的胶料在压延机上制成胶片或与物料制成贴胶织物的工艺过程，如图3.8所示。

图3.8　橡胶压延成型示意图

1—卷曲筒；2—织物；3—辊筒；4—生胶料

挤出成型就是使胶料在挤出机中塑化和熔融，并在一定的温度和压力下连续均匀地通过机头模孔形成具有一定断面形状和尺寸的连续材料。其所用设备及加工原理与塑料的挤压成型相似。