学习认识高分子材料

高分子材料是以高分子化合物为主要成分组成的非金属材料，由低分子化合物聚合而成，也称高聚物。高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶黏剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。

7.1.1 塑 料

塑料是以合成树脂为主要成分，通过加入添加剂，在一定条件（温度、压力等）下可塑成一定形状并且在常温下保持其形状不变的材料。

塑料是由合成树脂和添加剂组成的混合物。合成树脂决定塑料的类型和基本性能，并且在成型时，将塑料的其他成分黏合在一起。在塑料中合成树脂的质量分数为40%～100%。添加剂主要有填充剂、增塑剂、稳定剂、着色剂等。

1.塑料的分类

塑料品种繁多，为了便于识别和应用，通常对塑料进行分类，常用的分类方法有以下两种。

（1）按分子结构及其热性能分类，塑料分为热塑性塑料和热固性塑料，如表7-1所示。

表7-1　按塑料的加工性能的分类

（2）按用途分类，塑料分为通用塑料、工程塑料和特殊塑料。

通用塑料主要是指产量大、用途广、价格低的一类塑料，主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料。它们的产量约占塑料总产量的80%以上，构成了塑料工业的主体。典型的通用塑料产品如图7-1所示。

图7-1　典型的通用塑料产品

工程塑料是指在工程技术中可以代替金属用作结构材料的塑料。它除了具有较高的机械强度外，还具有很好的耐磨性、耐腐蚀性、耐辐射及尺寸稳定性能。常用的工程塑料有聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、聚碳酸酯、ABS、聚砜、聚苯醚以及聚四氟乙烯等。典型的工程塑料产品如图7-2所示。

图7-2　典型的工程塑料产品

特殊塑料是指具有某些特殊性能的塑料，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。这类塑料有高的耐热性、高的电绝缘性或耐腐蚀性等性能，如氟塑料、聚酰亚胺塑料、环氧塑料以及有机硅塑料等。此外，特殊塑料还包括为某些专门用途而改性制得的塑料，如导磁塑料、导电塑料和导热塑料等。

2.塑料的性能

（1）密度小、比强度高、质量轻、方便运输。塑料的密度一般为0.83～2.2 g/cm3，仅为钢铁材料的1/8～1/4，铝的1/2，尤其是聚丙烯塑料，其密度仅为0.90～0.91 g/cm3，是密度最轻的塑料。对于需要全面减轻结构自重的车辆、船舶、飞机等都具有重要的意义。

（2）可塑性强、生产效率高、成本低。塑料受热后会熔化，将熔化的材料放入模具中，经冷却凝固，就会得到不同的塑件。生产周期短，可以一次成型，比较容易实现自动化生产。

（3）化学稳定性好。塑料大多数是耐腐蚀的，不溶于弱酸弱碱。特别是号称“塑料王”的聚四氟乙烯，除能与熔融的碱金属作用外，对各种酸、碱均有良好的耐蚀能力，甚至使黄金都能溶解的“王水”也不能将其腐蚀。因此，塑料在腐蚀条件下和化工设备中被广泛应用。

（4）绝缘性优异，塑料的电化学性优异，绝大多数塑料都会阻电，因此多用于电缆线、测电表、电器外壳等绝缘材料中。

（5）减振、消声、减磨性和耐磨性好。用塑料制作传动件、摩擦零件，可以吸收振动，降低噪声，而且耐磨性好。大部分塑料的摩擦系数都较小，具有良好的减磨性。用塑料制成的轴承、齿轮、活塞等摩擦零件，可以在各种液体、半干摩擦和干摩擦条件下有效地工作。

（6）塑料的缺点。耐老化性能较差，强度比一般金属低，热膨胀系数很大（约为金属的10倍），易燃烧，导热性差等。阻燃性差是塑料最大的缺点，尤其是通用型塑料，如PP、PE、PVC等，其阻燃性普遍在HB级，极容易燃烧。

3.常用塑料的性能与用途

常用塑料的性能与用途见表7-2。

表7-2　常用塑料的特性及用途

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4.常用塑料的成型方法

塑料成型是将各种形态（粉料、粒料、溶液和分散体）的塑料制成所需形状的制品或坯件的过程。成型的方法多达三十几种，目前国内外应用较多的有注射成型、挤出成型、吹塑成型、压制成型、浇注成型等。塑料成型方法的选择主要根据塑料的类型（热塑性或热固性）、起始形态、制品的外形尺寸及生产批量的大小来确定。下面仅就主要成型与加工方法做简要介绍。

1）注射成型工艺

注射成型又称注塑成型，是将粉状或粒状的塑料原料经料斗装入料筒，并在料筒内加热至熔融状态，在注射机柱塞或螺杆作用下，以较高的速度和压力注入封闭的模具腔内，待冷却固化后脱模取出得到所需塑料制件的加工工艺，如图7-3所示。它是目前塑料加工中最普遍采用的方法之一，注射成型制品占塑料制品总量的20%～30%。

图7-3　螺杆式注射机注射成型的工作原理图

1—料斗；2—螺杆转动传动装置；3—注射液压缸；4—螺杆；5—加热器；6—喷嘴；7—模具。

螺杆式注射机注射成型

到目前为止，除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料都可以用注射成型，一些热固性塑料也可以采用注射成型。其成型周期短，制件尺寸稳定，花色品种多，生产可自动化、高速化，具有极高的经济效益。

2）挤出成型

挤出成型是一种利用挤出机把热塑性塑料连续加工成各种截面形状制品的方法，主要用于管材、棒材、线材、薄膜、电线电缆和异形截面型材的加工。挤出成型是塑件成型的主要方法之一，在塑件成型生产中占有重要的地位。

挤出成型原理如图7-4所示，它是将颗粒状或粉末状塑料从挤出机的料斗送进加热筒中，塑料受到料筒的传热和螺杆对塑料的剪切摩擦作用而逐渐熔融塑化，然后在挤压系统作用下，塑料通过挤出模具以及一系列辅助装置，从而得到所需塑件。挤出成型生产过程连续，可以挤出任意长度的塑件，设备简单、成本低、操作方便、生产效率高。

挤出成型原理

图7-4　挤出成型原理示意图

1—螺杆冷却水入口；2—料斗冷却区；3—料斗；4—料筒；5—料筒加热器；6—螺杆；7—多孔板；8—挤出模； 9—机头加热器；10—定径套；11—冷却装置；12—压缩空气堵头；13—牵引装置；14—切断装置；15—管材。

3）压缩成型

压缩成型又称为模压成型或压制成型。它是热固性塑料成型的一种主要方法，用于压缩成型的塑料有：酚醛塑料、氨基塑料、不饱和聚酯塑料、聚酰亚胺等。压缩成型所用设备为压缩机。

压缩成型的原理如图7-5所示，将粉状、粒状或预压成型的锭料塑料放到成型温度下的模具加料腔中。上凸模在压力机作用下进入凹模并压实，随着温度和压力的增加，熔融塑料开始固化成型。待塑件固化成型后，采用一定的脱模方式将塑件取出来，获得所需的产品。

4）气动成型

气动成型是利用气体的动力作用代替部分模具的成型零件来成型塑件的一种方法。气动成型利用较简单的成型设备就可以获得大尺寸的塑料制件，其生产成本低、生产效率高。气动成型主要包括中空吹塑成型、抽真空成型及压缩空气成型。

图7-5　压缩成型的原理

1—凸模固定板；2—上凸模；3—凹模；4—下凸模；5—凹模固定板；6—垫板。

挤出吹塑是成型中空塑件的主要方法，成型工艺过程如图7-6所示。首先由挤出机挤出管状型坯，如图7-6（a）所示；然后趁热将型坯夹入吹塑模具的瓣合模中，通入一定压力的压缩空气进行吹胀，使得管状坯扩张紧贴模腔，如图7-6（b）所示；在压力作用下充分冷却定型，开模取出塑件，如图7-6（c）所示。挤出吹塑是目前产量最大、经济性良好的一种中空制品成型方法，可用于较大容器及复杂中空工业件的生产。

图7-6　挤塑吹塑成型过程

1—型坯机头；2—型坯；3—吹塑模具；4—进气杆；5—制品。(www.xing528.com)

7.1.2 橡 胶

橡胶是以生胶为基体，并添加各种硫化剂、硫化促进剂、增塑剂、填充剂、防老剂和着色剂等配合剂而制成，是一种具有高弹性的高分子材料。橡胶还有良好的耐磨性、隔音性和阻尼特性，耐蚀、绝缘、吸振，能与金属、纤维、石棉和塑料等黏结提高橡胶制品的强度和承载能力。

1.橡胶的分类

（1）根据原料的不同，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。

① 天然橡胶是指由橡胶类植物胶乳加工而成的片状生胶，橡胶含量达90%以上，主要成分为聚异戊二烯。天然橡胶综合性能好，弹性高，耐碱性好，但不耐酸、油、高温和臭氧老化。天然橡胶主要用于制造轮胎、胶带、胶管和垫圈等制品。

② 合成橡胶是用丁二烯等低分子化合物经过聚合反应而制成的类似天然橡胶的高分子材料。常用的合成橡胶有丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶和聚氨酯橡胶等。前3种是应用广泛的通用橡胶，后4种是具有特殊的耐油、耐热、耐低温、耐酸碱、耐水、耐老化等性能的特殊橡胶。

（2）按用途分类，橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。

通用橡胶是指用于制造工业用品、轮胎、日常生活用品等量大面广的橡胶。其主要品种有丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等。特种橡胶主要用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下的橡胶制品，主要有丁腈橡胶、硅橡胶和氟橡胶等。常用橡胶的种类、用途和性能如表7-3所示。

表7-3　常用橡胶的特性及应用

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2.橡胶的基本特性

橡胶具有以下特点：

① 高弹性：弹性模量低，伸长变形大，有可恢复的变形，并能在很宽的温度（－50～150 °C）范围内保持弹性。

② 黏弹性：橡胶材料在产生形变和恢复形变时受温度和时间的影响，表现有明显的应力松弛和蠕变现象，在振动或交变应力作用下，产生滞后损失。

③ 电绝缘性：橡胶和塑料一样是电绝缘材料。

④ 有老化现象：像金属腐蚀、木材腐朽、岩石风化一样，橡胶也会因为环境条件的变化而产生老化现象，使性能变坏，寿命下降。

⑤ 必须进行硫化才能使用，热塑性弹性体除外；必须加入配合剂。

其他如密度小、硬度低、柔软性好、气密性好等特点，都属于橡胶的宝贵性能。

3.橡胶的成型工艺流程

橡胶成型加工是将生胶（天然胶、合成胶、再生胶）和各种配合剂（硫化剂、防老化剂等）经过一系列化学和物理的作用制成橡胶制品的过程。

无论什么橡胶制品，都要经过混炼和硫化这两个过程。橡胶基本加工工艺主要包括塑炼、混炼、压延、压出、成型和硫化等。另外，对于一些特殊产品还包括注压、浇注和黏合，如图7-7所示。

图7-7　橡胶成型工艺流程

（1）塑炼：橡胶具有的高弹性使其不容易与各种配合剂混合，难以加工成型。为了改善生胶黏度过大和不均匀现象，在炼胶机中通过机械应力、热氧或加入塑解剂等方法对生胶进行加工，使生胶由强韧的弹性状态转变为柔软、便于加工的塑性状态。

（2）混炼：为提高橡胶制品的使用性能，改进橡胶的工艺性能和降低成本，必须在生胶中加入各种配合剂。在炼胶机上将各种配合剂加入橡胶中制成混炼胶的工艺过程称为混炼。

（3）制坯：将混炼胶通过压延或挤压等方法制成胶片或与骨架材料制成胶布半成品的工艺过程。

（4）硫化：橡胶在一定的压力和温度下，坯料结构中的线性分子链之间形成交联，随着交联度的增加，橡胶变硬强化的过程。

7.1.3 纤 维

纤维是由连续或不连续的细丝组成的物质，是高分子材料的另外一个重要应用。常见的合成纤维包括尼龙、涤纶、腈纶、锦纶、芳纶、丙纶纤维等，主要合成纤维的性能和用途如表7-4所示。

表7-4　主要合成纤维的性能和用途

7.1.4 涂 料

涂料指涂布于物体表面，在一定的条件下能形成薄膜而起保护、装饰或其他特殊功能（绝缘、防锈、防霉、耐热等）的一类液体或固体材料。因早期的涂料大多以植物油为主要原料，故又称作油漆。现在合成树脂已取代了植物油，故称为涂料。涂料并非液态，粉末涂料是涂料品种的一大类。

1.涂料的组成

涂料由黏结剂、颜料、溶剂和其他辅助材料组成。其中，黏结剂是主要的膜物质，一般采用合成树脂作为黏结剂，其决定了膜与基体层黏结的牢固程度。颜料不仅使涂料着色，而且能提高涂膜的强度、耐磨性、耐久性和防锈能力。溶剂是涂料的稀释剂，其作用是稀释涂料，以便于施工。涂料干结后溶剂会挥发掉。辅助材料通常有催干剂、增塑剂、固化剂和稳定剂等。

2.涂料的功能

涂料主要有三大基本功能：

（1）保护功能：涂料可在被涂物面上形成牢固附着的连续薄膜，使之免受各种腐蚀介质的侵蚀，也能使涂漆物体表面减少或免受机械损伤和日晒雨淋而带来的腐蚀，从而延长其使用寿命。

（2）装饰功能：起着使制品表面光亮美观的作用，可以提高产品的使用和商品销售价值。

（3）特殊功能：可作为标志使用，如管道、气瓶和交通标志牌等。

3.常用涂料

涂料是一种多品种的工程材料，服务面广，并可根据应用范围不同，生产出各种不同性质的涂料产品适应用户需要。它既能涂于钢铁金属表面，也能涂于各种有色金属（如铜、铝、锌等金属）、混凝土、木材、塑料、橡胶、玻璃及纤维等表面，不受材质、设备及形状大小限制，也不会影响被涂物的表面性质。常用涂料如表7-5所示。

表7-5　常用涂料的品种及应用

7.1.5 胶黏剂

胶黏剂统称为胶，它是一种通过黏附作用，使同质或异质材料紧密地结合在一起，并在胶接面上有一定强度的物质，有时可部分代替铆接或焊接等工艺。由于胶黏工艺操作简单，接头处应力分布均匀，接头的绝缘性、耐蚀性和密封性较好，且可连接各种材料，所以在工程中应用日益广泛。

1.胶黏剂的分类

胶黏剂按主要组成成分分类，可以分为有机胶黏剂和无机胶黏剂两大类。其中有机胶黏剂又分为天然胶黏剂和合成胶黏剂。胶黏剂的主要类型如图7-8所示。

图7-8　胶黏剂的分类

2.胶黏剂的选用

胶黏剂不同，形成胶接接头的方法不同。有的接头在一定温度和时间条件下由固化形成；有的加热胶接，冷凝后形成接头；有的需先溶入易挥发溶液中，胶接后溶剂挥发形成接头。

不同材料也要选用不同的胶黏剂，两种不同材料胶接时，可选用两种材料共同适用的胶黏剂。此外，正确设计胶接接头，是获得高质量接头的关键。接头的形状和尺寸是否合理，以能否获得合理的应力分布为判断原则。

胶黏剂的选用要综合考虑胶黏剂的性能，被胶接材料、使用条件、胶接工艺、经济性等方面的因素，合理选用。常用胶黏剂的选择指南如表7-6所示。

表7-6　常用胶黏剂选择指南

注：1—环氧树脂胶；2—酚醛-缩醛胶；3—酚醛-丁腈胶；4—聚氨酯胶；5—聚丙烯酸酯胶；6—脲醛树脂胶；7—不饱和聚酯树脂胶；8—橡胶胶黏剂；9—塑料胶黏剂；10—无机胶黏剂。

3.胶接工艺

胶接工艺一般包括下面几个工序：

脱脂处理是用有机溶剂除去被胶接件表面的油污；机械处理或化学处理是用喷砂、砂纸打毛或用酸、碱溶液腐蚀等方法去除胶接件表面的杂物或金属表面氧化皮，这是控制胶接质量的关键工序。涂胶可用刷子或刮板等工具进行，一般厚度以0.05～0.15 mm为宜；凉置是涂胶后放置一段时间，以使得胶黏剂中的溶剂挥发。胶合固化是将凉置好的一对被胶接件进行胶合装配和加热、加压固化，固化条件按照胶黏剂的种类制定。卸压放置是将胶合固化后的胶接成品在卸压后再自然放置一段时间（几小时至几十小时）以消除内应力；成品检验是对胶接质量进行检测，如图7-9所示。

图7-9　胶接工艺