常用高分子材料介绍

1.塑料

塑料是以树脂（天然的或合成的）为主要成分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂，在一定温度和压力下塑造成一定形状，并在常温下能保持既定形状的有机高分子材料。

（1）塑料的组成

1）树脂

树脂是指受热时通常有转化或熔融范围，转化时受外力作用具有流动性，常温下呈固态或半固态或液态的有机高分子化合物。它是塑料最基本的也是最重要的成分，在多组分塑料中占30%～100%，在单组分塑料中达100%。树脂在塑料中也起黏结其他物质的作用。树脂的种类、性能、数量决定了塑料的类型和主要性能。

2）添加剂

为改善塑料性能加入的物质称为添加剂。常用的添加剂有填充剂（填料），是为改善塑料制品的某些性能（如强度、硬度等）、扩大应用范围、减少树脂用量、降低成本等而加入的一些物质。填料在塑料中的含量可达40%～70%，常用的填料有木粉、滑石粉、硅藻土、石灰石粉、云母、石棉和玻璃纤维等。其中，石棉可改善塑料的耐热性；云母可增强塑料的电绝缘性；玻璃纤维可提高塑料的结构强度。此外，由于填料一般都比树脂价格低，故填料的加入也能降低塑料的成本。

除填充剂外，还有增塑剂（提高塑料在加工时的可塑性和制品的柔韧性、弹性等）、固化剂（又称硬化剂和熟化剂，使树脂具有热固性）、稳定剂（又称防老剂，能抵抗热、光、氧对塑料制品性能的破坏，延长使用寿命）、润滑剂（防止材料成型过程中黏模，便于脱模，同时使塑料制品表面光洁美观）、着色剂（使塑料制品具有特定的色彩和光泽）及发泡剂、催化剂、阻燃剂、抗静电剂等。

（2）塑料的分类

1）按塑料的物理化学性能分类

①热塑性塑料。受热时软化熔融，塑造成型，冷却后成型固化，此过程可反复进行而其基本性能不变。热塑性塑料的特点是力学性能较好，成型工艺简单，耐热性、刚性较差，使用温度低于120℃。

②热固性塑料。加热时软化熔融，塑造成型，冷却后成型固化，但再加热时不能软化，也不溶于溶剂，只能塑制一次。其特点是具有较好的耐热性和抗蠕变性，受压时不易变形，但强度不高，成型工艺复杂，生产率低。

2）按塑料的使用范围分类

①通用塑料。通用塑料是指产量大、用途广、成型性好、价格低的塑料，主要用于日常生活用品、包装材料和一般小型机械零件，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。

②工程塑料。工程塑料一般指能承受一定的外力作用，并具有良好的力学性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可替代金属制造一些机械零件和工程结构件的塑料。其产量小、价格较高，如ABS塑料、有机玻璃、尼龙、聚矾等。

③特种塑料。特种塑料一般指具有特种性能（如耐热、自润滑等）和特殊用途（如医用）的塑料，如氟塑料、有机硅等。

（3）塑料的性能特点

塑料的密度低，不添加任何填料或增强材料的塑料，其相对密度为0.85～2.20g/cm3，只有钢的1/8～1/4；塑料的耐蚀性好，耐酸、碱、油、水和大气的腐蚀，其中聚四氟乙烯甚至在煮沸的“王水”中也不受影响；塑料的比强度高，如玻璃纤维增强的环氧塑料比一般钢比强度高2倍左右；塑料的电性能优良，可作高频绝缘材料或中频、低频绝缘材料；塑料的减摩性、耐磨性、自润滑性及绝热性好，具有良好的减振性和消音性，但其强度低、刚性差、耐热性低、易老化、蠕变温度低，在某些溶剂中会发生溶胀或应力开裂。

常用塑料的名称（代号）、主要特性及应用如表12.1所示。

表12.1　常用塑料的名称（代号）、主要特性及应用

续表

（4）塑料的发展前景

目前，一些耐热性更好、抗拉强度更高的类似金属的塑料已经出现。一种名称叫作“Kevlar”的塑料，其强度甚至比钢大5倍以上，成为制造优质防弹背心不可缺少的材料。还有能代替玻璃和金属的耐高温、高强度超级工程塑料，它有惊人的耐酸腐蚀性和耐高温特性，并且还能填充到玻璃、不锈钢等材料中，制成特别需要高温消毒的器具（如医疗器械、食品加工机械等）；此外它还可以用来制造头发吹干机、烫发器、仪表外壳和宇航员头盔等。美国杜邦公司的工程技术人员研制出迄今为止强度最大的塑料——“戴尔瑞ST”，这种塑料具有合金钢般的高强度，可以制造从汽车轴承、机器齿轮到打字机零件等许多耐磨损零部件。

（5）“白色污染”问题

众所周知，塑料给人们生活和工农业生产带来了极大的方便，同时也带来了危害极大的“白色污染”问题。不过目前这种情况正逐步得到改善，科学家和工程师们开发出可降解（光降解、生物降解、水降解等）的农用地膜、一次性包装材料等塑料产品，保护了我们的家园。

案例1：电器开关、插座的选材

（1）电器开关、插座的要求

现代化社会中的电器电源开关、插座（见图12.1）随处可见。这些用在电路上的器件应具有一定的强度和硬度，较高的耐磨性、耐热性，良好的绝缘性和耐蚀性，刚度大；缺点是吸湿性差，变形小，应怎样选材？

图12.1　电器开关、插座

（a）开关和插座；（b）插排；（c）空气开关

（2）电器开关、插座的选材

电器开关、插座的选材应选用热固性塑料中的酚醛塑料（电木）。

2.橡胶

橡胶是具有高弹性的高分子化合物。橡胶可以从一些植物的树汁中取得，也可以人为制造。

（1）橡胶的组成

1）生胶

未加配合剂的天然或合成橡胶统称为生胶，其是橡胶制品的主要组成成分，决定了橡胶制品的性能，同时也能把各种配合剂和骨架材料黏成一体。(www.xing528.com)

2）配合剂

配合剂是用来改善和提高橡胶制品的性能而有意识加入的物质。常用的配合剂有硫化剂（使线型结构分子相互交联为网状结构，提高橡胶的弹性、耐磨性、耐蚀性和抗老化能力，并使之具有不溶融特性）、硫化促进剂（促进硫化，缩短硫化时间，减少硫化剂用量）、增塑剂（增强橡胶的塑性，便于加工成型）、填充剂（提高橡胶的强度，降低成本，改善工艺性能）、防老剂（延缓橡胶老化，提高使用寿命）、增强材料（提高橡胶制品的力学性能，如强度、耐磨性和刚性等，常加入金属丝及编织物作为骨架材料，如在运输带、胶管中加入帆布、细布，轮胎中加入帘布，高压管中加入金属丝网等）及着色剂、发泡剂、电磁性调节剂等。

（2）橡胶的分类

橡胶的品种有很多，根据来源的不同可分为天然橡胶和合成橡胶，根据用途的不同可分为通用橡胶和特种橡胶。

天然橡胶是指从橡树中流出的乳胶经凝固、干燥、加压等工序制成的片状生胶，再经硫化工序所制成的一种弹性体。合成橡胶是指以石油产品为主要原料，经过人工合成制得的高分子材料。通用橡胶是指用于制造轮胎、工业用品、日常用品的量大面广、价格低廉的橡胶。特种橡胶是指制造在特殊条件（高温、低温、酸、碱、油、辐射等）下使用的零部件的橡胶，一般价格较高。

用人工将单体聚合的橡胶称为合成橡胶。合成橡胶主要有7大品种，包括丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、异戊橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁腈橡胶。习惯上，橡胶按其用途可以分为通用橡胶和特种橡胶两大类。

（3）橡胶的性能特点

橡胶最显著的性能特点是在很宽的温度范围（-50～150℃）内具有高弹性，即在较小的外力作用下能产生很大的变形，最大伸长率可达800%～1000%，当其外力去除后，能迅速恢复原状；同时橡胶还具有优良的伸缩性和可贵的积储能量的能力，良好的隔音性、阻尼性、耐磨性和挠性，优良的电绝缘性、不透水性和不透气性，一定的强度和硬度，但一般橡胶的耐蚀性较差，易老化。橡胶及其制品在储运和使用时应注意防止光辐射、氧化和高温，从而避免降低橡胶老化、变脆、龟裂、发黏、裂解和交联的速度。

橡胶还具有优良的绝缘性、气密和水密性、一定的耐磨性。橡胶常用作弹性材料、密封材料、减振防振材料、传动材料等。

（4）常用橡胶

在通用橡胶中，产量最大、应用最广的是丁苯橡胶（SBR），其用量约占合成橡胶总量的80%。SBR由丁二烯单体和苯乙烯单体共聚而成，常用牌号为丁苯-10、丁苯-30、丁苯-50，其中数字表示苯乙烯在单体总量中的百分数。一般苯乙烯所占百分数越大，则橡胶的硬度和耐磨性越高，但其弹性和耐寒性下降。

常用橡胶的性能与用途如表12.2所示。

表12.2　常用橡胶的性能与用途

实例2：汽车轮胎的选材

（1）汽车轮胎及对汽车轮胎的要求

生活中随处可见汽车，汽车轮胎（见图12.2）是保证汽车安全、快速畅行不可缺少的部件。汽车轮胎要具有高弹性、减振性，优良的耐磨性和电绝缘性，不透水性和不透气性，一定的强度和硬度。怎样选材？

图12.2　货运车及汽车轮胎

（a）货运车；（b）汽车轮胎

（2）汽车轮胎的选材

汽车轮胎选用橡胶，但一只轮胎并不是只由一种橡胶做成的。汽车轮胎结构图如图12.3所示，轮胎的最外面（胎面胶）用非常耐磨的丁苯橡胶；轮胎的侧面（胎边胶）也用丁苯橡胶以提高在弯道的耐磨性；与空气接触的内胎（内面胶）用丁基橡胶，它具有很好的绝缘性，尤其是高不透气性。

图12.3　汽车轮胎结构图

3.黏合剂

在工程上，连接各种金属和非金属材料的方法除了焊接、铆接、螺栓连接之外，还有一种新型的连接工艺就是胶接，它是借助某物质在固体表面产生的黏合力，将材料牢固地连接在一起的方法。胶接不仅能起到连接的作用，而且还有固定、密封、浸渗、补漏和修复的作用。这种能够产生黏合力的物质称为黏合剂。

黏合剂以富有黏性的物质为基础，并以固化剂或增塑剂、增韧剂、填料等改性剂为辅料，可以用于胶接金属、陶瓷、木材、塑料、织物等，可连接同种或异种材料，且不受材料厚度限制。胶接接头处应力均匀，密封性好，绝缘性好，耐腐蚀，抗疲劳；胶接结构重量轻，工艺简便。黏合剂按基体材料可分为天然黏合剂和合成黏合剂。常用黏合剂有树脂型黏合剂和橡胶型黏合剂两种。

（1）环氧树脂黏合剂

凡是以环氧树脂为基料的黏合剂统称为环氧树脂黏合剂，简称为环氧胶。环氧胶是由环氧树脂、固化剂、各种添加剂组成的。环氧胶具有很强的黏合力，对大部分材料如金属、木材、玻璃、陶瓷、橡胶、混凝土、纤维、塑料、竹木、皮革、织物等都有良好的黏合能力，故有“万能胶”之称。

（2）酚醛树脂黏合剂

酚醛树脂黏合剂的黏接力强、耐高温，优良配方胶可在300℃温度以下使用，其缺点是性脆、剥离强度差。酚醛树脂黏合剂是用量最大的品种之一。主要用于胶接木材、木质层压板、胶合板、泡沫塑料，也可用于胶接金属、陶瓷。

（3）其他常用的黏合剂

其他常用的黏合剂如聚氨酯黏合剂，瞬干胶、厌氧胶、无机黏合剂等。聚氨酯黏合剂胶膜柔软，耐油性好，但其使用温度较低，可用于胶接金属、塑料、陶瓷、玻璃、橡胶、皮革、木材等多种材料；瞬干黏合剂黏度小，适应面广，胶膜较脆，不耐水，耐热性和耐溶剂性较差，使用温度范围在-40～70℃，在室温下接触水汽瞬间固化，可胶接金属、陶瓷、塑料、橡胶等材料的小面积胶接和固化；厌氧黏合剂工艺性好，毒性小，固化后的抗蚀性、耐热性、耐寒性均较好，使用温度范围在40～150℃，可用于防止螺钉松动、轴承的固定、法兰及螺纹接头的密封和防漏、填塞缝隙，也可用于胶接；无机黏合剂有优良的耐热性，长期使用的温度范围为800～1000℃，胶接强度高，低温性能较好，耐候性极好，耐水、耐油性好，但其耐酸、碱性较差，不耐冲击，可用于各种刃具的胶接，小砂轮的黏结，塞规、卡规的黏结，铸件砂眼堵漏，汽缸盖裂纹的胶补等。

4.涂料

涂料指涂布在物体表面而形成具有保护和装饰作用膜层的材料。传统的涂料用植物油和天然树脂熬炼而成，称为“油漆”。随着石油化工和合成聚合物工业的发展，当前植物油和天然树脂已逐渐被合成高分子化合物改性和取代，涂料所包括的范围已远远超过“油漆”原来的狭义范围。

当前，涂料的品种有上千种，用于防腐的涂料有防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆，以及某些塑料涂料如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。

5.保温材料

在建筑工程中，习惯上把用于控制室内热量外流的材料称为保温材料。材料的保温性能用热导率来评定。我国国家标准GB/T4272—2008《设备及管道绝热技术通则》规定，凡平均温度不高于350℃时，热导率不大于0.12W/（m·K）的材料为保温材料。在实际应用中，由于大多数保温材料的抗压强度都很低，常把保温材料和承重材料复合使用。另外，大多数保温材料的孔隙率较大，吸水性、吸湿性较强，而保温材料吸收水分后会严重降低保温效果，故保温材料在使用时应注意防潮防水，需在表层加防水层或隔汽层。

一般常用的保温材料可分为10大类：珍珠岩类、蛭石类、硅藻土类、泡沫混凝土类、软木类、石棉类、玻璃纤维类、泡沫塑料类、矿渣棉类、岩棉类，其相关性能可参阅有关手册。