常用高分子材料

第四节　常用高分子材料

一、塑料

按塑料的使用范围，通常分为通用塑料和工程塑料两大类。通用塑料一般仅能作非结构材料使用，产量大，价格低廉，因此用途广泛。工程塑料具有突出的综合性能（强度、刚性、韧性、耐热、耐腐蚀、耐磨等），能在较广的温度范围内，在承受机械应力和较为苛刻的化学物理环境中，作为结构材料使用。

1.主要通用塑料

（1）聚乙烯。其性能依密度不同而有差异，主要分为低密度（0.910～0.925）、中密度（0.926～0.940）和高密度（0.941～0.965）三类。工业上应用最广泛的是低、高密度两类。低密度聚乙烯分子量约为25000～50000（数均分子量），是在1000大气压以上经自由基聚合反应制得，具有较高的支链结构，柔软性较好，主要用来加工塑料薄膜及软管、泡沫塑料等。高密度聚乙烯分子量约为80000～200000（粘均分子量），主要用配位络合催化剂在低压条件下生产，大分子支链极少，结晶度高，质坚韧，机械强度及熔点均高于低密度聚乙烯，供制造承受不高的零件、管材、电缆绝缘层、家用器具，也可用于火焰喷涂。聚乙烯的使用温度为－70℃～100℃。

（2）聚丙烯。数均分子量约为75000～200000。由单体经低压配位聚合制得。链节上的侧甲基提高了聚合物的刚性。它的表面硬度、耐磨性及透明度比聚乙烯好，耐热性更高，不受外力时在150℃仍不变形，绝缘性及耐化学腐蚀性也好，低温性能差于聚乙烯，只能在－20℃以上使用，可用于加工包装薄膜、一般机械零部件、高频绝缘层、化工及建筑用管道及板材，还可拉成纤维，织成各种织物。

（3）聚氯乙烯（PV（：）。主要用单体经悬浮聚合工艺制备。数均分子量约为36000～85000。链节上的极性侧氯原子加大了分子间作用力，阻碍了单键内旋，使其刚度、强度均优于聚乙烯。聚氯乙烯塑料需在树脂中添加数量较多的添加剂。软聚氯乙烯塑料多采用分子量较大的树脂添加增塑剂制得，用挤出或压延法加工为薄膜、人造革、软管、软带、绝缘电缆等。硬质聚氯乙烯塑料为便于加工成型，多采用分子量较小的树脂，不含或少量添加增塑剂，供制硬板、硬管，并可焊接加工。一般使用温度为－15℃～60℃，抗冲击强度较低，可经共聚、共混、增强等方法提高其热稳定性和韧性。

（4）聚苯乙烯（PS）。由单体经本体聚合、悬浮聚合等方法制成。通用级聚苯乙烯具非晶态结构，数均分子量为50000～100000，其机械性能一般，抗张强度、抗冲击强度、弯曲强度及伸长率随分子量增大而增加，吸水率很低，透明度高，高频绝缘性能很好。大分子链上的苯环的空间位阻使链段僵硬，链段间聚集规整性差，使其耐热性较低（软化点为80℃），抗冲击性差。经橡胶改性后的抗冲级聚苯乙烯的韧性、冲击强度及耐磨性均得到提高。通用级聚苯乙烯用注模、压制、挤出等方法制成各种工业用品如仪表外壳、仪器零件、高频绝缘制件等。聚苯乙烯泡沫塑料比重仅为0.033，是优良的隔音、防震、防湿、保冷材料。

2.主要工程塑料

（1）ABS。主要使用的接枝共聚工艺中，先用丁二烯与苯乙烯共聚得丁苯胶乳，然后加入苯乙烯、丙烯腈单体，经乳液聚合接枝得胶乳，经后处理得腈丁苯树脂。随化学组成、物理聚集态结构及合成方法的不同，构成了一系列性能有所差异的三元聚合物。ARS塑料具有优良的综合性能，包括高抗冲性能、耐溶剂以及较好的加工性、绝缘性、尺寸稳定性。缺点是耐热性较差，长期使用温度为60℃～70℃，耐候性也不够好。广泛用于制造汽车零部件及其它机器零件、各种仪器仪表外壳、冰箱及深冷设备衬里，还可用作硬质塑料（如聚氯乙烯）的改性剂。

ABS与其它热塑性树脂易于混合，可与聚碳酸酯、聚砜、聚氨酯等进行掺合共混改性。

（2）超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。用通常生产普通高密度聚乙烯的方法经过改变工艺条件控制分子量制得，其分子量高达10。以上。与普通高密度聚乙烯相比，它有优良的抗冲击强度，在工程塑料中名列前予，这种性能可保持到－70℃左右。它的抗张屈服强度、耐蠕变性、耐摩擦性、耐磨耗性均优于普通高密度聚乙烯。它表现优良的自润滑性。作为工程材料，用于制作需高耐磨性的设备衬里和各类机械的耐磨、耐冲击、自润滑性零件（如蜗坪、导轨、齿轮、轴承等）。

（3）聚砜（PSF）。这是一类在分子主链上含有砜基和芳核的非结晶性热塑性工程塑料。目前主要有普通双酚A型聚砜（简称聚砜）、非双酚A型聚芳砜（简称聚芳砜）、聚醚砜（也称聚芳醚砜）三大类。聚砜类塑料的特点是耐热性优良，耐蠕变性、高温机械性能、高温介电性能优异。例如，聚芳砜的冲击强度比聚酰亚胺高3～4倍，抗张强度也高于后者，且在260℃空气中加热1000小时无变化，在316℃空气中加热1680小时后其抗张强度才有显著下降，但仍能保持初始强度的50%。聚醚砜在100℃下的模量居热塑性工程塑料的最高值。聚砜在水中或190℃高温下仍能保持良好的介电性能。聚芳砜在超低温（－240℃）及高温（260℃）下均有良好的电性能。聚砜类塑料耐酸、碱、水蒸气的性能极好，并能耐各种常用工业有机溶剂。它们适宜于制造各种高强度、低蠕变性、高尺寸稳定性、需在较高温度下使用的制品，广泛用于电子电器、机械设备、医疗器械及交通运输领域中。

（4）聚碳酸酯（Pc）。工业上实用的为聚双酚A碳酸酯。它有突出的抗冲击强度及耐蠕变性，较高的耐热性和耐寒性，可在－100℃～140℃范围内使用，可见光的透过率可达90%以上，抗张、抗弯强度较高，并有较高的伸长率和刚性，在宽广的温度范围内有良好的电性能，吸水性低。它有良好的成型加工性能。经纤维增强后能显著改善其应力开裂性，较大幅度地提高其机械性能及耐热性，但冲击强度下降，透明性丧失。与多种高聚物进行熔融共混，能改善其应力开裂性及耐磨性。聚碳酸酯与聚芳酯的共缩聚物为聚酯碳酸脂，兼具了聚碳酸酯优异的冲击强度和聚芳酯的高热变形温度。聚碳酸酯广泛用于制作传递中、小负荷的机械零部件、高强度绝缘部件、医疗器材等。

（6）尼龙（PA）。这是主链上含有（－NHCO－）的一类高聚物，又称聚酰胺。尼龙的命名由其缩聚原料二元胺与二元酸的碳原子数来决定。例如，用已二胺（H₂N－（CH₂）₆－NH₂）与癸二酸（HOOC－（CH₂）₈－COOH）反应所得的缩聚物称为尼龙610。由氯基酸自聚制得的尼龙，则由氨基酸中的碳原子数来决定。如已内酰胺的自聚物称为尼龙6。尼龙有优良的机械性能。它的比抗张强度高于金属，比抗压强度与金属相近，疲劳强度与铸铁、铝合金处于同等水平。尼龙有优异的耐冲击性、耐摩擦性及耐磨耗性，有较好的自润滑性能。尼龙66在吸水状态下的冲击强度是所有塑料中最高的。与其它热塑性工程塑料相比，热软化温度范围较窄，具有比较明显的熔点。尼龙的阻燃性良好。它能耐油、耐弱酸、弱碱和一般有机溶剂。其缺点是亲水性较强，吸水率较高，影响其尺寸稳定性，耐候性一般，抗切口冲击强度差。尼龙广泛用于制造机械零件、化工设备、电子电器零部件。

此外，聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚苯脂、聚芳酯等工程塑料也得到不同程度的应用。

二、常用合成像胶

1.丁苯橡胶。由丁二烯与苯乙烯共聚而得。乳液聚合为其主要生产方法。所得的丁苯共聚物为无规结构。标准乳液法丁苯橡胶的苯乙烯含量为23.5%，若增高苯乙烯含量则制品硬度提高，弹性降低。丁苯橡胶是目前产量最大的一种通用合成橡胶。它的耐磨性和耐老化性优于天然橡胶；物理性能、加工性能与天然橡胶接近，抗张强度、回弹性、抗撕裂性等机械强度较差；只有加碳黑进行补强，或填充芳烃、环烷烃油类以增加其韧性后，才有较好性能。由于丁苯橡胶内耗较严重，会引起制品内部发热，因而它不适于制造高速轮胎和大型车辆轮胎，实际用于小型车辆轮胎及其它工业用橡胶制品。通常与天然橡胶混合使用。

2.顺丁橡胶，又名（上）顺式1，4聚丁二烯。是丁二烯在络合催化剂作用下的配位定向聚合产品，顺丁橡胶的主要优点是耐寒性优良，最低使用温度可达－100℃，优于其它二烯烃类橡胶。它的耐磨性、回弹性、耐老化性能优良，在交变应力下内耗低，但抗撕裂性一般，耐日光老化性较差，混炼加工性差于天然橡胶及丁苯橡胶，常以25%～35%的加入量与后二者混用，以制造轮胎及其它工业橡胶制品。

3.异戊橡胶。由异戊二烯通过溶液聚合而成。主要品种有顺式1，4结构为92%的中顺式异戊橡胶及98%的高顺式异戊橡胶。它们的化学结构及物理机械性能与天然橡胶相似（因此异戊橡胶又称合成天然橡胶）。与天然橡胶相比，异戊橡胶具有较高的弹性、蠕变，永久变形较小，加工中不需塑炼。它的生胶强度显著低于天然橡胶，粘接性、硫化胶的弹性模量和撕裂强度、高温强度、耐磨性及疲劳寿命都不如天然橡胶。广泛用于制造轮胎及其它橡胶制品。

4.乙丙橡胶。它以单体来源最多和价廉的乙烯和丙烯经配位共聚而得。标准二元共聚物分子中基本不含双键，需要用过氧化物硫化。若加入二烯烃单体参加共聚，则得三元共聚物，从而可用硫磺硫化。乙丙橡胶在合成橡胶中比重最轻，化学稳定性好，耐候性、耐热性、耐寒性都好，介电性好，弹性大，耐磨，压缩变形小，可大量充油及炭黑补强。但其综合机械性能略逊于天然橡胶，硫化速度慢，不易与其它橡胶共混，同时抗撕裂性差，与帘子线粘结不好，故不适于制造轮胎。多用于生产耐热运输皮带肢管、电缆绝缘层等。

除上述最常用的“四胶”外，其它如丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、氯醇橡胶、聚氨酯橡胶及特种氟橡胶、硅橡胶等都得到了不同的应用。

三、合成纤维

合成纤维品种繁多，较重要的有三四十种，但从性能、应用范围及技术成熟程度来看，得到重点发展的为“四纶”：涤纶、锦纶、腈纶、维尼纶。

1.涤纶（聚对苯二甲酸乙二酯），属聚酯纤维。其特点是强度高，弹性接近羊毛、耐皱性好，耐热性较好（在150℃空气中加热100小时强度下降不超过50%），耐磨性仅次于聚酰胺纤维，易洗快干，是世界范围内产量最大的品种。其缺点为染色性差，吸水性低，织物易起毛球。主要作为纺织原料、电绝缘材料及轮胎帘子线等。

2.锦纶，是聚酰胺纤维的总称，包括锦纶6（尼龙6）、锦纶66（尼龙66）。它的纤维强度高、弹性好，耐疲劳性好，耐磨性优于其它一切纤维，比重小，耐腐蚀，染色性良好，但弹性模数小，耐热性能不够好，耐光性能差。主要用于制作工业织物、袜子、渔网、降落伞等，大量用于轮胎帘子线。

3.腈纶，为丙烯腈共聚物或高聚物的商品名称。工业上常用的是丙烯腈的共聚物。它的短纤维蓬松、卷曲、柔软、极似羊毛，保暖性、弹性均较好，故广泛用来代替羊毛，制成各类织物。在天然及化学纤维中，聚丙烯腈纤维的耐光性及耐气候性能仅次于含氟纤维，耐热性较好（在125℃热空气中持续32天强度不变），化学稳定性高。该纤维还可以加工制膨体纱，纱内可保留大量空气，所以有高度的保暖性。

4.维尼纶，其纤维的化学组成为聚乙烯醇缩甲醛，由聚乙烯醇纤维经甲醛处理而得。在合成纤维中它的吸湿性最大，强度较高，耐腐蚀性和耐光性好，柔软，保暖性好。其缺点是耐热水性不够好，弹性较差，染色性较差。常用来与棉花混纺，制各类织物。

四、其它

合成树脂与合成橡胶还被用来生产涂料、粘合剂、离子交换树脂等。

用合成高分子化合物取代天然漆，导致了涂料工业的发展。涂料泛指涂布在物体表面形成具有保护和装饰作用的膜层材料。成膜物质如果是天然油漆或合成树脂改性的油漆或具有反应活性的低聚物，则涂料中应添加固化剂或催干剂。这类涂料涂布后，成膜物质在氧或固化剂作用下构成交联结构高聚物而硬化。线型高分子作为成膜物质时，应制成可进行涂布操作的溶液或乳液，溶剂或水分蒸发后形成线型高聚物膜层；或者用熔融喷涂等方法涂布于物体表面。用于涂料的高分子化合物的平均分子量要比用于塑料、橡胶、纤维处低些.使它们能较好地粘结于物体表面。

用于粘结剂时，高聚物要能湿润被粘结物体的表面，并在适当条件下能转变成固态，从而把物体牢固粘结在一起。具有反应活性的低聚物可用作粘结剂，它们通常为液态，能方便地润湿待粘结表面并可经适当过程固化。线型高聚物用作粘结剂时必须先制成溶液或乳液；或者通过加热使之熔融，以增强对物体表面的润湿性，冷却后熔体固化并发挥粘结作用；或者制成低熔点固体溶液（主要是橡胶类粘结剂），在压力下使之湿润物体表面而发生粘结作用。

离子交换树脂是含有离子官能团的合成树脂，其中部分离子可与溶液中带同性电荷的离子进行交换。通常为苯乙烯型离子交换树脂。在其合成过程中，首先使苯乙烯与少量二乙烯苯经悬浮聚合方法得圆球状苯乙烯一二乙烯苯共聚物，具有交联结构。用它作母体，经磺化反应向苯环上引入－SO₂H基团而得阳离子交换树脂，又名强酸型离子交换树脂；或经氯甲基化向苯环上引入氯甲基，再与三甲胺作用转变为季胺盐，则得阴离子交换树脂，又称强碱型离子交换树脂。含有－COOH和－NH2基团的离子交换树脂分别称为弱酸型、弱碱型离子交换树脂，它们通常由含有相应基团的单体直接经聚合反应而得。离子交换树脂广泛用于水的净化、元素分离、海水淡化等方面。