高分子材料的用途

高分子材料的用途

科技发展的今天，由于有机高分子材料的出现，一方面大大减少了天然材料如木材、树脂、橡胶、皮革、棉花等的消耗；另一方面与金属和合金材料、无机非金属材料相对比，它也显示出资源丰富、质轻、耐腐蚀、易加工、柔韧性好等特点。因而，有机高分子材料在新材料中显得越来越重要。那么究竟什么是有机高分子材料呢？有机高分子材料就是指由有机高分子合成的材料。

在有机高分子材料中，除了橡胶外，塑料、纤维等高聚物在加工成材料前均称为合成树脂，以区别于加工成型后的塑料或纤维。而有机胶粘材料、离子交换树脂、涂料也都称为合成树脂，因它们都可以树脂形式不经加工，直接使用。

虽然不同高分子的性能数据上可以反映出有些高聚物适合作橡胶，另一些适合作塑料，但是严格来讲，各类有机高分子材料之间没有严格的界限。值得注意的是一类高分子采用不同的合成方法和工艺，则可制成不同的材料。例如，尼龙、涤纶可作纤维，其相应的高聚物也可制成塑料；环氧树脂既可配制成胶粘材料和涂料，也可加工成塑料。

随着高分子科学的发展，一种叫做聚氨酯的新品种高聚物又和大家见面了；它不仅可用作泡沫塑料、橡胶、纤维、胶粘材料、涂料和合成皮革等，是典型的“多功能高聚物”，而且还是一种称作热塑性弹性体的聚氨酯产品。

聚氨酯是一种介于橡胶与塑料之间的材料。由于分子链结构的特点，使它既具有橡胶的弹性，又可以用加工热塑性塑料的方法加工（不需硫化）。因而又称为“弹性塑料”。

下面简要介绍一些工程塑料、合成橡胶和有机胶粘材料的性能和应用。

一、工程塑料

塑料就是在加热、加压条件下可塑制成型；并且在通常条件（室温条件下，1×10⁵Pa）下能保持固定形状的高聚物。塑料的主要组分是合成树脂（约占总质量的40%～100%），它对塑料的性能起决定性的作用。此外，为改进某些性能还常加入一些其他组分。

树脂是一种高分子材料，根据其受热后性能的差异可分为热塑性树脂和热固性树脂，所以塑料也有热塑性塑料和热固性塑料两大类。热塑性塑料包含的是链型结构的树脂，加热成型时只发生物理变化，即遇热时树脂软化或变为黏稠流体，冷却后可获得一定形状的制品。若再加热又可使之软化，如此反复处理其性能基本不变。热固性塑料在加热成型时需加入固化剂或引发剂等，因而树脂的分子链间发生化学变化，交联而成三维体型结构，再加热不能重新熔融成型。

从塑料的发展历史来看，其品种最初以酚醛这类热固性塑料为主；到了20世纪50年代后，逐渐转向以乙烯类热塑性塑料为主，形成了以酚醛、氨基与“四烯”（聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯）六大类为主的通用塑料，其产量约占塑料总产量的3／4以上。20世纪60年代前后，由于科学技术发展对新材料的需要，出现了一系列如聚酰胺、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚二甲基苯醚、聚砜等工程塑料。

工程塑料顾名思义就是指那些机械强度高和具备其他特殊性能的塑料，在社会生活当中工程塑料能代替金属作为工程技术上的结构材料。现举例说明如下：

（一）聚酰胺

聚酰胺（PA）就是我们平时所说的尼龙，它是发现得最早、应用得最广的热塑性工程塑料。可分为两类：第一类是由二元胺与二元羧酸缩聚而成的；第二类是由环状的内酰胺开环聚合而成的。如由己内酰胺聚合而成。

韧性、耐磨、自润滑、抗霉性和无毒等特性是尼龙突出的优点，所以在社会生产中常常代替不锈钢和铝、铜等有色金属，用于制造机械、仪表仪器等零件；但是尼龙制件常常会因为吸水而引起尺寸变化。种类不同的尼龙在性质上就会有所差别，与尼龙－6相比，尼龙－66的拉伸强度较大，而吸水性较低；但尼龙－6具有熔点较低、较易加工的优点。只是两者的相对介电常数均较大，不宜用作高频率、低损耗的电绝缘材料。

尼龙－1010是我国首先发明的。它是利用农产品蓖麻油做原料制取的一种尼龙品种。尼龙－1010的吸水性小、耐油性好，主要用于制造机械、纺织等机械零件，如输油管、螺帽、轴承等。填充石墨或二硫化钼的尼龙可制各种机械的齿轮和滑轮，用玻璃纤维增强的尼龙还可以作水泵叶轮和叶片等。

（二）聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）是所有含氟塑料中综合性能非常优越、用途最广的一种，所以被广泛的运用到社会的各个领域，其产量也占到含氟塑料总产量的85%～90%。通过高分子的命名规则，我们能看出聚四氟乙烯既是由四氟乙烯加聚而成的，由于聚合物分子中C－F键的键能高（485．6kJ·mol^－1）、链节结构高度对称、结晶度高达90%以上，使它具有对任何酸、碱、王水和溶剂的卓越耐蚀性，并具有耐热、耐寒的特性，可在－200℃～250℃温度范围内使用。

另外聚四氟乙烯的电绝缘性能也是十分优异的，并且不受温度的影响和交流电频率的限制；所以被广泛的运用。聚四氟乙烯具有较低的摩擦系数，使制得的零件耐磨损。以上这些性质都是其他塑料所不及的。聚四氟乙烯的缺点是刚性不够，以致影响零件尺寸的稳定性。

根据聚四氟乙烯的优良的性能，可用作高温环境中化工设备的密封零件，以及在无油润滑条件下作轴承、活塞环等，其薄膜材料可用作电容器、通讯电缆的绝缘材料。

（三）苯乙烯－丁二烯－丙烯腈共聚物（ABS）

ABS是由丙烯腈（acrylo－nitrile，以A表示）、丁二烯（butadiene，以B表示）、苯乙烯（styrene，以S表示）三种不同单体加聚（这种加聚也称为共聚）而成的，因此称为共聚物。

ABS树脂不仅保持了聚苯乙烯优良的电性能和加工成型性，而且由于其中丁二烯可提高弹性和冲击强度，丙烯腈可增加耐热、耐腐蚀性和表面硬度，使之成为综合性能优良的刚韧兼备的工程材料。ABS主要用于制造纺织器材，汽车、飞机的零件，仪表、洗衣机等家电的外壳。ABS的表面还可电镀，因此，在建筑行业中可代替金属、木材作装潢材料。

（四）聚碳酸酯

聚碳酸酯（PC）属于新型热塑性工程塑料；由于分子主链中引入了苯环，玻璃化温度高达149℃，耐热性能非常的好，使用温度范围也较宽（100℃～130℃）。另外，值得一提的是聚碳酸酯还具有良好的机械性能与电绝缘性能，特别是韧性好，具有优异的抗冲击性能，且透明度高达90%，因而被誉为“透明金属”。总之，聚碳酸酯不仅可代替金属，还可代替玻璃、木材等用作齿轮等机械零件、仪表外壳和照相灯罩、防弹玻璃以及防护用的面盔等，而且还是宇航工程中不可缺少的材料。

二、合成橡胶

理想状态下的弹性体就是在任何链型非晶态高聚物在玻璃化温度以上均可呈现高弹性。不过具有实际意义的弹性体一般是指玻璃化温度较低，即在相当宽的温度范围，如－50℃～100℃内，仍不失其弹性的高聚物，具有这样的性质的高聚物在通常就被称为橡胶。橡胶可分为天然橡胶与合成橡胶两大类。

天然橡胶的化学组成是聚异戊二烯，其原料主要取自热带的橡胶树，其结构有顺式与反式两种构型，或称为顺、反异构体；顺式－1，4－聚异戊二烯顺式指连在双键两个碳原子上的－CH2基因位于双键的同一侧；反式－1，4－聚异戊二烯反式指连在双键两个碳原子上的－CH2基团位于双键的两侧。

很长的时间内天然橡胶含质量分数约98%的反式－1，4－聚异戊二烯，即分子链中基本只含一种链节结构，其空间排列比较规整。直到1954年发现了钛催化剂和锂催化剂，才实现了使合成的异戊橡胶中顺式－1，4－聚异戊二烯的含量提高到质量分数95%左右。这种催化聚合的方法称为“定向聚合”，又称为“立构规整聚合”。我国科学家还研制出一种稀土催化剂，它的性能比上述催化剂还要好，具有重要的学术意义和经济价值。

正是由于顺式－1，4－聚异戊二烯分子结构具有三个特点：一是分子链的柔顺性较好；二是分子链间仅有较弱的作用力；三是分子链中一般含有容易进行交联的基团（如含不饱和的双键）；才是它适合作橡胶的关键。另外其他类似结构的高聚物也可具备相似的性质。例如，以丁二烯及其衍生物加聚而成的丁二烯类合成橡胶。

（一）丁二烯类合成橡胶

顺式－1，4－聚丁二烯习惯上称为顺丁橡胶，其结构规整有序，因而具有优良的耐磨性。它的弹性、耐老化性和耐低温性（玻璃化温度＝－105℃）也都超过天然橡胶，成为合成橡胶的第二大品种。缺点是抗撕裂能力差，易出现裂纹，特别是制成的轮胎抗滑性差，影响它在载重车中使用。通常采用橡胶共混方法加以改善。

丁苯橡胶是合成橡胶中最大的品种，它是由1，3－丁二烯与苯乙烯两种单体发生加聚反应得到的；适当改变加聚时的条件能得到多种性质稍有不同的丁苯橡胶。一般说来，在丁苯橡胶中苯乙烯的质量分数约为25%。丁苯橡胶的耐老化性能，特别是耐磨性比天然橡胶的要好，可用来制轮胎、皮带等，且可与天然橡胶共混用作密封材料和电绝缘材料。然而它与天然橡胶、顺丁橡胶都有同样的缺点，即不耐油和有机溶剂。

丁腈橡胶由于在其分子中引入了极性基团－CN，这种橡胶的最大优点是耐油，它是由丁二烯与丙烯腈CH2＝CH－CN两种单体发生加聚反应而合成的；其拉伸强度比丁苯橡胶的要好，耐热性比天然橡胶的要好，但电绝缘性和耐寒性差，且塑性低、加工较困难。它主要用作机械上的垫圈以及制造飞机和汽车等需要耐油的零件。

随着科学技术的发展和社会的需求，合成橡胶的单体种类在科学家们不断的努力当中越来越多，除二烯烃外，许多烯烃（如乙烯、丙烯、异丁烯）经过均聚或共聚，都可以制得各种合成橡胶。

（二）硅橡胶

硅橡胶是以硅氧链（Si－O）为主链的一种链型结构的聚硅氧烷，属于有机硅聚合物种类。例如，由二甲基硅二醇［（CH₃）₂Si（OH）₂］缩聚（析出H₂O）可得二甲基硅橡胶。

由于硅氧链健能（368kJ·mol^－1）较大，比较稳定；因此它是一种耐热性和耐老化性很好的橡胶。它的特点是既耐低温又耐高温，能在－65℃～250℃之间保持弹性，耐油、防水、电绝缘性能也很好。缺点是机械性能较差，易撕裂，耐碱性不及其他橡胶。硅橡胶可用作高温高压设备的衬垫、油管衬里、火箭导弹的零件和电绝缘材料等，且因制品柔软光滑，对人体无害，而用作医用高分子材料，如静脉插管、人造关节等。

三、有机胶粘材料

（一）分类与原理

这是一种具有优良的粘合性能，能将各种不同的固体材料（非金属或金属材料）牢固地粘结在一起的材料。有机胶粘材料的品种很多，并有多种分类方法。

1．按用途不同，可分为结构胶和非结构胶。结构胶在粘结后能承受较大负荷，它们基本上以热固性树脂胶为主，而非结构胶只用来粘结承受力较小的制件或用作定位。

2．按胶粘工艺的特点，可分为反应型胶粘材料、热熔型胶粘材料和溶剂挥发型胶粘材料。

3．按有机胶粘材料的主要化学成分不同，可分为热固性树脂胶粘材料、热塑性树脂胶粘材料和橡胶型胶粘材料。

粘结技术不仅方便、经济、节能、快速且具有粘结力强、受力均匀、胶层密封、耐腐蚀、绝缘性能好等特点；比传统的焊接、铆接、螺钉连接有很大的优势。因此，胶粘材料的应用已日趋广泛，从木材加工到建筑业的装修、密封，从电子、仪表工业中的胶接定位到医疗上的补牙、外科，乃致于宇航工程中整个飞机设计制造的基础，都离不开胶粘材料。那么粘结作用是如何产生的呢？

胶粘材料的粘结作用的原理有很多种解释，其中有人认为是藉界面上胶粘材料分子与被粘材料的分子的彼此扩散、渗透；也有人认为是藉界面上分子间的相互吸附。实际上吸附与扩散渗透都可能发生，在粘结强度较大时，胶粘材料与被粘材料之间还可能形成化学键。通常由于吸附的观点被采用得较多，因而，常将粘结看作主要是由于分子间力和氢键的作用。

（二）有机胶粘材料的组成和性能

粘附作用严格要求胶粘材料分子与被粘材料分子在界面上充分地接触，才能实现良好的粘结效果；所以对基料的首要条件是粘度适当，能通过流动较好地浸润被粘材料的表面；基料就是有机胶粘材料的主要成分或主体，也常称作基料或粘料。因此，通常选用的是一些粘稠的液态单体（在粘结条件下容易聚合）和低聚物，或可在溶剂、热、压力作用下具有流动性的链型聚合物。另一方面，要求这些聚合物所含基团的极性要大、数量要多，以便有利于增加胶粘材料与被粘材料之间的粘附力。

在生产实践当中，为了保证粘结强度，除要求有较好的粘附力外，还要求胶粘材料有较大的内聚能。一般说来，聚合物的相对分子质量较小时，其粘度较小，对被粘材料的粘附性较好。但相对分子质量太小时，会导致聚合物缺乏足够的内聚能而降低粘结强度。因此，对于一指定的聚合物，相对分子质量只有选在适当范围内，才能获得最佳粘结效果。例如，通常聚合度在50～100范围内的聚酰胺具有较好的粘结性能。

为了更好地实现胶粘材料的粘结性能，在配制胶粘材料时，除了最基本的基料以外，还掺加入一些辅助成分，它们配合基料起到改善胶粘材料性能的作用。常加的辅助成分有调节粘度起增润作用的溶剂；能降低胶层脆性的增韧剂；以及各种填料、防老剂、防腐剂等。

胶粘材料在粘结过程中要呈现液态状，以便更好地浸润被粘材料表面，但最终必须用适当方法使之固化，才能使胶层承受各种负荷；值得一提的是固化的方法与胶粘材料的种类密切相关。

（三）一些常用的有机胶粘材料

1．橡胶型胶粘材料

这类胶粘材料的粘结强度较低、耐热性不高，通常用作非结构胶，但由于胶层有优良的弹性，适于柔软的或热膨胀系数相差悬殊的材料，如橡胶与金属等材料的粘结。橡胶型胶粘材料中以氯丁橡胶胶粘材料最为重要，产量也最高。

氯丁橡胶胶粘材料的主要成分是聚氯丁二烯，有顺、反两种异构体，在通常情况下，以反式结构为主，质量分数约为80%。由于反式结构的对称性较好，使分子堆砌较有序而有利于结晶，从而使氯丁橡胶胶粘材料具较理想的粘结强度。另一方面，由于C－Cl键的极性，使其有良好的耐油、耐溶剂性能。它的缺点是耐寒性、贮存稳定性不够。

2．热固性树脂胶粘材料

常用的有环氧树脂胶粘材料、氨基树脂胶粘材料、聚氨酯树脂胶粘材料、有机硅树脂胶粘材料等都属于热固性树脂胶粘材料。当环氧树脂胶粘材料与被粘材料紧密接触时，这些极性基团容易与被粘材料组成中的极性部分（如玻璃、纤维素中的－OH）相吸引，增强了相互之间的作用力。环氧树脂胶粘材料的粘结性很强，能粘结金属、木材、玻璃和陶瓷等各种材料，人们称它为万能胶。

值得一提的是，环氧树脂胶粘材料在使用时，常常需要加入酸酐类或胺类化合物组成的固化剂。

环氧树脂的种类很多，其中应用最为广泛的是二酚基丙烷环氧树脂，它是由环氧氯丙烷和双酚A（二酚基丙烷）缩聚而成的。环氧树脂胶粘材料在使用时，常须加入固化剂，如乙二胺（H₂N－CH₂－CH₂－NH₂）。可见，固化剂的作用是使环氧树脂由链型结构交联而成体型结构。固化后的环氧树脂胶粘材料的机械强度很高，同时，固化过程中环氧树脂胶粘材料的收缩率也比其他树脂胶粘材料的要低。此外，环氧树脂的电绝缘性能和化学稳定性也较好。

聚氨酯（聚氨基甲酸酯的简称）树脂胶粘材料在热固性树脂胶中也有非常重要的地位，它的种类很多，属于热塑性的树脂胶粘材料。其性质活泼，对多种材料都具有很强的粘附性。它与环氧树脂相似，适用于多种材料的粘结，不同之处在于它的分子链的柔顺性好，因而粘结部位的耐振动性好，特别适合不同材料之间的胶粘。此外，聚氨酯胶粘材料的耐寒性也比其他胶粘材料的耐寒性要优异。