热塑性材料的高分子结构与性能

热塑性材料的高分子结构与性能

热塑性材料是一种高分子材料，它可以通过热塑性加工方式，如注塑、挤出、吹塑等，制造成复杂的形状和结构。热塑性材料通常具有优异的物理性能、化学稳定性和耐高温性能等特点，因此在工业和家庭等领域得到了广泛应用。本文旨在介绍热塑性材料的高分子结构与性能，为此我们将从分子链、晶体结构、玻璃化转变、热稳定性、机械性能等方面进行讲解。

分子链结构与晶体结构

热塑性材料通常由大量重复单元组成，这些单元可通过化学键结合成为高分子分子链。其中，聚合度是衡量分子链长度的指标，聚合度越高，分子链越长。分子链的长度和结构对材料性能有着重要影响。例如，分子链越长，材料的针孔性越差，而其耐热性和力学性能却相应增强。

除了分子链结构，热塑性材料的晶体结构也很重要。晶体结构的稳定性和形态决定着材料的物理性能，如强度、刚度、韧性等。此外，晶体结构的天然取向性也可能影响材料的模塑性。

玻璃化转变

热塑性材料在加热到一定温度后，分子链会出现流动和变形，形成塑性体。但是在升温和冷却过程中，热塑性材料也会出现玻璃化转变。这是因为随着温度的降低，分子链的流动减慢，材料的机械性能恢复，形成固态玻璃。玻璃化转变温度是热塑性材料的一个重要性能指标。通常情况下，玻璃化转变温度较高的热塑性材料具有优异的机械强度和耐热性。

热稳定性

在高温环境下，热塑性材料容易发生分子链断裂、氧化、降解等不可逆反应，导致机械性能和物理性能明显下降。因此，热塑性材料的热稳定性也是一个关键性能指标。热稳定性取决于分子链的结构和分子中的官能团结合方式，例如，烷基、芳香族和杂环等官能团对热稳定性的影响不同，不同的结构也可能导致热稳定性的差别。

机械性能

热塑性材料的机械性能是决定其使用寿命和应用范围的另一个重要指标。其中最重要的性能是拉伸强度和断裂伸长率，这两个参数衡量材料在拉伸过程中的拉伸能力和变形能力。它们一般与分子链的长度和交联状况有关，分子链越长，交联越多，机械强度越高。热塑性材料的刚度和韧性也是不可忽视的性能指标，这些性能取决于晶体结构和分子链的取向等因素。

1.概述

1.1 PE塑料材料结构与性能及用途

1.1.1聚乙烯结构

聚乙烯(PE)塑料一种，我们常常提的方便袋就是聚乙烯(PE).聚乙烯是结构最简单的高分子，也是应用最广泛的高分子材料.聚乙烯是通过乙烯（CH2=CH2 ）的加成聚合而成的。

聚乙烯的性能取决于它的聚合方式。在中等压力(15-30大气压)有机化合物催化条件下进行聚合而成的是高密度聚乙烯(HDPE)。这种条件下聚合的聚乙烯分子是线性的，且分子链很长，分子量高达几十万。如果是在高压力(100-300MPa)，高温(190–210C)，过氧化物催化条件下自由基聚合，生产出的则是低密度聚乙烯(LDPE)，它是支化结构的。

聚乙烯是半结晶热塑性材料。它们的化学结构、分子量、聚合度和其他性能很大程度上均依赖于使用的聚合方法。聚合方法决定了支链的类型和支链度。结晶度取决于聚合物的化学结构和加工条件。

聚乙烯（PE）的分类

1.1.2聚乙烯性能

物理性质

1 聚乙烯为白色、蜡状半透明材料，具有优越的介电性能。

2 易燃烧，且离火后继续燃烧。

3 透水率低，对有机蒸汽透过率则较大。

4 透明度随结晶度增加而下降，在一定结晶度下，透明度随分子量增加而提高。

5 高密度聚乙烯熔点范围为132～135℃，低密度聚乙烯熔点较低﹙112℃﹚且范围宽。

6 常温下不溶于任何已知溶剂中，70℃以上可少量溶解于甲苯、乙酸戊酯、三氯乙烯等溶剂中。

化学性质

1 具有优异的化学稳定性，室温下耐盐酸、氢氟酸、磷酸、甲酸、胺类、氢氧化钠、氢氧化钾等各种化学物质，硝酸和硫酸对聚乙烯有较强的破坏作用。

2 聚乙烯容易光氧化、热氧化、臭氧分解，在紫外线作用下容易发生降解，炭黑对聚乙烯有优异的光屏蔽作用。

3 受辐射后可发生交联、断链、形成不饱和基团等反应。

☆一般性能

聚乙烯树脂为无毒、无味的白色粉末或颗粒，外观呈乳白色，有似蜡的手感，吸水率低，小于0.01%。聚乙烯膜透明，并随结晶度的提高而降低。聚乙烯膜的透水率低但透气性较大，不适于保鲜包装而适于防潮包装。易燃、氧指数为17.4，燃烧时低烟，有少量熔融落滴，火焰上黄下篮，有石蜡气味。聚乙烯的耐水性较好。制品表面无极性，难以粘合和印刷，经表面处理有所改善。支链多其耐光降解和耐氧化能力差。

高分子材料是由相对分子质量比一般有机化合物高得多的高分子化合物为主要成分制成的物质。一般有机化合物的相对分子质量只有几十到几百，高分子化合物是通过小分子单体聚合而成的相对分子质量高达上万甚至上百万的聚合物。巨大的分子质量赋予这类有机高分子以崭新的物理、化学性质：可以压延成膜；可以纺制成纤维；可以挤铸或模压成各种形状的构件；可以产生强大的粘结能力；可以产生巨大的弹性形变；并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、自润滑等许多独特的性能。于是人们将它制成塑料、橡胶、纤维、复合材料、胶粘剂、涂料等一系列性能优异、丰富多彩的制品，使其成为当今工农业生产各部门、科学研究各领域、人类衣食住行各个环节不可缺少、无法替代的材料。

高分子材料的性能是其内部结构和分子运动的具体反映。掌握高分子材料的结构与性能的关系，为正确选择、合理使用高分子材料，改善现有高分子材料的性能，合成具有指定性能的高分子材料提供可靠的依据。

高分子材料的高分子链通常是由103~105个结构单元组成，高分子链结构和许许多多高分子链聚在一起的聚集态结构形成了高分子材料的特殊结构。 因而高分子材料除具有低分子化合物所具有的结构特征(如同分异构体、几何结构、旋转异构)外，还具有许多特殊的结构特点。高分子结构通常分为链结构和聚集态结构两个部分。链结构是指单个高分子化合物分子的结构和形态，所以链结构又可分为近程和远程结构。近程结构属于化学结构，也称一级结构，包括链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、结构单元的排列顺序、支链类型和长度等。远程结构是指分子的尺寸、形态，链的柔顺性以及分子在环境中的构象，也称二级结构。聚集态结构是指高聚物材料整体的内部结构，包括晶体结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构等有关高聚物材料中分子的堆积情况，统称为三级结构。

1. 近程结构

(1) 高分子链的组成

高分子是链状结构，高分子链是由单体通过加聚或缩聚反应连接而成的链状分子。高分子链的组成是指构成大分子链的化学成分、结构单元的排列顺序、分子链的几何形状、高聚物分子质量及其分布。

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’. 聚丙烯(polypropylene)是由丙烯单体经聚合作用而部分结晶的聚合物,英文缩写为PP。其聚合方法有4种，即溶液法、溶剂淤浆法、液相本体法和气相法。由于聚合方法的不同，所得到的聚丙烯树脂性能有差异。据资料，聚丙烯最主要的两个性能是熔体质量流动速率和立体等规度。

1.熔体流动速率（MFR）——热塑性材料在一定的温度和压力下，熔体每10min通过标准口模的质量，单位为g/10min.塑料熔体流动速率（MFR），以前又称为熔体流动指数（MFI）和熔融指数（MI）。一般说来，我们在聚丙烯加工的时候，以MFR来表示它的流动性能，熔融指数是与聚合物的分子量相对应的，与聚合物的相对分子质量成反比而与粘度成反比 。

MFR的测量一般由一台挤出式塑度仪完成。其具体的操作方法参考GB/T

3682-2000,可以在方法A或者B中任选一种，选择方法B时，熔体的密度值为0.7386g/cm3。试验条件为M(温度：230℃，负荷：2.16kg)或P(温度：230℃，负荷：5.0kg)，试验前，应用氮气吹扫料筒5s-10s，氮气压力为0.05MPa。

2.立体规整度（等规度）——等规度(tacticity)指的是有规异构体(tacticity

polymer)占有全部高分子的百分数。在缩聚反应中，大分子结构中甲基基团的立体位置基本以等规体、无规体、间规体三种结构形式存在，其中，间规体的数量甚微，可以忽略，而等规度即是描述有规异构所占比例的物理量。这样，聚丙烯的性质主要取决于等规结构分子在均聚物中的百分数。

由于无规异构体的溶解度较强，故此聚丙烯分子可以被萃取，所以，其等规度我们可以用萃取法来测得。

3.分子量及分子量分布——化学式中各原子的相对原子质量的总和，就是相对分子质量（Relative molecular mass），而分子量分布则是用分子量分布系数来表示的，分子量分布表示聚合物的相对分子质量在其平均值周围扩展的程度。