聚合物基复讲义合材料.

5.1.2 玻璃纤维增强热塑性塑料(代号FR-TP)
• 玻璃纤维增强热塑性塑料是指玻璃纤维做为增强材料，热 塑性塑料(包括聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂 、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料)为基体的纤维 增强塑料。
• 玻璃纤维增强热塑性塑料除了具有纤维增强塑料的共同特 点外，它与玻璃纤维增强热固性塑料相比较，特点是具有 更轻的比重，在1.1—1.6之间，为钢材的1／5—1／6；比 强度高，蠕变性大大改善。
• 玻璃纤维增强聚酯树脂突出特点是加工性好，加 入引发剂和促进剂后，可在室温下固化成型，由 于树脂中的交联剂也起稀释剂的作用，所以树脂 的粘度大大降低了，可采用各种成型方法进行加 工成型，可制作大型构件，扩大了应用的范围。 它的透光性好，透光率可达60％－80％，可制作 采光瓦。价格便宜。不足之处是固化时收缩率大 ，可达4％—8％，耐酸、碱性差，不宜制作耐酸 碱的设备及管件。
• 5.1.3 高强度、高模量纤维增强塑料 • 高强度、高模量纤维增强塑料主要是指以环氧树脂为基体
，以各种高强度、高模量的纤维(包括碳纤维、硼纤维、 芳香族聚酰胺纤维、各种晶须等)做为增强材料的高强度 、高模量纤维增强塑料。该种材料由于受增强纤维高强度 、高模量这一性能的影响．致使其具有共同的特点：
• 3．玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料
• 聚苯乙烯类树脂目前已成为系列产品，多为橡胶改 性树脂，例如：丁二烯—苯乙烯共聚物(BS)、丙烯 腈—苯乙烯共聚物(AB)、丙烯腈一丁二烯—苯乙烯 共聚物(ABS)等。这些共聚物大大改善了纯聚苯乙 烯的性能，使原来只是一种通用塑料的聚苯乙烯改 性成为工程塑料。耐冲击性和耐热性提高了。这些 聚合物再用长玻璃纤维或短切玻璃纤维增强后，其 机械强度及耐高、低温性、尺寸稳定性均大有提高 。也要加入偶联剂，不然聚苯乙烯类塑料与玻璃纤 维粘结不牢。影响强度。

热固性基体
通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化 剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固化阶段后，形成不 溶、不熔的三维网状高分子 热固性树脂在初始阶段流动性很好、粘度低，容易浸透增 强体，同时工艺过程比较容易控制。这些树脂几乎适合于 各种类型的增强体。
包括不饱合聚酯树脂、环氧 树脂、酚醛树脂
热塑性塑料与玻璃纤维增强后性能对比
品种
聚丙烯
原 增强
密度 /(g/cm3)
910 1140
拉伸强 度/MPa
35 85
抗弯强 度/MPa
35 85
压缩强 度/MPa
45 60
弯曲模量 /×104MPa
0.12 0.58
冲击强 度/MPa
0.4 0.8
变形温 成型收 度/℃ 缩率/%
63 1.3~1.6 155 0.2~0.8
2．聚碳酸酯
聚碳酸酯有下述的化学结构
其中n在100~500的范围内。工业生产的聚碳 酸酯平均分子量为25000—70000。
聚碳酸酯特点
优点 无色透明，耐热，抗冲击，阻燃，在普通使 用温度内都有良好的机械性能。 缺点 制品易产生应力开裂，耐溶剂、耐碱性差， 高温易水解。 常见的应用有光碟，眼镜片，水瓶，防弹玻璃，护 目镜、银行防子弹玻璃、车头灯、动物笼子等等。
固化时收缩率较大，预浸料贮存期限短，含苯乙烯，有刺 激性气体，长期接触对身体健康不利。树脂的耐热性差。 但价格便宜、制备工艺性好。
广泛应用于电器、建筑、防腐、交通等诸多领域。
环氧树脂（EP）
凡是含有二个以上环氧基的化合物统称为环氧 树脂
在所有的环氧树脂中，工业上用得最广泛的是双 酚A型环氧树脂，占环氧树脂总产量的90 %。环 氧树脂本身是热塑性的线型结构，必须向树脂中 加入固化剂，进行交联固化反应，生成网状结构 的高聚物后（热固性树脂）。

现代生活中的高分子材料----合成橡胶
铁路轨枕胶垫衬垫于钢 轨与混凝土轨枕之间
轮胎
现代生活中的高分子材料--橡胶
手机按键
内胎
汽车、摩托车橡胶配件
鼠标垫
现代生活中的高分子材料--橡胶
塑胶跑道
现代生活中的高分子材料—纤维
天然纤维：
纤维
如棉花、羊毛、蚕丝和麻等
合成纤维：
如腈纶(人造羊毛) 、锦纶(尼龙) 、维纶、氯纶、涤纶(的确良) 和丙纶等“六大纶”
2. 合成橡胶
某些合成橡胶具有较天然橡胶为优良的耐热、耐磨、耐老化、 耐腐蚀或耐油等性能。缺点是发生老化现象。 根据产量和使用情况合成橡胶可分为通用合成橡胶与特种合成 橡胶两大类。 通用合成橡胶主要代替部分天然橡胶生产轮胎、胶鞋、橡皮管、 带等橡胶制品，包括丁苯橡胶、顺丁橡胶(顺式聚丁二烯橡胶)、 丁基橡胶、乙丙橡胶、异戊橡胶等品种。 特种合成橡胶主要制造耐热、耐老化、耐油或耐腐蚀等特殊用 途的橡胶制品，包括氟橡胶、有机硅橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡 胶、聚氨酯橡胶等。
(2)合成橡胶
合成橡胶制造橡胶制品时加入的添加物通常称为配合剂，包括
硫化剂、硫化促进剂、助促进剂、防老剂、软化剂、增强剂、
填充剂、着色剂等。增强剂与填充剂用量较大（20％）。
橡胶制品的制造过程
(3)合成纤维
合成纤维通常由线型高分子合成树脂经熔融纺丝或溶液纺丝制 成。加有少量消光剂、防静电剂以及油剂等，
合成纤维具有优良的性能：如 强度高、弹性好、耐磨、耐化 学腐蚀和不怕虫蛀等。
现代生活中的高分子材料—纤维
涤纶做基料的风帆、热气球
现代生活中的高分子材料—纤维
各种合成 纤维制品
聚酰胺纤维
第一章 绪 论

M m 1 Mn
称为相对分子质量分布系数。 其值大于或等于1。
• ⒉ 结构方面的特征 • 聚合物存在着多重结构,即所谓一次结构、二次结构和三次 结构。 • ⑴ 一次结构 • 一次结构是指与聚合物的结构单元有关的结构。 • ① 结构单元的化学组成 • 由于结构单元的化学组成不同,才构成了品种繁多的聚合物, 聚合物的种类就是以结构单元的化学组成为基础而划分的。 • ② 结构单元的序列结构 • 指结构单元之间的键接次序。 • 在自由基聚合过程中,由于连接几率的关系,虽然大部分结 构单元是以“头-尾” “头-尾”连接,但 也有部分结构单元 是以“头-头”或“尾-尾”连接。
头 尾
头 头 尾 尾
C H 2 C H C H 2 C H C H 2 C H C H C H 2 C H 2 C H
C l
C l
C l C l
C l
• ③ 结构单元的构型(configuration) 以聚丙烯为例
•
[ CH2 CH]n
CH3
• 全同立构体、间同立构体和无规立构体。 •
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
[C H 2C H C H C H 2 ]n
1.2 聚合物
聚醋酸乙烯酯的结构式为
[ CH2 CH]n OCOCH3
聚甲基丙烯酸甲酯的结构式为
CH3 [ CH2 C ]n
COOCH3
聚乙烯-醋酸乙烯共聚物的结构式为
[C H 2 C H 2]n[C H 2 C H]m O C O C H 3
1.2 聚合物
一-聚合物的基本概念重复单元 和链节结构单元和单体单元平均
聚合度
1.2 聚合物
聚合物的结构式：[重 复 单 元 的 结 构 ]n (重 复 单 元 的 结 构 )n 聚乙烯的结构式为

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第二章 基体材料
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2.1 概述
➢ 复合材料是由增强材料和基体材料通过一定的 成型工艺，经过一定的物理和化学变化过程， 复合而成的具有特定性状的整体材料。
➢ 基体材料的作用：使增强材料粘结成为一个整 体，向增强材料传递载荷（以剪切力的形式）， 保护增强材料免受外界环境作用和物理损伤。
1.2 复合材料的定义、命名及分类
❖ 按增强纤维种类分类
1、无机纤维（玻璃纤维、碳纤维及其他陶瓷纤 维、矿物纤维）复合材料。
2、有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚脂 纤维、高强度聚烯烃纤维等）复合材料。
3、金属纤维（钨丝、不锈钢丝等）复合材料。
4、陶瓷纤维（氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤 维等）复合材料。
▪ 良好的工艺性能：包括各组分间的混溶性、流动
性、成型性。
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2.2 聚合物基体
➢聚合物：合成树脂的种类、数量远大于 天然有机高分子。
➢随着合成工业的发展和新的聚合方法的 出现，种类和数量不断增长。
➢包括热固性树脂、热塑性树脂、橡胶。
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2.2.1热固性树脂基体
1、不饱和聚酯树脂(UPR)：unsaturated polyester resin,
构成
木材的微纤丝 A. 微纤丝 B. 结晶区 C. 非结晶区
电子显微镜下木材管胞壁的分层结构模式 ML.胞间层； P.初生壁； S1.次生壁外层
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1.1 复合材料的发展史
例如骨骼：由30%的有机质和70%无机质所组成，而 70%的无机质当中磷酸钙占了95%。简单说，钙质约 占骨骼的65%-70%，是骨的主要成分 。

氨基甲酸酯基团(氨酯键)
多元异氰酸酯
+
多羟基化合物及 端羟基聚醚、聚酯
体形聚氨酯
3. 异氰酸酯的化学反应
(1)异氰酸酯的结构、反应活性
异氰酸(O＝C＝NH)分子中的氢原子被烃基R所取代的衍生物 (O＝C＝NR)叫异氰酸酯。异氰酸酯的O＝C＝N—基团是具有 两个杂积累双链的高度不饱和的基团，化学性能十分活泼。
TDI三聚体
TDI与三羟甲基丙烷(TMP)加成物
b. 隐蔽型异氰酸酯：加热可释出异氰酸酯，方便贮存。
氨基甲酸苯酯
2. 多羟基化合物
(1)聚醚多元醇 聚醚多元醇常用的是由单体环氧乙烷、环氧丙烷、四氢呋喃开环 聚合而成，采用碱性催化剂KOH和醇(或胺) 。 a. 二羟基聚氧化乙烯醚：
b. 三羟基聚氧化丙烯醚：
a. 异氰酸酯二聚
高温下则二聚体会发生分解
b. 异氰酸酯三聚
三聚体在150一200℃时仍很稳定(与二聚体不同)。可制取优异的 油漆涂料及耐温、阻燃的埂质泡沫塑料。
c. 异氰酸酯的线型聚合反应
n值可达2000
d. 异氰酸酯的缩聚反应
可制备聚碳化二亚胺
4. 聚氨酯树脂合成原理
(1)一步法
Perlon U
b. 4,4’—二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)
MDI
MDI易二聚，毒性低，一般在低温下贮存。
c. 多苯基多亚甲基多异氰酸酯(PAPI) PAPI是粗制MDI，分子量大，沸 点高，毒性低。分子中含有较多 的异氰酸酯基团，制得的PU交联 密度高，链刚性较大。
(3)一些特殊类型的异氰酸酯
a. 聚合型异氰酸酯：毒性小，较稳定，可提高PU的支化及交联度
●由于反应中没有小分子副产物析出，高聚物的化学组成与单体 的化学组成相同。

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第 1章 绪 论
1.6 复合材料的应用
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第 1章 绪 论
1.6 复合材料的应用
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第 1章 绪 论
1.6 复合材料的应用
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第 1章 绪 论
1.7 复合材料的进展
金属氧化物：（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3）
改善制备玻璃纤维的工艺条件(Na2O,K2O为助熔剂，降低熔点) 和性能(BeO，模量 ；B2O3，耐酸 )
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第2章 增强材料 2.2 玻璃纤维
玻璃纤维的分类 按化学组成分：有碱玻璃纤维（碱金属氧化物MxOy含量大
于12%）；中碱玻纤（ MxOy：6~12% ）；低碱玻纤（ MxOy： 2~6% ）；微碱玻纤（ MxOy：＜2% ）
按纤维使用特性：普通玻纤；电工玻纤（E玻纤）；高强
玻纤（S玻纤或R玻纤）；耐化学药品玻纤（C玻纤）
按产品特点分：长度（定长玻纤，连续玻纤）；
直径（粗纤
维d>30µm，初级纤维20µm <d<30µm ，中级纤维10µm <d<20µm ， 高级纤维3µm <d<9µm ）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤， 玻璃粉） 2018/10/2 42
优点：
2）耐疲劳性能好，破损安全性能高 3）阻尼减振性好 4）多种功能性（电绝缘、摩擦、耐腐蚀、光、磁） 5）良好的加工工艺性（可设计性、多种成型方法、整体成型）
6）各向异性和性能的可设计性
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用途：主要是注塑产品
基本概念：熔融指数、等规度 分子量：平均20～30万。 分子量与熔融指数的关系。 牌号命名的依据。 比重：0.9～0.91，是常见树脂中最轻的。
应用：聚丙烯主要用于生产编制制品、薄膜制品、注 塑制品、纺织制品等，是人们生活当中应用最广泛的 一种塑料原料。
拉丝制品
薄膜制品
注塑制品
注塑制品（续）
纤维制品
管材制品
聚合原理及产品用途
聚丙烯是重要的合成材料之一，用途广泛
纤维
聚合原理及产品用途
聚丙烯是重要的合成材料之一，用途广泛
薄膜
聚合原理及产品用途
聚丙烯是重要的合成材料之一，用途广泛
保险杠
仪表板、防擦条
聚合原理及产品用途
聚丙烯是重要的合成材料之一，用途广泛
我国消化吸收环管工艺技术，自行设计了多套规模为7万t/a的 PP装置，包括武汉石化、荆门炼油总厂。
环管法大型装置： 上海石化 20万t/a；茂名石化 30万t/a；镇海炼化 20万t/a； 绍兴石化 30万t/a。 在建项目：
天津石化 45万t/a；抚顺石化 30万t/a；武汉石化 40万t/a。
2 釜式工艺 日本三井油化公司
丙烯 1963年，获Nobel化学奖
二、聚丙烯发展历程（续）
1957年，意大利的Montecatini公司建立了第一套 5000吨/年的聚丙烯装置。
1957年，美国赫格里斯(Herculess)建立一套9000吨/ 年聚丙烯的生产装置。
其他实现工业化生产的国家：西德(1958)、法国 (1960)、日本(1962) 。
9.2 聚丙烯 Polypropylene (PP)
9.2.1 概述
PP有等规、间规、无规三种立体异构物。 工业生产的PP要求等规PP含量在95%以上。称PP）是由丙烯聚合而成的一种热 塑性塑料

影响树脂体积收缩的因素是固化前树脂系统密度、基体 固化后的网络结构的紧密程度、固化过程有无小分子析出等。
降低树脂固化收缩率主要原理是调节树脂大分子链充分 伸直，使其固化后有紧密的空间网络。
如在未固化的聚酯树脂体系中加入甲基丙烯酸甲酯，聚 苯乙烯、聚邻苯二甲酸二稀丙酯等，这个体系在固化前，由 于溶解或加热，其大分子链能充分地伸长，从而使聚酯树脂 在固化后形成紧密的空间网络结构，使固化收缩率只有1％。
这种改善不饱和聚酯树脂收缩率的办法，在大型复合 材料制件生产中得到了应用。
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3.2.2 耐热性能（温度升高时，其性能的变化）
物理耐热性：指树脂在一定条件下仍然能保留其 作为基体材料的强度，包括模量、强度、变形等；
化学耐热性：是树脂在发生热老化时的温度范围， 包括失重、分解、氧化等。 提高树脂耐热性的途径有： 1）增加高分子链的刚性
2
基体的黏度、使用期直接影响增强材料 的浸渍、复合材料的铺层和预浸料的储存。
因此，研究和了解基体材料的构成、作 用和性能是十分重要的。
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3.1.1基体材料的基本组分及其作用
1）聚合物基体 聚合物是基体的主要组分，它对复合材料的技术性能、成型工
艺及产品的价格都有直接影响。
作为复合材料树脂的要求
①力学性能
5、可用水和醇的混合溶剂，良
5、机械和电性能优良
操作方便
6、固化物无异味，能用于 6、可用于多种手段实现固化
6、价格低廉
食品行业
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三大热固性树脂的特点
酚醛树脂
环氧树脂
不饱和聚酯树脂
缺 1.固化比不饱和聚酯树脂慢， 1.固化剂毒性太大，操作应 1.一般空气中氧的存在会防
到完全固化需较长时间
十分注意

1.3.4 电性能 树脂分子由共价键组成，是一种优良的绝缘材料。 影响树脂电绝缘性能的因素有两个： 一是大分子链的极性；二是已固化树脂中杂质的存在。 1 ）树脂大分子链中极性基团越多，极性越强，则电绝缘性越差； 2）已固化树脂中的杂质越少，则电性能越好。
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料及其聚合物基体概论课件
3、树脂的断裂伸长率与结构的关系 1）大分子链的柔顺性：由C－C键组成的脂肪链是柔性链的代表，具有柔性链结构的树脂，伸长率较大；具有刚性链结构（苯环、萘环、联苯环等）的树脂，具有相当大的刚性，伸长率较小。 2）大分子链间的交联密度：交联密度越大，树脂的伸长率越小，呈现脆性。
复合材料及其聚合物基体概论课件
问题1 基体材料在复合材料中所起的作用是什么？
复合材料及其聚合物基体概论课件
基体材料在复合材料中的作用
1、粘结作用 基体材料作为连续相，把单根纤维粘成一个整体，使纤维共同承载。 2、均衡载荷、传递载荷 在复合材料受力时，力通过基体传给纤维。 3、保护纤维 在复合材料的生产与应用中，基体可以防止纤维受到磨损、遭受浸蚀。
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料的分类
1、按基体材料类型分为 聚合物基复合材料（PMC） 金属基复合材料（MMC） 无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料 和水泥基复合材料（CMC）等 2、按增强材料类型分为 玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料 芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料 UHMW-PE纤维增强复合材料等 3、按用途分为 结构复合材料、功能复合材料、 结构功能一体化复合材料
2）按用途分类： 纤维、橡胶、塑料（树脂）、涂料、粘结剂 3）按聚集态分类： 玻璃态、高弹态、粘流态
温度
变形

线性聚合物
由一条连续的分子链组成，如聚乙烯和聚丙烯。
交联聚合物
由交联点连接的分子链构成，如橡胶和硅橡胶。
支化聚合物
具有分支结构的聚合物，如聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。
聚合物材料的特性及应用
1 高强度和耐磨性
聚合物材料的强度高于许 多传统材料，常用于制造 轻量化零件和装置。
2 耐腐蚀和化学稳定性
交联反应
通过交联反应增加聚合物的稳固性和强 度，如热交联和化学交联。
聚合物材料的物理性质
熔点 弹性模量 透明度
聚合物材料的熔点范围广泛，从低至室温到高至 数百摄氏度。
聚合物材料的弹性模量低于金属和陶瓷，但高于 橡胶。
有些聚合物材料具有良好的透明度，如聚碳酸酯 和聚甲基丙烯酸甲酯。
聚合物材料的化学性质
聚合物材料具有优异的耐 腐蚀性能，适用于各种化 学环境和领域。
3 导电和绝缘功能
有些聚合物材料是良好的 导电体，而其他聚合物材 料则是优秀的电绝缘材料。
聚合物材料的制备方法
1
共聚反应
2
在聚合反应中同时使用多个单体，产生
具有不同性质和结构的聚合物。体分子进行链式连接， 如自由基聚合和离子聚合。
耐酸碱性
聚合物材料通常具有较好的耐 酸碱性能，但部分材料对特定 溶剂敏感。
燃烧性
聚合物材料在不同条件下有不 同的燃烧特性，可根据要求选 择不同材料。
降解性
聚合物材料可能会因暴露于光、 热和氧气等条件下而发生降解。
聚合物材料在工业领域的应用
汽车工业
聚合物材料广泛应用于汽车零部 件的制造，以提高耐磨性和节约 能源。
《聚合物材料》PPT课件
聚合物材料是一种具有多种特性和广泛应用的化学材料。本课件将介绍聚合 物材料的分类、制备方法、特性及应用，以及对环境的影响和未来发展方向。