有机高分子材料的特性和应用

8.3有机高分子材料的特性和应用

本节讨论的有机高分子材料均指有机高分子合成材料。由于它的出现，一方面大大减少了天然材料如木材、树脂、橡胶、皮革、棉花等的用量；另一方面与金属和合金材料、无机非金属材料相对比，它也显示出如资源丰富、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。

有机高分子材料中，除橡胶外，塑料、纤维用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。

应当指出，各类有机高分子材料之间没有严格的界限。虽然从T g的数据可反映出有些高聚物适合作橡胶，另一些适合作塑料，但若采用不同的合成方法和工艺，同一种高聚物可制成不同的材料。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，近年来已制得一类称作聚氨酯(见表8.2)的新品种高聚物。它可用作泡沫塑料、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”，特别是一种称作热塑性弹性体的聚氨酯产品，例如：

它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”。

下面摘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。

8.3.1工程塑料

在加热、加压条件下可塑制成型，而在通常条件(室温、1×105Pa)下能保持固定形状的高聚物叫做塑料。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。

树脂可根据其受热后性能的不同分为热塑性树脂和热固性树脂，因而塑料也分为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粘稠流体，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。

从塑料品种的发展来看，最初以酚醛这类热固性塑料为主。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，其产量占塑料总产量3/4以上。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。

工程塑料通常是指具有较高的机械强度和其他特殊性能的塑料，它们能代替金属作为工程技术上的结构材料。举例说明于下。

1.聚酰胺(PA)

聚酰胺即尼龙，是发现得最早、应用得最多的热塑性工程塑料。聚酰胺分两类：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

尼龙通常具有韧性、耐磨、自润滑、抗霉性和无毒等优点，因而可代替不锈钢和铝、铜等有色金属，用于制造机械、仪表仪器等零件。但尼龙制件常因吸水而引起尺寸变化。不同的尼龙性质有所差异，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作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。如8.2节中所述，聚酰胺制品有良好的机械强度是与其结构有关的。

2.聚四氟乙烯(PTFE)

聚四氟乙烯是目前含氟塑料中综合性能最突出、应用最广的一种，其产量约占含氟塑料总产量的85％～90％。聚四氟乙烯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。

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。此外，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。

聚四氟乙烯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。

3.苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚物(ABS)

ABS是由苯乙烯(styrene，以S表示)与丙烯腈(acrylo-nitrile，以A表示)、丁二烯(butadiene，以B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，其结构式一般可表示为

ABS树脂既保持了聚苯乙烯优良的电性能和加工成型性，又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、木材作装璜材料。

4.聚碳酸酯(PC)

聚碳酸酯是一种新型热塑性工程塑料，其结构式可表示为

聚碳酸酯由于分子主链中引入了苯环，T g高达149℃，大大提高了耐热性能，且使用温度范围较宽(-100～130℃)。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。

8.3.2合成橡胶

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，可称为弹性体。不过具有实际意义的弹性体一般是指T g较低，即在相当宽的温度范围，如-50～100℃