1、 工程材料作业 第十章1. 什么叫的高分子材料？按性能和用途可分哪几类材料？按材料的热行为和成型工艺特 点分哪两类材料？ 答：（1）高分子材料：由众多原子或原子团主要以 C-C 共价键结合而成的相对分子质量约 104 以上的化合物构成的材料，也叫有机材料。 （2 ）塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料、功能高分子 （3）热塑性高分子材料，热固性高分子材料 2. 举出几种按单体原料命名的高分子材料，并写出其缩写标志？ 答：聚甲醛 POM；聚苯醚 PPO；聚酰胺 PI。 3. 高分子的结构分为哪几个层次？高分子聚集态结构包括哪几个方面？ 答：晶态：叠链片晶，单晶，球晶，微丝晶，伸直链晶 非晶态：无规线团
2、，链接，链球 取向态结构：分子链或链接，微晶取向 织态结构：一种高分子与其他类型的高分子或添加剂形成共混体系，它们之间形成的互相排列。 4、为什么高分子链结构是决定高分子材料基本性质的主要因素？试举例说明。 答：高分子链结构是高分子链中结构单元的化学组成、空间构型、键接方式、键接序列、分子链的支化、交联、分子量、形状和尺寸等。高分子物质由于分子量大，使其物理性能、力学性能与低分子物质相比有明显差别，不同高分子链节所含原子或基团及其空间排列不同，形成了所组成的不同高分子材料间性质存在差异甚至很大差别。 例如： 聚乙烯的合成单体都是乙烯，其组成相同。由于合成方法不同，聚乙烯的结构有所不同，其性能也
3、不完全相同。 1、高压聚乙烯（低密度聚乙烯）LDPE LDPE 是在微量氧的存在下，通过高温（200）高压（1000 大气压）聚合而成。从聚合机理来说属于自由基聚合，易引起链转移，所以支链比较多，没 1000 个 C 的主链上具有 1530 个支链，而且支链比较长，链与链之间距离较大，密度小（0.9100.925g/cm3 ）,g 故又称之低密度聚乙烯。 2、低压聚乙烯（高密度聚乙烯） HDPE HDPE 是在齐格勒纳塔催化剂作用下，在 65 95， 114 个大气压下聚合而成。从聚合机理来说属于阴离子配位聚合，很少发生链转移，支链很少，而且很短，每 1000 个 C 主链上仅有 0.53 个
4、支链，分子量较大, 为 730104，几乎是 LDPE 的 2 倍以上。由 于支链少，而且短，分子链之间靠的比较近，密度大（0.940 0.965g/cm3） ，故又称之为高密度聚乙烯。 3、线性低密度聚乙烯LLDPE LLDPE 合成工艺基本上与 HDPE 相同，所不同的是所用单体除乙烯外，还有小部分 -烯烃如 1-丁烯、丙烯、 1-己烯、1-辛烯等。实际上 LLDPE 是乙烯与 烯烃的共聚物。所谓线型指的是两种单体在聚合过程中头尾相接而成，并非无支链。虽然也有许多支链，但是支链的长度仅仅是 烯烃聚合后余下的部分，分子链之间距离较 LDPE 小，密度比 LLDPE 大，但比 HDPE 小。
5、三种聚乙烯从主链组成来看，都是以CH2为主体的链状高分子化合物。所不同的只是结构上的差异即支链化程度和支链的长短不同。 尽管三种 PE 只是在链结构上有所差异，却直接影响到分子链间的距离，进而影响到材料密度，正如表-2 所示，材料的密度主要由链结构所决定。而密度又直接影响材料性能，所以链结构不同性能自然也就不同。5、在成型加工过程中，结晶对高分子材料性能有何影响？取向后，高分子材料的性能变化有何特点？答：结晶影响：由于结晶，高聚物的微观结构发生了变化，性能也明显的不同。如密度、刚性、耐磨性、耐热性和强度增强或提高，但冲击吸收能量降低，透明度变差。由于分子量或结晶过程条件不同，结晶的程度便不同，
6、材料的性能和使用范围也就不同。 取向影响： 非晶态聚合物取向简单，结晶聚合物取向复杂。取向前聚合物各向同性，经过取向呈现明显的各向异性，力学性能、光学性能和热传导性能都有所不同。 沿取向方向的机械强度高，垂直于取向方向的机械强度低，平行于取向方面的折光指数与垂直方向不同的双折射现象，沿取向方向传热快、垂直方向传热慢。 6.举例说明高分子结构与性能之间的关系。 答：(1)线型高分子化合物 ,线型高分子链间只存在微弱范德华力，分子容易互相滑动，并可在某些溶剂中溶解，溶解后溶液的粘度非常大。当温度升高时，线型高分子材料可以熔融而不分解，成为粘度较大、能流动的流体。应用：可以模塑成型并多次反复使用。大
7、多数热塑性树脂都属于这一类材料，如聚氯乙烯、聚乙烯等 (2)体型高分子化合物的分子量和分子体积为没有限度的一个巨型分子。化合物中各个单元结构均以共价键相结合，不能被溶剂溶解，受热后不软化，也不能流动，不能直接反复使用。体型高分子化合物是无定形的，只有玻璃态，具有较高的硬度和脆性而不具有塑性。应用:体型高分子材料加热固化后得到坚硬制品，制品硬度随固化度升高而增加，此类物质称热固性树脂，例如环氧树脂、酚醛树脂等。 (3)部分高分子材料具有其它材料所没有的高弹性，如橡胶可拉伸十多倍而又弹回，这一特有性能来自于大分子长链结构和链上各键的内旋转性。 (4)分子量：低分子化合物有固定的分子量。高分子化合物
8、没有固定的分子量，而是平均分子量，分为重均分子量和数均分子量，分子量符合正态分布。分子量范围越窄，性能越好。 (5)熔点：低分子化合物有固定熔点，但是高分子化合物没有固定的熔点，实际为一个范围 熔程，加热过程中相对低的分子先熔融。2014 下半年教师资格证统考大备战中学教师资格考试 小学教师资格考试 幼儿教师资格考试 教师资格证面试(4)分子量：低分子化合物有固定的分子量。高分子化合物没有固定的分子量，而是平均分子量，分为重均分子量和数均分子量，分子量符合正态分布。分子量范围越窄，性能越好。(5)熔点：低分子化合物有固定熔点，但是高分子化合物没有固定的熔点，实际为一个范围 熔程，加热过程中相对
9、低的分子先熔融。 7.简要叙述高分子材料性能的主要特点及应用。 答:主要特点 : 优点(1) 质轻,有透明品种;(2)具有优良的耐腐蚀性能,大多数能耐酸碱盐侵蚀,并耐水/抗氧化 ;(3)大多数与钢构成摩擦副的摩擦系数小、易滑动;(4)有缓冲作用,能吸收振动和声音;(5)导热系数较低 ,可用作隔热材料。缺点(1)容易发生蠕变、应力松弛现象，所以对施工要求严格规范；（2 ）热膨胀系数较大;(3)某些材料具有低温脆性 ;(4)耐热温度低(5)使用过程中会出现”老化”现象。 应用:纤维、塑料、橡胶、涂料、粘合剂、功能高分子。8、简要叙述塑料的主要成型方法和橡胶的加工工艺 答：塑料的成型方法： 1、挤出
10、成型 是加工热塑性塑料最早使用的方法之一，也是目前应用最普遍最重要的一种方法。将热塑性高聚物和各种助剂混合均匀后，在挤出机的机筒内经旋转的螺杆（单螺杆、双螺杆）进行输送、压缩、剪切、塑化、熔融，并通过机头定量定压挤出而成制品的过程。挤出成型的特点：生产过程可以连续化，因而产品可以无限长，生产效率高。根据模口不同，可以生产：管、棒、板、片、薄膜、网、单丝和其它异型材，可制作发泡材料、中空制品和复合挤出不同材料。 2、注射成型 根据金属压铸成型原理发展起来的，是目前高分子材料成型的另外一种常用方法。注射成型，因加工适应性强、能成型外形复杂、尺寸精确、或带有金属嵌件的制品，既可作为热塑性塑料的成型，
11、又可成为热固性塑料和橡胶制品的成型。将高聚物粒料加入已预热的注射成型机料筒内进行加热融化，并借助机筒内螺杆或柱塞的压力将熔融物料经过料筒前端喷嘴快速注入温度较低的闭合模具中，经一定时间的定形冷却后开启模具制得产品的过程。 3、吹塑成型 将挤出或注射成型的尚未冷却固化的。管状型坯趁热放到模具型腔中，再用压缩空气吹胀型坯，使管状型坯紧贴模壁，并迅速冷却定型成产品。特点：主要是热塑性塑料，是一种成型中空制品的方法，主要用于化工中各种塑料瓶、桶、罐等。吹塑成型能较好地保证制品的外形和尺寸，能成型用注塑等其他方法无法成型的中空制品。吹塑成型可分为两类：用挤出方法成型管坯的称为挤出吹塑，用注塑成型方法成型
12、管坯的称为注塑吹塑 4.模压成型 将粉状、粒状高分子材料以及碎屑状或纤维状的增强物直接加入预热的压模型腔，然后以一定的速度闭合模具，物料在热和压力作用下呈流动状态并充满型腔，在化学或物理作用下硬化成型，制得制品。特点：主要用来成型热固性塑料和橡胶，也可来成型热塑性塑料。与注塑成型相比，模压成型的制品收缩率小、变形小、性能均匀，设备和模具简单低廉。吹塑成型过程：加料闭模排气固化脱模清理模具。 5.传递模塑 将物料加入到预热的加料室中，通过压柱向物料施压，物料在高温高压下熔融并通过模具的浇注系统进入模腔，逐步固化成型。特点：能成型比较精密的热固性塑料或带有细薄嵌件的制品。传递成型最好是采用流动性好
13、的材料，以便充满型腔 橡胶的加工工艺 塑炼 为了混炼加工和便于成型，须先将生橡胶塑炼，使生胶从弹性状态转成塑性状态。塑炼可在开放式或密闭式炼胶机上进行。塑炼不充分就得不到均一的塑性，从而影响成型。塑炼过度则会导致制品性能下降。 混炼 将各种配合剂加入到塑炼后有一定塑性的生胶中，混合分散均匀的过程。混炼是橡胶加工中重要工序之一，混炼质量的好坏对进一步加工和制品质量有决定性影响。混炼通常 开炼机、密炼机或连续混炼机进行。 成型工序 通过挤出、压延成型或织物复胶等，预先做好产品的形状，或按产品一定的结构加以组合成型的过程。 硫化工序 橡胶加工中最后的一道工艺过程。只有将成型后的半成品硫化，才能获得所
14、需形状和物理、力学、化学（稳定性）及抗老化性能的制品。硫化过程中的温度、压力、时间等条件的控制关系制品的性能。通常用单体硫化机或硫化罐进行硫化，也可采用连续硫化的方法，如红外线、沸腾床、微波等方法。 9、选择高分子材料时应注意些什么？ 答：高分子材料是通过各种适当的成型加工工艺制成产品的，材料类型不同，成型加工工艺就不同。 高分子材料的性能，一方面决定于组成材料的结构和用量，另一方面则受制于加工成型方法和过程中的工艺条件。成型方法不同，制品性能就会不相同，甚至于同一成型方法中，工艺条件不同，制品的性能也会有很大的差异。 高聚物取向结构是影响材料性能的重要因素，它既取决于高聚物类型，又取决于如拉
15、伸取向时温度、时间、应力大小或拉伸速率等成型加工取向时的工艺条件。 取向影响 热塑性高分子材料注射成型中模温、成型温度、冷却速率诸多因素都影响取向程度，从而影响制品性能，如：提高物料和模具温度可降低取向程度；较高的注射压力（即剪切应力）会增加取向程度；延长保压时间会增加取向作用；充模速度快则取向减弱；制品冷却速度快会增大取向作用。 压延效应 压延成型时，高聚物分子会因压延方向上受到很大的切应力和一定的拉伸应力，而顺着薄膜前进方向发生分子取向，以致薄膜在物理、力学性能上出现各向异性的现象。也称取向效应。压延效应会引起制品性能变化。例如软聚氯乙烯薄膜经压延后断后伸长率纵向约 140%150%、横向
16、约 37%70%，两向明显不同。在自由状态加热时，薄膜各向尺寸也发生不同的变化，纵向出现收缩，横向与厚度出现膨胀。这种压延效应的程度会随压延机操作时辊筒速度、辊筒间速比、辊隙间存料量以及物料粘度等因素的增大而上升，随辊筒温度的升高而降低。高分子材料挤出、压延或其它成型方法中，只要经过牵引或卷曲，通常都会使制品保留一定程度的单轴或双轴取向。某些情况下,采用一定设备和工艺条件，对制品进行拉伸，从而达到提高制品某些性能，特别是沿拉伸方向力学性能的目的。在拉伸取向过程中，取向又受到拉伸时温度、冷却速度、拉伸速率所影响。 拉伸温度与速度的影响 较低温度下拉伸会有利于冻结保持高分子取向；但若拉伸温度太低，
17、拉伸则不容易进行。 在拉伸过程中冷却温度，冷却速度，材料取向程度。其它条件相同时，采用较大拉伸速率则可取得较好的拉伸效果。同时，拉伸还会加速高聚物的结晶。 结晶影响因素 结晶既改变高聚物结构，也影响高聚物性能。结晶影响因素中除材料本身外，还包括加工成型过程中的温度、压力、冷却速率、时间及拉伸或剪切应力等。因素中，温度最敏感，结晶温度稍有变化，有时只是相差 1，结晶速度可相差几倍、几十倍、甚至更高。实际生产中，利用温度的影响控制产品结晶度和晶体大小是最普遍和最有效的手段。对结晶性高聚物加工成型过程中，冷却速度快，晶形往往不稳定，成型后只要条件适宜，就会继续结晶、扩大球晶或转变晶形，而导致成型后制
18、品性能不稳定。 第十一章 1. 聚氯乙烯、聚四氟乙烯有哪些特殊性能与用途？答：聚氯乙烯是由氯乙烯经聚合反应而成的聚合物，是仅次于聚乙烯的第二大塑料品种。原料来源广、工艺成熟、价格低、用途广、品种多。 PVC 密度 1.21.6 ，分为软、硬两种。硬质 PVC 强度高、抗弯、抗压、耐冲击、耐酸碱、绝缘性好，但软化点低；软质 PVC 延伸率大、强度低、不耐冲击。 （1）PVC 的性能 分子极性较大，硬度和刚性都较高、机械强度较高；化学稳定性好，对酸、碱的抵抗力强； 分子中含有大量的氯，故具有良好的阻燃性；不溶于水、酒精和汽油； 有良好的电绝缘性；对光、热的稳定性能差，0 时变得僵硬，-16 脆化，
19、长期使用温度65，80 -85 软化， 140时熔化，170分解； 聚氯乙烯的分子量，物理机械性能和热性能提高 （2）成型加工 压延成型 PVC 片材、薄膜、造革加工时用压延辊压延，硬板材适用压延 + 层压加工。 挤出成型 PVC 管、板、薄膜、带等制品的成型可用这种方法。 注射成型 PVC 采用注射成型法制做硬质管接头、阀门时，需加入增塑剂改善流动性，但软化温度会下降。 层压成型 把多层硬质 PVC板重叠热压成硬质板。 （3）用途 硬 PVC 可用作管道（工业管道，给排水管道、电线导管） 、槽、罐、异型材和过程装备中的防腐蚀设备如硫酸生产中的稀酸洗涤塔是硬聚氯乙烯制作的大型全塑结构防腐设备。
20、也可以用于离心泵、通风机、输油管、酸碱泵的阀门、容器。 软 PVC 主要用于生产各种薄膜、地板胶、电线电缆的绝缘层和软管。 氟塑料（尤其是 PTFE）的性能 耐药品性 耐腐蚀能力很强，耐强酸（如硫酸、硝酸、盐酸和王水） ，耐强氧化剂如重铭酸钾、高锰酸钾，其化学稳定性超过了玻璃、陶瓷和不锈钢，甚至金和铂，故有“塑料王”之称。PVDF是相对较差的一种，但仍超过其它种类的塑料。 耐热性 长期使用温度范围：-196260；若超过 300则失去结晶性，机械强度急剧下降。 摩擦系数低(热塑性塑料中最低的)，与钢对磨，其摩擦系数约 0.04，有良好自润滑性。 吸水性和透水性极低 吸水率和透湿性几乎为零。 耐
21、候性强 氟树脂对所有紫外线是稳定的，在亚热带地方数年间放置室外，其五行几乎无变化，特别是 PVDF 的耐候性最好，是在室外长期使用的适用材料，对于放射线也是很稳定。 在一定的压力下容易产生冷流，在负荷下容易发生蠕变。 线胀系数较大，导热性能差。 不易粘接或焊接。 成型加工比较困难，不能采用热塑性塑料的成型方法。 （2 ）成型加工 PTFE 即使加热也不熔融，在 330以上仅仅呈凝胶状，不能采用热塑性塑料的成型方法，只能采用类似粉末冶金方法，即经冷压烧结而成型。 PCTFE、PVDF、FEP、PETFE 因为熔融粘度相对比较小，可以采用通常的塑料成型方法。对金属制品或其它材料的防蚀防粘处理，可以
22、涂装氟树脂，即氟树脂粉末混合有机溶剂涂覆在底材上，待溶剂挥发后，加热成型。 烧结成型后的冷却速度、球晶大小及数目对其物性有很大影响。 氟塑料难以胶接。 （3）用途 工程上常用聚四氟乙烯做摩擦件和密封件。高温、强腐蚀的场合的化工容器和设备上的各种配件，如泵、阀门、膨胀节、热交换器、多孔板材及强腐蚀介质的过滤材料，过程装备的衬里和涂层等。用聚四氟乙烯生料带作管螺纹接头的密封用。 FEP、PVDF 片材、薄膜透明性好，常用于温室、牲畜场舍、屋顶或药品包装等。 氟塑料的微米级粉末可用作减摩填料。 2. 环氧树脂、酚醛树脂及不饱和聚酯性能上各有什么特点和主要用途？答：（1）环氧树脂 线型结构树脂，固化后
23、成为体型结构。 有优异的耐水性、耐碱性、粘接性和力学性能。 常温下固化，固化收缩率小，热膨胀系数。小，尺寸稳定性好。施工工艺性能好。 主要用于涂料(40%)，如防腐用漆、船舶和汽车用漆等。 在耐腐蚀玻璃钢方面，环氧树脂是耐腐蚀玻璃钢的主要树脂品种之一，广泛用于贮槽、管道、塔器、风机、烟囟及建筑防腐等方面。 （2）酚醛树脂是由酚类和醛类缩聚而成的树脂总称。工业上使用最早的树脂之一。 固化后的酚醛塑料强度高、硬而耐磨，耐酸、盐等大多数溶剂和药品腐蚀、吸湿性低、制件尺寸稳定、耐热、耐燃。有优良的电绝缘性能，故常被称之为“电木” 。 质脆易折断，耐碱性能差，即使在室温的条件下，不耐碱。 应用：如各种电
24、器零件，机器外壳和配件。在化工防腐设备中酚醛玻璃钢、涂料是用酚醛树脂作粘结剂的。 （1）环氧树脂 线型结构树脂，固化后成为体型结构。 有优异的耐水性、耐碱性、粘接性和力学性能。 常温下固化，固化收缩率小，热膨胀系数。小，尺寸稳定性好。施工工艺性能好。 主要用于涂料(40%) ，如防腐用漆、船舶和汽车用漆等。 在耐腐蚀玻璃钢方面，环氧树脂是耐腐蚀玻璃钢的主要树脂品种之一，广泛用于贮槽、管道、塔器、风机、烟囟及建筑防腐等方面。 （3 ）不饱和聚酯（UP ） 不饱和聚酯树脂 UP 是由二元醇和不饱和二元酸经缩聚而得的产物，改变二元醇和二元酸的品种和数量，可以获得各种性能的缩聚物国内，目前已工业化生产
25、的不饱和聚酯树脂有 100 多种牌号。 不饱和聚酯树脂 UP 在固化前是长链型分子，相对分子质量一般为 1003000，这些不饱和的长链可以与不饱和单体交联形成复杂结构的网状分子。 UP 的特性及用途 它的结构特点在于同时具有酯键和不饱和键。 UP 主要用于玻璃钢和涂料。在增强塑料中，UP 因在加工固化时不排出水或其他副产物，可在较低的压力和温度下成型。 据 2000 年左右统计，不饱和聚酯树脂 UP 用于增强材料 FRP 的比例达到 85%左右，在 FRP 中占主要用量是建筑材料 12.3%，浴室用品 26%， 净化槽 19.5%，工业用机械材料 12.3%等。近年来，UP 的主流消费为人造
26、大理石、运输器材和浴缸等领域。 3、丁腈橡胶、氯丁橡胶性能上的特点及在过程装备上的应用？ 丁腈橡胶: （1 ）特点 丁腈橡胶是丁二烯和丙烯腈的共聚物，是耐油而著称的特种合成橡胶。耐热性、耐老化性、耐磨性、气密性和耐腐蚀性均优于天然橡胶。耐臭氧性能、电绝缘性能和耐寒性能较差，弹性稍低，价格较贵。丙烯腈含量增加，耐油性能增强，但弹性减弱，当丙烯腈60%时，虽然耐油性特别好，但丧失了弹性。反之，则耐油性差，弹性好。 （2 ）用途 主要用于各种耐油橡胶制品。丙烯腈含量高的更适用于直接与油类接触的橡胶制品，如油封、输油管、油料容器衬里，密封胶垫和胶辊。低丙烯腈含量的丁腈橡胶适用于作低温耐油制品及耐油减震
27、橡胶零件。 氯丁橡胶 : （1 ）特点 物理机械性能与天然橡胶相似；耐燃烧性是通用橡胶中最好的一种；耐老化性、耐热性、耐油性、耐溶剂和化学药品腐蚀性等均比天然橡胶好；自补强性、粘着性、耐水性和气密性等比较优良，有“万能橡胶”之称；电绝缘性差、耐寒性不好、密度大、贮存稳定性差。 （2）用途 主要用于各种模压制品，输油与输送腐蚀性介质的胶管、高速 V 型带、耐热运输带、化工容器衬里，密封垫圈和胶粘剂。尤其是利用其优良的不燃烧性作地下采矿用的各种橡胶制品。4、高分子材料为什么要改性？改性通常有哪些方法？ 由于材料单体的种类有限，而且材料单体的单一的某的些性能比较差，不符合人们所求，所以要对其材料经行改性。所谓的改性是通过物理，机械和化学等作用使高分子材料原有的性能得到改善。 方法：共混改性、化学改性、填充改性、纤维增强与表面改性等
