高分子合成与材料成型加工工艺

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第一部分　高分子合成工艺
　　第1章　绪论
　　1.1　高分子合成工业概述
　　1.1.1　高分子材料
　　材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。因此，材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。由于材料多种多样，故有多种分类方法，按照物理化学属性，材料可分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料。20世纪30年代末，由于玻璃纤维增强塑料的发明，人们将这类由两个或两个以上独立的物理相，包括黏结材料(基体)和粒料、纤维或片状材料所组成的固体物质命名为复合材料，如从古至今沿用的稻草或麦秸增强黏土和已使用上百年的钢筋混凝土等。于是，材料又分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料四大类(图1-1)。
　　图1-1　材料发展进程图
　　有机高分子材料常简称高分子材料，是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物通常又称为聚合物(polymer)、高聚物、高分子(macromolecule)。高分子化合物是指以化学键相连接的大量有机小分子的聚集体，分子量常高达104～106，具有许多与小分子化合物截然不同的性质和性能。人工合成的高分子材料制品是由高分子材料通过成型加工制成的，包括塑料制品、橡胶制品、纤维制品和高分子复合材料制品等。
　　1. 高分子材料的种类
　　1)按来源分类
　　高分子材料按照其来源可以分为天然高分子材料和合成高分子材料两大类。
　　(1)天然高分子材料。人类在长期的生产和生活中获得了利用天然有机材料的丰富知识，这些天然有机材料包括生皮、蚕丝、羊毛、棉花、木材及天然橡胶等。它们都是由天然高分子化合物所组成，因此可统称为天然高分子材料。例如，大约在11世纪，南美洲人就已使用天然橡胶球做游戏和做祭祀了。但是橡胶真正成为一种实用材料，是在美国化学家古德伊尔研究成功硫化工艺之后。橡胶硫化后可以制作轮胎，应用于自行车和汽车等。
　　(2)合成高分子材料。随着生产的发展和科学技术的进步，天然高分子材料远不能满足需要。通过适当方法可将高分子化合物制成塑料制品、合成纤维制品、橡胶制品等，还可用作涂料、胶黏剂、离子交换树脂等材料。这些用合成高分子化合物为基础制造的有机材料统称为合成高分子材料。由于高分子化合物的系统命名比较复杂，习惯上天然高分子常用俗名，如杜仲胶、琼脂等。合成高分子则通常按其制备方法及原料名称命名。例如，用加聚反应制得的高分子，往往是在原料名称前加“聚”字命名，如聚氯乙烯、聚苯乙烯等；用缩聚反应制得的高分子，则大多数是在简化后的原料名称后加“树脂”二字，如酚醛树脂、环氧树脂等；加聚物在未制成制品前也常用“树脂”作为名称，如聚氯乙烯树脂、聚乙烯树脂等。广义地讲，未制成制品之前的人工合成的高分子都可称为合成树脂。合成树脂通常是指受热后软化或有熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的由人工合成的非高弹性聚合物。合成橡胶是用化学方法人工合成的高弹性聚合物。
　　至今，人类已合成了大量品种繁多、性能各异的合成高分子材料。例如，20世纪初人类首次合成出酚醛树脂，这是最早实现工业化的合成高分子材料；1935年美国杜邦公司卡罗塞斯博士等合成了人造纤维——尼龙(聚酰胺树脂)，尼龙制作的合成纤维纺织品拥有“像蛛丝一样细，像钢丝一样强，像绢丝一样美”的赞誉。如今，天然高分子材料和合成高分子材料在人类的生活中无处不在，主要用途见图1-2。
　　合成工艺学所研究的对象主要是合成高分子材料，由于合成塑料、合成纤维、合成橡胶在所有合成高分子材料中产量最大，与国民经济和人民生活关系密切，因此合成塑料、合成纤维、合成橡胶被称为三大合成高分子材料。
　　2)按用途和应用性能分类
　　高分子材料按用途和应用性能可以分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂、功能高分子材料和高分子复合材料等。
　　(1)塑料。塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为基本成分，配以一定助剂，塑造成的具有一定形状并且能够保持这种形状不变的材料。其分子间力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间，具有质轻、绝缘、耐腐蚀、美观、制品形式多样化等特点。
　　塑料根据生产及使用情况分为通用塑料和工程塑料。
　　通用塑料产量大、成本低、性能多样化，主要用来生产日用品和一般工农业用材料，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、酚醛树脂(PF)、脲醛树脂(UF)等。例如，聚氯乙烯塑料可制成人造革、塑料薄膜、泡沫塑料、耐化学腐蚀用板材、电缆绝缘层等。
　　图1-2　天然高分子材料和合成高分子材料的用途
　　工程塑料产量不大、成本较高，但具有优良的机械强度或耐摩擦、耐热、耐化学腐蚀等特性，可作为工程材料制成轴承、齿轮等机械零件以代替金属、陶瓷等，如聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)等。
　　塑料根据受热后的特性分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料可反复受热软化或熔融，如聚乙烯、聚氯乙烯等；热固性塑料经固化成型后，再受热不能熔化，强热则分解，如酚醛树脂、环氧树脂等。热塑性塑料为线型结构的高分子，受热时可以软化和流动，可以反复多次塑化成型，次品和废品可以回收利用，再加工成产品；一般来说，热塑性塑料的柔韧性好、脆性低，但是刚性、耐热性和尺寸稳定性较差。热固性塑料为体型结构的高分子，一经成型便发生固化，再加热不能软化，不能反复加工成型；热固性塑料通常刚性好、耐热、不容易变形。热塑性塑料和热固性塑料的共同特点是有较好的机械强度(尤其是体型结构的高分子)，可作为结构材料使用。其性能比较见表1-1。
　　表1-1　热塑性塑料和热固性塑料性能比较
　　(2)橡胶(主要指人工合成橡胶)。合成橡胶是用化学方法合成的弹性体，经硫化加工可制成各种橡胶制品，通常与天然橡胶混合使用。某些种类的合成橡胶具有较天然橡胶更为优良的耐热、耐磨、耐老化、耐腐蚀或耐油等性能。
　　根据产量、用途和使用情况，合成橡胶可分为通用合成橡胶与特种合成橡胶两大类。
　　通用合成橡胶如丁苯橡胶、丁基橡胶、顺丁橡胶、乙丙橡胶、异戊橡胶等，主要用于生产轮胎、胶鞋、胶管、胶带等。
　　特种合成橡胶是具有特殊性能的橡胶，主要用于生产耐热、耐老化、耐油或耐腐蚀等特殊用途的橡胶制品，如氟橡胶、有机硅橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶、氯醇橡胶等。
　　(3)纤维。纤维分为天然纤维和化学纤维。天然纤维指蚕丝、棉、麻、毛等天然高分子材料。化学纤维是以线型结构的高分子化合物(如天然高分子或合成高分子)为原料，经过纺丝和后处理制得的材料。纤维的分子间力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。纤维的特点是能抽丝成型，有较好的强度和屈挠性能，可作纺织材料使用。
　　化学纤维又可分为人造纤维(如黏胶纤维、醋酸纤维等)和合成纤维(如尼龙纤维、涤纶纤维等)。人造纤维是用天然高分子(如短棉绒、竹、木、毛发等)经化学加工处理、抽丝而成。合成纤维是用小分子原料合成的线型结构的高分子合成树脂通过纺丝得到的材料。合成纤维的化学组成和天然纤维完全不同，是从一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质，如石油、煤、天然气、石灰石或农副产品，先合成单体，再用化学合成与机械加工的方法制成纤维，如聚酯纤维(涤纶纤维)、聚丙烯腈纤维(腈纶纤维)、聚酰胺纤维(锦纶纤维或尼龙纤维)、聚乙烯醇缩甲醛纤维(维纶纤维)、聚丙烯纤维(丙纶纤维)、聚氯乙烯纤维(氯纶纤维)等。全世界范围以聚酯纤维、聚丙烯腈纤维和聚酰胺纤维三种合成纤维产量最大。此外，具有耐高温、耐腐蚀或耐辐射的特种用途的合成纤维有聚芳酰胺纤维、聚酰亚胺纤维等。
　　合成纤维的优点：与天然纤维相比较，合成纤维强度高、耐摩擦、不被虫蛀、耐化学腐蚀等。缺点：不易着色，未经处理时易产生静电荷，多数合成纤维的吸湿性差，因此制成的衣物易污染、不吸汗，夏天穿着时易感到闷热。几种常见纤维的显微外观结构见表1-2。