(高分子合成工艺学课件)第一章绪论.ppt
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- 高分子 合成 工艺学 课件 第一章 绪论
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1、高高 聚物聚物 合合 成成 工工 艺艺 学学 Technology of Polymer Synthesis材料学院高分子系材料学院高分子系 卢珣卢珣SCUTCellphone:13660511206v一点建议一点建议课程目的课程目的v了解高分子合成工业中主要原料来源及合成工了解高分子合成工业中主要原料来源及合成工艺路线艺路线,掌握常用聚合物的工业制备方法、生,掌握常用聚合物的工业制备方法、生产设备、工艺流程等。产设备、工艺流程等。v熟悉高分子合成材料领域中重要品种的结构,熟悉高分子合成材料领域中重要品种的结构,性能与应用情况。性能与应用情况。v了解世界及我国高分子合成材料的发展及现状。了解世
2、界及我国高分子合成材料的发展及现状。课程重点课程重点F自由基聚合的主要生产设备、操作工艺特点。自由基聚合的主要生产设备、操作工艺特点。F自由基聚合生产的主要高分子合成材料品种的自由基聚合生产的主要高分子合成材料品种的性能及应用。性能及应用。F聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酯、丁、聚酯、丁苯橡胶等几种通用塑料、橡胶及环氧树脂、聚苯橡胶等几种通用塑料、橡胶及环氧树脂、聚氨酯的制备方法、工艺。氨酯的制备方法、工艺。塑料塑料三大合成材料三大合成材料合成橡胶合成橡胶合成纤维合成纤维用量较大的品种还有:用量较大的品种还有:涂料涂料粘合剂粘合剂and第一章第一章 绪绪 论论v
3、 塑料塑料:以树脂为主要成分,以增塑剂、填充剂、着:以树脂为主要成分,以增塑剂、填充剂、着色剂等添加剂为辅助成分,在加工过程中可塑制成色剂等添加剂为辅助成分,在加工过程中可塑制成一定形状,成型产品最终能保持形状不变的材料。一定形状,成型产品最终能保持形状不变的材料。v 树脂树脂:受热后有软化或熔融范围,软化时在外:受热后有软化或熔融范围,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有机聚合物。广义地讲,可以作时也可以是液态的有机聚合物。广义地讲,可以作为塑料制品加工原料的任何聚合物都称为树脂。为塑料制品加工原料的任何聚合物都
4、称为树脂。 塑料的分类塑料的分类热塑性塑料:热塑性塑料:在特定温度范在特定温度范围内能反复加围内能反复加热软化和冷却热软化和冷却硬化。硬化。热固性塑料:热固性塑料:固化成型后受固化成型后受热不能熔化,热不能熔化,强热则分解。强热则分解。通用塑料通用塑料工程塑料工程塑料特种塑料特种塑料 聚乙烯聚乙烯聚丙烯聚丙烯聚氯聚氯乙烯乙烯聚苯聚苯乙烯乙烯ABS五大通用塑料五大通用塑料 塑料的性能评价塑料的性能评价 基本性能基本性能 密度:密度: 0.830.832.22.2之间,多在之间,多在1 11.51.5。相对密度小于。相对密度小于1 1的为聚的为聚烯烃类塑料(无填料)。密度最大为烯烃类塑料(无填料)
5、。密度最大为聚四氟乙烯聚四氟乙烯(相(相对密度对密度2.22.2),泡沫塑料相对密度),泡沫塑料相对密度0.010.010.50.5。 吸水性:吸水性: 高于金属材料和大部分的无机材料。结构单元中含极高于金属材料和大部分的无机材料。结构单元中含极性基团的吸水性较大性基团的吸水性较大。 透气性:透气性: 定义:定义:一定厚度的薄膜在一定时间、一定压力下单位面一定厚度的薄膜在一定时间、一定压力下单位面积所透过的气体体积。积所透过的气体体积。 塑料薄膜的透气性与材料的化学结构和气体的种类有关。塑料薄膜的透气性与材料的化学结构和气体的种类有关。 气密性好的高聚物应具备:主链分布适当极性基团、刚气密性好
6、的高聚物应具备:主链分布适当极性基团、刚性、结晶度高或分子间有作用力。性、结晶度高或分子间有作用力。 塑料品种不同,其强度性能相差很大。塑料品种不同,其强度性能相差很大。 一般说,塑料的强度高于非金属材料,低于金属一般说,塑料的强度高于非金属材料,低于金属材料。但增强塑料材料的机械性能则可以与金属材料。但增强塑料材料的机械性能则可以与金属相比较(用比强度表示,强度相比较(用比强度表示,强度/ /比重)。比重)。 塑料的硬度差,但属韧性材料。塑料的硬度差,但属韧性材料。Tab.1.1 Tab.1.1 不同材料的强度性能不同材料的强度性能材料材料拉伸强度拉伸强度MPa弯曲强度弯曲强度MPa弹性模量
7、弹性模量GPa缺口冲击强缺口冲击强度度 J/m高密度聚乙烯高密度聚乙烯22223838242439390.80.80.90.9不断不断聚丙烯聚丙烯334141562.13.427110尼龙尼龙6,681873.150160聚碳酸酯聚碳酸酯66961042.22.4640960聚酰亚胺聚酰亚胺(PI)931103.150芳纶芳纶Kevlar纤维纤维2800127.4Kevlar/PI44827.6陶瓷陶瓷17.248.437.382.968.6中碳钢中碳钢558.6735.52066860轻金属合金轻金属合金372.4421.770.63920 热性能热性能 主要从以下几方面进行评价。主要从以下
8、几方面进行评价。 耐热性:耐热性: 用在一定负荷下,形状变化达到规定范围的温度表示。用在一定负荷下,形状变化达到规定范围的温度表示。马丁耐热温度、维卡耐热温度、热扭变温度马丁耐热温度、维卡耐热温度、热扭变温度等是测定塑等是测定塑料形状稳定温度的方法。料形状稳定温度的方法。 塑料的长期使用最高温度:塑料的长期使用最高温度:热塑性通用塑料热塑性通用塑料多为多为6060100100,工程塑料工程塑料可在可在120120左右连续使用,左右连续使用,耐高温材料耐高温材料(聚酰亚胺,聚砜等)连续使用温度可达(聚酰亚胺,聚砜等)连续使用温度可达250250300300。 导热性导热性 塑料的导热性差,无定型
9、结构更低,结晶聚合物导热系塑料的导热性差,无定型结构更低,结晶聚合物导热系数稍高,泡沫塑料的导热系数更小。数稍高,泡沫塑料的导热系数更小。 热膨胀系数热膨胀系数 塑料的热膨胀系数(塑料的热膨胀系数(6 6252510105 5)大于其它材料(金)大于其它材料(金属属9 929029010105 5) ,设计塑料模具、零件及与其它材,设计塑料模具、零件及与其它材料配合时,应考虑二者膨胀系数的匹配。料配合时,应考虑二者膨胀系数的匹配。 电性能电性能 塑料是不良导体,是良好的绝缘材料。体积电阻塑料是不良导体,是良好的绝缘材料。体积电阻率在率在10101010101019 19 cmcm范围。范围。
10、阻燃性阻燃性 塑料基本都是含碳高分子材料。所以绝大多数可塑料基本都是含碳高分子材料。所以绝大多数可燃。添加阻燃剂,可以提高塑料的阻燃性能。燃。添加阻燃剂,可以提高塑料的阻燃性能。 稳定性:稳定性: 耐化学腐蚀性、老化性能、耐候性等耐化学腐蚀性、老化性能、耐候性等 塑料的耐化学腐蚀优于金属和木材。塑料的耐化学腐蚀优于金属和木材。主链带有极性主链带有极性基团基团的塑料耐酸碱性好,的塑料耐酸碱性好,聚四氟乙烯聚四氟乙烯最佳最佳“塑塑料王料王”。 高聚物在自然环境下长期使用会导致性能下降以至高聚物在自然环境下长期使用会导致性能下降以至损坏,即发生老化现象。需加入各种稳定剂抗氧损坏,即发生老化现象。需加
11、入各种稳定剂抗氧剂、紫外线吸收剂等剂、紫外线吸收剂等。 大多数塑料质轻,化学稳定性好,不会锈蚀大多数塑料质轻,化学稳定性好,不会锈蚀; 耐冲击性好;耐冲击性好; 具有较好的透明性和耐磨耗性;具有较好的透明性和耐磨耗性; 绝缘性好绝缘性好,导热性低;,导热性低; 成型性一般、加工成本低;成型性一般、加工成本低; 大部分塑料耐热差,热膨胀率大,易燃大部分塑料耐热差,热膨胀率大,易燃; 尺寸稳定性差,容易变形;尺寸稳定性差,容易变形; 多数塑料耐低温性差,低温下变脆;多数塑料耐低温性差,低温下变脆; 容易老化容易老化; 名称名称简称简称英文英文名称名称简称简称英文英文聚乙烯聚乙烯PEpolyethy
12、lene聚碳酸酯聚碳酸酯PCpolycarbonate聚丙烯聚丙烯PPpolypropylene聚丙烯酰聚丙烯酰胺胺PAMpolyacrylamide聚苯乙烯聚苯乙烯PSpolystyrene聚甲基丙聚甲基丙烯酯甲酯烯酯甲酯PMMApolymethylmethacrylate聚氯乙烯聚氯乙烯PVCPolyvinyl chloride聚醋酸乙聚醋酸乙烯烯PVAcpolyvinyl acetate聚四氟乙烯聚四氟乙烯PTFEpolytetrafluoroethylene聚乙烯醇聚乙烯醇PVApolyvinyl alcohol聚丙烯酸聚丙烯酸PAApolyacrylic acid聚丁二烯聚丁二烯PB
13、polybutadiene热塑性聚酯热塑性聚酯PETPBTpolyester聚丙烯腈聚丙烯腈PANpolyacrylnitrile线型结构的高分子量合成树脂,经过适当的方法纺丝线型结构的高分子量合成树脂,经过适当的方法纺丝得到的纤维。得到的纤维。品种远少于塑料,主要有:品种远少于塑料,主要有:聚酯纤维(涤纶纤维)、聚酯纤维(涤纶纤维)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚酰胺纤维(尼龙)、聚丙聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚酰胺纤维(尼龙)、聚丙烯纤维(丙纶)、聚氨酯纤维(氨纶)等。烯纤维(丙纶)、聚氨酯纤维(氨纶)等。优点:强度高、耐候性和耐化学腐蚀性好。优点:强度高、耐候性和耐化学腐蚀性好。缺点:吸湿性差、易
14、产生静电。缺点:吸湿性差、易产生静电。 1.1.3 1.1.3 合成橡胶合成橡胶是用化学方法生产的弹性体材料,经过硫化加工后是用化学方法生产的弹性体材料,经过硫化加工后可制成各种橡胶制品。可制成各种橡胶制品。分为通用橡胶和特种橡胶分为通用橡胶和特种橡胶主要品种有:主要品种有:丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、乙丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚氨酯弹性丙橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚氨酯弹性体体等。等。特点:高弹性和良好伸长率、耐磨、耐低温、耐油、特点:高弹性和良好伸长率、耐磨、耐低温、耐油、耐腐蚀等。耐腐蚀等。v产量巨大,产量巨大,20042004年,全球仅
15、合成树脂的产年,全球仅合成树脂的产量已超过量已超过2 2亿吨。亿吨。v用途及其广泛,已渗透到科研、生产和日用途及其广泛,已渗透到科研、生产和日常生活的所有领域。常生活的所有领域。全球合成树脂近年产量变化示意图全球合成树脂近年产量变化示意图2004年年2000年年1995年年1991年年2.12 亿吨亿吨1.78 亿吨亿吨1.2 亿吨亿吨1 亿吨亿吨20002000年世界合成树脂产量分布示意图年世界合成树脂产量分布示意图1.2 1.2 高分子科学技术发展大事记高分子科学技术发展大事记 世界:世界:v18391839年年美国人美国人古德伊尔古德伊尔(Charles Goodyear)(Charle
16、s Goodyear)发现天然发现天然橡胶与硫磺共热后可变成胶皮,使它从硬度较低、遇热橡胶与硫磺共热后可变成胶皮,使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质,变为富有弹发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质,变为富有弹性、可塑性的材料。性、可塑性的材料。v18691869年,美国的年,美国的海厄特海厄特(John Wesley Hyatt)(John Wesley Hyatt)把硝化纤把硝化纤维素、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热,制造出第一维素、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热,制造出第一种人工合成塑料种人工合成塑料“赛璐珞赛璐珞”(cellulose)(cellulose)。v19
17、091909年,美国人年,美国人贝克兰贝克兰(Leo Baekeland)(Leo Baekeland)用苯酚与甲醛用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料反应制造出第一种完全人工合成的塑料-酚醛树酯酚醛树酯。v19201920年,年,施陶丁格施陶丁格(Hermann Staudinger)(Hermann Staudinger)发表论文提发表论文提出:高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化出:高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应学反应( (聚合聚合) ),通过化学键连接在一起的大分子化合,通过化学键连接在一起的大分子化合物,高分子或聚合物一词即源于此;物,高分子或聚合物
18、一词即源于此; 19291929年美国化学年美国化学家家Wallace H. CarothersWallace H. Carothers提出了缩聚理论;均为高分提出了缩聚理论;均为高分子科学和高分子化学工业的发展奠定了基础子科学和高分子化学工业的发展奠定了基础 。v 19261926年,美国化学家年,美国化学家Waldo SemonWaldo Semon制得制得聚氯乙烯材料聚氯乙烯材料,并于,并于19271927年年实现了工业化生产(实现了工业化生产(Goodrich Co.Goodrich Co.) ) 。 v 1930s1930s,本体法,本体法PSPS工业化(工业化(IGFarhern,
19、IGFarhern,德国法本公司德国法本公司)。)。v 19301930年,德国人用金属钠作为催化剂,用丁二烯合成出年,德国人用金属钠作为催化剂,用丁二烯合成出丁苯橡胶丁苯橡胶。v 19311931年年, ,美国罗姆美国罗姆- -哈斯公司以本体法生产哈斯公司以本体法生产聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯。v 19351935年,年,DuPontDuPont的的Wallace H. CarothersWallace H. Carothers合成出合成出尼龙尼龙。尼龙在。尼龙在19381938年实现工业化生产。年实现工业化生产。v 19391939年,英帝国化学公司生产出高压聚乙烯。年,英帝国化学公
20、司生产出高压聚乙烯。v 19401940年,英国人温费尔德年,英国人温费尔德( (T.R.WhinfieldT.R.Whinfield) )合成出聚酯纤维合成出聚酯纤维( (PETPET), ), 19531953年工业化(年工业化(DuPont Co.DuPont Co.)。)。v1950s1950s,德国人齐格勒,德国人齐格勒( (Karl ZieglerKarl Ziegler) )与意大利人纳塔与意大利人纳塔( (Giulio NattaGiulio Natta) )分别用金属络合催化剂(烷基铝分别用金属络合催化剂(烷基铝TiClTiCl3 3)合成了)合成了高密度聚乙烯与聚丙烯高密度
21、聚乙烯与聚丙烯。v19551955年,美国人年,美国人S.E.HorneS.E.Horne利用齐格勒利用齐格勒- -纳塔催化剂聚合纳塔催化剂聚合异戊二烯,首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本异戊二烯,首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的一样的合成天然橡胶合成天然橡胶(Goodrich Co.Goodrich Co.) 。v19711971年,年,S.L WolekS.L Wolek 发明可耐发明可耐300300高温高温KevlarKevlar(聚对聚对苯二酰对苯二胺苯二酰对苯二胺,芳纶)。,芳纶)。(DuPont Co.)(DuPont Co.)中国:中国:v 1921 1921年年
22、上海胜德赛珍厂上海胜德赛珍厂(现胜德塑料厂)开始生产(现胜德塑料厂)开始生产赛璐珞赛璐珞制品,制品,19261926年年上海胜德赛珍厂上海胜德赛珍厂生产生产酚醛树脂及酚醛树脂及模塑粉模塑粉(电木粉)。(电木粉)。v 1949 1949年中国塑料产量约年中国塑料产量约400t400t左右左右( (20112011年中国塑料产年中国塑料产量量47984798万吨)。万吨)。 v 1958 1958年,在年,在四川长寿化工厂四川长寿化工厂建成年产建成年产2 2万吨的万吨的氯丁橡氯丁橡胶胶厂厂, , 技术资料部分从苏联引进技术资料部分从苏联引进, , 这是我国第这是我国第1 1个现个现代高分子产业。代
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