合成高分子材料

合成高分子材料

合成高分子材料主要包括合成树脂、合成橡胶和合成纤维三大类。

合成树脂主要用于制备建筑塑料、建筑涂料和胶粘剂等，是用量最大的合成高分子材料。 合成橡胶主要用于防水密封材料、桥梁支座和沥青改性材料等，用量仅次于合成树脂。 合成纤维主要用于土工织物、纤维增强水泥、纤维增强塑料和膜结构用膜材料等，用量也在不断增加。

高分子化合物的概述

基本知识

一、基本概念

高分子化合物又称高聚物或聚合物，其分子量很大，一般为104～106。其分子往往由许多相同的、简单的结构单元，通过共价键重复连接而成。其中每个单元称为“链节”，结构单元的重复数量称为“聚合度”。

二、聚合物的分类

按聚合物的来源：天然聚合物和合成聚合物；

按分子结构：线型聚合物和体型聚合物；

按聚合物受热的行为：热塑性聚合物和热固性聚合物；

按主链元素：碳链高分子（主链只含碳元素）、杂链高分子（主链含碳、氧、氮、磷等元素）、元素有机高分子（主链不含碳元素）和无机高分子（主链不含有机元素）。

三、聚合物的命名

天然聚合物用专有名称，如纤维素、淀粉、蛋白质等；

合成聚合物在单体名称前加上“聚”字，例如聚氯乙烯、聚苯乙烯等；也可在原料名称后加“树脂”、“橡胶”、“纤维”等来命名.

四、聚合反应

加聚反应：以单体通过加成的方式，聚合形成聚合物的反应。

缩聚反应：含有两个以上官能团的单体，通过官能团间的反应生成聚合物的反应。缩聚反应聚合物分子链增长过程是逐步反应，同时伴有低分子副产物如水、氨、甲醇等的生成。

聚合物的结构与性质

一、聚合物的分子结构

分为为线型聚合物和体型聚合物。

（一）线型聚合物

定义：线型聚合物的大分子链排列成线状主链（如图8－1a），有时带有支链（如图8－1b），且线状大分子间以分子间力结合在一起。具有线型结构的聚合物包括全部加聚树脂和部分缩聚树脂。

特性：具有线型结构的树脂，强度较低，弹性模量较小，变形较大，耐热、耐腐蚀性较差，且可溶可熔。支链型聚合物因分子排列较松，分子间作用力较弱，因而密度、熔点及强度等低干线型聚合物。线型聚合物树脂均为热塑性树脂。

（二）体型聚合物

定义：线型大分子通过化学键交联作用而形成的三维网状结构，又称网状或体型结构（如图8～1c），部分缩合树脂具有体型结构（交联或固化前也为线型或支链型分子）。

特性：缩合树脂的强度高，弹性模量较大，变形较小，较硬脆，且塑性小，耐热性、耐腐蚀

性较好，不溶不熔。体型聚合物树脂均为热固性树脂。

二、聚合物的聚集态结构

定义：聚集态结构就是指分子链间的排列、堆砌方式和规律。可分为晶态结构、非晶态结构、取向态结构和织态结构等聚集状态。

晶态结构：聚合物的结晶为部分结晶，即在结晶聚合物中存在“晶区”和“非晶区”，且大分子链可以同时跨越几个晶区和非晶区。晶区所占的百分比称为结晶度。结晶度越高，则聚合物的密度、弹性模量、强度、耐热性、折光系数等越高，而冲击韧性、粘附力、断裂伸长率、溶解度等越低。晶态聚合物一般为不透明或半透明状，非晶态聚合物则一般为透明状。体型聚合物只有非晶态结构。

取向态结构：指聚合物在一维或二维方向的有序排列结构。取向在工业生产中得到了广泛应用。例如，在合成纤维生产中，采用热牵引工艺，使分子链取向，可提高纤维的强度和弹性模量。聚乙烯纤维未取向时的抗拉强度约为60～80MPa，而取向后的强度可达800MPa。 织态结构：指将两种或两种以上的聚合物或不同分子量的同种聚合物混合而得到的材料结构，属非均相体系结构。由一个分散相和一个连续相组成的两相共混物应用最多。

三、聚合物的物理状态和特点

聚合物的物理状态可根据温度－变形曲线划分，线型非晶态聚合物分为玻璃态、高弹态和粘流态三种物理状态。

玻璃化转变温度（Tg）：温度升高到Tg以上后，分子动能增加，分子链段能运动，但大分子链的运动仍被冻结，聚合物弹性模量较小，在外力作用下，产生较大的变形，且变形是可恢复的，这种状态称为高弹态。

玻璃化转变粘流温度（Tf）：当温度升高Tf到以上后，分子动能增加到链段和整个大分子链都可以运动，聚合物成为可以流动的粘稠液体，此时，聚合物在外力作用下，分子间相互滑动，产生粘性流动，外力除去后保持变形，变形不可逆。

四、聚合物的老化

定义：在使用过程中，聚合物会由于光、热、空气（氧和臭氧）等的作用而发生结构或组成的变化，从而出现各种性能劣化现象，如出现变色、变硬、龟裂、发粘、发软、变形、斑点、机械强度降低等，称为聚合物的老化。

分类：聚合物的老化分为热老化和光老化两类。

常用的聚合物

一、合成树脂

（一）热塑性树脂

1.聚乙烯(PE)

定义：聚乙烯（PE）是由乙烯单体聚合而成的，根据聚合反应时采用的引发剂、聚合条件的不同可得到性质不同的产品。

分类：高压聚乙烯和低压聚乙烯。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和线性低密度聚乙烯（LLDPE）。

性质：聚乙烯塑料无臭、无毒，原料来源丰富，价格较低，且具有优异的耐低温性（最低使用温度可达－70℃～－100℃）、化学稳定性、电绝缘性和加工性能。

用途：在建筑中，聚乙烯主要用于生产防水材料（薄膜、卷材等）、给排水管材（冷水）、电绝缘材料、水箱和卫生洁具等。

2.聚氯乙烯(PVC)

定义：氯乙烯通过自由基聚合，用悬浮法、乳液法或本体法制成白色粉未或糊状的树脂。 性质：有良好的耐化学腐蚀性，但质脆而硬，较少弹性。通过添加增塑剂可以改善PVC

的柔韧性。

用途：硬质聚氯乙烯主要用作天沟、落水管、外墙覆面板、天窗及给排水管。软质聚氯乙烯常加工为片材、板材、型材等，如卷材地板、块状地板、壁纸、防水卷材和止水带等。在PVC中混入大量的碳酸钙制成钙塑料可以提高塑料的硬度、降低成本，用于代替钢材和木材制作塑料门窗、楼梯扶手、地板、天花板和电线套管等，将PVC轻度发泡可以制成塑料地毯和塑料壁纸等。

3.聚苯乙烯(PS)

定义：聚苯乙烯（PS）的均聚物是由苯乙烯单体聚合而得。

性质：质地坚硬，化学性能和电绝缘性能优良，易于成型出各类色彩鲜艳、表面光洁的制品。但PS耐热性差、质脆。

用途：改性后可以用于建筑中聚苯乙烯主要用于制作泡沫塑料，其隔热保温性能优异。此外，聚苯乙烯也常用于涂料和防水薄膜的生产。ABS树脂主要用于生产塑料装饰板和管材等。还有常用的安居板。

4.聚丙烯(PP)

5.聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是透明、无毒无味的无定形热塑性树脂，其最大优点是具有优异的光学性能，对可见光的透过率可达92％，对紫外线的透过率达73.5％，均优于普通无机硅酸

盐玻璃，并具有较好的耐气候老化性，质轻（约为无机玻璃的1/2），抗冲击强度较高。 在建筑中，聚甲基丙烯酸甲酯主要用作采光天窗、防震玻璃、室内装饰等，以适当方式对其增强后，也可用于制作透明管材及其他建筑制品。

（二）热固性树脂

1.酚醛树脂（PF）

定义：酚醛树脂是酚类和醛类化合物经缩聚反应而得的树脂的统称，其中应用较多的是苯酚－甲醛缩聚物（PF）。当所用催化剂的酸碱性以及苯酚／甲醛比例不同时，可以生成热塑性或热固性酚醛树脂，两者能相互转化。

特点：有较好的电性能，密度低，强度较高，具有很高的热强度等，但质脆，抗冲击性能差。 用途：主要用于制造各种层压板和玻璃纤维增强塑料，以及防水涂料、木结构用胶等。

2.脲醛树脂（UF）

定义及特点：脲醛树脂是由甲醛和尿素缩聚而成的聚合物，它具有耐燃、耐电弧、易着色、表面硬度高、而溶剂、本身呈透明状等特点。因此，可制成表面光洁、色彩鲜明的玉状制品（俗称“电玉”），但耐湿性差，受潮气和水的作用易发生变形或开裂，而且耐热性较差。 用途：脲醛树脂主要用于生产木丝板、胶合板、层压板等。经发泡处理后，可制得一种硬质泡沫塑料，用作填充性绝缘材料。经过改性处理的脉醛树脂还可用于制造涂料、胶粘布等。

3.不饱和聚脂树脂（UP）

定义：不饱和聚酯树脂（UP）是指分子链主链上含有不饱和键的聚酯。

特点：多样化，硬质的、有弹性的、柔软的、耐腐蚀的、耐气候老化的或耐燃的，这些性能上的变化形成了UP在应用上的多样化。

用途：用于制造涂料、玻璃纤维增强塑料以及聚合物混凝土的胶结料中，可用于墙面、

地面装饰，制作人造大理石，具有装饰性好、耐磨等特点。

4. 环氧树脂（EP）

环氧树脂（EP）是分子结构中含有环氧基的聚合物。环氧树脂的种类很多，其中用途最广的是环氧氯丙烷与双酚A缩聚得到的双酚A型环氧树脂，这种环氧树脂是线型结构，具有热塑性，应用时必须加入固化剂，使环氧树脂固化。固化剂品种很多，常用的有胺类、酸酐类等。固化后的环氧树脂具有强度高、粘结力强、收缩率小、耐水、耐化学腐蚀性和电绝绣性好等特点，不耐高温。

环氧树脂主要用于结构胶粘剂、玻璃纤维增强塑料、聚合物混凝土以及防底涂料和地坪材料等。

二、合成橡胶

定义: 橡胶是玻璃化转变温度Tg较低，在室温下具有高弹性的聚合物。

特点：在-50～＋150℃范围内，具有极为优异的弹性，在外力作用下，变形量可以达到百分之几百，并且在外力取消后，变形可完全恢复。此外，橡胶还具有良好的抗拉强度、耐疲劳强度，良好的不透水性、不透气性、耐酸碱腐蚀性和电绝缘性等。由于橡胶良好的综合性能，在土木工程中，广泛用作防水材料和密封材料等。

分类: 橡胶按来源分为天然橡胶和合成橡胶。

（一）丁基橡胶（IIR）

定义: 丁基橡胶是通过异丁烯与异戊二烯聚合制备的结晶性非极性橡胶。

特点：丁基橡胶最独特的性能是气密性非常好，水渗透率极低，其耐热性、耐气候老化性能、耐臭氧老化性能也很好。但弹性较低、工艺性能较差、硫化速度慢、粘着性和耐油性等也较差。

用途：丁基橡胶主要用作防水卷材和防水密封材料。

（二）氯丁橡胶（CR）

定义: 氯丁橡胶是通过氯丁二烯聚合制备的结晶性橡胶，。氯丁橡胶是所有合成橡胶中密度最大的，其相对密度约为1.23～1.25，呈浅黄色或棕褐色。

特点：其抗拉强度较高，透气性、耐磨性较好，不易老化，耐油、耐热、难燃、耐臭氧、耐酸碱腐蚀性好，粘结力较强。其缺点是对浓硫酸和浓硝酸的抵抗力较差，电绝缘性也较差。 用途：氯丁橡胶被广泛地用于胶粘剂、门窗密封条、胶带等。

（三）乙丙橡胶（EPM）

定义: 乙丙橡胶是以乙烯、丙烯为主要单体原料共聚的无定形橡胶。根据是否加入第三单体可分为二元乙丙橡胶和三元乙丙橡胶两大类。三元乙丙橡胶生产和使用较多。

特点：有优异的耐老化性能，是现有通用橡胶中耐老化性能最好的，能长期在阳光、潮湿、寒冷的自然环境中使用；耐热性能好，可在120℃的环境中长期使用，最高使用温度达150℃，具有较好的低温性能，最低极限使用温度可达-50℃或更低；具有较好的耐化学腐蚀、耐热水和水蒸气性能；密度是所有橡胶中最低的，其缺点是硫化速度慢，自粘性与互粘性较差，耐燃性、耐油性和气密性差。

用途：主要用于生产防水卷。

（四）丁苯橡胶（SBR）

定义: 丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯的共聚物，通过调节苯乙烯的.含量可以得到不同性能的丁苯橡胶，丁苯橡胶（SBR）是产量和消耗量最大的合成橡胶。

特点：纯丁苯橡胶的强度低，须增强后才具有实际使用价值；其弹性、耐寒性较差，耐撕裂性和粘着性能均较天然橡胶差。但耐热性、耐老化性、耐磨性均优于天然橡胶。

用途：主要用于铺地材料和沥青改性。

（五）硅橡胶（SR）

（六）热塑性弹性体

三、合成纤维

分类：纤维可分为天然纤维（如羊毛、蚕丝、棉花、麻等）和化学纤维两大类，化学纤维按其聚合物来源又可分为人造纤维和合成纤维两类，人造纤维是以天然聚合物为原料经过化学处理后再加工制成的，如粘胶纤维、醋酸纤维、硝酸纤维等；合成纤维是由合成的聚合物制得的，有聚酯纤维、聚酞胺纤维、聚丙烯睛纤维、聚丙烯纤维等品种。

（一）聚酯纤维（的确良）

定义：聚酯纤维是大分子链中的各链节与酯基相连的聚合物纺制而成的合成纤维。

特点：聚酯纤维弹性好、强度大、模量高、吸湿性低、耐热性、耐磨性、耐光老化性能好。 用途：用于土工织物。

（二）聚酰胺纤维（锦纶）

定义：聚酰胺纤维是分子主链由酰胺键连接起来的一类合成纤维。

特点：耐磨性非常好，强度、耐冲击性、弹性、耐疲劳性也很好，而且密度小；聚酰胺纤维的模量低、耐光性、耐热性、抗静电性、染色性、吸湿性较差。

用途：用于绳索、化纤地毯等。

（三）聚丙烯腈纤维

定义：聚丙烯腈纤维是采用丙烯腈三元单体共聚物纺成的纤维，又称腈纶。

特点：弹性模量高、耐光性、耐辐射性、化学稳定性、耐热性好，但强度较低、耐磨性、抗疲劳性较差。

用途：腈纶广泛用于污水处理和碳纤维生产。

（四）聚丙烯纤维（丙纶）

（五）聚乙烯醇纤维（维纶）

土木工程常用的合成高分子材料

建筑塑料

定义：塑料是以合成树脂为主要成分，在一定条件（温度、压力等）下，可塑成一定形状并在常温下保持其形状的高分子材料。

特点：与传统的建筑材料相比，塑料具有质轻、比强度高、化学稳定性好、导热系数小、装饰性和加工性能好及耗能较低的特点。但塑料还有刚度小、易老化、易燃、耐热性差的缺点。 用途：塑料可作为结构材料和功能材料。作为结构材料应用的主要是纤维增强塑料。作为功能材料可用于隔热保温材料、装饰装修材料等。

一、塑料的基本组成

（一）填料

用途：粉状填料有助于提高塑料的热稳定性，降低可燃性，而片状和纤维状填料，则可明显提高塑料的抗拉强度、抗磨强度和大气稳定性等。

（二）增塑剂

用途：聚合物塑性增加的物质。它可降低树脂的粘流温度，使树脂具有较大可塑性，以利于塑料的加工，少量的增塑剂还可降低塑料的硬度和脆性，使塑料具有较好的柔韧性。

（三）稳定剂

用途：抑制或减缓老化的破坏作用的物质。

（四）固化剂

用途：固化剂又称为硬化剂，主要作用是使某些合成树脂的线型结构交联成体型结构，从而使树脂具有热固性。

（五）着色剂

二、土木工程常用的塑料制品

（一）装饰装修制品

1.塑料面砖

2.塑料壁纸

3.塑料地面卷材

4.塑料地板

（二）隔热保温材料

1.泡沫塑料

2.蜂窝塑料板

3.塑料门窗

4.纤维增强塑料（玻璃钢）

建筑涂料

一、涂料的基本组成

（一）成膜物质

成膜物质也称基料，是涂料最主要的成分，其性质对涂料的性能起主要作用。

（二）颜料

（三）溶剂

溶剂通常是用以溶解成膜物质的易挥发性有机液体。涂料涂敷于物体表面后，溶剂基本上应挥发尽，不是一种永久性的组分。

（四）辅料

二、常用的建筑涂料

（一）外墙涂料

1.苯乙烯-丙烯酸酯乳液涂料

2.丙烯酸酯涂料

3.聚氨酯涂料

4.砂壁状涂料(真石漆)

（二）内墙涂料

1.聚醋酸乙烯涂料

2.醋酸乙烯一丙烯酸酯涂料

3.多彩涂料

（三）地面涂料