工程材料网络课程 5 高分子材料 5.1 通用高分子材料

高分子材料虽然相对于其它材料出现较晚，但发展迅速，种类繁多，性能各异，应用遍及国民经济各部门，按性能和用途可分为通用高分子材料、功能高分子材料、聚合物基复合材料、纳米高分子材料等。

5.1.1 通用高分子材料

5.1.1.1 塑料

1.塑料概述

以合成或天然高聚物为基本成分，配以一定的高分子助剂（如填料、增塑剂、稳定剂、着色剂等），经加工塑化成型，并在常温下保持其形状不变的材料，称为塑料。

塑料有许多不同的分类，常用的是按材料的受热行为可分为热塑性塑料和热固性塑料，其中热塑性塑料占塑料总量的80％。按树脂的化学结构有聚烯烃类、聚苯乙烯类、丙烯酸类、聚酰胺类、聚酯类、聚砜类、聚酰亚胺类等。按塑料的使用功能分，把产量大、价格便宜、原料来源丰富、应用面广的称为通用塑料，一般有聚乙烯、聚丙稀、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛和氨基塑料，占塑料总量的80％，其力学性能、热性能都比较差，主要作为非结构材料使用。工程塑料一般是指可以作为结构材料使用，具有优异的力学性能、热性能、尺寸稳定性或能满足特殊要求的某些塑料如聚四氟乙烯、聚酰胺、聚甲醛等。当然这两者有时难以有绝对的界限，如某些通用塑料如聚丙稀、聚苯乙烯经改性之后也可以作为结构材料使用。

塑料根据组分数目又可分为单一组分和多组分塑料。单组分塑料基本是由高聚物组成，典型的是聚四氟乙烯，不加任何助剂。大多数塑料是多组分体系，除高聚物这一基本成分外，还加入添加剂（高分子助剂），助剂能改善材料的加工性能、使用性能以及降低成本。主要的助剂有填料和增强剂、增塑剂、稳定剂、阻燃剂、发泡剂等。

2.通用塑料

⑴聚乙烯（Polyethylene，PE）

聚烯烃（polyolefin PO）是聚烯烃高聚物的总称，一般指乙烯、丙稀、丁烯、苯乙烯的均聚物和共聚物，其中产量最大的是聚乙烯。聚乙烯主要是制成板材、管、薄膜、贮槽和容器等，用于工业、农业及日常生活用品。

聚乙烯按树脂合成工艺的不同，可分为低密度聚乙烯（LDPE），1937年首先工业化生产；高密度聚乙烯（HDPE），1965年工业化生产；同时美国菲利普石油公司开发了中密度聚乙烯（MDPE）。2000年，世界上聚乙烯的总产量大约为4 800万吨，其中LDPE、LLDPE、HDPE分别占33％、24％和34％。

乙烯为生产聚乙烯的主要原料，主要是由石油烷烃热裂解后，分离精制而得。

聚乙烯是仅含有碳氢两种元素的长链脂肪烃，单体对称，结构单元在大分子链中以反式键接。但由于聚合方法的不同，也即表现在大分子的支化程度及结构有较大的差异，如图5–1所示，因而在性能上有明显的不同。高压法是自由基聚合机理，在反应中容易发生大分子间和大分子内链转移，导致LDPE支化度高，长短支链不规整，呈树枝状，分子量低，分子量分布宽，故结晶度低，机械强度低。低压法是按配位机理聚合，使得HDPE支化度低，线型结构，分子量高，分子量分布窄，因而结晶度高。

图5–1 三种形态的聚乙烯

制品的耐热性好，机械强度比LDPE高。LLDPE由于具有规整的短支链结构，虽然结晶度和密度与LDPE相似，抗撕裂性和耐应力开裂性比LDPE和HDPE高。超高分子量聚乙烯由于巨大的分子量，增加了大分子间的缠绕程度，虽然结晶度、密度介于LDPE和HDPE之间，但冲击强度和拉伸强度都成倍的增加，并具有高的耐磨、自润滑性，使用温度在100℃以上。

聚乙烯为不透明或半透明的蜡状固体，无毒、无嗅，无味，几乎不吸水，密度比水小，聚乙烯的物理机械性能依赖于结晶度，具体数据见表10–1。但LDPE、HDPE和LLDPE三者都存在蠕变大、尺寸稳定性差，不能做结构件使用。UHMW－PE是强而韧的材料，具有优异的性能，耐磨、自润滑、蠕变低，可以做传动零件。

表10–1 各种聚乙烯性能比较