建筑高分子材料(精选12篇)
建筑高分子材料 篇1
摘要:高分子建材具有质轻, 易于加工, 比强度高, 美观等特点从其产生以后得到了迅速的发展, 本文重点就高分子材料在建筑材料领域中的应用做介绍, 并分析今后高分子材料在建筑材料领域的发展方向。
关键词:高分子材料,建筑材料
高分子材料具有质轻, 易于加工, 比强度高, 美观等特点从其产生以后得到了迅速的发展, 目前已经成为许多行业的支柱, 但在建筑材料领域中, 人们最早使用高分子材料是用作黏结剂、涂料和工程塑料的, 随着科技水平的不断发展, 高分子材料的优点也被进一步的利用, 在建筑材料领域中发挥着越来越重要的作用。以高分子材料为主的新型建筑材料, 主要包括建筑塑料、建筑涂料、建筑防水密封材料、隔热保温材料、建筑胶粘剂以及混凝土外加剂等类型。高分子建筑材料的质量轻, 比强度高, 生产成本低, 易于加工, 在一定范围内可以成为钢材、木材、水泥、陶瓷等高耗能传统材料的替代品;此外, 高分子建筑材料在装饰效果、耐腐蚀性, 以及使用寿命等方面具有显著的优越性, 使得高分子建材得到了广泛的使用。
1 高分子建材是高分子材料与其他材料构成的复合材料
这是由于高分子材料本身硬度低, 强度差的缺点造成的, 通常需要引入不同组分的其他材料以改善高分子建材的性能。国内外对高分子建材的研究与开发, 主要集中在新型产品在满足使用功能的前提下的经济性, 便捷性。
合成高分子材料在建筑行业的应用主要有:
(1) 建筑塑料。主要包括塑料管件 (如PVC-U, PVC-C, PP-R管) , 弹性聚氯乙烯卷材地板, 塑料门窗和装修配件以及一些建筑用保温, 隔热, 隔声材料。在结构材料应用方面有玻璃钢, 屋顶膜, 聚合物基混凝土等。
(2) 建筑涂料 (建筑内外墙涂料及地面涂料等) 。内墙涂料以丙烯酸树脂为基料的乳胶漆为主。它不仅具有良好的施工性 (开罐效果、流变性、涂刷性、成膜性能等) 还具有良好的装饰性能 (耐擦洗性、耐黏污、光感质感等) 。但由于乳胶涂料具有有机挥发物 (VOC) 的释放和透气性差等特点, 对其发展有所影响。外墙涂料有丙烯酸酯乳胶漆, 聚氨酯系外墙涂料, 砂壁状涂料, 浮雕喷涂漆, 氟碳涂料等, 相比内墙涂料, 具有更好的耐水, 耐候和耐污染性。地面涂料有聚氨酯地面涂料, 环氧树脂厚质地面涂料, 环氧自流平地面涂料, 聚醋酸乙烯地面涂料等, 具有良好的耐磨性, 耐水性, 耐碱性。
(3) 建筑胶黏剂。胶黏剂分为热固性树脂胶黏剂和热塑性树脂胶黏剂, 橡胶胶黏剂。包括有聚醋酸乙烯酯乳液胶黏剂, 聚乙醇缩甲醛胶, 环氧树脂胶, α氰基丙烯酸酯胶黏剂。在装饰材料和特种功能材料的安装使用时, 均会涉及建筑胶黏剂的使用。黏结剂具有灵活, 方便, 可靠等特点。
(4) 建筑防水材料 (包括防水涂料, 防水卷材、片材和嵌缝材料) 。防水涂料主要是以煤焦油聚氨酯和纯聚氨酯两种。由于环保因素, 重点发展环保型聚氨酯防水涂料、丙烯防水涂料和橡胶改性厚质沥青防水涂料。高分子防水建材主要包括聚乙烯丙纶类防水材料;橡胶塑料类防水材料, 如氯丁橡胶、丁基橡胶、三元乙丙橡胶、聚氯乙烯、聚异丁烯和聚氨酯等。高分子防水材料具有抗渗透能力强, 抗拉强度高, 稳定性好, 耐水性和耐候性好, 使用寿命长等综合技术性能。
(5) 混凝土外加剂。高分子混凝土外加剂包括有减水剂, 引气剂等。属于有机高分子表面活性剂一种, 减水剂和引气剂的使用降低了水灰比, 增加了混凝土的流动性能, 有利于形成密实的混凝土, 可以充分满足不同工程特定性能需要和均质性良好的高性能混凝土。主要品种有β-萘磺酸甲醛高缩聚物, 磺化三聚氰胺甲醛聚合物和聚羧酸盐等。
2 新型高分子建材发展的趋势
2.1 复合化
它是指在一定条件下, 通过复合技术将不同性质间具有复合可能性的材料按适当的比例, 再经过特定的工艺条件, 将材料间的优异性能有效地结合起来, 而得到性能优良的复合材料。如减水剂与早强剂复合使用要优于单一使用的效果, 纤维增强混凝土, 聚合物基混凝土的使用, 大大地拓宽了混凝土的使用范围, 使得混凝土能够满足不同场合的使用条件, 同时进一步提升了建筑材料的使用寿命。
2.2 多功能化
它是指伴随新型建筑技术的发展, 要求新型建筑材料向多功能方向发展的趋势。即要求材料在满足使用的基本条件外, 还应兼具有其他如自清洁, 自修复, 抑菌, 防辐射, 防静电等智能功能, 以满足不同消费群体的对建材产品的需求。
2.3 节能化、绿色化
由于资源的不可再生性, 建筑节能的理念越来越深入人心, 节能的力度逐步加大, 对新型高分子建材的需求也是有了质的变化, 有学者就提出所谓的“生态建筑材料”或“绿色建筑材料”, 实现绿色发展:高分子建材中如硬质聚氨酯泡沫塑料, 水泥聚苯板 (块) 等的应用, 大大节约了资源和能耗的使用。
3 结束语
目前, 以节能、绿色、低碳发展为导向的合成高分子材料在新型建筑材料领域得到了迅速的发展。满足使用要求的同时, 还兼具外在的美观、协调等辅助功能, 高分子材料具有的质轻、易加工、制备方便、使用便捷, 和其他建材一起在建筑材料领域发挥重要作用。
参考文献
[1]张桂甲.高分子材料的工程应用与发展[J].机械工程材料, 1998, 2:1-5.
[2]王少南.我国化学建材的发展历程与前景[J].建材发展导向, 2004, 6:27-31.
[3]徐峰.我国建筑防水涂料的应用与发展[J].现代涂料与涂装, 2006, 7:43-46.
[4]罗忠富.无机纳米料填充聚合物研究进展[M].北京:中国轻工业出版社, 2002.
[5]江山, 王立.新型有机高分子抗菌剂[J].高分子通报, 2002, 6:57-62.
建筑高分子材料 篇2
第7章 合成高分子材料
学习目标与要求
1. 了解合成高分子聚合物的基本组成结构特点和分类。
2. 了解聚合物的分子结构与其性能之间的关系。
3. 熟悉聚合物的基本性能特点和常用聚合物的品种。
4. 熟悉土木工程中常用的建筑塑料、建筑涂料和胶粘剂等产品的基本组成、性能及应用。
学习重点
1.聚合物的基本组成结构特点和分类。
2.聚合物的分子结构与其性能之间的关系。
3.土木工程中常用的合成高分子材料制品的性能和应用。
学习难点
1.如何理解合成高分子材料的结构与性能的关系。这里既有聚合物的分子结构与其性能之间的关系,还有具体产品(塑料、涂料、胶粘剂等)的组成与性能的关系。
2.土木工程中如何正确选择使用合成高分子材料制品。
合成高分子材料是指其基本组成物质为人工合成高分子化合物的各种材料。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。在土木工程中,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。
7.1高分子化合物概述
7.1.1基本知识
1. 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。例如,聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯结构单元重复连接而成:
简写为:
式中:
是重复结构单元,称为“链节”。结构单元的重复数目n称为“聚合度”。聚合度可由几百至几千,聚合物的分子量为重复结构单元的分子量与聚合度的乘积。
2. 聚合物的分类
聚合物的分类方法很多,按聚合物的来源,分为天然聚合物和合成聚合物;按分子结构,分为线型聚合物和体型聚合物;按聚合物受热的行为,分为热塑性聚合物和热固性聚合物等。
热塑性聚合物具有受热时软化、遇冷时凝固且无明显化学变化的性质。通常热塑性聚合物可反复进行加热软化、熔融和冷却硬化。所以热塑性聚合物具有可再生重复使用的特性。
热固性聚合物仅在第一次加热(或加入固化剂前)时能发生软比、熔融,并在此条件下产生化学交联而固化,以后再加热时再不会软化或熔融,也不会被溶解,若温度过高则会导致分子结构破坏。目前尚不能以通常的方式对热固性聚合物再生利用。
聚合物还常按用途分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂等几大类。这种分类方法最为常用,但不很严格。事实上,同一种聚合物可以有多种用途。例如.聚氨酯可制成具有橡胶的性能,也可发泡制成硬度不同的泡沫塑料,还可拉丝制成高强度高弹性的纤维、制作涂料和胶粘剂。这种能够适应多用途需要的特点,是高分子材料得以广泛应用的重要原因。
3. 聚合物的命名
聚合物的命名有系统命名法和习惯命名法。系统命名法命名比较复杂,实际很少使用。 在习惯命名法中,天然聚合物用专有名称,加纤维素、淀粉、蛋白质等;合成聚合物,则在单体名称前加上“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,这种命名能反映聚合物的结构和用途,是常用的命名法。
4. 聚合反应
由低分子单体合成聚合物的反应叫做聚合反应。聚合反应按单体和聚合物在组成和结构上发生的变化,分为加聚反应和缩聚反应两大类。
以单体通过加成的方式,聚合形成聚合物的反应称为加聚反应。加聚反应是链式反应。其特点是单体分子具有能够聚合的双键、三键、环状结构等;其中,含双健结构的单体最为广泛,如乙烯、氯乙烯、苯乙烯、丁二烯等。加聚反应是按参加反应的单体种类数目,可分为均聚反应和共聚反应。均聚反应是只有一种单体进行的聚合反应,其产物称为均聚物,如聚乙烯、聚氯乙烯等。共聚反应是由两种或两种以上的单体进行的聚合反应,其产物称为共聚物。
缩聚反应是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。缩聚反应与加聚反应不同,其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。缩聚反应按照生成产物的结构可分为线型缩聚反应与体型缩聚反应两类。当缩聚反应只在一种单体间进行时,称为均缩聚反应。如果缩聚反应在两种单体之间进行,则称作混缩聚反应。如果在均缩聚反应中加入第二单体或在混缩聚反应中加入第三单体,则称为共缩聚反应。
加聚反应生成的共聚物和缩聚反应生成的共缩聚物统称为共聚物。共聚物的性能与不同种类单体的相对数量和排列方式有密切关系。共聚物根据链节排列方式的不同可分为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物和接枝共聚物四种。
7.1.2聚合物的结构与性质
1. 聚合物的分子结构
聚合物按其分子结构可分为线型聚合物和体型聚合物。
(1)线型聚合物
线型聚合物的大分子链排列成线状主链(如图7―1a)。有时带有支链(如图7―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,一般来说,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、熔点及强度等低于线型聚合物。线形聚合物树脂均为热塑性树脂。
(2)体型聚合物
线型大分子间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7―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)。由于化学键的结合力强,且交联形成一个“巨大分子”,因此,―般来说缩合树脂的强度高,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。
图7―1 聚合物大分子链的结构示意图
(a)线型;(b)支链型;(c)体型
2. 聚合物的聚集态结构
固态聚合物是由大分子链以分子间作用力聚集在一起的。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。 晶态结构的聚合物与低分子量晶体有很大的不同。由于线型高分子难免有弯曲,故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。一般来说,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。
取向态结构是指聚合物在一维或二维方向的有序排列结构。事实上.线型高分子链充分伸展时,其长度为其宽度的几百、几千其至几万倍;在―定条件下,使线型聚合物的分子链沿着特定方向排列称为取向。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 ~ 80 MPa,而取向后的强度可达800 MPa。
织态结构是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。其中,由一个分散相和一个连续相组成的两相共混物应用最多。例如,分散相软、连续相硬的橡胶增韧塑料和分散相硬、连续相软的热塑性弹性体等。
3. 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(如图7―2)。
图7―2 线型非晶态聚合物的变形与温度的关系
线型非晶态聚合物在低于某一温度时,分子动能很低,大分子链的运动和分子链段的旋转都被冻结,聚合物在外力作用下,产生的变形较小,弹性模量较大。此时,聚合物所处的状态称为玻璃态。聚合物保持玻璃态的温度上限称为玻璃化转变温度(Tg)。当温度升高到Tg上以后,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。聚合物保持高弹态的上限温度,称为粘流温度(Tf)。当温度升高到Tf上以后,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,即变形不可逆。玻璃化转变温度和粘流温度是高分子材料的重要性质指标。可以确定高分子材料的使用温度范围、材料的加工温度范围等。
玻璃化转变温度低于室温的称为橡胶,高于室温的称为塑料。玻璃化转变温度是塑料的最高使用温度,但却是橡胶的最低使用温度。粘流温度在室温以下的高聚物可作胶粘剂或涂料使用。
4.聚合物的主要性质
(1)密度:聚合物的密度较小,一般在0.9 ~ 2.2g/cm3之间,平均约为铝的1/2,钢的1/5,混凝土的1/3。
(2)比强度:聚合物有较高的强度,密度小,所以比强度远远超过传统的建筑材料,是极好的轻质高强材料。但聚合物的刚度比较差,容易变形。
(3)导热性:聚合物的导热性较小,约为金属的1/500 ~ 1/600。其泡沫塑料的导热性接近空气,是一种良好的轻质保温隔热材料。
(4)化学稳定性:一般聚合物对侵蚀性化学物质(酸、碱、盐溶液)及蒸汽的作用具有较高的稳定性。但有些聚合物在有机溶剂中会溶解或溶胀,使用时应予以注意。
(5)防水密封性:大多数聚合物具有很强的憎水性,防水、防潮及密封性能突出。
(6)电绝缘性:聚合物通常都具有极高的`电绝缘性和击穿电压,是非常好的电绝缘材料。
(7)减震、消音性:聚合物具有突出的粘弹性,在受外力冲击时,其大分子的粘滞性能吸收大量的振动波和声波,具有良好的减震消声作用。
(8)与其他材料的复合型:聚合物对其他类型的材料通常都具有很强的润湿及粘附性,因
而可制成性能优良的复合材料。
(9)耐热性:作为有机化合物的聚合物,热稳定性能较差。热塑性聚合物的耐热温度一般为50 ~90℃;热固性聚合物的耐热温度一般在100 ~ 200℃。高温下易燃烧和分解,并释放出有害气体。
5. 聚合物的老化
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,称为聚合物的老化。
聚合物的老化是一个复杂的过程,一般可将其分为聚合物分子的交联与降解两种。交联是指聚合物的分子从线型结构变为体型结构的过程。当发生这种老化作用时,表现为聚合物失去弹性、变硬、变脆,并出现龟裂现象。降解是指聚合物的分子链发生断裂,其分子量降低,但其化学组成并不发生变化。当老化过程以降解为主时,聚合物会出现失去刚性、变软、发粘、出现蠕变等现象。
根据老化原因的不同聚合物的老化分为热老化和光老化两类。光老化是指聚合物在阳光(特别是紫外线)的照射下部分分子(或原子)被激活而处于高能的不稳定状态,并与其他分子发生光敏氧化作用,致使聚合物的结构和组成发生变化,性能逐渐恶化的现象。热老化是指聚合物在热的作用下,尤其是在较高温度下暴露于空气中时,聚合物的分子链由于氧化、热分解等作用而发生断裂、交联,其化学组成与分子结构发生变化,从而使其各项性能发生劣变的现象。因此,大多数聚合物材料的耐高温性和大气稳定性都较差。
7.1.3常用的聚合物
1. 合成树脂
合成树脂的种类很多,而且随着有机合成工业的发展和新聚合方法的不断出现,合成树脂的品种还在继续增加。但是,真正获得广泛应用的合成树脂,不过20种左右。在此,仅介绍一些在土木工程材料中经常使用的合成树脂。
(1)热塑性树脂
①聚乙烯(PE)
聚乙烯(PE)是树脂中分子结构最简单的一种,它是由乙烯单体聚合而成。聚乙烯按合成时的压力分为高压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯的密度较小,故称为低密度聚乙烯(LDPE)。低压聚乙烯聚合条件比较温和,制得的产品结晶度高、密度大,故称高密度聚乙烯(HDPE)。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。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)
聚氯乙烯树脂(PVC)是氯乙烯通过自由基聚合制成白色粉末或糊状的树脂。由于PVC树脂链上带有负电性很强的氯原子,使分子链之间产生很大的引力,阻碍了分子链之间的相对滑动。因此,PVC树脂具有良好的耐化学腐蚀性和阻燃性,但材质脆而硬,较少弹性。通过添加增塑剂可以改善PVC的柔韧性。
在建筑中,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)
聚苯乙烯(PS)的均聚物是由苯乙烯单体聚合而得,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,应用广泛。但聚苯乙烯耐热性差、质脆,这在一定程度上限制了它的应用,因此,应对其改性。目前大量生产的苯乙烯类聚合物主要有:通用型聚苯乙烯GPPS,高抗冲型聚苯乙烯HIPS,发泡型聚苯乙烯EPS以及苯乙烯的共聚物如ABS塑料(俗称工程塑料)等。
建筑中聚苯乙烯主要用于制作泡沫塑料,有挤塑发泡板和发泡颗粒产品。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。
④聚丙烯(PP)
聚丙烯(PP)可分为均聚PP和共聚PP两大类,共聚PP是在聚合过程中加入大约2%~5%的乙烯而制得的。聚丙烯的主要特点是密度低(0.89~0.92 g/cm3),耐化学药品性、耐腐蚀性、耐热性优良且价格低廉。
在建筑中,聚丙烯常用于制作管材、装饰板材、卫生洁具及各种建筑小五金件。 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,俗称有机玻璃。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。
(2)热固性树脂
①酚醛树脂(PF)
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)。酚醛树脂的主要特点是有较好的电绝缘性能,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。
在土木工程中。酚醛树脂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)
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、表向硬度高、耐溶剂、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。
在土木工程中,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。经过改性处理的脲醛树脂还可用于制造涂料、胶粘剂等。
③不饱和聚酯树脂(UP)
不饱和聚酯树脂是指分子链主链上含有不饱和键的聚酯。不饱和聚酯在性能上具有 多变性,由于组成的变化,UP可以是硬质的、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。在土木工程中,广泛地用于制造涂料、玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)和作为聚合物混凝土中的胶结料。可用于墙面、地面装饰,制作人造大理石、人造玛瑙,具有装饰性好、耐磨等特点。
④环氧树脂(EP)
环氧树脂是分子结构中含有环氧基的聚合物,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、高分子预聚体和咪唑等。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缘性好等特点。
在土木工程中,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腐涂料和耐磨地坪材料等。
⑤有机硅树脂(SI)
有机硅是一大类主链含硅的高分子化合物,属于元素有机高分子;主要有聚有机硅氧烷
(SI),它的主链由硅氧键构成,侧基为有机基团。这种结构使硅化合物具有良好的化学稳定性,耐氧化、臭氧和紫外线照射,使用温度范围宽(-50~+200℃),憎水性高等一系列的独特性能。
在土木工程中,有机硅树脂主要用于层压塑料和防水材料。在各种有机硅树脂中,硅酮的应用较多,广泛地应用于涂料、胶粘剂和嵌缝材料中。
2. 合成橡胶
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。橡胶的主要持点是在-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。
橡胶按来源分为天然橡胶和合成橡胶。在土木工程中,主要应用的是合成橡胶。合成橡胶是各种单体经聚合反应人工合成的橡胶,是具有橡胶特性的一类聚合物,常用的合成橡胶有丁基橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶和丁苯橡胶等。
(1)丁基橡胶(HR)
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。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。
丁基橡胶主要用作防水卷材和防水密封材料。
(2)氯丁橡胶(CR)
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。这种橡胶的原料来源广泛,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。
在建筑上氯丁橡胶被广泛地用于胶粘剂、门窗密封条、胶带等。
(3)乙丙橡胶(EPM)
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。乙丙橡胶具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。主要用于生产防水卷材。
(4)丁苯橡胶(SBR)
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。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。它主要用于铺地材料和沥青改性等。
(5)硅橡胶(SR)
硅橡胶的分子主链是由硅原子和氧原子交替组成(―Si―O―Si―),其键能比碳一碳键能(C―C)要大得多,柔顺性也很好,因而具有优异的耐高、低温性能,在所有的橡胶中工作温度范围最宽(-100~+350℃)。硅橡胶还具有优异的耐老化、电绝缘、耐电晕、耐电弧性能,但力学性能较差。硅橡胶广泛用于建筑密封胶、防潮密封材料。
(6)热塑性弹性体
热塑性弹性体是一类具有类似橡胶力学性能及使用性能、又能按热塑性塑料进行加工和回收的聚合物。它既具有热塑性,便于加工和再生利用;又有很好的弹性,便于使用。因此,称为热塑性弹性体。常用的有苯乙烯类热塑性弹性体、聚氨酯类热塑性弹性体等。
SBS(苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物)为线型分子,是具有高弹性、高抗拉强度、高伸长率和高耐磨性的透明体,属于热塑性弹性体。在SBS中,苯乙烯单体是以一定的长度连接在丁二烯分子的两端,在室温时,弹性体的链段聚集、缠结在一起形成物理交联。在高温时,这些交联点解离,使弹性体具有热塑性。因此,SBS可以像热塑性塑料一样的加工。通过调节丁二烯(软段)和苯乙烯(硬段)的长度和比例,可以改变热塑性弹性体的性能。一般来说,热塑性弹性体的强度和耐磨性都优于通用橡胶,只是耐温性较差。SBS在建筑上主要用于沥青的改性。
3. 合成纤维
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、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维等品种。
(1)聚酯纤维
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。其品种很多、目前主要是对苯二甲酸乙二酯纤维(PET),我国―般称为涤纶或的确良。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。主要用于土工织物。
(2)聚酰胺纤维
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,我国称为锦纶。聚酰胺有许多品种,应用最广泛的是聚酰胺6和聚酰胺66。聚酰胺的耐磨性非常好、强度、耐冲击性、弹性、耐疲劳性也很好,而且密度小;但是,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。主要用于绳索、化纤地毯等。
(3)聚丙烯腈纤维
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。聚丙烯腈纤维的弹性模量高、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。腈纶广泛用于污水处理和碳纤维生产。
(4)聚丙烯纤维
聚丙烯纤维是以丙烯聚合得到的等规聚丙烯为原料纺制而成的合成纤维,又称为丙纶。它是所有化学纤维中密度最小的,其强度高、回弹性、耐磨性、抗微生物、耐化学腐蚀性好。其缺点是吸湿性、染色性、耐光性、耐热性差。它可用于制作地毯、装饰织物、人造草坪和土工布等。
(5)聚乙烯醇纤维
聚乙烯醇纤维的常规产品是聚乙烯醇缩甲醛纤维,又称为维纶。维纶的短纤维外观接近棉,有“合成棉花”之称,但其强度和耐磨性都优于棉,保暖性、耐腐蚀性、耐日光性好。维纶的缺点是染色性、耐水性、弹性较差。聚乙烯醇纤维主要作为塑料、水泥、陶瓷等的增强材料,作为石棉的代用品用于纤维增强水泥;制作维纶帆布、非织造布滤材以及土工布等。
7.2土木工程常用的合成高分子材料
7.2.1建筑塑料
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。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持点;但塑料还有刚度小、易老化、易燃、耐热性差的缺点。此外,塑料中残留的单体和加入的增塑剂、固化剂等低分子物质都对人体健康不利。因此,采用塑料制作与饮食有关的设备时,要认真进行安全卫生检验。在土木工程中,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。
塑料按组成成分分为单―组分塑料和多组分塑料。单一组分塑料基本上为合成树脂,只含少量助剂(如染料、润滑剂等),如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯塑料等。多组分塑料除含有合成树脂外,还含有较多的助剂(如填料、增塑剂、稳定剂等),如聚氯乙烯、酚醛塑料等。根据用途,塑料可分为通用塑料和工程塑料。根据其受热后性能的不同,塑料还可分为热固性塑料和热塑性塑料。
1. 塑料的基本组成
塑料是由合成树脂和各种添加剂所组成。合成树脂是塑料的主要成分,其质量占塑料的 40%以上。塑料的性质主要取决于所采用的合成树脂的种类、性质和数量。因此,塑料常以所用合成树脂命名,如聚乙烯(PE)塑科,聚氯乙烯(PVC)塑料。合成树脂的性质已在上一节介绍,在此主要介绍常用的添加剂。
(1)填料
填料又称为填充料、填充剂或体质颜料,其种类很多。按外观形态可分为粉状、纤维状和片状三类。一般来说,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可明显提高塑料的抗拉强度、抗磨强度和大气稳定性等。
填料通常都比合成树脂便宜,它不仅能提高塑料的强度、硬度和耐热性,还能减少收缩变形和降低成本。常用的填料主要有木粉、滑石粉、硅藻土、石灰石粉、铝粉、炭黑及玻璃纤维等。
(2)增塑剂
增塑剂是能使聚合物塑性增加的物质。它可降低树脂的粘流温度(Tf),使树脂具有较大的可塑性,以利于塑料制品的加工。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。增塑剂主要为酯类及酮类。
(3)稳定剂
稳定剂是指抑制或减缓老化破坏作用的物质。塑料在加工和使用过程中,由于受热、光、氧的作用,可能发生降解、氧化断链及交联等,使塑料老化。为了提高塑料的耐老化性能,延长使用寿命,通常要加入各种稳定剂,如抗氧剂、光屏蔽剂、紫外光吸收剂及热稳定剂等。
(4)固化剂
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。不同品种的树脂应采用不同品种的固化剂。
(5)着色剂
着色剂是使塑料制品具有特定的色彩和光泽的物质,常用的着色剂是一些有机和无机颜料。颜料不仅对塑料具有着色性,同时也兼有填料和稳定剂的作用。
此外,根据建筑塑料使用及成型加工的需要,有时还加入润滑剂、抗静电剂、发泡剂、阻燃剂及防霉剂等。
2. 土木工程常用的塑料制品
(1)装饰装修制品
塑料的装饰性和可加工性能好,常用来生产装饰装修材料。
①塑料面砖
塑料面砖以PS,PVC,PP等为原料制造,模仿传统陶瓷面砖,厚度小、重量轻,具有美观适用、施工方便的特点,是一种较为理想的超薄型墙面装饰材料。可用于室内墙面、柱面装饰。
②塑料壁纸
塑料壁纸是用纸或玻璃纤维布做基材,以聚氯乙烯为主要成分,加入添加剂和颜料等,经涂塑、压花或印花、发泡等工艺制成的塑料卷材。塑料壁纸的花色品种多,可制成仿丝绸、仿织锦缎、仿木纹等花纹图案。塑料壁纸具有美观、耐用、易清洗、施工方便的待点。发泡塑料壁纸还具有较好的吸声性能,因而广泛地应用于室内墙面、顶棚等的装饰。塑料壁纸的缺点是透气性较差。
③塑料地面卷材
塑料地面卷材是经混炼、热压或压延等工艺制成的卷材。主要为聚氯乙烯(PVC)塑料地面卷材,分为无基层卷材和有基层卷材两种。
无基层卷材质地柔软,有―定弹性,适合于家庭地面装饰。有基层卷材一般由两层或多层复合而成,常见的是三层结构。基层为无纺布、玻璃纤维布,中层为印花的不透明聚氯乙烯塑料,面层为透明的聚氯乙烯塑料。若中层为聚氯乙烯泡沫塑料,则称为发泡塑料地面卷材。塑料地面卷材具有脚感舒适、耐磨、附腐蚀、隔声和保温等特点。
④塑料地板
塑料地板采用聚氯乙烯、重质碳酸钙和添加剂为原料,经混炼、热压或压延等工艺制成。有硬质、半硬质和软质三种;塑料地板制作的图案丰富,颜色多样,并具有耐磨、耐燃、尺寸稳定、价格低等优点,适合于人流不大的办公室、家庭等的地面装饰。
(2)隔热保温材料
①泡沫塑料
泡沫塑料是在聚合物中加入发泡剂,经发泡、固化或冷却等工序而制成的多孔塑料制品。泡沫塑料的孔隙率可高达95%―98%,且孔隙尺寸小,因而具有优良的隔热保温性能。常用的有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、脲醛泡沫塑料等。
聚苯乙烯泡沫塑料是应用最广的泡沫塑料,其体积密度为10~20 kg/m3,导热系数为0.031~0.045 W/(m・K),使用温度范围为-100~+70℃。主要用作墙体和屋面、地面、楼板等的隔热保温,也可与纤维增强水泥、纤维增强塑料或铝合金板等制成复合墙板。
建筑上使用的聚氯乙烯泡沫塑料体积密度为60~200 kg/cm3,导热系数为0.035~0.052 W/(m・K),使用温度范围为-60~+60℃。聚氯乙烯泡沫塑料主要用作吸声材料、装饰构件,也可作墙体、屋面等的保温材料,也可作为夹层板的芯材。
聚氨酯泡沫塑料,以硬质型应用较多。其体积密度为20~200 kg/cm3,使用温度范围为-160~+150℃。与其他泡沫塑料相比,其耐热性好,强度较高。此外,这种泡沫塑料还可采用现场发泡的方法形成整体的泡沫绝热层,绝热效果好。
脲醛塑料是最轻的泡沫塑料之一,建筑中应用的脲醛泡沫塑料的体积密度为10~20 kg/m3,导热系数为0.030~0.035 W/(m・K),使用温度范围为 -200~+100℃,但强度低,吸湿性大。应用时需注意防潮。脲醛塑料价格低廉,主要用作空心墙和夹层墙板的芯材,也可在现场发泡成为整体泡沫塑料。
②蜂窝塑料板
蜂窝塑料板是在蜂窝状的芯材上粘合面板的多孔板材,其孔隙较大(5~20 mm),孔隙率很高。蜂窝状的芯材是由浸渍聚合物(酚醛树脂等)的片状材料(牛皮纸、玻璃布、木纤维板)经加工粘合成的形状似蜂窝的六角形空心板材。蜂窝塑料板的抗压强度和抗折强度高,导热系数低,一般为0.046~0.056 W/(m・K)。主要用作隔热保温和隔声材料。
③塑料门窗
塑料门窗是改性后的硬质聚氯乙烯(PVC),加入适量的添加剂,经混炼、挤出等工艺制成的异形截面材加工而成。改性后的硬质聚氯乙烯具有较好的可加工性、稳定性、耐热性和抗冲击性。制成的塑料门窗外观平整美观,色泽鲜艳,经久不褪,装饰性好。并具有良好的耐水性、耐腐蚀性、隔热保温性、隔声和气密性,使用寿命可达30年以上。
④纤维增强塑料
纤维增强塑料是一种树脂基复合材料,添加纤维的目的是为了提高塑料的弹性模量和强度。常用纤维材料除玻璃纤维、碳纤维外,还有石棉纤维、天然植物纤维、合成纤维和钢纤维等,目前用得最多的是玻璃纤维和碳纤维。常用的合成树脂有酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂等,用量最大的为不饱和聚酯树脂。
纤维增强塑料的性能主要取决于合成树脂和纤维的性能、相对含量以及它们之间的粘结情况。合成树脂及纤维的强度越高,特别是纤维的强度越高,则纤维增强塑料的强度越高。
玻璃纤维增强塑料(GRP),俗称玻璃钢,是由合成树脂胶结玻璃纤维或玻璃纤维布(带、束等)而成的。玻璃纤维增强塑料在性能上的主要优点是轻质高强、耐腐蚀,主要缺点是弹性模量小,变形较大。在土木工程中主要用于结构加固、防腐和管道等。
碳纤维增强塑料是由合成树脂胶结碳纤维而成,具有强度和弹性模量高,耐疲劳性能好,耐腐蚀性好的特点。在土木工程中,碳纤维增强塑料主要用于结构加固,制作碳纤维筋或索,用于有腐蚀的结构。
7.2.2建筑涂料
涂料是涂布在物体表面能形成具有保护和装饰作用的膜层材料。涂料除了具有保护和装饰功能外,还能具有一些特殊作用,如用作色彩标志、润滑、防滑、绝缘、导电、隔热、防潮等。建筑涂料则是指涂于建筑物表面能对建筑物起到保护、装饰作用,或者能改善建筑物使用功能的涂料。
1. 涂料的基本组成
涂料的基本组成包括:成膜物质、颜料、溶剂(分散介质)以及辅料(助剂)。
(1)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。成膜物质分为两大类,一类是转化型(或反应型)成膜物质,另一类是非转化型(或挥发型)成膜物质。前者在成膜过程中伴有化学反应,形成网状交联结构。因此,此类成膜物质相当于热固性聚合物,如环氧树脂、醇酸树脂等;后者在成膜过程未发生任何化学反应,仅靠溶剂挥发成膜,成膜物质为热塑性聚合物,如纤维素衍生物、氯丁橡胶、热塑性丙烯酸树脂等。 建筑涂料常用树脂有聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、丙烯酸树脂、环氧树脂、醋酸乙烯一丙烯酸酯共聚物(乙一丙乳液)、聚苯乙烯一丙烯酸酯共聚物(苯一丙乳液)、聚氨酯树脂等。
(2)颜料
颜料主要起遮盖和着色作用,有的颜料还有增强、改善流变性能、降低成本的作用。按所起作用不同,颜料又分为着色颜料和体质颜料(又称填料)两类。
建筑涂料中使用的着色颜料一般为无机矿物颜料。常用的有氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁绿、氧化铁棕、氧化铬绿、钛白、锌钡白、群青蓝等。
体质颜料,即填料。主要起到改善涂膜的机械性能。增加涂膜的厚度和遮盖力,降低涂料的成本等作用。常用的填料有重晶石粉、轻质碳酸钙、重质碳酸钙、高岭土及各种彩色小砂粒等。
(3)溶剂
溶剂通常是用以溶解、稀释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,但溶剂对成膜物质的溶解力决定了所形成的树脂溶液的均匀性、粘度和贮存稳定性。溶剂的挥发性影响涂膜的干燥速度、涂膜结构和涂膜外观。常用的溶剂有:甲苯、二甲苯、丁醇、丁酮、醋酸乙酯等。溶剂的挥发会对环境造成污染,选择溶剂时,还应考虑溶剂的安全性和对人体的毒性。
涂料按溶剂及其对成膜物质作用的不同分为溶剂型涂料、水溶性涂料和水乳型涂料。其中,水溶性涂料和水乳型涂料称为水性涂料。
(4)辅料
辅料(又称助剂或添加剂)是为了进一少改善或增加涂料的某些性能而加入的少量物质。通常使用的有增白剂、防污剂、分散剂、乳化剂、稳定剂、润湿剂、增稠剂、消泡剂、流平剂、固化剂、催干剂等。
2. 常用建筑涂料
建筑涂料的品种繁多,性能各异,按用途有外墙涂料、内墙涂料及地面涂料。
(1)外墙涂料
①苯乙烯一丙烯酸酯乳液涂料
苯乙烯―丙烯酸酯乳液涂料是以苯―丙乳液为基料的水乳型涂料,简称苯一丙乳液涂料。苯―丙乳液涂料具有优良的耐水性、耐碱性、耐湿擦洗性,外观细腻、色彩艳丽、质感好,与水泥混凝土等大多数建筑材料的粘附力强,并具有高耐光性和耐候性。
②丙烯酸酯涂料
丙烯酸酯涂料是以热塑性丙烯酸酯树脂为基料的外墙涂料。分为溶剂型和水乳型。丙烯酸酯涂料的耐水性、耐高低温性和耐候性良好,不易变色、粉化或脱落,有多种颜色。可以刷涂、喷涂或滚涂。丙烯酸酯涂料的装饰性好,寿命可达以上,是目前国内外应用最多的外墙涂料。丙烯酸酯涂料主要用于外墙复合涂层的罩面涂料。溶剂型涂料在施工中需注意防火、防爆。
③聚氨酯涂料
聚氨酯涂料是以聚氨酯树脂或聚氨酯与其他树脂复合物为主要成膜物质,加入填料、助剂组成的优质溶剂涂料。该涂料的弹性和抗疲劳性好,并具有极好的耐水、耐碱、耐酸性能。
其涂层表面光洁度高,呈陶瓷质感,耐候性、耐玷污性能好,使用寿命可达以上。聚氨酯涂料价格较贵,主要用于办公楼、商店等公用建筑。
④砂壁状涂料
砂壁状涂料是以合成树脂乳液为成膜物质,加入彩色骨料以及其他助剂配制而成的粗面厚质涂料,又称彩砂涂料。彩色骨料可用粒径小于2mm的高温烧结彩色砂粒、彩色陶粒或天然彩色石屑。彩砂涂料采用喷涂法施工,涂层具有丰富的色彩和良好石材质感,保色性、耐热性、耐水性及耐化学腐蚀性能良好,使用寿命可达10年以上。砂壁状涂料主要用于办公楼、商店等公用建筑的外墙立面。
(2)内墙涂料
①聚醋酸乙烯涂料
聚醋酸乙烯涂料是以聚醋酸乙烯乳液为基料的乳液型内墙涂料。该涂料无毒、不燃、涂膜细腻、平滑、色彩鲜艳、装饰效果良好、价格适中、施工方便。但是,耐水性及耐候性较差。
②醋酸乙烯一丙烯酸酯涂料
醋酸乙烯一丙烯酸酯涂树是以乙一丙共聚乳液为基料的水乳型内墙涂料。该涂料的耐水性、耐候性和耐碱性优于聚醋酸乙烯乳液涂料,并且有光泽,是一种中高档的内墙装饰涂料。
③多彩涂料
多彩涂料是以合成树脂及颜料等为分散相,以含有乳化剂和稳定剂的水为分散介质的水乳型涂料,按其介质特性分为水中油型和油中水型。以水中油型的贮存稳定性最好。通常所用的多彩涂料均为水中油型。
多彩涂料具有良好的耐水性、耐油性、耐化学药品性、耐刷洗性,并具有较好的透气性。多彩涂料对基层的适应性强、可在各种建筑材料上涂刷使用。
(3)地面涂料
①聚氨酯地面涂料
聚氨酯地面涂料是以聚氨酯为基料的双组分常温固化型橡胶类涂料。其整体性好,色彩多样,装饰性好,并具有良好的耐油性、耐水性、耐酸碱性和耐磨性,有一定的弹性,脚感舒适。该涂料主要适用于水泥砂浆或水泥混凝土地面。
②环氧树脂厚质地面涂科
环氧树脂厚质地面涂料是以环氧树脂为基料的双组分常温固化涂料。环氧树脂厚质地面涂料与水泥混凝土等基层材料的粘结性能优良,涂膜坚韧、耐磨,具有良好的耐化学腐蚀、耐油、耐水等性能,以及优良的耐老化、耐候性和装饰性。
7.2.3胶粘剂
1. 胶粘剂的基本概念
胶粘剂又称粘合剂,是通过粘附作用使被粘物结合在一起的材料。
胶粘剂一般由基料和多种辅助成分组成。基料是胶粘剂的主要成分,起粘接作用,要求有良好的粘附性和润湿性。合成树脂、合成橡胶、天然高分子以及无机化合物等都可做基料。辅助成分主要包括固化剂、溶剂、增塑剂、填料、偶联剂、引发剂、促进剂、防老化剂、稳定剂等。
固化剂用以使粘合剂交联固化,提高粘合剂的粘合强度、化学稳定性、耐热性等,是以热固性树脂为主要成分的粘合剂所必不可少的成分;溶剂溶解、稀释主料以调节粘度便于施工;填料具有降低固化时的收缩率、提高尺寸稳定性、耐热性和力学强度、降低成本等作用;
增塑剂用于提高韧性。
按受力情况胶粘剂分为结构胶粘剂和非结构胶粘剂。结构胶粘剂用于能承受荷载或受力结构件的粘结。非结构胶粘剂用于不受力或受力不大的各种场合。
胶粘剂能够将被粘结材料牢固地粘结在一起,是因为胶粘剂与材料间存在有粘附力以及胶粘剂本身具有内聚力。粘附力和内聚力的大小,直接影响胶粘剂的粘结强度。当粘附力大于内聚力时,粘结强度主要取决于内聚力;当内聚力高于粘附力时,粘结强度主要取决于粘附力。一般认为粘附力主要来源于以下几个方面:
(1)机械粘结力 胶粘剂渗入材料表面的凹陷处和孔隙内,在固化后如同镶嵌在材料内部,靠机械锚固力将材料粘结在一起。对非极性多孔材料,机械粘结力常起主要作用。
(2)物理吸附力 胶粘剂和被粘材料靠分子间的物理吸附力产生粘结。
(3)化学键力 胶粘剂与材料间能发生化学反应,靠化学键力将材料粘结为一个整体。 不同的胶粘剂和被粘材料,粘附力的主要来源不同,当机械粘附力、物理吸附力和化学键力共同作用时,可获得很高的粘结强度。
就实际应用而言,一般认为影响粘结强度的因素主要有:胶粘剂性质,被粘材料的性质,被粘材料的表面粗糙度,被粘材料的表面处理方法。胶粘剂对被粘材料表面的浸润程度,被粘材料的表面含水状况,粘结层厚度,粘结工艺等。
2.土木工程常用的胶粘剂
(1)结构胶粘剂
①环氧树脂胶粘剂
环氧树脂胶粘剂是当前应用最广泛的胶粘剂,因环氧树脂胶粘剂中含有环氧基、羟基、氨基和其他极性基团,对大部分材料有良好的粘结能力,有万能胶之称。其抗拉强度和抗剪切强度高,固化收缩率小,耐油和耐多种溶剂,耐潮湿.抗蠕变性好,是较好的结构胶粘剂。环氧树脂胶粘剂根据固化剂类型的不同可室温固化或高温固化,固化时间有明显的温度依赖性。环氧树脂胶粘剂在土木工程中的应用很多,主要用于裂缝修补、结构加固和表面防护等。
②不饱和聚酯树脂胶粘剂
不饱和聚酯树脂胶粘剂的特点是粘结强度高,抗老化性及耐热性较好。可在室温和常压下固化,固化速度快,但固化时的收缩大,耐碱性较差,适于粘结陶瓷、玻璃、木材、混凝土和金属结构构件。
(2)非结构胶粘剂
①聚醋酸乙烯胶粘剂
聚醋酸乙烯胶粘别是由醋酸乙烯单体聚合而成,俗称白乳胶。其特性是使用方便、价格便宜、润湿能力强,有较好的粘附力,适用于多种粘结工艺。但其耐热性、对溶剂作用的稳定性及耐水性较差,只能作为室温下使用的非结构胶。
②聚氨酯胶粘剂
聚氨酯胶粘剂是分子链中含有异氰酸酯基(―NCO)及氨基甲酸酯基(―NH―COO―),具有很强的极性和活泼性的一类粘合剂。其品种很多,有单组分和双组分两类。聚氨酯胶粘剂有良好的粘结强度,可用于金属、玻璃、陶瓷、橡胶、塑料、织物、木材、纸张等各种材料的粘合;有良好的耐超低温性能,而且粘结强度随着温度的降低而提高,是超低温环境下理想的粘结材料和密封材料;具有良好的耐磨、耐油、耐溶剂、耐老化等性能;可通过调节分子链中软段和硬段比例结构,制成满足各种行业、各种性能要求的高性能粘合剂。但是,在高温和高湿条件下,易水解,会降低粘结强度。
③氯丁橡胶胶粘剂
氯丁橡胶胶粘剂是以氯丁橡胶为主要组成。加入氧化锌、氧化镁、填料、抗老化剂和
抗氧化剂等制成,是目前应用最广的一种橡胶型胶粘剂。氯丁橡胶胶粘剂对水、油、弱酸、弱碱、醇和脂肪烃有良好的抵抗力,可在-50~+80℃的温度下工作,但是,徐变较大,且容易老化。
7.2.4土工合成材料
土工合成材料是以聚合物(如塑料、化纤、合成橡胶等)为原料制成的用于岩土工程的聚合物材料。按照需要,土工合成材料可置于土体内部、表层或各层土体之间,起加强或保护土体的作用。土工合成材料主要有土工织物类材料和超轻型填土材料。土工织物类合成材料的用途见表7―1。
土工纤维、土工布、化纤滤网、塑料网(格栅)、塑料膜等聚合物材料制成的布状或网状物,统称为土工布或土工织物。其中,网格较大者,用硬纤维片或条编制而成,称为土工垫或土工网;而网格更大者,通过塑料挤出成型的各种规格的格栅或用塑料板(带)焊接成的各种格室,称为土工格栅。在格室内充填砂、石或其他材料,用于沙漠、泥泞沼泽地区筑路、护坡等工程。
土工织物是一种多功能材料,主要功能有滤层作用、排水作用、隔离作用、加筋作用、防渗与防潮作用等。 表7―1 土工织物合成材料的用途
分 类
土工织物 用 途 排水、反滤、护坡等
加固垫层、坡、防护植草、排水通
道、滤层等
防冲刷、防流失、用于沙漠和沼泽
地筑路、护坡
防冲刷、防流失、用于沙漠和沼泽
地筑路、护坡
灌入混凝土或砂浆,用于护坡、地
基处理
装入大块石,用于截流、筑堤、防
流失
用于地下建筑的防水,堤围的加筋
材料
用于堤坝、水库、地下建筑游泳池
等的防渗漏
用作排水通道
用于软基处理和排水加固
用于防止管涌、加筋、排水、增强
与土面间的摩擦力
用于路基、隧道、堤坝、结构的墙
后排水等
用于铁路、公路、等的软路基的填
土材料 材料类型 用合成纤维(如锦纶、腈纶等)制成 用塑料条、带编织或压制而成的网状物 用塑料挤压而成,呈网状、蜂窝状结构 用塑料板焊接而成 土工网 透水性的土工材料 土工格栅 土工格室 土工模袋 用合成纤维制成 土工袋 用合成纤维制成绳网、绳带等 不透水性的土工材料 塑料膜 聚氯乙烯、聚丙烯等制成的膜 用纺织布或无纺布防水处理后制成 用聚氨酯制作的开孔型泡沫塑料 透水性土工织物与聚丙烯等塑料挤压而成 透水的土工织物与聚丙烯等塑料挤压而成 以无纺土工织物作芯材制成的塑料排水管 聚苯乙烯泡沫塑料 土工膜 多孔泡沫塑料板 塑料排水管 复合材料 复合土工膜 复合排水材料 EPS填土材料
本章小结
1. 聚合物是由千万个原子彼此以共价键结合的大分子化合物,有加聚物和缩聚物两大类。一般加聚物为线型高分子,均为热塑性聚合物;而缩聚物部分是线型高分子,是热塑性聚合物,而大部分为体型(网状)高分子,属热固性聚合物。
2. 热塑性聚合物具有受热时软化、遇冷时凝固的性质。通常可反复进行加热软化、熔融和冷却硬化,具有可再生重复使用的特性。而热固性聚合物仅在第一次加热(或加入固化剂前)时能发生软比、熔融,并在此条件下产生化学交联而固化,以后再加热时再不会软化或熔融,也不会被溶解。前者相对更加柔韧而后者更加硬脆。在强度、变形、耐热、耐腐蚀、抗变形等方面,后者要优于前者。但前者可以方便地进行热塑性加工,通常价格低廉。
3. 合成高分子材料具有较小的密度、更高的比强度、更好的隔热保温性和耐腐蚀性,同时还具有良好的防水密封性、电绝缘性和减震消音性,与其他材料的复合性能也十分突出。但耐热性能较差,防火、耐老化是这类材料在使用过程中应该重点考虑的问题。
4. 一般可将聚合物的老化分为聚合物分子的交联与降解两种。交联是指聚合物的分子从线型结构变为体型结构的过程;降解是指聚合物的分子链发生断裂,其分子量降低的过程。老化原因主要是热老化和光老化。
5. 建筑塑料的基本组成为合成树脂、填充料、增塑剂、固化剂、稳定剂和其他添加剂。其中合成树脂是决定塑料类型、性能和用途的根本因素。其他填充料及外加剂是为了改善塑料性能而加入的。
6. 常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、ABS塑料和有机玻璃等;常用的热固性塑料有酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯、环氧树脂和有机硅树脂等。
7. 涂料的基本组成包括:成膜物质、颜料、溶剂(分散介质)以及辅料(助剂)。成膜物质是涂料的关键成分。成膜物质分为两大类,一类是转化型(或反应型)成膜物质,另一类是非转化型(或挥发型)成膜物质。建筑涂料常用树脂有聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、丙烯酸树脂、环氧树脂、醋酸乙烯一丙烯酸酯共聚物(乙一丙乳液)、聚苯乙烯一丙烯酸酯共聚物(苯一丙乳液)、聚氨酯树脂等。
8. 胶粘剂一般由基料和多种辅助成分组成。基料是胶粘剂的主要成分,起粘接作用,要求有良好的粘附性和润湿性。合成树脂、合成橡胶、天然高分子以及无机化合物等都可做基料。辅助成分主要包括固化剂、溶剂、增塑剂、填料、偶联剂及其他外加剂。粘附机理主要是机械粘结力、物理吸附力和化学键力。
本章练习
1.聚合物有哪些特征,这些特征与聚合物的性质有何联系?
2. 热塑性树脂与热固性树脂的主要不同点有哪些?
3 线型聚合物有哪几种物理状态?试述聚合物在不同物理状态下的特点。
4.试述聚合物的老化原因和防止措施?
5.建筑塑料的基本组成有哪些?它们各起何作用?
6.胶粘剂的粘结力来源有哪些?建筑上常用的胶粘剂有那些?
7.建筑涂料的组成有哪些?它们各起何作用?建筑涂料有哪些种类?
高分子材料名词 篇3
全国科学技术名词审定委员会 公布
聚合物 polymer 单体经聚合反应形成的、由许多以共价键相连接的重复单元组成的物质。其分子量通常在 104以上。
高分子 macromolecule 又称“大分子”。在结构上由许多个实际或概念上的低分子量分子结构作为重复单元组成的高分子量分子。其分子量通常在 104以上。
低聚物 oligomer 曾称“齐聚物”。通常指平均分子量低于 104的聚合物。
天然高分子 natural macromolecule 由自然界产生的高分子的总称。
无机高分子 inorganic macromolecule 主链由非碳元素构成的高分子物质。
金属有机高分子 organometallic macromole
cule 结构单元中含有金属或亚金属原子的高分子物质。
元素有机高分子 element macromolecule 又称“元素高分子”。分子主链由碳、氧、氮、硫等以外的原子组成并连接有机基团的高分子物质。
碳链聚合物 carbon chain polymer 主链完全由碳原子组成的链型聚合物。
杂链聚合物 heterochain polymer 主链中除了碳原子外,还有氧、氮、硫等杂原子的链型聚合物。
杂环聚合物 heterocyclic polymer 聚合物链的重复单元中含有杂原子环的聚合物。
烯类聚合物 vinyl polymer 由乙烯基单体加成聚合而得的聚合物。
手性聚合物 chiral polymer 又称“光活性聚合物”。主链上带有镜面不对称碳原子、含有不同数量的D或L型不对称结构或整个聚合物由于庞大侧基的体积效应而使其呈单向螺旋构型且具有手性特征的聚合物。
光敏聚合物 photosensitive polymer 对光敏感、受光的作用其结构或性质会产生某种显著变化的聚合物。
配位聚合物 coordination polymer 结构重复单元含有金属离子配位键的聚合物。
预聚物 prepolymer 带有反应性基团的低聚物。
均聚物 homopolymer 由同一种结构重复单元构成的聚合物。
有规立构聚合物 stereoregular polymer,tactic polymer 分子链中仅有一种构型重复单元、以单一的顺序排列的规整聚合物。
无规立构聚合物 atactic polymer 构型重复单元在聚合物主链上无规排列的聚合物。
全同立构聚合物 isotactic polymer 又称“等规聚合物”。由相同构型重复单元所组成的有规立构聚合物。
间同立构聚合物 syndiotactic polymer 又称“间规聚合物”。主链中相邻两个构型单元具有相反构型,且规则排列的聚合物。
共聚物 copolymer 由两种或两种以上结构重复单元构成的聚合物。
无规共聚物 random copolymer 结构重复单元无规排列的共聚物。
交替共聚物 alternating copolymer 两种结构重复单元在主链上相间规则排列的共聚物。
嵌段共聚物 block copolymer 又称“嵌段聚合物”。由两种或两种以上重复单元各自组成长序列链段而彼此经共价键连接的共聚物。
两亲嵌段共聚物 amphiphilic block copolymer
既含有疏水性链段、又含有亲水性链段的嵌段共聚物。
接枝共聚物 graft copolymer 又称“接枝聚合物 (graft polymer)”。分子主链上带有若干长支链,且支链的组成与主链不同的聚合物。
接枝点 grafting site 接枝共聚物中聚合物主链与聚合物支链的连接点。
接枝效率 efficiency of grafting 接枝共聚合反应中,单体或聚合物支链接到接枝共聚物中的量与初始投入的待接枝的单体或待接枝的聚合物支链的总量之比。
接枝度 grafting degree 聚合物主链上已被接枝的接枝点数与所有可被接枝的接枝点总数之比。
梯度共聚物 gradient copolymer 沿着分子链,从一种结构重复单元为主逐渐变化到另一种重复单元为主的共聚物。
线型聚合物 linear polymer 分子链呈线型结构的聚合物。
交联聚合物 crosslinked polymer 又称“网络聚合物 (ne twork polymer)、体型聚合物 (threedimensional polymer)”。高分子链具有三维空间的体型(或网状)结构的聚合物。
梯形聚合物 ladder polymer 由双股主链构成梯形结构的聚合物。
梳形聚合物 comb polymer 多个线型支链同时接枝在一个主链之上所形成的像梳子形状的聚合物。
星形聚合物 star polymer 从一个枝化点呈放射形连接出三条以上线型链的聚合物。
树状高分子 dendr imer,dendritic polymer由枝化基元组成的高度枝化且结构规整的树枝状聚合物。
支化聚合物 branched polymer 在分子链上带有一些长短不一的支链的聚合物。
超支化聚合物 hyperbranched polymer 由枝化基元组成的高度枝化但结构不规整的聚合物。
遥爪聚合物 telechelic polymer 在聚合物分子链两端各带有特定官能团、能通过这些反应性端基进一步聚合的高分子物质。
互穿网络聚合物 interpenetrating polymer 由两种或两种以上互相贯穿的交联聚合物组成的共混物。
缔合聚合物 association polymer 依靠氢键、电荷转移或离子间相互作用生成的聚合物。
螯合聚合物 chelate polymer 能与金属离子以配位键形成金属离子螯合物的聚合物。
两亲聚合物 amphiphilic polymer 表现出既亲水又亲油性质的聚合物。
单体 monomer 可与同种或他种分子聚合的小分子的统称。
官能度 functionality 一个单体分子所含官能团的数目。
大分子单体 macromer,macromonomer 具有可聚合基团、通常分子量为 1000到 2000左右的可作为单体使用的大分子物质。
聚合 polymerization 将一种单体或多种单体的混合物转化成聚合物的过程。
聚合度 degree of polymerization,DP 聚合物分子中每个分子包含的单体单元数。
均聚反应 homopolymerization 生成均聚物的聚合反应。
预聚合 prepolymerization 单体经初步聚合形成分子量不大的聚合物的反应。
后聚合 post polymerization 通常指低温辐照聚合中,停止辐照后继续进行的聚合反应。
再聚合 repolymerization 将聚合物解聚形成的可聚合产物再次进行的聚合反应。
活性种 reactive species 具有引发单体进行增长反应的带有活性端基的各种链长的活性链。
链式聚合 chain polymerization 又称“连锁聚合”。以链式反应历程 (至少包括链引发和链增长)进行的聚合反应。
逐步聚合 step growth polymerization 通过单体与单体、单体与二聚体或多聚体及二聚体或多聚体间的键合反应,聚合体系中分子数逐步减少,分子量逐步增大的聚合反应。
可控自由基聚合 controlled radical polymeri
建筑高分子材料 篇4
关键词:阻燃,机理,测试方法,保温材料
近年来, 一方面随着我国建筑节能工作的全面开展, 节能工程的日益规范, 使得性能优良的各种高分子保温材料的应用越来越广泛;另一方面由于外墙外保温材料引起的火灾事故频发[1], 许多事故的起因都是由易燃的高分子材料引起的, 因此外墙外保温的防火性能研究越来越受到重视。我国用于外墙保温系统的高分子材料主要有聚苯板 (EPS) 、聚氨酯板 (PU) 、挤塑板 (XPS) 等, 这些高分子材料在不添加阻燃剂的情况下都极易燃烧, 必须加入阻燃剂才能满足公安部规定的防火要求。目前, 国内对于建筑保温材料阻燃剂的研究已越来越成熟, 配套的生产企业也越来越多, 阻燃剂的发展已经由传统的卤系向微胶囊、纳米化等高端技术发展。
1 阻燃剂的种类
1.1 分类
随着阻燃剂技术的发展, 阻燃产品也越来越多, 传统的卤系和无卤系分类方式已不能完全覆盖, 比较全面的分类方式是按组成、结构和用途来划分的。按组成分主要有卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、磷-卤系阻燃剂和磷-氮系阻燃剂;按组分结构可分为无机盐类阻燃剂、有机阻燃剂和有机、无机混合阻燃剂等;按用途分为添加型和反应型[2]。添加型阻燃剂不与高分子材料本身发生化学反应, 在不改变化合物结构和性能的前提下发挥阻燃作用;反应型阻燃剂与高分子材料发生化学反应, 在高分子材料结构上引入阻燃基团而起到阻燃作用。
1.2 几种新型阻燃剂
我国阻燃剂产业总体起步较晚, 发展水平要明显落后于西方国家。目前国内阻燃产品主要以卤系为主, 尽管卤系阻燃剂技术已非常完备, 且具有很多优良性能, 如相容性好、阻燃效果好、添加量很少、对高分子材料本身的性能影响较小, 但一般卤系产品在燃烧过程中的发烟量都较大, 且伴随有有毒和腐蚀性气体的释放, 对环境和身体健康影响较大[3]。随着环保意识的增强, 阻燃剂已越来越向高端无毒、绿色环保的方向发展。下面介绍三种新型阻燃剂。
1) 纳米复合材料阻燃剂
纳米阻燃剂是在传统的阻燃材料基础上将其纳米化, 控制粒径在1~100 nm范围内, 这样制得的阻燃剂与传统阻燃剂相比粒径更小、比表面积更大, 在较小的掺量下, 就能起到很好的阻燃效果。目前研究较多的有磷酸钙、氧化锑、层状粘土纳米复合材料等阻燃剂。磷酸钙阻燃剂纳米化后不但用量减少, 有效改善阻燃性能, 还能改善高分子材料的物理性能, 提高机械强度。纳米级的氧化锑阻燃材料, 可以均匀加入到纤维原料中, 能显著提高纤维的阻燃性能。Chigwada C等[4]研究发现在聚苯乙烯中加入纳米粘土阻燃剂, 聚苯乙烯热分解温度提高了50℃。李江锋等[5]采用共沉淀法合成纳米铁酸镁尖晶结构, 合成聚合物平均粒径在10~17nm之间, 当添加量为2.5份时, 能有效提高软PVC的氧指数和最终残碳量, 分别由27.4、12.5%提高到29.3、16.4%。
2) 膨胀型阻燃剂
膨胀型阻燃剂具有无卤、低烟、低毒等特性[2], 在高分子材料燃烧时体积能瞬间膨胀几百倍并将火焰熄灭, 也是近年来的研究热点。一般的膨胀型阻燃剂以磷、氮为主要成分, 在燃烧时能在高分子材料表面生成一层均匀的炭质泡沫层, 阻止材料与氧气接触和防止熔滴现象, 还能有效发挥抑烟作用[6], 利于逃生和救援工作。可膨胀石墨体系也是一种新型膨胀型阻燃剂, 石墨在遇到高温时, 吸留在层型点阵中的化合物会迅速分解, 并沿着结构轴线急速膨胀, 体积能扩大两百多倍, 能瞬间熄灭火焰[7], 起到很好的阻燃效果。石磊[5]等通过一系列燃烧性能测试方法, 研究了自制可膨胀石墨 (EG) 对聚氨酯泡沫塑料的阻燃效果, 研究表明, EG能将聚氨酯泡沫塑料氧指数提高到39.5%, 且在燃烧时体积迅速膨胀, 隔绝聚氨酯材料与氧气的接触。
3) 微胶囊阻燃剂
阻燃剂的微胶囊技术是近年来的研究热点, 该技术是以极微小容器来包裹阻燃材料, 在外界条件发生变化时起到控制阻燃剂的释放作用, 从而发挥阻燃作用。该类阻燃剂不与高分子材料发生化学反应, 不影响高分子材料的性能, 其制备方法有界面聚合法、溶胶-凝胶法、原位聚合法和超临界法等四种[8]。微胶囊的结构主要为囊材、囊壁和芯材, 芯材即所需阻燃的高分子材料。囊材一般分两类:天然高分子材料和合成高分子材料, 天然高分子材料有淀粉、各种蛋白质、纤维素等;合成高分子有聚酯、聚苯乙烯、聚酰胺、环氧树脂等。囊壁一般不与阻燃剂发生化学反应, 外界条件发生如高温高热变化时, 囊壁需立即熔融破裂并释放阻燃剂, 发挥阻燃作用。欧洲等国对于微胶囊阻燃剂都已工业化, 而我国还处在研制探索阶段。目前, 国内微胶囊阻燃剂的应用研究主要以微胶囊红磷为主。吴小琴等[9]研究了不同条件下微胶囊红磷对软质PVC电缆料的阻燃性能、机械性能等, 研究表明, 在不同用量、包覆和粒径的情况下, 微胶囊红磷对材料的阻燃性能呈现一定的规律。另外, 工业化方面, 湖南塑料研究所和安徽化工研究等已研制出微胶囊红磷母料, 且成功应用于树脂材料中, 发挥了较好的阻燃效果。
2 阻燃机理分析
阻燃剂产生作用的实质是通过控制燃烧过程所必须的条件来实现的, 具体有以下几个方面:提高材料自身热稳定性、吸收反应热、捕获游离基、形成非可燃性保护膜、稀释氧气和可燃性气体、形成重质气体隔离层等。经过相应物理过程 (如形成隔离膜、冷却、稀释) 和化学反应 (如终止自由基) 来实现阻燃[10]。阻燃机理一般分为凝聚相阻燃机理、自由基捕获机理、冷却机理和协同作用机理。具体阻燃作用机理详述如下。
1) 凝聚相阻燃
高温下阻燃剂在聚合物表面形成凝聚相, 隔绝了空气, 阻止热传递、降低可燃性气体释放能量, 从而达到阻燃目的。形成凝聚相隔离膜的方式有两种:一是阻燃剂在燃烧温度下分解成不挥发的玻璃状物质, 包覆在聚合物表面, 这种致密的保护层起到了隔离膜的作用, 如硼系和卤化磷类阻燃剂具有类似特征;二是利用阻燃剂的热降解产物促进聚合物表面迅速脱水碳化, 形成碳化层, 利用单质炭不产生火焰的蒸发燃烧和分解燃烧, 达到阻燃保护的效果, 如含磷阻燃剂对含氧聚合物的阻燃作用。
2) 自由基捕获阻燃
在聚合物燃烧过程中, 大量生成的游离基促进气相燃烧反应, 如能设法捕获并消灭这些游离基, 切断自由基链锁反应, 就可以控制燃烧, 进而达到阻燃的目的。卤系阻燃剂的阻燃机理就属此类。
3) 冷却阻燃
阻燃剂发生吸热脱水、相变、分解或其它吸热反应, 降低聚合物表面和燃烧区域的温度, 防止热降解, 进而减少了可燃性气体的挥发量, 最终破坏维持聚合物持续燃烧的条件, 达到阻燃目的。Al (OH) 3和Mg (OH) 2及硼类无机阻燃剂颇具代表性。
4) 协同作用阻燃
将现有的阻燃剂进行复配, 使各种作用机理共同发生作用, 达到降低阻燃剂用量并起到更好的阻燃效果。如将氧化锑与有机卤化物阻燃剂的协同使用, 可构成一种非常有效的阻燃体系, 作用于燃烧的可燃物时, 使有机卤化物放出氢卤酸或卤素, 再与氧化锑反应产生三卤化锑或卤化锑酰 (Sb OX) , 这些锑化合物具有阻燃作用, 其中产物Sb X3的阻燃作用很大, 它能形成一种惰性气体, 减少可燃物与氧气接触, 使炭覆盖层生成;高温下Sb X3挥发进入火焰中, 分解成各种锑化物和卤素游离基, 它们改变了火焰的化学性质, 消耗了火焰的能量, 从而达到阻燃的目的。
3 阻燃剂性能测试方法
实验室评价材料阻燃性能的测试方法有很多种, 如垂直燃烧测试、氧指数测定法及各种热分析方法等, 这些方法既有宏观测试, 也有微观测试, 它们对评价阻燃剂的性能和阻燃效果起到了重要作用, 下面介绍几种测试方法[11,12,13]。
1) 塑料氧指数测定法和垂直燃烧法:这两种方法都有相应的国家和国际标准, 能较直观的评价材料的阻燃效果, 但不能对材料燃烧过程中的微观现象进行表征。氧指数能用来表征材料被点燃的难易程度, 它所反映的是材料在保持燃烧过程中所需的最低氧浓度。垂直燃烧法是将火焰施加到垂直放置的材料上, 用以衡量材料燃烧的难易程度。
2) 热重分析和锥形量热仪实验方法:这两种都是热力学研究方法且在材料燃烧性能研究中较普遍, 它们能系统的分析材料在燃烧过程中的热动力学变化情况, 表征阻燃剂的作用效果。其中, 热重分析 (TGA) 可以很好的表征材料的热稳定性, TGA曲线非常直观的展现了材料在受热分解后的整个过程, 同时, 经过相应的图形处理, 还能计算出材料的热分解速率和成炭率, 能非常准确从热力学方面来评价阻燃剂作用效果。锥形量热仪实验同样能表征阻燃剂的作用效果, 而且更加全面, 它能表征的参数包括点燃时间、热释放速率、有效燃烧热、质量损失速率、生烟速率等。这些参数能评价材料的燃烧性能和发烟行为, 还能研究材料的阻燃机理和阻燃效果, 并进行火灾模拟研究。
3) 燃烧残余量与残貌分析法:燃烧残余量与残貌分析法都是通过对材料燃烧后残余物情况来分析阻燃效果的。在添加阻燃剂后, 高分子材料在燃烧时会分解一定的成炭物质, 这些成炭物质覆盖在材料表面, 起到隔离氧环境的作用, 从而发挥阻燃效果。因而从燃烧残余率可以侧面反映阻燃剂的作用效果, 燃烧残余率即燃烧后的剩余质量百分数, 残余率越大, 阻燃效果越好。而燃烧残貌分析法是通过肉眼直接观察燃烧残余物的形貌 (如体积膨胀情况、燃烧产物熔融状态等) 来表征阻燃作用的, 这种方法简单直观, 对膨胀型阻燃剂较实用。
4) 烟密度法:材料在燃烧过程中由于不完全燃烧而产生大量的烟雾, 这些烟雾一方面影响了逃生和施救, 另一方面由于烟雾中存在着大量的有毒有害气体, 严重危害到了人体的健康和生命, 因此对材料燃烧烟密度的测定很有必要。烟密度的测定主要是同测试材料燃烧时的比光密度, 即利用测光系统测量透光率来表征烟密度的。
4 阻燃剂的应用及发展方向
建筑高分子材料 篇5
材料学院高分子材料与工程03级高分子甲班薛继荣
实习编号:028实习时间:2005-4-24至2005-5-1
3两周的时间转眼间就过去了,但是在这期间所经历的一切仍长久的留在我的心中。在这次难得的实习机会中,我学到了很多以前从未接触过的知识,各方面的能力也有了很大提高,可以说是收获颇丰。
一、我的实习感悟:
通过这两周的实习,我在有关金工制造方面有了全新的认识和感悟。
首先,生产的安全是首要的问题。在各工种的学习与实践中,老师们强调最多的就是安全问题,包括人身的安全和设备的安全两方面。的确,在任何工业生产中,人们最关系的问题就是安全问题,生产效率再高的设备,如果不能保证操作者的安全,都是失败的,不会被人们所接受。除此之外,平常我们遇到的安全问题更多的是由于操作者的失误而造成的,这就要求我们在进行生产时要严格按照操作规程进行,还要熟练掌握设备的性能与操作,只有这样才能避免危险的发生。
其次,在对设备的操作过程中要细心、严格按照要求操作。实习过程中接触到的各种设备,比如车床、铣床、刨床以及各种数控机床中都有着十分精密的配合部件,如果粗心操作,很容易发生故障,不仅会损坏设备,严重时还会造成严重的事故,危及自身和他人的安全。因而,作为操作者,一定要具备细心、认真、严谨的态度。
还有,由于不同工种特殊的生产要求,在生产、操作过程中,做好自身的保护十分重要。譬如,在铸造、锻造过程中,我们接触到许多经过高温加热的材料,身体的直接接触都是十分危险的,所以我们必须在充分准备的情况下再去接触这些材料,还要注意判断何时才是安全的状态,要避免因自己的冒失行为引起不必要的危险。又如,有些工种在操作过程中往往会产生特殊的现象,作好防护可以避免对身体的不利影响。最典型的例子,在电焊的操作过程中,强光、火花是不可避免的,强光中的紫外线会引起皮肤的病变,高温的火花往往会引起灼伤、烧伤,因此,必要的防护是万万不可省略的。
二、我印象最深的几个工种:
1.焊工(电焊与气焊)
这是我们第一天的实习科目。简单的讲,这个工种就是采用电弧、火焰等方法将焊接材料加热熔化状态,然后利用这些材料对一些独立的部件进行连接。同螺栓连接、铆钉连接不同,焊接的方法适合于永久连接的部件,具有更高的稳定性。
虽然平时接触到的焊接部件很多,但真正自己来操作的时候可真是不容易。在焊接练习中,由于很难把握好角度、高度以及移动速度这三个重要问题,自己做出来的焊龚老是歪歪扭扭,十分难看。看到实习老师漂亮的动作,我才真正体会到“熟能生巧”这句话的含义。的确,作为操作性很强的工种,电焊和气焊要求工人有很熟练的操作和丰富的经验,这一点,作为实习学生的我们,只能自愧不如了。
同时,通过这一工种的学习,我认识到了自身保护的重要性。这一点,我是有着亲身经历的,由于没有做好充分的准备,在实习过程中将手臂暴露在了强光当中,肘部的皮肤被严重的晒伤,效果可真是“立竿见影”。从那以后,我再也不敢忽视对自身的保护了。
也是通过这一工种的学习,我对安全问题的认识也有了很高的认识。经过加工的部件温度都处于是很高的状态,虽然在很短的时间内就解除了红热状态,但是仍然有着五百度左右的温度,因此也是不能贸然接触的。在实习过程中,我也曾经很随意的去接触自认为温度很低的部件,虽然已经戴着很厚的手套,还是感觉到被灼烧的感觉,以致再也不敢掉以轻心了。
2.钳工
在实习过的所有工种中,钳工算是最辛苦的一个了,短短的一天下来,我的手臂都累的抬不起来了。按照实习要求,我们必须用一根铁棒来做成螺母,乍听起来,还真是不可思议。
在这个工种的实习中,我的感触和收获也不少。首先,通过这个工种的实习,我认识到实际操作的技巧性是十分重要的。由于这次实习中有很多需要耗费很多体力的工作,比如:铁棒的锯削以及锉削等,如果工具使用的不当,不仅白白浪费好多体力,做出来的成果往往不近人意,所以必须十分注重工具的使用技巧。如果能寻找到最省力而又有效率的方法,就可以节省很多时间,又不会把自己搞的疲惫不堪。第二,在这个工种的实习中,我还受到了一个很严重的教训。因为在粗加工的过程中,没有留够足够的余量,以至于因为无数次的锉削加工,我做出来的螺母成了小一号的“袖珍型”产品,虽然外型看起来还不错,其实已成了报废品,十分可惜。
分析原因,我觉得是因为自己在开始加工前,没有对自己的工作进行过仔细的分析和计划,只是盲目的按照书本在做,以至于白白浪费了好多时间和精力。这样的问题,希望我在以后的学习和工作中能尽量避免。
3.车工、铣工和刨工
这三个工种的实习,虽然并没有焊工那样需要严格防护的工作环境,也不是钳工那样需要耗费体力的工作,却给我留下了十分深刻的印象。这是因为这些工种的加工对于精确度的要求是十分严格的。
在这几个工种的实习中,老师要求加工后工件的尺寸公差都只有千分级的毫米单位。这么高的要求让我们不敢有丝毫的疏忽,生怕因为自己的粗心让辛辛苦苦做出来的成果变成了废品。这些设备的操作之所以有这样严格的要求,是因为它们加工的都是有着严格尺寸要求的配合部件,即使是十分细小的失误,也会使加工出来的零件因为不能满足配合关系而报废。因此,在这些工种的实习中,想要早早的做完作业去休息是完全没有可能的,因为这些机床的加工只能采取逐步渐进的方式,每次加工一点点,进行精确的测量后在决定下次的加工量,直到零件的尺寸符合要求为止。
正因为如此,这些工种的实习使我认识到认真严谨的重要性,也锻炼了我分析问题的能力,使我受益匪浅。
4.数控加工(数车、数铣、数刨等)
随着工业自动化要求的提高,计算机科技与传统机床相结合之后,就有了各种数控机床设备的产生。通过这些工种的实习,我真切地体会到了科技发展对工业生产带来的便利,各种数控设备的引进不仅提高了生产效率,提高了零件加工的精度水平,还使得各种具有复杂形状零件的加工更加方便。
当然,要熟练地操作这些机床设备,还必须具备充足的计算机知识和使用能力。这一点使我对生产的知识化有了更深的了解。
三、我对实习的意见和建议
在这次实习中,我的各方面都有所提高,可以说收获不小。不过,实习中对有些方面的经历还不是很满意,所以希望能提点自己的建议,供老师参考。
在整个实习过程中,我最感到遗憾的就是理论知识的学习,总是与实际的操作训练相脱节。有时候,还没有看过教材,脑子里一片空白,老师就让我们开始操作机床,实习的效果可想而知了;但有些工种的老师一上来就让我们自己学习教材,虽然看了不少,还是一塌糊涂,根本没有什么帮助。因此,我希望在以后的实习中,能更好的进行理论教学,这样不仅能提高学生实际操作的熟练程度,还能减少不必要的麻烦。
前景广阔的导电高分子材料 篇6
摘 要:物质按电学性能可以分为绝缘体、半导体、导体和超导体四类。而高分子材料大多数都属于绝缘体范围,但自从美国科学家黑格(A.J.Heeger)和麦克迪尔米德(A.G.MacDiarmid)以及日本科学家白川英树(H.Shirakawa)与1977年发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔薄膜(Polyacetylene)具有金属导电的性质,电导率达到10S/m。具有金属导电特性,将传统的高分子材料不可作为电解质的说法彻底打破,这一物质的出现不仅打破了高分子材料只能作为绝缘体的传统观念,更是为低维固体电子学和分子电子学的建立打下了坚实的基础,是一座非常重要的里程碑。
关键词:高分子材料;导电;2000年诺贝尔化学奖;掺杂乙炔
说到导电高分子材料,我们就不得不谈谈其构成,导电高分子是由具有共轭π键的高分子经过化学或者电化学“掺杂”,使其由绝缘体变为导体的一类高分子材料。也有一些人认为,某一类具有导电功能(包括半导电性、金属导电性和超导电性)、电导率在10-6S/m以上的物质与高分子聚合物混合后的产物也可以称之为导电高分子材料。
导电高分子材料的特点:
第一,室温电导率范围大,导电高分子材料的电导率可以在绝缘体与半导体导电区间内变化。目前为止,任何一种高分子材料都不能进行比拟,拥有很广阔的前景,可以用于线路信号的屏蔽、特种导线的选材、防静电等一系列用途。
第二,绝缘体与半导体之间转换完全可逆,由于其是由共轭π键的高分子经过化学或者电化学“掺杂”,将绝缘体变为导体的高分子材料,因而将导电高分子材料通过特殊技术,将其“脱杂”,就可以变成绝缘体,将其“掺杂”,就可以成为半导体,这也是导电高分子材料的一大特性。
第三,绝缘体与半导体之间氧化还原完全可逆,一切物质的反应都伴随着能量的变化,而所有的物质都会进行氧化还原反应,而导电高分子材料在掺杂、“脱杂”过程中,发生了氧化反应与还原反应,因此,其氧化还原也是完全可逆的。
总的来说,导电高分子材料由于具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率可在十数个数量级的范围内进行调节等特点,不仅可成为多种金属材料和无机导电材料的替代品,而且已成为工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类高分子材料。在黑格等人才发现第一个导电的高分子材料后,科学家们又相继开发出了聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物等能导电的高分子材料。
导电高分子材料的用途:
导电高分子材料具有良好的导电性和电化学可逆性,可用作充电电池的电极材料。利用聚乙炔薄膜制作的可充电电池,经300次循环充放电试验后,充放电效果依旧没有明显的衰退,这样的试验足以说明导电高分子材料已具有商业应用价值。而美国科学家Jeskocheim利用聚吡咯和聚氧化乙烯固态电介质膜试制了光电池试验后,更加向我们证明了这种重量较轻、易成形、工艺简单,并能生成大面积膜,且绿色环保的导电高分子材料具有十分诱人的发展前景。
经过世界范围内科学家们多年的广泛研究,导电高分子材料在新能源材料方面的应用已获得了很大的发展,但离实际大规模生产应用还有一定的距离。由于其加工性不好、价格较其他的导电材料昂贵、稳定性不高等因素,并没有很快地进入大众家庭中。
导电高分子材料通常分为复合型和结构型两大类:
第一,复合型导电高分子材料。由通用的高分子材料与各种导电性物质通过分散聚合、层积复合或表面形成导电膜的方式制得。常用的导电填料有炭黑、金属粉、金属箔片、金属纤维、碳纤维等。其由于复合方式的不同又可分为表面镀膜型(将金属等导电材料通过各种工艺方法涂覆于聚合物材料的表面,使其形成具有导电特性的聚合物材料)和复合填充型(通常在绝缘体中加入导电性填料,填充剂采取一定方法而制得)。主要品种有导电塑胶、导电纤维织物、导电涂料以及透明导电薄膜等。其性能与导电填料的种类、用量、粒度和状态以及它们在高分子材料中的分散状态有很大的关系。
第二,结构型导电高分子材料。是指高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。根据电导率的大小又可分为高分子半导体、高分子金属和高分子超导体。导电高分子材料的结构特点是必须要具有线型或面型大共轭体系,在热或光的作用下通过共轭π电子的活化而进行导电,电导率一般在半导体的范围。采用掺杂技术可使这类材料的导电性能大大提高。例如,掺杂乙炔结构型导电高分子材料用于试制轻质塑料蓄电池、太阳能电池以及传感器件等。但目前这类材料由于技术不成熟,还存在各种问题,尚未进入实用阶段。
在电子工艺方面,导电高分子材料取得了突破性的进展:
第一,电解沉淀中的应用。以往使用沉淀方法印刷电路的过程中,首先在基板上镀上一层金属铜,过去的沉淀方法需要催化剂才可完成,而这些催化剂往往有毒。而现在,使用新型导电高分子材料,如将聚吡咯作为预涂层,涂在基板上,可以避免以上的问题,且无毒、加工简单、附着性好、沉淀在涂层上的金属不易剥离,还可以实现穿孔电镀。
第二,在电容器上的应用。在两电极间加入高分子固体电解质,施加一低于电极和电解质分解电位电压的直流电压,通过电流的导通作用使离子向一端电极移动,从而使电解质和电极之间形成双电层,这种双电层具有容量大的特性,可作为高容量的电容器。
第三,传感器方面的应用。在固体电解质中有许多材料对离子的透过具有选择性,因此高分子固态电解质薄膜两侧如果出现了某种特定离子的浓度差,通过测定其产生的电动势,就能将高分子固体电解质用作离子传感材料。这种传感材料同时具有不必活化、响应速度快、重现性好、内阻小、稳定性好等优点。
在美国和欧洲,导电高分子聚合物的回收已经从90年代的机械回收发展到原料回收和焚烧能量回收一体化。相比之下,我国在该领域的起步较晚,随着对导电高分子材料导电机理研究的不断深入,由于导电高分子复合材料具有极强的可设计性,在我国一般采用以下两种方法回收废弃材料:
第一,物理法回收利用废旧导电高分子材料,对废旧高分子材料经收集、分离、提纯、干燥等程序之后,加入稳定剂等各种助剂,重新造粒,并进行再次加工生产的过程。对于导电高分子材料来说,物理法是最为合适的方法了,早在导电高分子材料的生产公司在单体的选择、合成、材料的制备阶段就考虑到材料使用后可回收利用性,制备易于解聚、降解、可循环再生利用的导电高分子材料。为材料使用后的降解、解聚创造条件。
第二,通过燃烧废旧导电高分子材料的能量回收。
在不久的将来,功能强大的导电高分子材料必然会广泛应用于各个领域,势必会产生越来越多的聚合物废料。充分利用资源和减少环境污染是人们使用这一材料的最终目的,在世界能源日趋紧张的情况下,循环利用显得更为重要。我们应将更加致力于材料的循环研究,应用产品开发、现有技术的改进、设计和优化等,消除这一类物质对环境的影响。
参考文献:
[1]齐宝森,张刚,栾道成.新型材料及其应用[M].哈尔滨工业大学出版,2007.
[2]王建国,刘琳.特种与功能高分子材料[M].中国石化出版社,2004.
[3]董炎明,朱平平,徐世爱.高分子结构与性能[M].华东理工大学出版社,2010.
作者简介:刘宇航(1995—),男,辽宁兴城人,沈阳理工大学。
盖业民(1994—),男,辽宁凌源人,沈阳理工大学。
建筑高分子材料 篇7
1 建筑高分子材料课程简介
建筑高分子材料是指以有机高分子材料及其复合材料为原料生产加工的新型建筑材料。塑料管材管件、塑料门窗、建筑涂料、建筑防水及密封材料、建筑胶黏剂、建筑模板、泡沫塑料保温材料等建筑高分子材料在建筑领域广泛应用, 极大的推动了建筑业的革新和发展。随着中国城市建设和建筑业的迅猛发展, 各类新型建筑材料不断涌现, 建筑高分子材料已成为国民经济的支柱产业。通过对建筑高分子材料课程的学习, 学生把自己所学的高分子材料的相关知识和建筑工程结合起来, 充分认识到了高分子材料在建筑领域的应用价值, 将理论和生产实际紧密结合起来, 更加突出了吉林建筑大学高分子材料专业的一大特色, 拓宽了毕业生的就业和创业机会。建筑高分子材料课程是一门实用性很强的专业任选课。本人在教学过程中不断探索新的教学方法, 尽量避免枯燥的灌输式教学, 采取灵活多样的教学方法, 多样的考核方式, 充分地调动了学生的学习积极性。下面是本人结合教学经验提出的本课程的教学改革方法。
2 建筑高分子材料课程教学改革方法
2.1 教师课前准备工作
教师开课前做好调研工作, 查阅资料、深入市场、深入企业, 掌握当前建筑高分子材料的发展现状和研究方向。要想讲好一门课程, 必须提前做好准备工作。第一, 查阅相关领域的期刊资料, 关注相关网站, 了解该领域的研究现状。在开课前我查阅了与该课程有关的大量资料, 在建筑塑料部分的讲授中, 相对应的期刊有《塑料工业》、《国外塑料》、《化学建材》等;在建筑涂料部分的讲授时, 经常参考的期刊有《涂料工业》。第二, 深入市场、走向企业。上学期, 我走访了几家建筑材料的企业, 进行了参观学习, 感觉收获很大。深入市场、走进企业可以将理论知识和生产实际紧密结合起来, 了解该领域的发展现状和趋势。当你带着实践经验走向课堂组织教学, 那将给同学带来很多新鲜的气息, 无疑会增加学生的学习兴趣, 真正了解到学有所用。这是当前大学生最为关注的问题, 尤其那些主张学习无用论的学生将受益匪浅。
2.2 理论教学联系实际
教师要时刻记住将理论教学与实际生产联系起来、与实践教学联系起来。教师不仅要经常深入企业, 还要鼓励学生到企业参观实习, 向工人学习生产经验, 从而增加对所学理论的深入理解。课堂上, 我经常鼓励学生并将学生介绍到企业参观学习, 了解理论知识在生产实际中的应用。同学积极响应, 受到了较好的效果。另外, 我们还经常将理论教学与实践教学联系起来。在讲授建筑涂料部分内容时, 由于我们材料专业实验室完全具备涂料的实验条件, 我们鼓励学生自己设计关于内墙和外墙涂料的开放性实验, 最后, 在教师指导下, 完成涂料的制备及性能检测, 实践教学与理论教学相互促进, 学生受益匪浅。
2.3 培养学生自觉学习能力
目前普通高校大学生缺乏自主学习能力, 主动学习强调学生应成为学习的主体, 要促进学生积极参与到学习的过程之中, 要通过阅读、写作、演讲、讨论与辩论、实验与研究、社会实践等多种形式学习。在本课程的教学中, 我要求学生每学习一章, 至少要查阅一份资料, 并鼓励其进行科学研究和实验, 撰写论文, 以此作为一项重要的考核标准。而且在课堂上会给同学提供讲解自己所查资料的机会, 与大家一起分享和探讨知识。这样, 学生课后能够积极查阅资料, 课堂上也能积极思考, 部分学生能够积极投入开放性实验中去, 主动到实验室做实验, 真正成为学习的主体。
2.4 注重平时成绩考核
以往的考核方式以期末考试为主, 大约占80-90%。这种考核方式存在很大弊端, 对于很多课程, 学生平时不学习, 进行考前突击学习, 应付过关, 考完则不久就会全盘忘掉。所以, 考核方式应该使学生注重平时的学习过程, 而不是最后的成绩。利用一学期能学到的知识要远远多于期末的突击学习。在本课程教学中, 采用多样的考核方式, 第一是出勤, 占5%, 比例较小;第二是课堂讨论, 给学生提前布置任务, 学生通过学习课本、查阅大量资料, 准备课堂讨论内容, 此项占35%左右;第三是市场和企业调查, 要求学生结合理论知识, 到相应的企业参观实习, 了解相关建筑材料产品的生产过程, 利用课堂向同学们讲述, 此项占30%左右;第四才是理论知识的测验, 占30%。
3 结论
通过建筑高分子材料课程教学改革, 学生学习兴趣显著提高, 能够自觉主动学习, 不仅向课本向老师学习, 还能积极主动查阅大量资料, 到企业实习, 能够做到将理论与生产联系起来, 与实践教学结合起来。课堂上积极参与讨论, 勇于阐述自己的观点。但在实施过程中也有很多困难, 如在进行市场调查过程中, 部分学生不敢走向社会。教学改革是一个长期的过程, 作为教师, 需要不断思考、探索新的教学方法以适应应用型人才培养的需要。
参考文献
[1]王嘉毅, 詹妮特·弗悌娜.美国高等学校提高本科教学质量的七条对策[J].高等教育研究, 2007, 28 (3) :100-105.
[2]张翼星.当前大学本科教育中的两个问题[J].高等教育研究, 2007, 28 (1) :73-76.
功能高分子材料 篇8
关键词:功能高分子材料,生物医用高分子材料
功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料, 或具体地指在原有力学性能的基础上, 还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。功能高分子材料是上世纪60年代发展起来的新兴领域, 是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。近年来, 功能高分子材料的年增长率一般都在10%以上, 其中高分子分离膜和生物医用高分子的增长率高达50%。所谓功能性高分子材料, 一般是指具有某种特别的功能或者是能在某种特殊环境下使用的高分子材料, 但这是相对于一般用途的通用高分子材料而言。这一定义只是一个概括, 不一定很确切, 较多的人认为所谓功能性高分子材料是指具有物质能量和信息的传递、转换和贮存作用的高分子材料及其复合材料。如有光电、热电、压电、声电、化学转换等功能的一些高分子化合物。可以看出, 这是一类范围相当大、用途相当广、品种相当多, 而又是在生活、生产活动中经常遇见的一类高分子材料。功能高分子材料按照功能特性通常可分成以下几类: (1) 分离材料和化学功能材料; (2) 电磁功能高分子材料; (3) 光功能高分子材料; (4) 生物医用高分子材料。功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支, 它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。
随着时代的发展, 在医学领域中越来越迫切地需要开发出能应用于医疗的各种新型材料, 经多年的研究已发现有多种高分子化合物可以符合医用要求, 我们也把它归属于功能性高分子材料。一般归纳起来医用高分子材料应符合下列要求:
1、化学稳定性好, 在人体接触部分不能发生影响而变化;
2、组织相容性好, 在人体内不发生炎症和排异反应;
3、不会致癌变;
4、耐生物老化, 在人体内材料长期性能无变化;
5、耐煮沸, 灭菌、药液消毒等处理方法;
6、材料来源广、易于加工成型。
一、生物医用高分子材料的现状和发展趋势
生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段, 第一阶段始于1937年, 其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料, 如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年, 其标志是医用级有机硅橡胶的出现, 随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚 (醚-氨) 酯心血管材料, 从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。该阶段的特点是在分子水平上对合成高分子的组成、配方和工艺进行优化设计, 有目的地开发所需要的高分子材料。目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料, 这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段。其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成, 在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能, 其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度在国外, 生物医用高分子材料研究已有50多年的历史, 早在1947年美国已发表了展望性论文。随后, 美国、日本、欧洲等工业发达国家不断有文章报道, 有些并已在临床上得到应用。我国研究历史较短, 上世纪70年代开始进行人工器官的研制, 并有部分器官进入临床应用。1980年成立了中国生物医疗工程学会, 并于1982年又成立了中国医学工程学会人工脏器及生物材料专业委员会, 使得生物医学器材获得进一步发展.生物医用高分子材料作为一门边缘科学, 融合了高分子化学和物理、高分子材料工艺学、药理学、病理学、解剖学和临床医学等方面的知识, 还涉及许多工程学问题。生物医用高分子材料的发展, 对于战胜危害人类的疾病, 保障人民身体健康, 探索人类生命奥秘具有重大意义。
二、生物医用高分子材料的基本要求及生物相容性
对于生物医用高分子材料来说, 除了要有医疗功能外, 还必须强调安全性, 即不仅要治病, 而且对人体健康无害。当然, 对生物医用高分子材料的要求也不是一律不变的, 可因其使用环境或功能的不同而异, 如外用医疗材料与肌体接触时间短, 要求可稍低, 而与血液直接接触, 或体内使用的材料则要求较高。
三、生物医用高分子材料的种类及发展
生物医用高分子材料按性质可分为非降解和可生物降解两大类。非生物降解的生物医用高分子包括:聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等, 其在生理环境中能长期保持稳定, 不发生降解、交联或物理磨损等, 并具有良好的力学性能。可生物降解的生物医用高分子材料则包括胶原、脂肪族聚酯、聚氨基酸、聚己内酯等, 这些材料能在生理环境中发生结构性破坏, 且降解产物能通过正常的新陈代谢被基体吸收或排出体外。非降解和可生物降解生物医用高分子材料在生物医学领域各具有自己独特的发展地位, 然而, 随着生物医学和材料科学的发展, 人们对生物医用高分子材料提出了更高的要求, 可生物降解生物医用高分子材料越来越得到人们的亲睐。因此, 在这里主要讨论可生物降解医用。
参考文献
[1]焦剑:《能高分子材料》, 化学工业出版社, 2007.7。
高分子材料的金属化 篇9
通过化学方法或者是物理方法将一些金属镀在高分子材料的表面, 从而使高分子材料具有了镀金属的一些特性, 这就是我们所说的高分子材料的金属化, 金属化后高分子材料一方面就会具有相应传导性、导热性等性能, 另一方面还能够使其具有相应的金属光泽, 进行相应的焊接, 从而使高分子材料替代了一些金属品, 在最大程度上降低了企业的成本。除此之外, 高分子材料本身还具有耐腐蚀、耐高温、耐酸碱等特性, 从而使得被金属化后的高分子材料比常用的金属具备更好的性能, 用途也更加广泛, 已经在我国航天、轮船、机械、化工、制药、运输等行业得到了广泛应用。
2 高分子材料金属化的工艺
就当前技术来说高分子材料金属化主要有以下两种方法:一是, 以物理气相沉积和化学气相沉积这两种方法为代表的干法;二是, 以化学还原、电镀等为代表的湿法。下面我们就将物理气相沉积、化学气相沉积法和化学还原法这三种常用的方法进行详细的研究。
2.1 物理气相沉积
物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition, PVD) 技术主要是在在真空条件下, 采用物理方法, 将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子, 并通过低压气体 (或等离子体) 的一种过程, 从而能够在基体表面沉积具有某种特殊功能的一种薄膜技术。由此可以看出物理气相沉积法的前提基础是真空技术。
真空蒸发法 (又称为热蒸发法) 是指在真空条件下, 通过高温加热镀料使其在非常短的时间内发生蒸发现象, 进而会有大量的原子、分子发生气化现象, 从而离开了镀料或者说是镀料的表面, 然后这些气化的原子、分子由于是处于真空环境下, 所以在经过少量几次的碰撞后迁移到基体, 最终沉积在基体的表面形成一层非常薄的膜。该方法的主要特点是对设备的要求难度不高、非常容易操作;薄膜具有非常高的纯度、质量;同时能够快速成膜, 具有非常单纯的薄膜生长机理, 但是该方法成的薄膜没有结晶结果, 致使其跟基板的附着力非常小。为了解决这一问题, 专家们使用等离子刻蚀跟该技术有效结合起来, 来提高其附着力。例如有专家将聚丙烯用氨等离子体处理后, 再使用真空蒸发法在聚丙烯表面镀一层铝薄膜, 然后再将其经过XPS和EXES分析发现, 聚丙烯和铝薄膜之间的附着力变得非常大。
2.2 化学气相沉积
化学气相沉积 (Chemical vapor deposition, 简称CVD) 主要是指在气态条件下, 反应物质发生化学反应, 最终固态物质, 并且该固态物质附着在加热的固态基体表面上, 最终生成固体材料的一种技术方法。
人们在PTFE镀铜就使用了化学气相沉积方法, 主要分为以下几个步骤:首先PTFE表面先经过相应的化学粗化处理, 然后再使用激光束在其表面进行图案刻画, 最后再经过化学气相沉积法将铜沉积在其表面。将经过以上步骤处理后的镀铜PTFE经过XPS和EXES分析显示, 激光辐射的部分没有铜沉积, 而没有经过激光辐射的部分有大量的铜沉积, 这就说明PTFE表面粗化部分被激光已经抚平到跟其原始表面一样, 所以没有铜沉积。
化学气相沉积法的特点是沉积不需要很高的温度, 非常容易控制薄膜的成份, 膜厚与淀积时间成正比, 均匀性, 重复性好, 台阶覆盖性优良, 具有很强的附着力。但是该方法会受到气体运动速率、压力分布、温度等各方面因素的影响, 而是膜形成过程受到破坏, 同时还会影响薄膜的构造, 所以要想得到理想的薄膜必须严格控制各项条件。
2.3 化学还原法
化学还原法主要是指通过化学反应将高分子材料跟金属盐之间形成鳌合物, 从而能够使一些金属离子掺入到高分子材料中, 这些金属离子在经过化学还原处理后, 在高分子材料表面可以均匀地沉积层可导电的金属层。
有人将金属钻通过该方法成功的镀在了聚亚胺脂 (PU) 的表面上, 具体步骤为, 称取适量的Co Cl2, MDI, PEE15和PEE3, 将这些试剂加入到DMF溶液中, 用搅拌充分搅匀, 最后在室温条件下会在聚丙烯板上形成一层薄膜, 然后再将聚丙烯放在烘箱中100℃加热五十小时, 加热结束后将其放在Na BH4水溶液中, 在21~62℃下还原10-13分钟, 最终得到镀钻的聚丙烯。通过XPS分析得出, 该方法形成的薄膜表面是非常纯净的。
3 结论
综上所述, 高分子材料具有耐高温、耐腐蚀、耐酸碱等特点, 而高分子材料金属化还使其具备了金属的某些特性, 从而使其性能变得更加广泛, 所以高分子材料金属化在工业上的大力应用将会大大降低企业的成本, 对推动我国经济的快速发展起着非常重要促进作用。
摘要:随着我国社会经济的快速发展, 人们对高分子材料的用途越来越广泛, 很多领域都应用到了高分子材料。将高分子材料金属化会使高分子具有金属的一些特性, 从而使其功能变得更加强大, 这也是本论文的重点研究方向。
关键词:高分子材料,金属化,工艺
参考文献
[1]冯辉霞.化学还原法制备Fe3O4纳米颗粒及其性能研究[J].功能材料, 2013 (10) .
高分子口腔材料的新进展 篇10
人类在2500年前就已开始使用口腔材料,公元1世纪的罗马就有人用棉绒、铅和其它物质来充填龋洞[1]。口腔修复材料主要用于对人体口腔组织和器官的加固、修复和替代。中国大约有3亿人缺牙,对口腔修复材料的需求量很大[2]。随着生活水平的不断提高,人们对于口腔健康的关注日益加深,对于口腔材料这种半植入性的生物材料的研究也日益广泛。高分子口腔材料具有优异的修复效果和良好的美观效果,在当今口腔材料中占有举足轻重的地位。根据EI Compendex的统计数据,在众多的口腔材料研究内容中,与高分子口腔材料相关的内容位居榜首。本文从材料的合成、性能和研究方法等3个方面介绍了高分子口腔材料的研究进展。
1 新型高分子口腔材料的合成与制备
高分子口腔材料可以更好地满足人们的美观要求,并且不含重金属类毒性物质,发明至今已成为汞合金替代物的首选[3]。但它依然存在很多问题,如聚合收缩、转化率低、材料的吸湿性膨胀等由于高分子材料本身的弊端而造成的材料的边缘微渗漏、单体渗出以及理化性能的降低等,常常导致口腔修复的失败。这些问题也引起了研究者的关注,已有的工作主要集中于研究新型的单体、填料、表面处理方法、新型光引发体系等,以改善材料性能和修复效果。
传统的复合树脂中通常含有树脂基质、填料(玻璃、石英或陶瓷材料等)以及基质与填料的偶联介质[4]。在现有的商品类复合树脂中,最常见的树脂基质是交联的二甲基丙烯酸酯的混合物,如Bis-GMA、TEGDMA、UDMA、D3MA等[4,5](见图1)。
由于Bis-GMA本身粘度过大,在使用过程中需要与TEGDMA等稀释剂同时使用。复合树脂在使用过程中会由于聚合不完全释放出一些未反应单体及其他小分子量化合物[6]。Gauthier等[5]合成了一种含有胆汁酸的甲基丙烯酸酯衍生物。胆汁酸是人体内的一种两亲性化合物,本身具有良好的生物性能,同时与甲基丙烯酸酯中双键的键合可以防止聚合后小分子物质渗出。Moszner等[7,8]研制的芳香族二甲基丙烯酸氨基甲酸乙酯TMX-UDMA(合成路径如图2),作为一种可见光固化含有双甲基丙烯酸的修复树脂,不但与传统的Bis-GMA修复树脂性能相当(如表1、表2所示),而且毒性较低,可以作为Bis-GMA的替代物[8]。许乾慰等[9]研制的双酯PMDM(二甲基丙烯酸乙氧基均苯四甲酸酯)作为功能单体不需要稀释剂就可以溶解,同时还能起到引发交联的作用,减少了稀释剂TEGDMA的用量。Sahin等[10]合成了一种含有苯膦酸基的甲基丙烯酸酯单体,可以作为BisG-MA的稀释剂,在改善其固化性能的同时,增强了复合树脂与牙体之间的粘接作用。
注:(A) 在室温下保存24h, (B) 在37℃水中浸泡24h, (C) 在37℃水中浸泡7天;(a) TMX-UDMA (1, 3 and 5), Bis-GMA (2, 4 and 6), EO-Bis-GMA (7); (b) Standard deviation in parentheses. Values of the same letters (a, b or c) are not statistically diffe-rent at a P-value of 0.05[8]
注:(A) 在室温下保存24h, (B) 在37℃水中浸泡24h, (C) 在37℃水中浸泡7天;(a) TMX-UDMA (1, 3 and 5), Bis-GMA (2, 4 and 6), EO-Bis-GMA (7), (b) Standard deviation in parentheses. Values of the same letters (a, b or c) are not statistically diffe-rent at a P-value of 0.05
复合树脂基质在聚合过程中由于收缩应力引起的聚合收缩是其使用过程中面临的主要问题[5]。这会进一步导致边缘微渗漏发生,增加继发龋的风险,缩短复合树脂的使用寿命。许多研究者将氟这种良好的抗龋齿成分引入修复树脂体系,如Xu等[11]合成了氟释放型二甲基丙烯酸单体,再将其与氟释放型填料混合使用,可以使材料获得稳定的高氟释放性和再吸收性。
甲基丙烯酸酯类复合树脂的网状结构中存在大量的酯基等极性基团,易受到口腔环境中的水、酶和化学物质的作用而分解,缩短修复树脂的使用寿命[12]。研究者们在对Bis-GMA的侧链进行改性的过程中,通过减少侧链中极性基团的数目,以降低其吸水性,提高表面硬度,如在侧链上引入-CH3、-CF3[13]、-Si(OEt)3[14]等。Park等[12]合成了一种带有支链的多功能性甲基丙烯酸酯(TMPEDMA),可以提高树脂的交联度,降低吸水性,使其更适于在潮湿环境中使用。
填料可以改善复合树脂的物理机械性能,并能降低复合树脂的热膨胀系数,减少聚合收缩,增强树脂基体的防裂性能,并减少基体中的裂纹[15],而且无机填料比有机填料更能有效地阻碍材料中疲劳裂纹的扩展[16]。某些特殊填料如钛白粉可以起到遮色作用,含钡填料对X射线有阻挡作用,便于修复体的复查[17]。目前,多数的口腔复合材料中都含有大量的无机增强型填料[18]。填料的微观结构(如填料的尺寸、分布、形态等)和含量都会对树脂基质的性能产生影响,其中含量的影响最大[19]。而在低填料含量的复合材料中,填料的微观结构对材料的物理性能如硬度、弹性模量等产生决定性的影响[20]。
纳米无机材料由于粒径小、比表面积大,在聚合物复合材料中,与基体材料间有很强的结合力,不仅能提高材料的刚性和硬度,还可以起到增韧和增加耐磨性的作用[21]。一定含量的高分散均一纳米纤维状硅单晶填料可以显著增强复合树脂的力学性能[22]。在光引发聚合的单体中加入高比例的金属氧化物和二氧化硅纳米微粒,能在充入窝洞时使单体保持良好的流动性,固化时不收缩或很少收缩[23]。而含有纳米SiO2的PMMA义齿基托复合材料的抗弯强度有显著提高。纳米粘土改性的PMMA粘接体系的微剪切粘接强度明显提高,而且在稀释的粘接体系中分散稳定性也得到提高[24]。
2 高分子口腔材料的性能研究
高分子口腔材料,作为一种半植入性生物材料,在口腔环境中所表现出的特殊性能日益受到人们的关注,如材料与口腔组织的生物相容性,与牙体之间的表界面性能以及受日常生活影响的性能,如材料的抗继发龋性能、抗疲劳性等。
2.1 氟释放性能
继发龋或复发性龋齿长期以来都是口腔修复材料失效的主要原因之一。临床报告显示,氟离子可以有效地抑制继发龋和脱矿作用[25]。口腔修复材料中释放的氟会干扰菌膜和牙斑的形成,并抑制微生物的生长和新陈代谢,有效地抑制继发龋,同时可以与羟基磷灰石中的羟基离子互换,形成不易溶的氟化羟基磷灰石,减小脱矿作用[26,27,28]。常见的含氟材料主要分为玻璃离子、树脂改性玻璃离子、复合体(Compomer)和含氟复合树脂。不同类型氟释放型材料的抗龋齿作用主要依赖于材料释放的氟总量以及氟释放时间的长短,会受到材料基体、填料、氟含量和固化条件以及使用环境的影响。研究表明,高氟含量的树脂具有高氟释放性能[27]。
2.2 边缘适合性
可见光固化的复合树脂在聚合过程中产生的聚合收缩,会导致龋齿洞壁的边缘区域形成内应力,从而与牙本质龋齿洞壁之间形成边缘解离,导致其与牙本质粘接失效,而且这种聚合收缩造成的性能下降并不能通过吸湿膨胀得到补偿,这是充填树脂应用中最需要解决的问题,也是临床应用中的主要问题之一[29,30,31,32]。复合树脂在聚合过程中产生的聚合收缩应力会受到材料的体积收缩、黏弹性以及修复方法等因素的影响[33]。研究发现,材料的聚合收缩与树脂的化学结构、相对分子量、填料含量和转化率有关[34],与样品的几何形态无关。
2.3 疲劳强度
在口腔环境中,日常咀嚼等有规律的弱的重复应力,对修复树脂性能造成的破坏也是不容忽视的[35]。反复咀嚼应力造成的次表层上微裂缝的增长是复合材料临床磨损的一个先兆,而且在水环境中,修复树脂的疲劳裂纹增长还会加剧[17]。添加填料的复合树脂的抗疲劳性优于未添加填料的复合树脂[35]。目前,对于疲劳行为的研究方法主要有疲劳寿命曲线法和损伤容限法,但二者都无法深入地研究疲劳行为的产生机制,所以对于疲劳行为的研究有待深入,以利于新型基质材料的研发。
3 材料的新型研究方法
各种仪器的综合应用,以及相关学科的渗透交叉,都使得人们对高分子口腔材料的研究由表及里,逐渐深入。对于材料在使用过程中表现出的某些缺陷,已经从最初单纯的材料性能研究转向缺陷产生的机理研究,建立各种能够适合不同情况理论研究的模型。同时,也有更多的研究集中于模拟口腔内部环境对材料的结构与性能等方面。
3.1 聚合收缩
高分子在聚合过程中出现的聚合收缩是其固有特性之一[36]。通常,高分子的聚合收缩表现在产生收缩体积与收缩应力两个方面。在临床使用中,修复树脂与龋洞齿壁的粘接会导致其聚合收缩变形受到限制,最终导致收缩应力的产生[37],继而引发一系列的临床问题,如边缘适应性差、微渗漏、边缘污染和术后敏感疼痛、继发龋、修复体与牙齿间界面缺陷等问题,当收缩应力超过修复树脂-牙齿的界面粘接强度时,甚至有可能导致粘结脱落,修复失败。
聚合收缩一直是制约复合树脂发展的瓶颈,而人们对于高分子口腔材料的聚合收缩的研究从未间断,研究方法也总是在推陈出新。传统的研究方法主要有膨胀测定法、电阻应变仪法、激光干涉法、比重法等,但这些方法都不能研究临床应用条件下的聚合收缩现象[34,38,39]。利用光纤布拉格光栅传感器对材料的聚合收缩和吸湿性膨胀进行了研究,不仅可以对样品内应变的变化进行实时监测,而且具有长时间的稳定性,不受电磁干扰,与材料有良好的相容性[40]。X射线显微计算机辅助断层摄影(X-ray microcomputed tomography,μCT)可以定量测定复合树脂在聚合前后的体积变化,在临床条件下有效地研究材料的聚合收缩现象[34],同时,还可以得到聚合收缩的三维图像[39]。Sun等[39]研究发现μCT所得的结论与传统的干燥渗透法结论一致,说明这种方法可以用于研究修复材料临床的微渗漏现象。
3.2 表界面性能
口腔粘接剂是用来粘接修复材料与口腔软硬组织表面的物质,有效的粘接可以减少或消除对牙体组织的切削而替代机械固位方法,防止修复体与牙体组织之间的边缘微漏,并能最大程度地保存健康的牙体组织,获得最佳的修复效果。而修复树脂与口腔组织之间牙本质基体的粘结失效主要是粘接界面上产生的一些缺陷导致的。
修复树脂与口腔组织之间的表界面性能研究也是高分子口腔材料的研究热点之一。传统的扫描电子显微镜(SEM)表面研究方法存在一些弊端,为了改进表界面性能的研究方法,有研究利用透射电子显微镜(TEM)[38]、场发射扫描电镜(FE-SEM)与能谱仪(EDS)[41]联用等方法。通过激光共聚焦显微镜法(CLSM)对材料的纳米渗漏现象进行研究不但不会破坏材料表面,而且其最大研究深度可以达到表面以下100μm(图3)[42]。
对于材料粘接界面机械性能的研究,有研究者采用纳米压痕法[43]、高频聚焦超声波探针的扫描声波显微镜[44]等,但是这些方法都只能对界面的性能进行静态研究,无法了解材料界面对于加载应力的过程的响应。利用云纹干涉显微镜法进行研究,不仅可以避免拉伸应力或压缩应力的加载对材料界面的某些性质产生影响,而且可以得到实时的U和V的位移场中全部的云纹干涉条纹图样,然后根据干涉条纹和样品的位移/微应力比例进行分析研究(图4)[45]。
4 展望
通过对近年来国内外高分子口腔材料部分相关文献的研究分析可以看出,对传统的复合树脂在使用过程中逐渐显露出的弊端,研究者们已致力于研究现有产品的改性产品或者替代物,如合成黏度更小的新单体,在侧链引入不同的官能团,或者引入纳米无机填料;同时,对相关使用仪器的改进和新型的材料性能研究方法的探索也日益增多,如突破传统表界面性能研究方法,引入激光共聚焦显微镜法研究材料的纳米渗漏现象等,更好地解决齿科材料在使用过程中所暴露出的问题。
临床使用中凸显的问题是重点研究内容,如关于继发龋、材料的边缘适应性以及抗疲劳性能,需要重点研究;关于氟释放材料,需要着重考虑氟释放材料对继发龋的产生和增长的影响,尤其是针对无法进行有效预防的病患群体;关于如何减小界面裂缝的形成,改善材料的边缘适应性,以及如何提高材料的抗疲劳性能,延长材料的使用寿命等问题尚需解决。
随着人们对口腔健康重要性认识的逐渐深入,对于口腔生物材料的选择也会综合考虑许多因素,包括患者经济状况、美观要求、患牙部位及其对修复体的功能要求等。
摘要:介绍了修复树脂在新结构单体的合成及对传统结构的改性方面的发展,高分子口腔材料的某些应用性能,如材料氟释放、边缘适合性、疲劳强度等,以及关于材料的聚合收缩和表界面性能等机理的新型研究方法,并展望了高分子口腔材料的研究方向,提出在临床应用中遇到的实际问题逐渐成为研究的热点。
建筑高分子材料 篇11
关键词: 高分子材料 加工助剂 多媒体 案例教学
高分子材料在工业、农业、交通运输、国防工业、人民生活、医疗卫生等各个领域有广泛应用,是现代社会中衣、食、住、行、用各个方面不可缺少的材料[1]。高分子材料的成型加工是高分子专业研究的重要主题,相应助剂对提高高分子材料的合成效率、加工性能、使用性能有着至关重要的作用,随着助剂行业的发展,助剂品种日益繁多[2]。《高分子材料加工助剂》就是面向高职、高教学生开设的一门高分子专业课程,通过多年本门课教学,笔者总结出以下教学方法。
1.讲明本课程在高分子专业知识构成中的作用
合成与加工成型是高分子材料专业研究的两大主题,其中加工成型离不开高分子加工助剂相关专业知识,因为对助剂的品种和性能不了解,成型加工的工艺设计与控制难以进行[3]。助剂在配合塑炼和基本成型过程中起这样的作用:加工过程中改善聚合物的工艺性能,影响加工条件,提高加工效率;改进制品性能,提高它们的使用价值和寿命。概括起来说,助剂和聚合物是相互依存的关系。聚合物的研究和生产先于助剂,但只有在具备适当助剂和加工技术的条件下,它们才有广泛的用途。
因此,高分子材料加工助剂是高分子专业知识构成中重要组成部分,本专业学生应形成这样的概念:从事高分子材料加工成型过程的工艺设计和控制工作离不开高分子材料加工助剂的相关知识。
2.本课程教材的选择
目前,市面上有不同教材可供教学选择,针对不同教学对象和教学大纲的具体要求,老师应相应选择教材。笔者选用方海林主编的《高分子材料加工助剂》,该教材面向本科生教学,通过教材学习,学生对高分子材料加工中常用助剂的概况、作用机理、品种合成、性质及其应用等有全面深入的理解;通过具体工艺及配方学习,认识它们对材料的工艺和性能的影响,具有一定解决实际问题的能力。当然,由于教学过程中课程设定为32学时,老师可根据学生学习兴趣适当取舍,如第九章润滑剂、发泡剂、着色剂、发泡剂的讲解可以适当缩减一些,而第二章增塑剂内容可以适当补充一些书本以外的知识。
3.本课程的教学方法
3.1多媒体结合板书
信息拓展展示以多媒体为主,重点问题讲解以板书为主[4]。对于《高分子材料加工助剂》课程教学,多媒体课件重点在以下三个方面突出应用:(1)当涉及大量信息拓展或者多种形式的直观展示时,以多媒体为主,如各种助剂的外观图片、合成助剂的工艺流程图、同一类助剂各种典型的化学结构式展示等。(2)对于大量公式推导、文字描述可以通过多媒体方式进行,这样可以比较准确完整地反映同时节省大量授课时间。板书的引导会带动学生的思维层层深入,更容易将一个知识点讲透。如讲热稳定剂、光稳定剂的作用机理时,通过板书讲解与分析,可以引导学生思考,更容易将难点讲透。
3.2案例教学法
案例教学法是一项系统工程,需要教师精心创设教学情境,巧妙设置探究问题,引导学生在分析案例中研究问题,从而形成认识、发展能力、升华情感,并借助情境与问题实现教学目标[5]。对于《高分子材料加工助剂》课程教学,工厂已经采用的一些助剂配方设计实例都是鲜活的案例,教师可以在课堂上大量引入配方实例,通过对配方实例的分析,告诉学生各种助剂在配方中起什么作用,在配方设计时遵循什么样的设计规律,为学生将来从事配方设计打下良好的基础。
3.3课后在线答疑
現在学生几乎达到人手一台电脑,学生对电脑的常用操作基本熟练,特别是一些交流工具,如电子邮件、QQ在线聊天甚至视频对话等,笔者认为借助互联网进行学生课后答疑是一种教学辅助方法。学生在课后学习,如在做课后作业时遇到问题,借助电子邮件向老师提问,可以提高学生学习效率。当然,这种答疑方法有待进一步探索,如果老师每天进行大量邮件答疑会增加教学负担,这时可以采取更灵活的方法如建立QQ群,在指定时间内在线群聊进行答疑等。
4.成绩考核与评价
《高分子材料加工助剂》考核可以选用考试、小论文、大作业等方式进行,由于这是一门应用性很强的课程,学生将来运用相关知识时需要很强的主观能动性。笔者经过多年实践认为用小论文考核更符合这门课的学习规律,因为写小论文本身就是学生一个再次学习的过程,这个过程需要查阅比较多的资料,将内容很好地组织,还要形成自己的认识及评价。布置完小论文题目后,一般会提出以下写作要求:写作紧扣论文题目、不出现偏题、有学术性;写作条理清晰,内容安排有序;写作重点突出;写作参考资料充分、全面;写作中能提出自己的观点、对现代企业管理的认识;写作字迹清晰、工整,表达流畅,字数3000左右。批改小论文的时候按学生对以上写作要求的执行情况进行评分。学生最终成绩按学校、系部要求进行,结合平时考核和期末考试成绩综合评分。
5.教学效果与评价
通过本课程学习,需要实施培养专业面宽、知识面广和工程能力强的应用型本科人才这一课程教学目标,绝大部分学生应掌握常用高分子材料加工助剂的作用机理、结构、特点、性能、用量,并具有初步设计聚合物材料配方的能力。从已经毕业的学生反馈看,学习这门课为从事相关工作打下很好的基础,学生进入工厂后将在比较短的时间内满足岗位要求,从事聚合物配方设计及工艺设计、控制等工作。
目前,新的高分子材料加工助剂不断被研发出来,知识更新非常快,而学生的学习方式、学习兴趣也有时代特征,如何上好《高分子材料加工助剂》这门课需要不断探索、持续研究。
参考文献:
[1]周鹏.高分子材料的发展及应用.科技创新,2015(11):69.
[2]冯嘉春,郑德,陈鸣才.我国高分子助剂研发现状及思考.透视,2007(2):33-36.
[3]向明.高分子助剂在聚合物成型加工中的应用研究.年全国高分子学术论文报告会,2007:799.
[4]卞鸿巍,王荣颖,马恒.多媒体与板书在课堂教学中优化结合方法探讨.教育教学论坛,2014(39):235-236.
高分子材料疲劳行为的研究 篇12
高分子材料的疲劳行为可分为3个阶段, 第一个阶段称为疲劳过程初期, 应力在较短时间范围内出现急剧的变化, 应力软化的阶段。第二阶段则是应力变化缓慢, 材料的内部或表面出现损坏。最后一个阶段则是由第二阶段的损害引发的裂纹并持续扩展, 直到材料断裂。高分子材料的疲劳破坏属于一种动态力学行为, 与其所处的力学状态息息相关。本文通过选择塑料对高分子材料的疲劳行为进行研究。
塑料在疲劳的过程中, 裂纹的引发和扩展两个阶段有各自不同的特征。在周期性负荷初期, 第一阶段包括了银纹产生和剪切屈服, 从而产生了裂纹。第二个阶段则为产生裂纹后的扩展乃至产生断裂。在第一阶段, 裂纹可能是在周期应力的前提下, 材料的内部出现了微观的损伤形成微裂纹, 然后在微裂纹端部引发银纹区。随后, 应力会不断的集中, 受应力集中效应的影响, 银纹区会不断的增大, 并使得微裂纹端部出现钝化现象。应力又进一步使钝化部位发生破裂, 微裂纹又会形成新的银纹区, 直到形成了宏观的裂纹。
人们通过对聚氯乙烯、有机玻璃、聚苯醚、聚苯乙烯等结晶与非晶塑料的疲劳研究可以看出, 疲劳裂纹的扩展速度与应力强度因子幅度是遵循Paris法则的。
Paris法则:
(△k应力强度因子幅度, a表示的是裂纹的尺寸, N表示的是载荷循环次数, A, n则是与材料种类、频率、温度、应力比等有关的材料常数)
另外, 人们通过对诸如低密度聚乙烯之类的韧性塑料等非线性粘弹性材料的疲劳度的研究, 发现Paris经验对裂纹端部的具有较大范围的屈服区是不适用的, 但与疲劳过程中裂纹扩展速度与非线性能量释放率的变化有很大的关系。
裂纹扩展速度与非线性能量释放率的关系:
(G为非线性能量释放率, B、q是与材料温度、种类、应力比、频率等有关的材料常数)
塑料材料在疲劳过程中, 疲劳裂纹有两种增长方式, 一是不连续裂纹增长或称迟延裂纹增长, 另外一种是连续疲劳裂纹增长。多数塑料具有不连续裂纹增长特征, 这是因为迟延裂纹增长出现在低交变应力的情况下, 伴随着往复应力的叠加, 在这种作用力的作用下, 而呈现出了不连续裂纹增长特征。
2 影响高分子材料疲劳性能的因素
2.1 结构因素
2.1.1 高分子结构
结晶高分子中的晶相能够阻滞裂纹发展, 同时晶相的变形还能够吸收一部分的能量, 因此, 一般而言, 结晶高分子的耐疲劳性能是要优于非晶态高分子的。所以, 高聚物的结晶度越高, 那么其抗疲劳, 阻滞裂纹扩展的性能就越好。而非晶态玻璃状的高分子的那疲劳性则不同, 简单拉伸的情况下, 一般会产生银纹而不屈服的高分子, 例如有机玻璃, 疲劳裂纹扩展速率是非常快的。但对那些拉伸除了产生银纹还要屈服的高分子 (例如:聚氯乙烯) 之外, 在相同的应力强度因子幅度时, 裂纹的扩展速度则会比较小。因为此时, 后一类高分子的主动链的运动能力一般比较大, 疲劳应力因而在分子链上分布较为均匀。
2.1.2 相对分子质量及其分布
相对分子质量大的分子能够有效的提高抗断裂、抗疲劳的性能。高分子材料相对分子质量及其分布对疲劳性能的影响与其分子链的缠绕网络有关, 因为分子缠绕网络对断裂性具有良好的抵抗能力。所以, 在材料中, 缠绕网络中分子链越多, 疲劳裂纹扩展速度就越小。一般而言, 在高分子材料中, 分子链的较长的则能够形成抗疲劳性能好的缠绕网络。
2.2 环境因素
2.2.1 氧气
氧气的氧化作用会加速一些高分子的疲劳破坏。比如没有预裂纹的聚苯乙烯在氮气中疲劳时, 其比空气中的疲劳寿命要增加一倍, 而在其样品表面上镀上一层金膜同样能够有效的增加聚苯乙烯的疲劳寿命。这表明了在将氧气阻隔的条件下, 可以有效地提高高分子的疲劳寿命, 这是因为氧气可能会促使分子链在有氧的条件下, 促进氧化裂解。另外, 根据聚苯乙烯在疲劳中裂纹沿裂纹端部银纹向前扩展, 也可能由于银纹质的断裂产生的自由基和氧发生反应, 同样促进了分子链的氧化裂解。
2.2.2 形成氢键的介质
高分子材料中形成的氢键介质对高分子的力学性质可能造成影响, 特别是对玻璃状的高分子。比如聚苯乙烯材料, 形成的氢键可以增加其疲劳寿命, 因为, 氢键介质能够有效的抑制住表面银纹的发生, 进而提高了扩展增长和裂纹引发的疲劳周数。
2.2.3 频率
在动态疲劳过程中, 频率对疲劳寿命产生了十分重大影响。一般来说, 动态疲劳过程中, 频率提高会使得疲劳寿命下降。这是因为在低频率条件下, 试样温度的升高可以通过热传递与环境温度达到热的平衡;而在高频率条件下, 假如塑料材料的导热性能不强, 会使得材料内部温度升高却又不能获得及时的传递, 热量因此累积起来, 促使热老化和热降解, 从而降低了疲劳寿命。
2.2.4 水分
对高分子疲劳性能产生影响的因素包括水分, 不过这个影响的过程和原理则比较复杂。比如, 在含水量较低的时候, 水和尼龙形成的氢键会使尼龙分子排列紧密, 进而增加了尼龙的韧性。水含量较高的时候, 则会起到增塑剂的作用, 玻璃化转变温度和模量降低, 从而增加疲劳裂纹增长速度。
高分子材料的疲劳过程比较复杂, 在裂纹引发和扩展阶段具有不同的特点。在结构因素方面, 结晶高分子材料、相对分子质量大以及其分布比较宽的高分子材料一般抗断裂、抗疲劳性能比较好。另外环境因素对高分子材料的疲劳寿命都具有明显的作用。
摘要:高分子材料是一种新型的结构材料, 具有非常优异的物理力学性能, 在人们的日常生活中得到了广泛的应用, 为此对高分子材料的耐疲劳性进行改进, 对高分子材料疲劳过程、疲劳的破坏现象和影响因素进行研究则显得非常必要。高分子材料是一种新型的结构材料, 具有非常优异的物理力学性能, 在人们的日常生活中得到了广泛的应用, 为此对高分子材料的耐疲劳性进行改进, 对高分子材料疲劳过程、疲劳的破坏现象和影响因素进行研究则显得非常必要。
关键词:高分子材料,塑料,疲劳行为
参考文献
[1]傅政.高分子材料强度及破坏行为[M].北京:化学工业出版社, 2004.