高分子基础概论

高分子基础概论

主要內容 • 高分子材料特性 • 高分子材料分类 • 高分子材料基本概念 • 高分子微结构与物性之影响 Polymer Technology Application Center

高分子材料(polymer) • 由许多结构单元通过共价键的方式重复连接而得的大分子，即高分子。常用的分子量为104~106 • 聚合方式：縮合聚合&加成聚合 • 聚合物的优缺点 1)比重小：聚合物 0.8-2.2 金屬 2.7-7.5 陶瓷材料 2.2-2.5 2)成形性：较金属压铸，陶瓷預铸好 3)机械特性：金属最強，陶瓷抗压抗折強度大 4)热性质：热传导率低，热膨胀率高 5)电性质：良好电绝缘体 6)加工性及精度：机械加工，精度差异頗大 7)化学性质：性质不一

塑胶材料分类(1) • 以基本结构來分热塑性： 1)线性高分子組成 2)加热与冷卻具有改变液态与固态的可逆性变化 3)加工过的材料可重复回收使用热固性： 1)分子构造呈网狀、三次元结构 2)随溫度无法进行液态与固态的可逆性变化 3)加工过的材料无法重复回收使用 Polymer Technology Application Center

塑胶材料分类(2) • 以分子链排列形态來分結晶态： 1)分子链进行規整排列 2)具有明显熔点(Tm) 3)当結晶结构被破坏时，比容(單位重量的体积) 会有明显的变化。无定形态： 1)分子链进行无定形排列 2)有明显的玻璃转变点(Tg) 3)熔点及在熔点附近的比容均不太明显 4)具透明性 5)抗化学性较差 Polymer Technology Application Center

塑胶材料分类(3) • 以功能來分: 塑胶依其机械、电气、热学及其他性质功能來分。 1 )泛用塑胶：外观及低功能使用要求，用在一般商用产品的外观或包裝上。如：PE 、 PVC 、 PMMA .ABS 2 )工程塑胶：用以取代鋁、铁等金属铸造及高功能要求的精密零件上。如：POM 、 PBT 、 NYLON 、 PC 3 )高級工程塑胶：运用于特別要求之电子精密零件。如：LCP 、 PPS 、 PEEK

高分子基本概念 • 分子链构成 • 分子链组态 • 热性能基本概念 • 流动性基本概念 Polymer Technology Application Center

分子链构成 • 聚合单体：构成高分子基本單元的小分子 • 重复单元：构成高分子的基本单元 • 链段：发生玻璃化转变时大分子的运动单元 • 分子量： 1.數均分子量(Mn)：体系的总质量W为分子总数平均，低分子量部分的贡献大. 2.重均分子量(Mw)：高分子部分贡献大. 3.粘均分子量(Mv)：聚合物的分子量常用黏度法測量. 一般:Mw >Mv >Mn Polymer Technology Application Center

分子链构成 • 分子量分布：聚合物的分子量的多分散性. 1.分布指數：重均分子量数均分子量. 2.分子量分布曲线. • 聚合度:重复单元的个数.间接表征分子量大小。質量分率 Mv Mn 分子量 Mn Polymer Technology Application Center

分子链构成 • 官能团及其特性: 高分子中体现材料特性的基团. 如：酰胺基的吸水性；过氧基的易分解性；晴基的強极性等。 • 线形，支形，体形线形分子链柔韧性.規整性高，易于結晶。例HDPE 支形分子链規整性差，不易結晶。例LDPE 体形高分子，线性或支链形高分子链之間有化学键连接形成网状结构大分子，位热固性材料。如橡胶（NR) Polymer Technology Application Center

分子链组态 分子链的组态同大分子结构的規整性，分子链的柔順性，分子間的作用力相关。 • 无定形态高分子链之间以杂乱的狀态排列；产品为透明或半透明状态；具有明显的Tg点，无Tm点。 • 結晶态(半結晶态) 高分子链之间以有規則的状态堆积；产品不透明；有明显的Tm点；完全結晶的材料不存在。 Polymer Technology Application Center

分子链組态 • 接枝在大分子链上接枝其它材质的短支链，來改善材料特性.例TPE. • 交联大分子链之间采用化学价相互连結在一起.例橡胶. • 共混（compounding) 两种或以上高分子物质通过物理作用相互分散形成海岛相结构，來改善材料的特性.例TPE. Polymer Technology Application Center

热性能 • 分子链运动状态同溫度的关系大分子的运动单元： 1.大分子之間进行相互平行蠕动； 2.大分子上的链段进行持续躍遷； 3.重復單元在大分子上進行振動； 4.原子在重復單元附近進行伸張。在Tg點以下，1.2項運動被凍結；在Tm點以下，運動1被凍結。 • Tg(玻璃化轉變溫度）從橡膠態冷卻下來，鏈段躍遷被凍結時的溫度 Polymer Technology Application Center

熱性能 • Tm（熔融溫度）晶格能被破壞，大分子鏈之間發生相互位移時的溫度. 成型時，溫度在Tm以上. • Tc（結晶溫度）大分子從熔融態冷卻下來，大分子鏈運動被凍結，大分子重新規整排列時的溫度. • 結晶溫度動力學（結晶機理） 1.晶核的生成：Tg.Tm之間，溫度越高越不易生成. 2.晶核的成長：Tg.Tm之間，溫度越高越易成長結論：在Tg.Tm之間有一結晶速度最快的溫度點，此點對我們模具溫度的設定十分相關.一般為Tg+20度. Polymer Technology Application Center

熱性能 • 降解因溫度.時間.光線等外界因素，大分子鏈發生鏈轉移.鏈斷裂的現象。因溫度關系造成的降解稱為熱降解或老化。 • 裂解大分子鏈原子之間化學鍵被破壞，大分子急劇斷裂成小分子的相象。因溫度關系造成的裂解稱為熱裂解. • 裂解溫度發生裂解時對應的溫度為裂解溫度。注射成型時任何局部溫度高於裂解溫度時，都會發生裂解現象，形成GAS. Polymer Technology Application Center

熱性能 熱分析法測試記錄應用範圍微差掃描卡計(DSC) 熱量變化璃轉移點(Tg) 熔點(Tm) 相轉移溫度結晶現象反應動力熱重量分析儀(TGA) 重量變化熱安定性分解溫度組成分析 Polymer Technology Application Center

流動性 • 熱敏性材料同切敏性材料熱敏性材料：融體黏度對溫度變化較敏感的材料；結晶性材料多屬於此類. 切敏性材料：融體黏度對剪切速率變化較敏感的材料；非晶材料多屬於此類. • 黏度 η= τxy/ γxy τxy.：剪切應力(單位面積上所受的力) γxy：剪切速率（單位長度上的速度變化量） η：表征流體流動性能好壞的物理量一般流體(牛頓流體)η為定值；高分子為變值. Polymer Technology Application Center

流動性 • MI(melting index) ASTM D1238標準：負荷2.16kg，標準模具直徑2.095mm，長8mm.10分鐘內流出的熔膠克樹.PE 190度. • 毛細管流變儀（測試剪切速率范圍：102-104sec-1) 通過熔體在負荷下通過一細小毛細管來測定黏度. ηA=3.14PdR4/8LQ(計算公式） • 流動性試片模常見的有圓盤型.長條型.通過流體的流動長度來表征材料的流動性.試片厚度一般為：0.5mm或1.0mm. Polymer Technology Application Center

塑膠微結構與物性之影響(1) • 分子量與物性之關係 1)分子量增加，強度增強。 2)不可無限制增加，因分子糾纏，不易流動，加工困難 • 無定形與結晶狀態。 1)聚合物分子鏈之間以雜亂糾纏卷曲的方式聚集在一起，此狀態稱之為無定形狀態 (Amorphos state) 。 2)聚合物分子鏈和其他分子鏈互相以位置精準，有規則的方式聚集在一起，則稱有規則排列的部分為結晶狀態(Crystal state) 。

塑膠微結構與物性之影響(2) • 結晶狀態結晶化速度表成結晶核發生速率與結晶核成長速率之積 • 熔融塑膠的結晶核發生速率是愈低溫愈大。結晶核成長速率取決於分子鏈的擴散速度，所以愈高溫愈大。 • 此關係的模型，若適當控制射出成形時的模具溫度，即可得希望的結晶狀態。 • 往模具射出後，徐冷的話推進結晶化，急冷的話未結晶前就固化，結晶程度小。 Polymer Technology Application Center

結晶對聚合體性質的影響 • 密度(density) • 剛性或倔強性(rigidity or stiffness) • 抗張強度(tensile strength) • 耐衝擊強度(impact strength) • 硬度與抗磨損性(hardness and abrasion resistance) • 熱機械性質(thermal mechanical property) • 滲透性(permeability) • 光學性質(optical property) • 溶解性(solubility) • 抗應裂性 (stress cracking resistance)

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