基本介紹
- 中文名：有機高分子材料
- 外文名：Organic polymer materials
- 類別：化合物
- 主要元素：碳、氫、氧、氮
- 相對分子質量：一般在10000以上
- 分類：塑膠、纖維、橡膠
基本特點,材料分類,加工性能,
基本特點
高分子是指相對分子質量很大，可達幾千乃至幾百萬的一類有機化合物。它們在結構上是由許多簡單的、相同的稱為鏈節（單體）的結構單元，通過化學鍵重複連線而成。高分子也稱高聚物或聚合物。
有機高分子材料是以高分子化合物為主要成分，與各種添加劑（或配合劑）配合，經過適當的加工而成。材料的基本性能主要取決於高分子化合物。有機高分子材料有以下基本特點：
1、密度小——比鋼鐵、銅輕得多，與鋁、鎂相當，對機電產品的輕量化有利。
2、有足夠的強度和模量——能夠代替部分金屬材料製造多種機械零部件。
3、優良的電(絕緣)性能——對電機、電器、儀器儀表、電線電纜中的絕緣起著重要的推進作用。而添加適當的導電材料又可成為特殊導體材料。
4、優良的減摩、耐磨和自潤滑性能——許多高分子材料可在液體介質中或少油、無油乾摩擦條件下運行，其性能甚至優於金屬。
5、優良的耐蝕性能——對酸、鹼或某些化學藥品一般都具有良好的耐蝕性能。在一些特殊介質中，如含氯離子的酸性介質。其耐蝕能力勝過金屬，甚至勝過一般的不鏽鋼。
6、富於粘結力——高分子膠粘劑能將不同品種、不同形狀的材料零件膠接一起，膠接牢固，並且有密封、堵漏作用。
7、易於合金化——兩種或兩種以上的高聚物可用物理的、化學的方法共混製得共混聚合物合金。如尼龍與聚烯烴共混的塑膠合金，其衝擊韌度可提高15倍以上。聚合物的合金化使材料改性的自由度加大，可製備出性能多樣、適應不同工況要求的新材料。
8、富有彈性——不論是線型或體型高分子，都具有一定的彈性。橡膠彈性最好，具有良好的吸振、防振和密封功能。
9、優良的透光性——不少塑膠是透明的，如有機玻璃、聚苯乙烯的透光率可達90%以上。不少的高聚物還具有優良的隔熱、隔聲性，是很好的輕型建築材料。
10、耐熱性差——長期使用溫度大多在200℃以下。近年來， 可用於200℃以上的品種有所增加；用在300～4000℃溫度下的，是追求的目標。但有的高分子材料能耐液氮、液氦等超低溫度。
11、可燃——高分子材料是有機物，具有可燃性，或離火自熄；通常加入阻燃劑以消除其可燃性。
12、易老化——在熱、光、氧的長期作用過程中，高分子發生降解過程，使其理化性能、力學性能降低。完全消失以至失去使用價值。為此，常須加入防老化劑及其他防護措施延長使用壽命。
材料分類
有機高分子材料種類繁多，根據不同的分類原則可將其分為不同的類別。
1、按聚合物的性能和用途分類
根據聚合物的性能和用途，可將有機高分子材料分為塑膠、纖維、橡膠三大類，此外還有塗料、膠粘劑和離子交換樹脂等。
(1) 塑膠 在一定條件下具有流動性、可塑性，並能加工成形，當恢復平常條件時仍可保持加工時形狀的高分子材料稱為塑膠。塑膠又分為熱塑性塑膠和熱固性塑膠兩種。熱塑性塑膠可溶、可熔，並且在一定條件下可以反覆加工成形，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等；熱固性塑膠則不溶、不熔，並且在一定溫度及壓力下加工成形時會發生變化，這樣形成的材料在再次受壓、受熱下不能反覆加工成形，而具有固定的形狀，例如酚醛樹脂、脲醛樹脂等。
(2) 纖維具備或保持其本身長度大於直徑1000倍以上而又具有一定強度的線條或絲狀高分子材料稱為纖維。纖維的直徑一般很小，受力後形變較小(一般為百分之幾到20%)，在較寬的溫度範圍內力學性能變化不大。纖維分為天然纖維和化學纖維。化學纖維又分為改性纖維素纖維(人造纖維，如粘膠纖維)與合成纖維。改性纖維素纖維是將天然纖維經化學處理後再紡絲而得到的纖維。例如將天然纖維用鹼和二硫化碳處理後，在酸液中紡絲就得到人造絲(即粘膠纖維)。合成纖維是將單體經聚合反應而得到的樹脂經紡絲而成的纖維。重要的纖維品種有：聚酯纖維(又稱滌綸)；聚醯胺纖維，如尼龍66；聚丙烯腈纖維(又稱腈綸)；聚丙烯纖維(丙綸)和聚乙烯纖維(氯綸)等。
(3) 橡膠在室溫下具有高彈性的高分子材料稱為橡膠。在外力作用下，橡膠能產生很大的形變(可達1000%)，外力除去後又能迅速恢復原狀。重要的橡膠品種有：聚丁二烯(順丁橡膠)、聚異戊二烯(異戊橡膠)、氯丁橡膠、丁基橡膠等。
塑膠、纖維和橡膠三大類聚合物之間並沒有嚴格的界限。有的高分子可以作纖維，也可以作塑膠，如聚氯乙烯既是典型的塑膠，又可做成纖維即氯綸；若將氯乙烯配入適量增塑劑，可製成類似橡膠的軟製品。又如尼龍既可以用作纖維又可作工程塑膠；橡膠在較低溫度下也可作塑膠使用。
2、按聚合物的熱行為分類
(1) 熱塑性高分子材料 熱塑性高分子材料成形後分子呈線性結構，在一定條件（如溫度、壓力）下可塑成一定形狀並在常溫下保持其形狀，而且還可在特定的溫度範圍內反覆加熱軟化、冷卻固化，加工成形方便，有利於製品再生。因此，熱塑性高分子材料用途廣、產量大（占所有高分子材料的80%以上）。常見的熱塑性高分子材料有聚乙烯、聚丙烯等。
(2) 熱固性高分子材料熱固性高分子材料成形後變成網狀的體型結構，不熔不溶，受熱後只能分解，不能軟化，不能回復到可塑狀態。常見的熱固性高分子材料有酚醛樹脂、環氧樹脂等。
加工性能
有機高分子材料具有一些特有的加工性能，如良好的高彈性、耐磨性、化學穩定性等，這些加工性能為有機高分子材料提供了適用多種加工技術的可能性，也是高分子材料能夠得到廣泛套用的重要原因。
1、有機高分子材料的力學性能
(1) 高彈性輕度交聯的高聚物具有典型的高彈性，即變形大、彈性模量小，而且彈性隨溫度升高而增大。橡膠是典型的高彈性材料。
(2) 粘彈性高聚物的粘彈性是指高聚物材料既具有彈性材料的一般特性，又具有粘性流體的一些特性，即受力的同時發生高彈性變形和粘性流動，主要表現在蠕變和應力鬆弛、滯後和內耗等現象上。
1) 蠕變和應力鬆弛。在恆定溫度和應力作用下，應變隨時間延長而增加的現象稱為蠕變。應力鬆弛是在應變恆定的情況下，應力隨時間延長而衰減的現象。在外力的作用下，高聚物大分子鏈由原來的捲曲態變為較伸直的形態，從而產生蠕變；隨時間的延長，大分子鏈構象逐步調整，趨向於比較穩定的捲曲狀態，從而產生應力鬆弛。
2) 滯後和內耗。滯後是指在交變應力的作用下，變形速度跟不上應力變化的現象。在克服內摩擦時，一部分機械能被損耗，轉化為熱能，即內耗。滯後越嚴重，內耗越大。內耗大對減振和吸聲有利，但內耗會引起發熱，導致高聚物老化。
(3) 強度高聚物的強度很低，如塑膠的抗拉強度一般低於100MPa，比金屬材料低很多。但高聚物的密度很小，只有鋼的1/4～1/8，所以其比強度比一些金屬高。
(4) 斷裂高聚物材料由於內部結構不均一，含有許多微裂紋，造成應力集中，使裂紋容易很快發展。在小應力下即可斷裂，稱為環境應力斷裂。
(5) 韌性高聚物的韌性用衝擊韌度表示。各類高聚物的衝擊韌度相差很大，脆性高聚物的衝擊韌度值一般都小於0.2J/cm2，韌性高聚物的衝擊韌度值一般都大於0.9J/cm2。
(6)耐磨性高聚物的硬度低，但耐磨性高。如塑膠的摩擦因數小，有些還具有自潤滑性能，在無潤滑和少潤滑的摩擦條件下，它們的耐磨、減摩性能要比金屬材料高很多。
2、有機高分子材料的電學和物理化學性能
(1) 電學性能高聚物內原子間以共價鍵相連，沒有自由電子和離子，因此介電常數小、介電損耗低，具有高的絕緣性。
(2) 熱性能高聚物在受熱過程中，大分子鏈和鏈段容易產生運動，因此其耐熱性較差。由於高聚物內部無自由電子，因此具有低的導熱性能。高聚物的線脹係數也較大。
(3) 化學穩定性高聚物不發生電化學反應，也不易與其他物質發生化學反應。所以大多數高聚物具有較高的化學穩定性，對酸、鹼溶液具有優良的耐蝕性。
