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【材料知识】和塑料打交道这么多年你真的了解
浏览: 发布日期:2019-10-19

  塑料是当代工业最重要的材料之一,塑料应用涉及到很多学科,而高分子物理化学是其中非常关键的一个基础,如果我们对这方面有一定的了解,那么很多棘手的问题都会迎刃而解。

  塑料其实是一种混合物,它一般都由合成树脂和填料、增塑剂、稳定剂、色母等添加剂组成,大部分人往往分不清塑料和树脂的关系,模糊的将两者等同起来,我们这里先不去管那些添加剂,单单来看一下树脂(也就是大众认为的塑料)到底是怎么回事,以下所述的塑料等同为树脂,并且没有特指均为热塑性塑料。

  各种塑料的名字往往是聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯等,这意味着它是由单体通过聚合反应而形成的高分子聚合物,而聚合反应分为加聚和缩聚两种,简单来说,加聚反应中单体直接头尾相连(也可能是头头相连或尾尾相连)形成大分子,而缩聚反应中每个单体必须砍掉一部分才能串联起来,所以最直接的区别就是加聚反应无副产物,缩聚反应会生成小分子副产物。常见的塑料中PP、PE、PS等属于加聚反应,PET、PC、PA等属于缩聚反应。

  聚合物分子链很长,可以是光溜溜的,也可以带有支链,空间形态一般不是伸直的,可能是卷曲的,可能是锯齿状的,也可能是螺旋状的,这些形态由单键的内旋转而引起,并且会随着加工条件和环境的不同而变化。由于原子间的键角和键长可以进行微小的变动,对于聚合物这种高分子结构来说就拥有的一定柔顺性,这个特性决定了塑料的刚性,也决定着塑料耐温性能。

  分子链与分子链之间通过范德华力结合,亦称为键间次价力,这个力容易被其他分子的作用或高温破坏,宏观表现为溶解于特定溶剂或高温熔融。结构规整或链间次价力较强的聚合物容易结晶,如高密度聚乙烯(HDPE)、聚酰胺(PA),相反,结构不规整或链间次价力较弱的聚合物,如聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等难以结晶。然而并不存在完全结晶的塑料,所以塑料仅分为半结晶和无定形两种。

  严格来讲每种塑料都包含结晶和无定形两部分结构,只是这两者的比例不同而呈现出不同的宏观性质,无定形聚合物在不同温度下可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态,当聚合物处于玻璃态时,整个大分子链和链段的运动均被冻结,宏观表现为刚性,聚合物处于高弹态时,链段可以在一定空间内发生运动,表现出高形变能力的高弹性,当聚合物处于黏流态时,所有分子链整体都可以发生相对运动,表现出流动性。

  我们都知道,塑料熔体凝固过程中由于收缩不均会产生残余应力,那么从微观角度来看是怎么一回事情呢,熔融状态时每个分子链都处于自由舒展状态,而随着凝固的进行,大家争先恐后的发生折叠卷曲,然而高分子就像一团乱麻,大家都纠缠在一起,动作快的分子抢先折叠到位并趴下装死不再动弹,殊不知它扯到了别的分子,而动作慢的分子其手脚被不同的分子拉扯而最终不能处于最舒服的姿势,可是这部分悲催的分子并不就此罢休,它们要用力的进行抗争,这就是残余应力的微观原因,产品刚打出来时的残余应力是最大的,慢慢的,各个分子根据自己的实力大小作出不同程度的妥协,有些分子被拉伸,有些分子被压缩,这就导致了宏观状态的翘曲变形,称之为应力屈服,而这个时候要想矫正变形,最有效的方法就是把产品装到治具上,让它重新产生内应力,然后加热到玻璃化转变温度以上(当然必须低于熔融温度),这个时候虽然每个分子的位置不能大范围活动,但是手脚有了一定的活动空间,然后大家都把手脚都抬一抬,谁也不拉扯谁,随着缓慢而均匀的冷却,大家一起折叠到最舒服的状态,至此变形消除,应力也消除,这个过程称之为应力释放。

  下图所示的塑料等级金字塔涵盖了主流应用的部分材料,越靠近顶端的材料越难聚合、耐温性能越强、力学性能越好,当然价格也越贵。

  我们通常使用的大部分材料为通用塑料和一般工程塑料,看上去并不是那么高大上。这也意味着我们的产业还有很大的提升空间,新工艺、新技术将会源源不断的涌现出来,那么请问,你准备好了吗?



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