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土木工程-合成高分子材料
第7章 合成高分子材料
本章学习指导
本章共2个知识点。本章的学习目标是：
⑴ 熟悉合成高分子材料的性能特点及主要的高分子材料品种；
⑵ 熟悉土木工程中合成高分子材料的主要制品及应用，包括塑料型材、管材及胶粘剂。 本章的难点是从合成高分子材料的组成来理解它的性能，正确地根据工程实际选用合适的合成高分子材料。建议在学习中通过对比来理解不同种类的高分子材料的性能及应用。 历史回顾
铝塑复合板
20世纪60年代，为满足对材料轻、薄、表面质量好，以及提高成型性能减少加工成本的要求，德国技术人员利用工字钢原理发明了铝塑复合板。铝塑复合板是以塑料为芯层，外贴铝板的三层复合板材，并在表面施加装饰材料或保护性涂层。铝塑复合板以质量轻、装饰性强、施工方便的特点，在国内外得到广泛应用。
基础知识
7.1 合成高分子材料的分子特征和性能特点
7.1.1 合成高分子材料的分子特征
7.1.2 合成高分子材料的性能特点
7.1.1 合成高分子材料的分子特征
高分子化合物按其链节在空间排列的几何形状，可分为线型聚合物和体型聚合物两类，其中线型聚合物包括线型和支链型，见下图。线型结构的合成树脂可反复加热软化，冷却硬化，故称为热塑性树脂。体型结构的合成树脂仅在第一次加热时软化，并且分子间产生化学交联而固化，以后再加热不会软化，故称为热固性树脂。 聚合物的合成是将小的有机单体，通过聚合反应，连接成分子量很大的聚合物，按聚合反应方式的不同，分为加聚聚合与缩聚聚合。 聚合物分子形状示意图
7.1.2 合成高分子材料的性能特点
一般合成高分子材料有七方面的性能优点：优良的加工性能；质轻；导热系数小；化学稳定性较好；功能的可设计性强；出色的装饰性能；电绝缘性好。需说明的是，高分子材料经特殊工艺改性也可导电。
合成高分子材料有三方面的性能缺点：易老化。
可燃性。高分子材料一般属于可燃的材料，部分高分子材料燃烧时发烟，还会产生有毒气体。一般可通过改进配方制成自熄和难燃甚至不燃的产品，但其防火性仍比无机材料差。耐热性较差。使用温度偏高会促进其老化，甚至分解；有的塑料受热会发生变形，在使用中要注意其使用温度的限制。
观察与讨论
合成高分子材料的分子特征和性能特点
线槽为何不用橡胶
请观察橡胶与塑料的变形与温度的关系（下图），讨论线槽为何用塑料而不用橡胶。 线槽为何不用橡胶
从非晶态聚合物的变形与温度的关系图可见，聚合物在低于某一温度时，会变得象硬脆的玻璃，此时聚合物处于玻璃态，抗冲击性能很差，随着温度升高，聚合物的模量下降，弹性增加，聚合物由高弹态转变为玻璃态的温度称为玻璃化温度（Tg），当温度继续升高至某一数值时，聚合物的模量急剧下降，并产生塑性变形，此温度称为聚合物的粘流态温度（Tf），聚合物的加工成型就是在此温度下进行的。
在室温下，橡胶是处于玻璃化温度（Tg）以上，而塑料则是处于玻璃化温度（Tg）以下，橡胶在使用温度下的模量比塑料要小2个数量级，所以用橡胶作线管或线槽就会太软，受到外力作用很容易变形，所以只能用塑料来制造线管和线槽。
工程实例分析
合成高分子材料的分子特征和性能特点
PVC下水管破裂原因分析
广东某企业生产硬聚氯乙烯下水管，在广东省许多建筑工程中被使用，由于其质量优良而受到广泛的好评，当该产品外销到北方时，施工队反应在冬季进行下水管安装时，经常发生水管破裂的现象。
经技术专家现场分析，认为主要是由于水管的配方所致，因为该水管主要是在南方建筑工程上使用，由于南方常年的温度都比较高，该PVC的抗冲击强度可以满足实际使用要求，但北方的冬天，温度会下降到零下几十度，这时PVC材料变硬、变脆，抗冲击强度已达不到要求。北方市场的PVC下水管需要重新进行配方，生产厂家经改进配方，在PVC配方中多加抗冲击改性剂，解决了水管易破裂的问题。
PVC下水管破裂原因分析
7.2 土木工程常用的合成高分子材料
7.2.2 胶粘剂
7.2.1 建筑塑料和土工合成材料
基础知识
7.2.1 建筑塑料和土工合成材料
1. 塑料的组成及特性
2. 土木工程常用塑料
3. 土工合成材料
1. 塑料的组成及特性
塑料是以聚合物为基本材料，加入各种添加剂后，在一定温度和压力下混合、塑化、成型的材料或制品的总称。塑料具有以下特性：质量轻、比强度高、可塑性好、耐腐蚀性好、耐水性好、耐热性差、热膨胀系数高、易老化、可燃等。
2. 土木工程常用塑料
常用塑料的种类有：聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、丙烯睛-丁二烯-苯乙烯树脂（ABS）塑料等。
塑料在土木工程中常用于制作塑料门窗、管材和型材等。
(1)塑料门窗
塑料门窗分为全塑门窗及复合塑料门窗两类，全塑门窗多采用改性聚氯乙烯树脂制作。
(2)塑料管材和型材
塑料管有热塑性塑料管和热固性塑料管两大类。
管材
3. 土工合成材料
土工合成材料是以人工合成的聚合物为原料制成的各种类型产品，是岩土工程中应用的合成材料
的总称。可置于岩土或其他工程结构内部、表面或各种结构层之间，具有加强、保护岩土或其他结构功能的一种新型工程材料。如：土工网、有纺土工织物、塑料排水板（带）等。 观察与讨论
7.2.1 建筑塑料和土工合成材料
塑料管与镀锌铁管优缺点比较
请观察使用两年后的塑料管和镀锌铁管的照片，如图A和图B所示，对其优缺点予以比较。 图A 塑料管 图B 镀锌铁管
塑料管与镀锌铁管优缺点比较
从图A和图B中可见，镀锌铁管已生锈，产生污垢。塑料管内壁光滑如新，水的流动摩擦阻力很小，而且不会生锈，所以用塑料管作为上水管，不仅可以减少输水的水头损失，减少能耗，而且没有管内的锈蚀和污垢产生，使水的卫生标准提高。
工程实例分析
7.2.1 建筑塑料和土工合成材料
聚碳酸酯（PC）阳光板的应用
聚碳酸酯（PC）阳光板有极好的透光性，大量用于大型展馆的采光天幕和外罩，故也称之为阳光板；聚碳酸酯的透光率可以达93％，耐热、耐冲击性非常优良，虽然其表面硬度稍低，但PC制品表面涂耐磨层后，可以克服这一缺点，适中的成本和价格，使得PC已开始应用于建筑工程上的采光板。
广州体育馆屋顶用阳光板
基础知识
7.2.2 胶粘剂
胶粘剂是能将各种材料紧密地粘结在一起的物质的总称。用胶粘剂粘结建筑构件、装饰品等不仅美观大方，工艺简单，还能将不同材料的构件很容易地联结在一起并有足够的结合强度，此外粘合剂还可以起到隔离、密封和防腐蚀等作用。
1. 胶粘剂的基本组成材料
2. 常用胶粘剂
胶粘剂的基本组成材料有粘料、固化剂、填料和稀释剂等。此外，为使胶粘剂具有更好的性能，还应加入一些其他的添加剂，如增韧剂、抗老化剂、增塑剂等。
1. 胶粘剂的基本组成材料
2. 常用胶粘剂
胶粘剂可分为热塑性树脂胶粘剂和热固性树脂胶粘剂，也可分为溶剂型和水基型。
(1)热塑性树脂胶粘剂
(2)热固性树脂胶粘剂
(3)合成橡胶胶粘剂
(1)热塑性树脂胶粘剂
聚醋酸乙烯胶粘剂是常用的热塑性树脂胶粘剂，俗称白乳胶。它是一种使用方便、价格便宜，应用广泛的一种非结构胶。它对各种极性材料有较高的粘附力，但耐热性、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。
还需指出的是，原广泛使用的聚乙烯醇缩醛胶粘剂已被淘汰。因为它不仅容易吸潮、发霉，而且会有甲醛释放，污染环境。
(2)热固性树脂胶粘剂
1). 不饱和聚酯树脂胶粘剂
它主要由不饱和聚酯树脂、引发剂（室温下引发固化反应的助剂）、填料等组成，改变其组成可以获得不同性质和用途的胶粘剂。不饱和聚酯树脂胶粘剂的粘接强度高，抗老化性及耐热性好，可在室温下和常压下固化，但固化时的收缩大，使用时须加入填料或玻璃纤维等。不饱和聚酯树脂胶粘剂可用于粘接陶瓷、玻璃、木材、混凝土和金属等结构构件。
2). 环氧树脂胶粘剂
它主要由环氧树脂、固化剂、填料、稀释剂、增韧剂等组成。改变胶粘剂的组成可以得到不同性质和用途的胶粘剂。环氧树脂胶粘剂的耐酸、耐碱侵蚀性好，可在常温、低温和高温等
条件下固化，并对金属、陶瓷、木材、混凝土、硬塑料等均有很高的粘附力。在粘接混凝土方面，其性能远远超过其它胶粘剂，广泛用于混凝土结构裂缝的修补和混凝土结构的补强与加固。
(3)合成橡胶胶粘剂
1) 氯丁橡胶胶粘剂
它是目前应用最广的一种橡胶胶粘剂，主要由氯丁橡胶、氧化锌、氧化镁、填料、抗老化剂和抗氧化剂等组成。氯丁橡胶胶粘剂对水、油、弱碱、弱酸、脂肪烃和醇类都具有良好的抵抗力，可在－50～＋80℃的温度下工作，但具有徐变性，且易老化。建筑上常用在水泥混凝土或水泥砂浆的表面上粘贴塑料或橡胶制品等。
2) 丁腈橡胶胶粘剂
它的最大的优点是耐油性好，剥离强度高，对脂肪烃和非氧化性酸具有良好的抵抗力。根据配方的不同，它可以冷硫化，也可以在加热和加压过程中硫化。为获得良好的强度和弹性，可将丁腈橡胶与其它树脂混合使用。丁腈橡胶胶粘剂主要用于粘接橡胶制品，以及橡胶制品与金属、织物、木材等的粘结。
观察与讨论
7.2.2 胶粘剂
大理石面板粘结力低的原因分析
某工程外墙装修采用大理石面板，需使用挂石胶粘结，该胶粘剂的粘结强度达到20MPa，但实际测得的粘结强度远低于此值，观察大理石表面，发现不够清洁。讨论粘结力低的原因。 大理石面板粘结力低的原因分析
大理石表面不够清洁，是导致粘结强度不够的主要原因。
胶粘剂能够将材料牢固粘结在一起，是因为胶粘剂与材料间存在粘结力。一般认为粘结力主要来源于以下几个方面：
①机械粘结力 胶粘剂涂敷在材料的表面后，能渗入材料表面的凹陷处和表面的孔隙内，胶粘剂在固化后如同镶嵌在材料内部。正是靠这种机械锚固力将材料粘结在一起。
②物理吸附力 胶粘剂分子和材料分子间存在的物理吸附力，即范德华力将材料粘结在一起。
③化学键力 某些胶粘剂分子与材料分子间能发生化学反应，即在胶粘剂与材料间存在有化学键力，是化学键力将材料粘结为一个整体。对不同的胶粘剂和被粘材料，粘结力的主要来源也不同，当机械粘结力、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。 工程实例分析
7.2.2 胶粘剂
硅胶密封胶失效
某工程采购单组分硅胶密封胶计划用作窗的密封，由于某种原因，该工程延迟了半年才施工，使用时发现胶粘剂无法施工。
单组分的密封胶贮存稳定性较差，是因为固化剂与粘合剂预先混合在一起，随着贮存时间的增加，固化剂分解变性的趋势增加，导致胶粘剂固化失效，所以其贮存的有效期较短。 防治措施
①若使用单组分硅胶密封胶，即买即用，尽量减少贮存时间；
②使用双组分密封胶。双组分的密封胶贮存稳定性好，固化时间短，且固化时间可调节。 创新能力培养
人们把玻璃纤维增强塑料称之为玻璃钢。它具有玻璃般的透明或半透明，又具有钢铁般的高强度。它是以玻璃纤维或其他织物增强的高分子树脂。玻璃钢密度小、强度大，比钢铁结实，比铝轻；具有良好的耐酸碱腐蚀特性；不具磁性；瞬间耐高温，且是优良的绝热材料。 玻璃钢应用广泛。美国波音747飞机上，采用玻璃钢制造的零件就达1万多种。
玻璃钢在土木工程中得到广泛应用。许多新建的体育馆、展览馆巨大的屋顶就是用玻璃钢制成的，以发挥其质轻、高强及透阳光的长处。由于玻璃钢耐腐蚀性好，所以利用它制造各种管道、贮罐等。玻璃钢在土木工程中必将发挥越来越大的作用。
既非玻璃亦非钢的玻璃钢
常见问题及解答
7-1 在粘结结构材料或修补建筑结构（如混凝土、混凝土结构）时，为什么宜选用热固性胶粘剂？
7-2 使用Ⅰ型硬质聚氯乙稀（UPVC）塑料管作热水管。使用一段时间后，为什么管道会变形漏水？
7-3 为什么胶粘剂能与被粘物牢固地粘接在一起？
7-4 土木工程材料所用的粘接剂应具备哪些基本条件？
常见问题及解答
7-1 在粘结结构材料或修补建筑结构（如混凝土、混凝土结构）时，为什么宜选用热固性胶粘剂？
解答：因为结构材料通常是要承受较大的作用力，非结构胶粘剂与被粘物没有化学键的结合，所能提供的粘接力有限，而热固性胶粘剂在粘合的同时还产生化学反应,能给粘合面提供较大的作用力，常用热固性胶粘剂有:环氧树脂，不饱和聚酯树脂，α-氰基丙烯酸酯胶等。修补建筑结构（如混凝土、混凝土结构）时，同样宜选用热固性胶粘剂，同样也是因为建筑结构也要承受较大的作用力的缘故。
常见问题及解答
7-2 使用Ⅰ型硬质聚氯乙稀（UPVC）塑料管作热水管。使用一段时间后，为什么管道会变形漏水？
解答：Ⅰ型硬质聚氯乙稀塑料管是用途较广的一种塑料管，但其热变形温度为70℃，故不甚适宜较高温的热水输送。可选用Ⅲ型氯化聚氯乙稀管，此类管称为高温聚氯乙稀管，使用温度可达100℃。需说明的是，若使用此类管输送饮水，则必须进行卫生检验，因若加入铝化合物稳定剂，在使用过程中能析出，影响身体健康。
常见问题及解答
7-3 为什么胶粘剂能与被粘物牢固地粘接在一起？
解答：一般认为粘结力主要来源于以下几个方面：
（1）机械粘结力 胶粘剂涂敷在材料的表面后，能渗入材料表面的凹陷处和表面的孔隙内，胶粘剂在固化后如同镶嵌在材料内部。正是靠这种机械锚固力将材料粘结在一起。
（2）物理吸附力 胶粘剂分子和材料分子间存在的物理吸附力，即范德华力将材料粘结在一起。
（3）化学键力 某些胶粘剂分子与材料分子间能发生化学反应，即在胶粘剂与材料间存在有化学键力，是化学键力将材料粘结为一个整体。对不同的胶粘剂和被粘材料，粘结力的主要来源也不同，当机械粘结力、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。
（4）扩散理论 互相扩散形成牢固地粘接。胶粘剂与被粘接物之间的牢固粘接是上述因素综合作用的结果。但上述因素对不同材料粘接力的作用贡献大小不同。
当被粘表面有油污时，使物理吸附力下降，使胶粘剂与石材表面产生的化学键数量大大减少，导致粘结强度达不到设计要求 。
常见问题及解答
7-4 土木工程材料所用的粘接剂应具备哪些基本条件？
解答：土木工程材料中所应用的胶粘剂应具备以下基本条件：
（1） 具有浸润被粘结物表面的浸润性和流动性；
（2） 不因温度及环境条件作用而迅速老化；
（3） 便于调节硬化速度和粘结性；
（4） 膨胀及收缩值较小；
（5） 粘结强度较大。
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