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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
本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)
本章共2個(gè)知識(shí)點(diǎn)。本章的學(xué)習(xí)目標(biāo)是：
⑴ 熟悉合成高分子材料的性能特點(diǎn)及主要的高分子材料品種；
⑵ 熟悉土木工程中合成高分子材料的主要制品及應(yīng)用，包括塑料型材、管材及膠粘劑。 本章的難點(diǎn)是從合成高分子材料的組成來(lái)理解它的性能，正確地根據(jù)工程實(shí)際選用合適的合成高分子材料。建議在學(xué)習(xí)中通過(guò)對(duì)比來(lái)理解不同種類(lèi)的高分子材料的性能及應(yīng)用。 歷史回顧
鋁塑復(fù)合板
20世紀(jì)60年代，為滿(mǎn)足對(duì)材料輕、薄、表面質(zhì)量好，以及提高成型性能減少加工成本的要求，德國(guó)技術(shù)人員利用工字鋼原理發(fā)明了鋁塑復(fù)合板。鋁塑復(fù)合板是以塑料為芯層，外貼鋁板的三層復(fù)合板材，并在表面施加裝飾材料或保護(hù)性涂層。鋁塑復(fù)合板以質(zhì)量輕、裝飾性強(qiáng)、施工方便的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。
基礎(chǔ)知識(shí)
7.1 合成高分子材料的分子特征和性能特點(diǎn)
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點(diǎn)
7.1.1 合成高分子材料的分子特征
高分子化合物按其鏈節(jié)在空間排列的幾何形狀，可分為線型聚合物和體型聚合物兩類(lèi)，其中線型聚合物包括線型和支鏈型，見(jiàn)下圖。線型結(jié)構(gòu)的合成樹(shù)脂可反復(fù)加熱軟化，冷卻硬化，故稱(chēng)為熱塑性樹(shù)脂。體型結(jié)構(gòu)的合成樹(shù)脂僅在第一次加熱時(shí)軟化，并且分子間產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)而固化，以后再加熱不會(huì)軟化，故稱(chēng)為熱固性樹(shù)脂。 聚合物的合成是將小的有機(jī)單體，通過(guò)聚合反應(yīng)，連接成分子量很大的聚合物，按聚合反應(yīng)方式的不同，分為加聚聚合與縮聚聚合。 聚合物分子形狀示意圖
7.1.2 合成高分子材料的性能特點(diǎn)
一般合成高分子材料有七方面的性能優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的加工性能；質(zhì)輕；導(dǎo)熱系數(shù)��；化學(xué)穩(wěn)定性較好；功能的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)；出色的裝飾性能；電絕緣性好。需說(shuō)明的是，高分子材料經(jīng)特殊工藝改性也可導(dǎo)電。
合成高分子材料有三方面的性能缺點(diǎn)：易老化。
可燃性。高分子材料一般屬于可燃的材料，部分高分子材料燃燒時(shí)發(fā)煙，還會(huì)產(chǎn)生有毒氣體。一般可通過(guò)改進(jìn)配方制成自熄和難燃甚至不燃的產(chǎn)品，但其防火性仍比無(wú)機(jī)材料差。耐熱性較差。使用溫度偏高會(huì)促進(jìn)其老化，甚至分解；有的塑料受熱會(huì)發(fā)生變形，在使用中要注意其使用溫度的限制。
觀察與討論
合成高分子材料的分子特征和性能特點(diǎn)
線槽為何不用橡膠
請(qǐng)觀察橡膠與塑料的變形與溫度的關(guān)系（下圖），討論線槽為何用塑料而不用橡膠。 線槽為何不用橡膠
從非晶態(tài)聚合物的變形與溫度的關(guān)系圖可見(jiàn)，聚合物在低于某一溫度時(shí)，會(huì)變得象硬脆的玻璃，此時(shí)聚合物處于玻璃態(tài)，抗沖擊性能很差，隨著溫度升高，聚合物的模量下降，彈性增加，聚合物由高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度稱(chēng)為玻璃化溫度（Tg），當(dāng)溫度繼續(xù)升高至某一數(shù)值時(shí)，聚合物的模量急劇下降，并產(chǎn)生塑性變形，此溫度稱(chēng)為聚合物的粘流態(tài)溫度（Tf），聚合物的加工成型就是在此溫度下進(jìn)行的。
在室溫下，橡膠是處于玻璃化溫度（Tg）以上，而塑料則是處于玻璃化溫度（Tg）以下，橡膠在使用溫度下的模量比塑料要小2個(gè)數(shù)量級(jí)，所以用橡膠作線管或線槽就會(huì)太軟，受到外力作用很容易變形，所以只能用塑料來(lái)制造線管和線槽。
工程實(shí)例分析
合成高分子材料的分子特征和性能特點(diǎn)
PVC下水管破裂原因分析
廣東某企業(yè)生產(chǎn)硬聚氯乙烯下水管，在廣東省許多建筑工程中被使用，由于其質(zhì)量?jī)?yōu)良而受到廣泛的好評(píng)，當(dāng)該產(chǎn)品外銷(xiāo)到北方時(shí)，施工隊(duì)反應(yīng)在冬季進(jìn)行下水管安裝時(shí)，經(jīng)常發(fā)生水管破裂的現(xiàn)象。
經(jīng)技術(shù)專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)分析，認(rèn)為主要是由于水管的配方所致，因?yàn)樵撍苤饕窃谀戏浇ㄖこ躺鲜褂�，由于南方常年的溫度都比較高，該P(yáng)VC的抗沖擊強(qiáng)度可以滿(mǎn)足實(shí)際使用要求，但北方的冬天，溫度會(huì)下降到零下幾十度，這時(shí)PVC材料變硬、變脆，抗沖擊強(qiáng)度已達(dá)不到要求。北方市場(chǎng)的PVC下水管需要重新進(jìn)行配方，生產(chǎn)廠家經(jīng)改進(jìn)配方，在PVC配方中多加抗沖擊改性劑，解決了水管易破裂的問(wèn)題。
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 膠粘劑
7.2.1 建筑塑料和土工合成材料
基礎(chǔ)知識(shí)
7.2.1 建筑塑料和土工合成材料
1. 塑料的組成及特性
2. 土木工程常用塑料
3. 土工合成材料
1. 塑料的組成及特性
塑料是以聚合物為基本材料，加入各種添加劑后，在一定溫度和壓力下混合、塑化、成型的材料或制品的總稱(chēng)。塑料具有以下特性：質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、可塑性好、耐腐蝕性好、耐水性好、耐熱性差、熱膨脹系數(shù)高、易老化、可燃等。
2. 土木工程常用塑料
常用塑料的種類(lèi)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-苯乙烯樹(shù)脂（ABS）塑料等。
塑料在土木工程中常用于制作塑料門(mén)窗、管材和型材等。
(1)塑料門(mén)窗
塑料門(mén)窗分為全塑門(mén)窗及復(fù)合塑料門(mén)窗兩類(lèi)，全塑門(mén)窗多采用改性聚氯乙烯樹(shù)脂制作。
(2)塑料管材和型材
塑料管有熱塑性塑料管和熱固性塑料管兩大類(lèi)。
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為原料制成的各種類(lèi)型產(chǎn)品，是巖土工程中應(yīng)用的合成材料
的總稱(chēng)。可置于巖土或其他工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部、表面或各種結(jié)構(gòu)層之間，具有加強(qiáng)、保護(hù)巖土或其他結(jié)構(gòu)功能的一種新型工程材料。如：土工網(wǎng)、有紡?fù)凉た椢�、塑料排水板（帶）等�?觀察與討論
7.2.1 建筑塑料和土工合成材料
塑料管與鍍鋅鐵管優(yōu)缺點(diǎn)比較
請(qǐng)觀察使用兩年后的塑料管和鍍鋅鐵管的照片，如圖A和圖B所示，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)予以比較。 圖A 塑料管 圖B 鍍鋅鐵管
塑料管與鍍鋅鐵管優(yōu)缺點(diǎn)比較
從圖A和圖B中可見(jiàn)，鍍鋅鐵管已生銹，產(chǎn)生污垢。塑料管內(nèi)壁光滑如新，水的流動(dòng)摩擦阻力很小，而且不會(huì)生銹，所以用塑料管作為上水管，不僅可以減少輸水的水頭損失，減少能耗，而且沒(méi)有管內(nèi)的銹蝕和污垢產(chǎn)生，使水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)提高。
工程實(shí)例分析
7.2.1 建筑塑料和土工合成材料
聚碳酸酯（PC）陽(yáng)光板的應(yīng)用
聚碳酸酯（PC）陽(yáng)光板有極好的透光性，大量用于大型展館的采光天幕和外罩，故也稱(chēng)之為陽(yáng)光板；聚碳酸酯的透光率可以達(dá)93％，耐熱、耐沖擊性非常優(yōu)良，雖然其表面硬度稍低，但PC制品表面涂耐磨層后，可以克服這一缺點(diǎn)，適中的成本和價(jià)格，使得PC已開(kāi)始應(yīng)用于建筑工程上的采光板。
廣州體育館屋頂用陽(yáng)光板
基礎(chǔ)知識(shí)
7.2.2 膠粘劑
膠粘劑是能將各種材料緊密地粘結(jié)在一起的物質(zhì)的總稱(chēng)。用膠粘劑粘結(jié)建筑構(gòu)件、裝飾品等不僅美觀大方，工藝簡(jiǎn)單，還能將不同材料的構(gòu)件很容易地聯(lián)結(jié)在一起并有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，此外粘合劑還可以起到隔離、密封和防腐蝕等作用。
1. 膠粘劑的基本組成材料
2. 常用膠粘劑
膠粘劑的基本組成材料有粘料、固化劑、填料和稀釋劑等。此外，為使膠粘劑具有更好的性能，還應(yīng)加入一些其他的添加劑，如增韌劑、抗老化劑、增塑劑等。
1. 膠粘劑的基本組成材料
2. 常用膠粘劑
膠粘劑可分為熱塑性樹(shù)脂膠粘劑和熱固性樹(shù)脂膠粘劑，也可分為溶劑型和水基型。
(1)熱塑性樹(shù)脂膠粘劑
(2)熱固性樹(shù)脂膠粘劑
(3)合成橡膠膠粘劑
(1)熱塑性樹(shù)脂膠粘劑
聚醋酸乙烯膠粘劑是常用的熱塑性樹(shù)脂膠粘劑，俗稱(chēng)白乳膠。它是一種使用方便、價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛的一種非結(jié)構(gòu)膠。它對(duì)各種極性材料有較高的粘附力，但耐熱性、對(duì)溶劑作用的穩(wěn)定性及耐水性較差，只能作為室溫下使用的非結(jié)構(gòu)膠。
還需指出的是，原廣泛使用的聚乙烯醇縮醛膠粘劑已被淘汰。因?yàn)樗粌H容易吸潮、發(fā)霉，而且會(huì)有甲醛釋放，污染環(huán)境。
(2)熱固性樹(shù)脂膠粘劑
1). 不飽和聚酯樹(shù)脂膠粘劑
它主要由不飽和聚酯樹(shù)脂、引發(fā)劑（室溫下引發(fā)固化反應(yīng)的助劑）、填料等組成，改變其組成可以獲得不同性質(zhì)和用途的膠粘劑。不飽和聚酯樹(shù)脂膠粘劑的粘接強(qiáng)度高，抗老化性及耐熱性好，可在室溫下和常壓下固化，但固化時(shí)的收縮大，使用時(shí)須加入填料或玻璃纖維等。不飽和聚酯樹(shù)脂膠粘劑可用于粘接陶瓷、玻璃、木材、混凝土和金屬等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
2). 環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑
它主要由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、填料、稀釋劑、增韌劑等組成。改變膠粘劑的組成可以得到不同性質(zhì)和用途的膠粘劑。環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的耐酸、耐堿侵蝕性好，可在常溫、低溫和高溫等
條件下固化，并對(duì)金屬、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，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它膠粘劑，廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修補(bǔ)和混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)與加固。
(3)合成橡膠膠粘劑
1) 氯丁橡膠膠粘劑
它是目前應(yīng)用最廣的一種橡膠膠粘劑，主要由氯丁橡膠、氧化鋅、氧化鎂、填料、抗老化劑和抗氧化劑等組成。氯丁橡膠膠粘劑對(duì)水、油、弱堿、弱酸、脂肪烴和醇類(lèi)都具有良好的抵抗力，可在－50～＋80℃的溫度下工作，但具有徐變性，且易老化。建筑上常用在水泥混凝土或水泥砂漿的表面上粘貼塑料或橡膠制品等。
2) 丁腈橡膠膠粘劑
它的最大的優(yōu)點(diǎn)是耐油性好，剝離強(qiáng)度高，對(duì)脂肪烴和非氧化性酸具有良好的抵抗力。根據(jù)配方的不同，它可以冷硫化，也可以在加熱和加壓過(guò)程中硫化。為獲得良好的強(qiáng)度和彈性，可將丁腈橡膠與其它樹(shù)脂混合使用。丁腈橡膠膠粘劑主要用于粘接橡膠制品，以及橡膠制品與金屬、織物、木材等的粘結(jié)。
觀察與討論
7.2.2 膠粘劑
大理石面板粘結(jié)力低的原因分析
某工程外墻裝修采用大理石面板，需使用掛石膠粘結(jié)，該膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到20MPa，但實(shí)際測(cè)得的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于此值，觀察大理石表面，發(fā)現(xiàn)不夠清潔。討論粘結(jié)力低的原因。 大理石面板粘結(jié)力低的原因分析
大理石表面不夠清潔，是導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度不夠的主要原因。
膠粘劑能夠?qū)⒉牧侠喂陶辰Y(jié)在一起，是因?yàn)槟z粘劑與材料間存在粘結(jié)力。一般認(rèn)為粘結(jié)力主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：
①機(jī)械粘結(jié)力 膠粘劑涂敷在材料的表面后，能滲入材料表面的凹陷處和表面的孔隙內(nèi)，膠粘劑在固化后如同鑲嵌在材料內(nèi)部。正是靠這種機(jī)械錨固力將材料粘結(jié)在一起。
②物理吸附力 膠粘劑分子和材料分子間存在的物理吸附力，即范德華力將材料粘結(jié)在一起。
③化學(xué)鍵力 某些膠粘劑分子與材料分子間能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即在膠粘劑與材料間存在有化學(xué)鍵力，是化學(xué)鍵力將材料粘結(jié)為一個(gè)整體。對(duì)不同的膠粘劑和被粘材料，粘結(jié)力的主要來(lái)源也不同，當(dāng)機(jī)械粘結(jié)力、物理吸附力和化學(xué)鍵力共同作用時(shí)，可獲得很高的粘結(jié)強(qiáng)度。 工程實(shí)例分析
7.2.2 膠粘劑
硅膠密封膠失效
某工程采購(gòu)單組分硅膠密封膠計(jì)劃用作窗的密封，由于某種原因，該工程延遲了半年才施工，使用時(shí)發(fā)現(xiàn)膠粘劑無(wú)法施工。
單組分的密封膠貯存穩(wěn)定性較差，是因?yàn)楣袒瘎┡c粘合劑預(yù)先混合在一起，隨著貯存時(shí)間的增加，固化劑分解變性的趨勢(shì)增加，導(dǎo)致膠粘劑固化失效，所以其貯存的有效期較短。 防治措施
①若使用單組分硅膠密封膠，即買(mǎi)即用，盡量減少貯存時(shí)間；
②使用雙組分密封膠。雙組分的密封膠貯存穩(wěn)定性好，固化時(shí)間短，且固化時(shí)間可調(diào)節(jié)。 創(chuàng)新能力培養(yǎng)
人們把玻璃纖維增強(qiáng)塑料稱(chēng)之為玻璃鋼。它具有玻璃般的透明或半透明，又具有鋼鐵般的高強(qiáng)度。它是以玻璃纖維或其他織物增強(qiáng)的高分子樹(shù)脂。玻璃鋼密度小、強(qiáng)度大，比鋼鐵結(jié)實(shí)，比鋁輕；具有良好的耐酸堿腐蝕特性；不具磁性；瞬間耐高溫，且是優(yōu)良的絕熱材料。 玻璃鋼應(yīng)用廣泛。美國(guó)波音747飛機(jī)上，采用玻璃鋼制造的零件就達(dá)1萬(wàn)多種。
玻璃鋼在土木工程中得到廣泛應(yīng)用。許多新建的體育館、展覽館巨大的屋頂就是用玻璃鋼制成的，以發(fā)揮其質(zhì)輕、高強(qiáng)及透陽(yáng)光的長(zhǎng)處。由于玻璃鋼耐腐蝕性好，所以利用它制造各種管道、貯罐等。玻璃鋼在土木工程中必將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
既非玻璃亦非鋼的玻璃鋼
常見(jiàn)問(wèn)題及解答
7-1 在粘結(jié)結(jié)構(gòu)材料或修補(bǔ)建筑結(jié)構(gòu)（如混凝土、混凝土結(jié)構(gòu)）時(shí)，為什么宜選用熱固性膠粘劑？
7-2 使用Ⅰ型硬質(zhì)聚氯乙稀（UPVC）塑料管作熱水管。使用一段時(shí)間后，為什么管道會(huì)變形漏水？
7-3 為什么膠粘劑能與被粘物牢固地粘接在一起？
7-4 土木工程材料所用的粘接劑應(yīng)具備哪些基本條件？
常見(jiàn)問(wèn)題及解答
7-1 在粘結(jié)結(jié)構(gòu)材料或修補(bǔ)建筑結(jié)構(gòu)（如混凝土、混凝土結(jié)構(gòu)）時(shí)，為什么宜選用熱固性膠粘劑？
解答：因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)材料通常是要承受較大的作用力，非結(jié)構(gòu)膠粘劑與被粘物沒(méi)有化學(xué)鍵的結(jié)合，所能提供的粘接力有限，而熱固性膠粘劑在粘合的同時(shí)還產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),能給粘合面提供較大的作用力，常用熱固性膠粘劑有:環(huán)氧樹(shù)脂，不飽和聚酯樹(shù)脂，α-氰基丙烯酸酯膠等。修補(bǔ)建筑結(jié)構(gòu)（如混凝土、混凝土結(jié)構(gòu)）時(shí)，同樣宜選用熱固性膠粘劑，同樣也是因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)也要承受較大的作用力的緣故。
常見(jiàn)問(wèn)題及解答
7-2 使用Ⅰ型硬質(zhì)聚氯乙�。║PVC）塑料管作熱水管。使用一段時(shí)間后，為什么管道會(huì)變形漏水？
解答：Ⅰ型硬質(zhì)聚氯乙稀塑料管是用途較廣的一種塑料管，但其熱變形溫度為70℃，故不甚適宜較高溫的熱水輸送。可選用Ⅲ型氯化聚氯乙稀管，此類(lèi)管稱(chēng)為高溫聚氯乙稀管，使用溫度可達(dá)100℃。需說(shuō)明的是，若使用此類(lèi)管輸送飲水，則必須進(jìn)行衛(wèi)生檢驗(yàn)，因若加入鋁化合物穩(wěn)定劑，在使用過(guò)程中能析出，影響身體健康。
常見(jiàn)問(wèn)題及解答
7-3 為什么膠粘劑能與被粘物牢固地粘接在一起？
解答：一般認(rèn)為粘結(jié)力主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：
（1）機(jī)械粘結(jié)力 膠粘劑涂敷在材料的表面后，能滲入材料表面的凹陷處和表面的孔隙內(nèi)，膠粘劑在固化后如同鑲嵌在材料內(nèi)部。正是靠這種機(jī)械錨固力將材料粘結(jié)在一起。
（2）物理吸附力 膠粘劑分子和材料分子間存在的物理吸附力，即范德華力將材料粘結(jié)在一起。
（3）化學(xué)鍵力 某些膠粘劑分子與材料分子間能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即在膠粘劑與材料間存在有化學(xué)鍵力，是化學(xué)鍵力將材料粘結(jié)為一個(gè)整體。對(duì)不同的膠粘劑和被粘材料，粘結(jié)力的主要來(lái)源也不同，當(dāng)機(jī)械粘結(jié)力、物理吸附力和化學(xué)鍵力共同作用時(shí)，可獲得很高的粘結(jié)強(qiáng)度。
（4）擴(kuò)散理論 互相擴(kuò)散形成牢固地粘接。膠粘劑與被粘接物之間的牢固粘接是上述因素綜合作用的結(jié)果。但上述因素對(duì)不同材料粘接力的作用貢獻(xiàn)大小不同。
當(dāng)被粘表面有油污時(shí)，使物理吸附力下降，使膠粘劑與石材表面產(chǎn)生的化學(xué)鍵數(shù)量大大減少，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求 。
常見(jiàn)問(wèn)題及解答
7-4 土木工程材料所用的粘接劑應(yīng)具備哪些基本條件？
解答：土木工程材料中所應(yīng)用的膠粘劑應(yīng)具備以下基本條件：
（1） 具有浸潤(rùn)被粘結(jié)物表面的浸潤(rùn)性和流動(dòng)性；
（2） 不因溫度及環(huán)境條件作用而迅速老化；
（3） 便于調(diào)節(jié)硬化速度和粘結(jié)性；
（4） 膨脹及收縮值較小；
（5） 粘結(jié)強(qiáng)度較大。
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