高分子材料合成

第7章 合成高分子材料

學習目標與要求

1. 了解合成高分子聚合物的基本組成結構特點和分類。

2. 了解聚合物的分子結構與其性能之間的關系。

3. 熟悉聚合物的基本性能特點和常用聚合物的品種。

4. 熟悉土木工程中常用的建筑塑料、建筑涂料和膠粘劑等產(chǎn)品的基本組成、性能及應用。

學習重點

1．聚合物的基本組成結構特點和分類。

2．聚合物的分子結構與其性能之間的關系。

3．土木工程中常用的合成高分子材料制品的性能和應用。

學習難點

1．如何理解合成高分子材料的結構與性能的關系。這里既有聚合物的分子結構與其性能之間的關系，還有具體產(chǎn)品（塑料、涂料、膠粘劑等）的組成與性能的關系。

2．土木工程中如何正確選擇使用合成高分子材料制品。

合成高分子材料是指其基本組成物質為人工合成高分子化合物的各種材料。合成高分子材料主要包括合成樹脂、合成橡膠和合成纖維三大類。在土木工程中，合成樹脂主要用于制備建筑塑料、建筑涂料和膠粘劑等，是用量最大的合成高分子材料。合成橡膠主要用于防水密封材料、橋梁支座和瀝青改性材料等，用量僅次于合成樹脂。合成纖維主要用于土工織物、纖維增強水泥、纖維增強塑料和膜結構用膜材料等，用量也在不斷增加。

7.1高分子化合物概述

7.1.1基本知識

1. 基本概念

高分子化合物又稱高聚物或聚合物，其分子量很大，一般為104 ~ 106。其分子往往由許多相同的、簡單的結構單元，通過共價鍵重復連接而成。例如，聚氯乙烯分子是由許多氯乙烯結構單元重復連接而成：

簡寫為：

式中：

是重復結構單元，稱為“鏈節(jié)”。結構單元的重復數(shù)目n稱為“聚合度”。聚合度可由幾百至幾千，聚合物的分子量為重復結構單元的分子量與聚合度的乘積。

2. 聚合物的分類

聚合物的分類方法很多，按聚合物的來源，分為天然聚合物和合成聚合物；按分子結構，分為線型聚合物和體型聚合物；按聚合物受熱的行為，分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物等。

熱塑性聚合物具有受熱時軟化、遇冷時凝固且無明顯化學變化的性質。通常熱塑性聚合物可反復進行加熱軟化、熔融和冷卻硬化。所以熱塑性聚合物具有可再生重復使用的特性。

熱固性聚合物僅在第一次加熱（或加入固化劑前）時能發(fā)生軟比、熔融，并在此條件下產(chǎn)生化學交聯(lián)而固化，以后再加熱時再不會軟化或熔融，也不會被溶解，若溫度過高則會導致分子結構破壞。目前尚不能以通常的方式對熱固性聚合物再生利用。

聚合物還常按用途分為塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑等幾大類。這種分類方法最為常用，但不很嚴格。事實上，同一種聚合物可以有多種用途。例如．聚氨酯可制成具有橡膠的性能，也可發(fā)泡制成硬度不同的泡沫塑料，還可拉絲制成高強度高彈性的纖維、制作涂料和膠粘劑。這種能夠適應多用途需要的特點，是高分子材料得以廣泛應用的重要原因。

3. 聚合物的命名

聚合物的命名有系統(tǒng)命名法和習慣命名法。系統(tǒng)命名法命名比較復雜，實際很少使用。 在習慣命名法中，天然聚合物用專有名稱，加纖維素、淀粉、蛋白質等；合成聚合物，則在單體名稱前加上“聚”字，例如聚氯乙烯、聚苯乙烯等；也可在原料名稱后加“樹脂”、“橡膠”、“纖維”等來命名，這種命名能反映聚合物的結構和用途，是常用的命名法。

4. 聚合反應

由低分子單體合成聚合物的反應叫做聚合反應。聚合反應按單體和聚合物在組成和結構上發(fā)生的變化，分為加聚反應和縮聚反應兩大類。

以單體通過加成的方式，聚合形成聚合物的反應稱為加聚反應。加聚反應是鏈式反應。其特點是單體分子具有能夠聚合的雙鍵、三鍵、環(huán)狀結構等；其中，含雙健結構的單體最為廣泛，如乙烯、氯乙烯、苯乙烯、丁二烯等。加聚反應是按參加反應的單體種類數(shù)目，可分為均聚反應和共聚反應。均聚反應是只有一種單體進行的聚合反應，其產(chǎn)物稱為均聚物，如聚乙烯、聚氯乙烯等。共聚反應是由兩種或兩種以上的單體進行的聚合反應，其產(chǎn)物稱為共聚物。

縮聚反應是含有兩個以上官能團的單體，通過官能團間的反應生成聚合物的反應�？s聚反應與加聚反應不同，其聚合物分子鏈增長過程是逐步反應，同時伴有低分子副產(chǎn)物如水、氨、甲醇等的生成�？s聚反應按照生成產(chǎn)物的結構可分為線型縮聚反應與體型縮聚反應兩類。當縮聚反應只在一種單體間進行時，稱為均縮聚反應。如果縮聚反應在兩種單體之間進行，則稱作混縮聚反應。如果在均縮聚反應中加入第二單體或在混縮聚反應中加入第三單體，則稱為共縮聚反應。

加聚反應生成的共聚物和縮聚反應生成的共縮聚物統(tǒng)稱為共聚物。共聚物的性能與不同種類單體的相對數(shù)量和排列方式有密切關系。共聚物根據(jù)鏈節(jié)排列方式的不同可分為無規(guī)共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物和接枝共聚物四種。

7.1.2聚合物的結構與性質

1. 聚合物的分子結構

聚合物按其分子結構可分為線型聚合物和體型聚合物。

（1）線型聚合物

線型聚合物的大分子鏈排列成線狀主鏈（如圖7—1a）。有時帶有支鏈（如圖7—1b），且線狀大分子間以分子間力結合在一起。具有線型結構的聚合物包括全部加聚樹脂和部分縮聚樹脂，一般來說，具有線型結構的樹脂，強度較低，彈性模量較小，變形較大，耐熱、耐腐蝕性較差，且可溶可熔。支鏈型聚合物因分子排列較松，分子間作用力較弱，因而密度、熔點及強度等低于線型聚合物。線形聚合物樹脂均為熱塑性樹脂。

（2）體型聚合物

線型大分子間通過化學鍵交聯(lián)作用而形成的三維網(wǎng)狀結構，又稱網(wǎng)狀或體型結構（如圖7—1c）。部分縮合樹脂具有體型結構（交聯(lián)或固化前也為線型或支鏈型分子）。由于化學鍵的結合力強，且交聯(lián)形成一個“巨大分子”，因此，—般來說縮合樹脂的強度高，彈性模量較大，變形較小，較硬脆，且塑性小，耐熱性、耐腐蝕性較好，不溶不熔。體型聚合物樹脂均為熱固性樹脂。

圖7—1 聚合物大分子鏈的結構示意圖

（a）線型；（b）支鏈型；（c）體型

2. 聚合物的聚集態(tài)結構

固態(tài)聚合物是由大分子鏈以分子間作用力聚集在一起的。聚集態(tài)結構就是指分子鏈間的排列、堆砌方式和規(guī)律。可分為晶態(tài)結構、非晶態(tài)結構、取向態(tài)結構和織態(tài)結構等聚集狀態(tài)。 晶態(tài)結構的聚合物與低分子量晶體有很大的不同。由于線型高分子難免有彎曲，故聚合物的結晶為部分結晶，即在結晶聚合物中存在“晶區(qū)”和“非晶區(qū)”。且大分子鏈可以同時跨越幾個晶區(qū)和非晶區(qū)。晶區(qū)所占的百分比稱為結晶度。一般來說，結晶度越高，則聚合物的密度、彈性模量、強度、耐熱性、折光系數(shù)等越高，而沖擊韌性、粘附力、斷裂伸長率、溶解度等越低。晶態(tài)聚合物一般為不透明或半透明狀，非晶態(tài)聚合物則一般為透明狀。體型聚合物只有非晶態(tài)結構。

取向態(tài)結構是指聚合物在一維或二維方向的有序排列結構。事實上．線型高分子鏈充分伸展時，其長度為其寬度的幾百、幾千其至幾萬倍；在—定條件下，使線型聚合物的分子鏈沿著特定方向排列稱為取向。取向在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用。例如，在合成纖維生產(chǎn)中．采用熱牽引工藝，使分子鏈取向，可提高纖維的強度和彈性模量。聚乙烯纖維未取向時的抗拉強度約為60 ~ 80 MPa，而取向后的強度可達800 MPa。

織態(tài)結構是指將兩種或兩種以上的聚合物或不同分子量的同種聚合物混合而得到的材料結構，屬非均相體系結構。其中，由一個分散相和一個連續(xù)相組成的兩相共混物應用最多。例如，分散相軟、連續(xù)相硬的橡膠增韌塑料和分散相硬、連續(xù)相軟的熱塑性彈性體等。

3. 聚合物的物理狀態(tài)和特點

聚合物的物理狀態(tài)可根據(jù)溫度—變形曲線劃分，線型非晶態(tài)聚合物分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種物理狀態(tài)（如圖7—2）。

圖7—2 線型非晶態(tài)聚合物的變形與溫度的關系

線型非晶態(tài)聚合物在低于某一溫度時，分子動能很低，大分子鏈的運動和分子鏈段的旋轉都被凍結，聚合物在外力作用下，產(chǎn)生的變形較小，彈性模量較大。此時，聚合物所處的狀態(tài)稱為玻璃態(tài)。聚合物保持玻璃態(tài)的溫度上限稱為玻璃化轉變溫度（Tg）。當溫度升高到Tg上以后，分子動能增加，分子鏈段能運動，但大分子鏈的運動仍被凍結，聚合物彈性模量較小，在外力作用下，產(chǎn)生較大的變形。且變形是可恢復的，這種狀態(tài)稱為高彈態(tài)。聚合物保持高彈態(tài)的上限溫度，稱為粘流溫度（Tf）。當溫度升高到Tf上以后，分子動能增加到鏈段和整個大分子鏈都可以運動，聚合物成為可以流動的粘稠液體，此時，聚合物在外力作用下，分子間相互滑動，產(chǎn)生粘性流動，外力除去后保持變形，即變形不可逆。玻璃化轉變溫度和粘流溫度是高分子材料的重要性質指標�？梢源_定高分子材料的使用溫度范圍、材料的加工溫度范圍等。

玻璃化轉變溫度低于室溫的稱為橡膠，高于室溫的稱為塑料。玻璃化轉變溫度是塑料的最高使用溫度，但卻是橡膠的最低使用溫度。粘流溫度在室溫以下的高聚物可作膠粘劑或涂料使用。

4.聚合物的主要性質

（1）密度：聚合物的密度較小，一般在0.9 ~ 2.2g/cm3之間，平均約為鋁的1/2，鋼的1/5，混凝土的1/3。

（2）比強度：聚合物有較高的強度，密度小，所以比強度遠遠超過傳統(tǒng)的建筑材料，是極好的輕質高強材料。但聚合物的剛度比較差，容易變形。

（3）導熱性：聚合物的導熱性較小，約為金屬的1/500 ~ 1/600。其泡沫塑料的導熱性接近空氣，是一種良好的輕質保溫隔熱材料。

（4）化學穩(wěn)定性：一般聚合物對侵蝕性化學物質（酸、堿、鹽溶液）及蒸汽的作用具有較高的穩(wěn)定性。但有些聚合物在有機溶劑中會溶解或溶脹，使用時應予以注意。

（5）防水密封性：大多數(shù)聚合物具有很強的憎水性，防水、防潮及密封性能突出。

（6）電絕緣性：聚合物通常都具有極高的電絕緣性和擊穿電壓，是非常好的電絕緣材料。

（7）減震、消音性：聚合物具有突出的粘彈性，在受外力沖擊時，其大分子的粘滯性能吸收大量的振動波和聲波，具有良好的減震消聲作用。

（8）與其他材料的復合型：聚合物對其他類型的材料通常都具有很強的潤濕及粘附性，因

而可制成性能優(yōu)良的復合材料。

（9）耐熱性：作為有機化合物的聚合物，熱穩(wěn)定性能較差。熱塑性聚合物的耐熱溫度一般為50 ~90℃；熱固性聚合物的耐熱溫度一般在100 ~ 200℃。高溫下易燃燒和分解，并釋放出有害氣體。

5. 聚合物的老化

在使用過程中，聚合物會由于光、熱、空氣（氧和臭氧）等的作用而發(fā)生結構或組成的變化，從而出現(xiàn)各種性能劣化現(xiàn)象。如出現(xiàn)變色、變硬、龜裂、發(fā)粘、發(fā)軟、變形、斑點、機械強度降低，稱為聚合物的老化。

聚合物的老化是一個復雜的過程，一般可將其分為聚合物分子的交聯(lián)與降解兩種。交聯(lián)是指聚合物的分子從線型結構變?yōu)轶w型結構的過程。當發(fā)生這種老化作用時，表現(xiàn)為聚合物失去彈性、變硬、變脆，并出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。降解是指聚合物的分子鏈發(fā)生斷裂，其分子量降低，但其化學組成并不發(fā)生變化。當老化過程以降解為主時，聚合物會出現(xiàn)失去剛性、變軟、發(fā)粘、出現(xiàn)蠕變等現(xiàn)象。

根據(jù)老化原因的不同聚合物的老化分為熱老化和光老化兩類。光老化是指聚合物在陽光（特別是紫外線）的照射下部分分子（或原子）被激活而處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，并與其他分子發(fā)生光敏氧化作用，致使聚合物的結構和組成發(fā)生變化，性能逐漸惡化的現(xiàn)象。熱老化是指聚合物在熱的作用下，尤其是在較高溫度下暴露于空氣中時，聚合物的分子鏈由于氧化、熱分解等作用而發(fā)生斷裂、交聯(lián)，其化學組成與分子結構發(fā)生變化，從而使其各項性能發(fā)生劣變的現(xiàn)象。因此，大多數(shù)聚合物材料的耐高溫性和大氣穩(wěn)定性都較差。

7.1.3常用的聚合物

1. 合成樹脂

合成樹脂的種類很多，而且隨著有機合成工業(yè)的發(fā)展和新聚合方法的不斷出現(xiàn)，合成樹脂的品種還在繼續(xù)增加。但是，真正獲得廣泛應用的合成樹脂，不過20種左右。在此，僅介紹一些在土木工程材料中經(jīng)常使用的合成樹脂。

（1）熱塑性樹脂

①聚乙烯（PE）

聚乙烯(PE)是樹脂中分子結構最簡單的一種，它是由乙烯單體聚合而成。聚乙烯按合成時的壓力分為高壓聚乙烯和低壓聚乙烯。高壓聚乙烯的密度較小，故稱為低密度聚乙烯（LDPE）。低壓聚乙烯聚合條件比較溫和，制得的產(chǎn)品結晶度高、密度大，故稱高密度聚乙烯（HDPE）。聚乙烯塑料無臭、無毒，原料來源豐富，價格較低，且具有優(yōu)異的耐低溫性（最低使用溫度可達 -70 ～ -100℃）、化學穩(wěn)定性、電絕緣性和加工性能。在建筑中，聚乙烯主要用于生產(chǎn)防水材料（薄膜、卷材等）、給排水管材（冷水）、電絕緣材料、水箱和衛(wèi)生潔具等。

②聚氯乙烯（PVC）

聚氯乙烯樹脂（PVC）是氯乙烯通過自由基聚合制成白色粉末或糊狀的樹脂。由于PVC樹脂鏈上帶有負電性很強的氯原子，使分子鏈之間產(chǎn)生很大的引力，阻礙了分子鏈之間的相對滑動。因此，PVC樹脂具有良好的耐化學腐蝕性和阻燃性，但材質脆而硬，較少彈性。通過添加增塑劑可以改善PVC的柔韌性。

在建筑中，硬質聚氯乙烯主要用作天溝、落水管、外墻覆面板、天窗及給排水管。軟質聚氯乙烯常加工為片材、板材、型材等。如卷材地板、塊狀地板、壁紙、防水卷材和止水帶等。在PVC中混入大量的碳酸鈣制成鈣塑料可以提高塑料的硬度、降低成本，用于代替鋼

材和木材制作塑料門窗、樓梯扶手、地板、天花板和電線套管等。將PVC輕度發(fā)泡可以制成塑料地毯和塑料壁紙等。

③聚苯乙烯（PS）

聚苯乙烯（PS）的均聚物是由苯乙烯單體聚合而得，質地堅硬，化學性能和電絕緣性能優(yōu)良，易于成型出各類色彩鮮艷、表面光潔的制品，應用廣泛。但聚苯乙烯耐熱性差、質脆，這在一定程度上限制了它的應用，因此，應對其改性。目前大量生產(chǎn)的苯乙烯類聚合物主要有：通用型聚苯乙烯GPPS，高抗沖型聚苯乙烯HIPS，發(fā)泡型聚苯乙烯EPS以及苯乙烯的共聚物如ABS塑料（俗稱工程塑料）等。

建筑中聚苯乙烯主要用于制作泡沫塑料，有擠塑發(fā)泡板和發(fā)泡顆粒產(chǎn)品。其隔熱保溫性能優(yōu)異。此外，聚苯乙烯也常用于涂料和防水薄膜的生產(chǎn)。ABS樹脂主要用于生產(chǎn)塑料裝飾板和管材等。

④聚丙烯（PP）

聚丙烯（PP）可分為均聚PP和共聚PP兩大類，共聚PP是在聚合過程中加入大約2％～5%的乙烯而制得的。聚丙烯的主要特點是密度低（0.89～0.92 g/cm3），耐化學藥品性、耐腐蝕性、耐熱性優(yōu)良且價格低廉。

在建筑中，聚丙烯常用于制作管材、裝飾板材、衛(wèi)生潔具及各種建筑小五金件。 ⑤聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是透明、無毒無味的無定形熱塑性樹脂，俗稱有機玻璃。其最大優(yōu)點是具有優(yōu)異的光學性能，對可見光的透過率可達92％，對紫外線的透過率達73.5％，均優(yōu)于普通無機硅酸鹽玻璃，并具有較好的耐氣候老化性，質輕（約為無機玻璃的1/2），抗沖擊強度較高。

在建筑中，聚甲基丙烯酸甲酯主要用作采光天窗、防震玻璃、室內裝飾等，以適當方式對其增強后，也可用于制作透明管材及其他建筑制品。

（2）熱固性樹脂

①酚醛樹脂（PF）

酚醛樹脂是酚類和醛類化合物經(jīng)縮聚反應而得的樹脂的統(tǒng)稱，其中應用較多的是苯酚—甲醛縮聚物（PF）。酚醛樹脂的主要特點是有較好的電絕緣性能，密度低，強度較高。具有很高的熱強度等，但質脆，抗沖擊性能差。

在土木工程中。酚醛樹脂主要用于制造各種層壓板和玻璃纖維增強塑料，以及防水涂料、木結構用膠等。

②脲醛樹脂（UF）

脲醛樹脂是由甲醛和尿素縮聚而成的`聚合物。它具有耐燃、耐電弧、易著色、表向硬度高、耐溶劑、本身呈透明狀等特點。因此，可制成表面光潔、色彩鮮明的玉狀制品（俗稱“電玉”）。但耐濕性差，受潮氣和水的作用易發(fā)生變形或開裂，而且耐熱性較差。

在土木工程中，脲醛樹脂主要用于生產(chǎn)木絲板、膠合板、層壓板等。經(jīng)發(fā)泡處理后，可制得一種硬質泡沫塑料，用作填充性絕緣材料。經(jīng)過改性處理的脲醛樹脂還可用于制造涂料、膠粘劑等。

③不飽和聚酯樹脂（UP）

不飽和聚酯樹脂是指分子鏈主鏈上含有不飽和鍵的聚酯。不飽和聚酯在性能上具有 多變性，由于組成的變化，UP可以是硬質的、有彈性的、柔軟的、耐腐蝕的、耐氣候老化的或耐燃的，這些性能上的變化形成了UP在應用上的多樣化。在土木工程中，廣泛地用于制造涂料、玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼）和作為聚合物混凝土中的膠結料�？捎糜趬γ�、地面裝飾，制作人造大理石、人造瑪瑙，具有裝飾性好、耐磨等特點。

④環(huán)氧樹脂（EP）

環(huán)氧樹脂是分子結構中含有環(huán)氧基的聚合物，種類很多。其中用途最廣的是環(huán)氧氯丙烷與雙酚A縮聚得到的雙酚A型環(huán)氧樹脂。這種環(huán)氧樹脂是線型結構，具有熱塑性。應用時必須加入固化劑，使環(huán)氧樹脂固化。固化劑品種很多，常用的有胺類、酸酐類、高分子預聚體和咪唑等。固化后的環(huán)氧樹脂具有強度高、粘結力強、收縮率小、耐水、耐化學腐蝕性和電絕緣性好等特點。

在土木工程中，環(huán)氧樹脂主要用于結構膠粘劑、玻璃纖維增強塑料、聚合物混凝土以及防腐涂料和耐磨地坪材料等。

⑤有機硅樹脂（SI）

有機硅是一大類主鏈含硅的高分子化合物，屬于元素有機高分子；主要有聚有機硅氧烷

（SI），它的主鏈由硅氧鍵構成，側基為有機基團。這種結構使硅化合物具有良好的化學穩(wěn)定性，耐氧化、臭氧和紫外線照射，使用溫度范圍寬（-50～+200℃），憎水性高等一系列的獨特性能。

在土木工程中，有機硅樹脂主要用于層壓塑料和防水材料。在各種有機硅樹脂中，硅酮的應用較多，廣泛地應用于涂料、膠粘劑和嵌縫材料中。

2. 合成橡膠

橡膠是玻璃化轉變溫度Tg較低，在室溫下具有高彈性的聚合物。橡膠的主要持點是在-50～+150℃范圍內，具有極為優(yōu)異的彈性，在外力作用下，變形量可以達到百分之幾百，并且在外力取消后，變形可完全恢復。此外，橡膠還具有良好的抗拉強度、耐疲勞強度，良好的不透水性、不透氣性、耐酸堿腐蝕性和電絕緣性等。由于橡膠良好的綜合性能，在土木工程中，廣泛用作防水材料和密封材料等。

橡膠按來源分為天然橡膠和合成橡膠。在土木工程中，主要應用的是合成橡膠。合成橡膠是各種單體經(jīng)聚合反應人工合成的橡膠，是具有橡膠特性的一類聚合物，常用的合成橡膠有丁基橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠和丁苯橡膠等。

（1）丁基橡膠（HR）

丁基橡膠是通過異丁烯與異戊二烯聚合制備的結晶性非極性橡膠。丁基橡膠最獨特的性能是氣密性非常好，水滲透率極低、其耐熱性、耐氣候老化性能、耐臭氧老化性能也很好，但彈性較低、工藝性能較差、硫化速度慢、粘著性和耐油性等也較差。

丁基橡膠主要用作防水卷材和防水密封材料。

（2）氯丁橡膠（CR）

氯丁橡膠是通過氯丁二烯聚合制備的結晶性橡膠。氯丁橡膠是所有合成橡膠中密度最大的，其相對密度約為1.23～1.25，呈淺黃色或棕褐色。這種橡膠的原料來源廣泛，其抗拉強度較高，透氣性、耐磨性較好，不易老化，耐油、耐熱、難燃、耐臭氧、耐酸堿腐蝕性好，粘結力較強。其缺點是對濃硫酸和濃硝酸的抵抗力較差，電絕緣性也較差。

在建筑上氯丁橡膠被廣泛地用于膠粘劑、門窗密封條、膠帶等。

（3）乙丙橡膠（EPM）

乙丙橡膠是以乙烯、丙烯為主要單體原料共聚的無定形橡膠。根據(jù)是否加入第三單體可分為二元乙丙橡膠和三元乙丙橡膠兩大類。三元乙丙橡膠生產(chǎn)和使用較多。乙丙橡膠具有優(yōu)異的耐老化性能，是現(xiàn)有通用橡膠中耐老化性能最好的，能長期在陽光、潮濕、寒冷的自然環(huán)境中使用；耐熱性能好，可在120℃的環(huán)境中長期使用，最高使用溫度達150℃；具有較

好的低溫性能，最低極限使用溫度可達-50℃或更低；具有較好的耐化學腐蝕、耐熱水和水蒸氣性能，密度是所有橡膠中最低的。其缺點是硫化速度慢。自粘性與互粘性較差，耐燃性、耐油性和氣密性差。主要用于生產(chǎn)防水卷材。

（4）丁苯橡膠（SBR）

丁苯橡膠是丁二烯和苯乙烯的共聚物，通過調節(jié)苯乙烯的含量可以得到不同性能的丁苯橡膠。丁苯橡膠（SBR）是產(chǎn)量和消耗量最大的合成橡膠。純丁苯橡膠的強度低，須增強后才具有實際使用價值；其彈性、耐寒性較差，耐撕裂性和粘著性能均較天然橡膠差。但耐熱性、耐老化性、耐磨性均優(yōu)于天然橡膠。它主要用于鋪地材料和瀝青改性等。

（5）硅橡膠（SR）

硅橡膠的分子主鏈是由硅原子和氧原子交替組成（—Si—O—Si—），其鍵能比碳一碳鍵能（C—C）要大得多，柔順性也很好，因而具有優(yōu)異的耐高、低溫性能，在所有的橡膠中工作溫度范圍最寬（-100～+350℃）。硅橡膠還具有優(yōu)異的耐老化、電絕緣、耐電暈、耐電弧性能，但力學性能較差。硅橡膠廣泛用于建筑密封膠、防潮密封材料。

（6）熱塑性彈性體

熱塑性彈性體是一類具有類似橡膠力學性能及使用性能、又能按熱塑性塑料進行加工和回收的聚合物。它既具有熱塑性，便于加工和再生利用；又有很好的彈性，便于使用。因此，稱為熱塑性彈性體。常用的有苯乙烯類熱塑性彈性體、聚氨酯類熱塑性彈性體等。

SBS（苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物）為線型分子，是具有高彈性、高抗拉強度、高伸長率和高耐磨性的透明體，屬于熱塑性彈性體。在SBS中，苯乙烯單體是以一定的長度連接在丁二烯分子的兩端，在室溫時，彈性體的鏈段聚集、纏結在一起形成物理交聯(lián)。在高溫時，這些交聯(lián)點解離，使彈性體具有熱塑性。因此，SBS可以像熱塑性塑料一樣的加工。通過調節(jié)丁二烯（軟段）和苯乙烯（硬段）的長度和比例，可以改變熱塑性彈性體的性能。一般來說，熱塑性彈性體的強度和耐磨性都優(yōu)于通用橡膠，只是耐溫性較差。SBS在建筑上主要用于瀝青的改性。

3. 合成纖維

纖維可分為天然纖維（如羊毛、蠶絲、棉花、麻等）和化學纖維兩大類，化學纖維按其聚合物來源又可分為人造纖維和合成纖維兩類。人造纖維是以天然聚合物為原料經(jīng)過化學處理后再加工制成的，如粘膠纖維、醋酸纖維、硝酸纖維等；合成纖維是由合成的聚合物制得的，有聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維等品種。

（1）聚酯纖維

聚酯纖維是大分子鏈中的各鏈節(jié)與酯基相連的聚合物紡制而成的合成纖維。其品種很多、目前主要是對苯二甲酸乙二酯纖維（PET），我國—般稱為滌綸或的確良。聚酯纖維彈性好、強度大、模量高、吸濕性低、耐熱性、耐磨性、耐光老化性能好。主要用于土工織物。

（2）聚酰胺纖維

聚酰胺纖維是分子主鏈由酰胺鍵連接起來的一類合成纖維，我國稱為錦綸。聚酰胺有許多品種，應用最廣泛的是聚酰胺6和聚酰胺66。聚酰胺的耐磨性非常好、強度、耐沖擊性、彈性、耐疲勞性也很好，而且密度��；但是，聚酰胺纖維的模量低、耐光性、耐熱性、抗靜電性、染色性、吸濕性較差。主要用于繩索、化纖地毯等。

（3）聚丙烯腈纖維

聚丙烯腈纖維是采用丙烯腈三元單體共聚物紡成的纖維，又稱腈綸。聚丙烯腈纖維的彈性模量高、耐光性、耐輻射性�；瘜W穩(wěn)定性、耐熱性好，但強度較低、耐磨性、抗疲勞性較差。腈綸廣泛用于污水處理和碳纖維生產(chǎn)。

（4）聚丙烯纖維

聚丙烯纖維是以丙烯聚合得到的等規(guī)聚丙烯為原料紡制而成的合成纖維，又稱為丙綸。它是所有化學纖維中密度最小的，其強度高、回彈性、耐磨性、抗微生物、耐化學腐蝕性好。其缺點是吸濕性、染色性、耐光性、耐熱性差。它可用于制作地毯、裝飾織物、人造草坪和土工布等。

（5）聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇纖維的常規(guī)產(chǎn)品是聚乙烯醇縮甲醛纖維，又稱為維綸。維綸的短纖維外觀接近棉，有“合成棉花”之稱，但其強度和耐磨性都優(yōu)于棉，保暖性、耐腐蝕性、耐日光性好。維綸的缺點是染色性、耐水性、彈性較差。聚乙烯醇纖維主要作為塑料、水泥、陶瓷等的增強材料，作為石棉的代用品用于纖維增強水泥；制作維綸帆布、非織造布濾材以及土工布等。

7.2土木工程常用的合成高分子材料

7.2.1建筑塑料

塑料是以合成樹脂為主要成分，在一定條件（溫度、壓力等）下，可塑成一定形狀并在常溫下保持其形狀的高分子材料。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，塑料具有質輕、比強度高、化學穩(wěn)定性好、導熱系數(shù)小、裝飾性和加工性能好及耗能較低的持點；但塑料還有剛度小、易老化、易燃、耐熱性差的缺點。此外，塑料中殘留的單體和加入的增塑劑、固化劑等低分子物質都對人體健康不利。因此，采用塑料制作與飲食有關的設備時，要認真進行安全衛(wèi)生檢驗。在土木工程中，塑料可作為結構材料和功能材料。作為結構材料應用的主要是纖維增強塑料。作為功能材料可用于隔熱保溫材料、裝飾裝修材料等。

塑料按組成成分分為單—組分塑料和多組分塑料。單一組分塑料基本上為合成樹脂，只含少量助劑（如染料、潤滑劑等），如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯塑料等。多組分塑料除含有合成樹脂外，還含有較多的助劑（如填料、增塑劑、穩(wěn)定劑等），如聚氯乙烯、酚醛塑料等。根據(jù)用途，塑料可分為通用塑料和工程塑料。根據(jù)其受熱后性能的不同，塑料還可分為熱固性塑料和熱塑性塑料。

1. 塑料的基本組成

塑料是由合成樹脂和各種添加劑所組成。合成樹脂是塑料的主要成分，其質量占塑料的 40％以上。塑料的性質主要取決于所采用的合成樹脂的種類、性質和數(shù)量。因此，塑料常以所用合成樹脂命名，如聚乙烯（PE）塑科，聚氯乙烯（PVC）塑料。合成樹脂的性質已在上一節(jié)介紹，在此主要介紹常用的添加劑。

（1）填料

填料又稱為填充料、填充劑或體質顏料，其種類很多。按外觀形態(tài)可分為粉狀、纖維狀和片狀三類。一般來說，粉狀填料有助于提高塑料的熱穩(wěn)定性，降低可燃性，而片狀和纖維狀填料可明顯提高塑料的抗拉強度、抗磨強度和大氣穩(wěn)定性等。

填料通常都比合成樹脂便宜，它不僅能提高塑料的強度、硬度和耐熱性，還能減少收縮變形和降低成本。常用的填料主要有木粉、滑石粉、硅藻土、石灰石粉、鋁粉、炭黑及玻璃纖維等。

（2）增塑劑

增塑劑是能使聚合物塑性增加的物質。它可降低樹脂的粘流溫度（Tf），使樹脂具有較大的可塑性，以利于塑料制品的加工。少量的增塑劑還可降低塑料的硬度和脆性，使塑料具有較好的柔韌性。增塑劑主要為酯類及酮類。

（3）穩(wěn)定劑

穩(wěn)定劑是指抑制或減緩老化破壞作用的物質。塑料在加工和使用過程中，由于受熱、光、氧的作用，可能發(fā)生降解、氧化斷鏈及交聯(lián)等，使塑料老化。為了提高塑料的耐老化性能，延長使用壽命，通常要加入各種穩(wěn)定劑，如抗氧劑、光屏蔽劑、紫外光吸收劑及熱穩(wěn)定劑等。

（4）固化劑

固化劑又稱為硬化劑，主要作用是使某些合成樹脂的線型結構交聯(lián)成體型結構，從而使樹脂具有熱固性。不同品種的樹脂應采用不同品種的固化劑。

（5）著色劑

著色劑是使塑料制品具有特定的色彩和光澤的物質，常用的著色劑是一些有機和無機顏料。顏料不僅對塑料具有著色性，同時也兼有填料和穩(wěn)定劑的作用。

此外，根據(jù)建筑塑料使用及成型加工的需要，有時還加入潤滑劑、抗靜電劑、發(fā)泡劑、阻燃劑及防霉劑等。

2. 土木工程常用的塑料制品

（1）裝飾裝修制品

塑料的裝飾性和可加工性能好，常用來生產(chǎn)裝飾裝修材料。

①塑料面磚

塑料面磚以PS，PVC，PP等為原料制造，模仿傳統(tǒng)陶瓷面磚，厚度小、重量輕，具有美觀適用、施工方便的特點，是一種較為理想的超薄型墻面裝飾材料�？捎糜谑覂葔γ妗⒅�面裝飾。

②塑料壁紙

塑料壁紙是用紙或玻璃纖維布做基材，以聚氯乙烯為主要成分，加入添加劑和顏料等，經(jīng)涂塑、壓花或印花、發(fā)泡等工藝制成的塑料卷材。塑料壁紙的花色品種多，可制成仿絲綢、仿織錦緞、仿木紋等花紋圖案。塑料壁紙具有美觀、耐用、易清洗、施工方便的待點。發(fā)泡塑料壁紙還具有較好的吸聲性能，因而廣泛地應用于室內墻面、頂棚等的裝飾。塑料壁紙的缺點是透氣性較差。

③塑料地面卷材

塑料地面卷材是經(jīng)混煉、熱壓或壓延等工藝制成的卷材。主要為聚氯乙烯（PVC）塑料地面卷材，分為無基層卷材和有基層卷材兩種。

無基層卷材質地柔軟，有—定彈性，適合于家庭地面裝飾。有基層卷材一般由兩層或多層復合而成，常見的是三層結構�；鶎訛闊o紡布、玻璃纖維布，中層為印花的不透明聚氯乙烯塑料，面層為透明的聚氯乙烯塑料。若中層為聚氯乙烯泡沫塑料，則稱為發(fā)泡塑料地面卷材。塑料地面卷材具有腳感舒適、耐磨、附腐蝕、隔聲和保溫等特點。

④塑料地板

塑料地板采用聚氯乙烯、重質碳酸鈣和添加劑為原料，經(jīng)混煉、熱壓或壓延等工藝制成。有硬質、半硬質和軟質三種；塑料地板制作的圖案豐富，顏色多樣，并具有耐磨、耐燃、尺寸穩(wěn)定、價格低等優(yōu)點，適合于人流不大的辦公室、家庭等的地面裝飾。

（2）隔熱保溫材料

①泡沫塑料

泡沫塑料是在聚合物中加入發(fā)泡劑，經(jīng)發(fā)泡、固化或冷卻等工序而制成的多孔塑料制品。泡沫塑料的孔隙率可高達95％—98％，且孔隙尺寸小，因而具有優(yōu)良的隔熱保溫性能。常用的有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、脲醛泡沫塑料等。

聚苯乙烯泡沫塑料是應用最廣的泡沫塑料，其體積密度為10～20 kg/m3,導熱系數(shù)為0.031～0.045 W/(m·K)，使用溫度范圍為-100～+70℃。主要用作墻體和屋面、地面、樓板等的隔熱保溫，也可與纖維增強水泥、纖維增強塑料或鋁合金板等制成復合墻板。

建筑上使用的聚氯乙烯泡沫塑料體積密度為60～200 kg/cm3，導熱系數(shù)為0.035～0.052 W/(m·K)，使用溫度范圍為-60～+60℃。聚氯乙烯泡沫塑料主要用作吸聲材料、裝飾構件，也可作墻體、屋面等的保溫材料，也可作為夾層板的芯材。

聚氨酯泡沫塑料，以硬質型應用較多。其體積密度為20～200 kg/cm3，使用溫度范圍為-160～+150℃。與其他泡沫塑料相比，其耐熱性好，強度較高。此外，這種泡沫塑料還可采用現(xiàn)場發(fā)泡的方法形成整體的泡沫絕熱層，絕熱效果好。

脲醛塑料是最輕的泡沫塑料之一，建筑中應用的脲醛泡沫塑料的體積密度為10～20 kg/m3，導熱系數(shù)為0.030～0.035 W/(m·K)，使用溫度范圍為 -200～+100℃，但強度低，吸濕性大。應用時需注意防潮。脲醛塑料價格低廉，主要用作空心墻和夾層墻板的芯材，也可在現(xiàn)場發(fā)泡成為整體泡沫塑料。

②蜂窩塑料板

蜂窩塑料板是在蜂窩狀的芯材上粘合面板的多孔板材，其孔隙較大（5～20 mm），孔隙率很高。蜂窩狀的芯材是由浸漬聚合物（酚醛樹脂等）的片狀材料（牛皮紙、玻璃布、木纖維板）經(jīng)加工粘合成的形狀似蜂窩的六角形空心板材。蜂窩塑料板的抗壓強度和抗折強度高，導熱系數(shù)低，一般為0.046～0.056 W/(m·K)。主要用作隔熱保溫和隔聲材料。

③塑料門窗

塑料門窗是改性后的硬質聚氯乙烯（PVC），加入適量的添加劑，經(jīng)混煉、擠出等工藝制成的異形截面材加工而成。改性后的硬質聚氯乙烯具有較好的可加工性、穩(wěn)定性、耐熱性和抗沖擊性。制成的塑料門窗外觀平整美觀，色澤鮮艷，經(jīng)久不褪，裝飾性好。并具有良好的耐水性、耐腐蝕性、隔熱保溫性、隔聲和氣密性，使用壽命可達30年以上。

④纖維增強塑料

纖維增強塑料是一種樹脂基復合材料，添加纖維的目的是為了提高塑料的彈性模量和強度。常用纖維材料除玻璃纖維、碳纖維外，還有石棉纖維、天然植物纖維、合成纖維和鋼纖維等，目前用得最多的是玻璃纖維和碳纖維。常用的合成樹脂有酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等，用量最大的為不飽和聚酯樹脂。

纖維增強塑料的性能主要取決于合成樹脂和纖維的性能、相對含量以及它們之間的粘結情況。合成樹脂及纖維的強度越高，特別是纖維的強度越高，則纖維增強塑料的強度越高。

玻璃纖維增強塑料（GRP），俗稱玻璃鋼，是由合成樹脂膠結玻璃纖維或玻璃纖維布（帶、束等）而成的。玻璃纖維增強塑料在性能上的主要優(yōu)點是輕質高強、耐腐蝕，主要缺點是彈性模量小，變形較大。在土木工程中主要用于結構加固、防腐和管道等。

碳纖維增強塑料是由合成樹脂膠結碳纖維而成，具有強度和彈性模量高，耐疲勞性能好，耐腐蝕性好的特點。在土木工程中，碳纖維增強塑料主要用于結構加固，制作碳纖維筋或索，用于有腐蝕的結構。

7.2.2建筑涂料

涂料是涂布在物體表面能形成具有保護和裝飾作用的膜層材料。涂料除了具有保護和裝飾功能外，還能具有一些特殊作用，如用作色彩標志、潤滑、防滑、絕緣、導電、隔熱、防潮等。建筑涂料則是指涂于建筑物表面能對建筑物起到保護、裝飾作用，或者能改善建筑物使用功能的涂料。

1. 涂料的基本組成

涂料的基本組成包括：成膜物質、顏料、溶劑（分散介質）以及輔料（助劑）。

（1）成膜物質

成膜物質也稱基料，是涂料最主要的成分，其性質對涂料的性能起主要作用。成膜物質分為兩大類，一類是轉化型（或反應型）成膜物質，另一類是非轉化型（或揮發(fā)型）成膜物質。前者在成膜過程中伴有化學反應，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結構。因此，此類成膜物質相當于熱固性聚合物，如環(huán)氧樹脂、醇酸樹脂等；后者在成膜過程未發(fā)生任何化學反應，僅靠溶劑揮發(fā)成膜，成膜物質為熱塑性聚合物，如纖維素衍生物、氯丁橡膠、熱塑性丙烯酸樹脂等。 建筑涂料常用樹脂有聚乙烯醇、聚乙烯醇縮甲醛、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、醋酸乙烯一丙烯酸酯共聚物（乙一丙乳液）、聚苯乙烯一丙烯酸酯共聚物（苯一丙乳液）、聚氨酯樹脂等。

（2）顏料

顏料主要起遮蓋和著色作用，有的顏料還有增強、改善流變性能、降低成本的作用。按所起作用不同，顏料又分為著色顏料和體質顏料（又稱填料）兩類。

建筑涂料中使用的著色顏料一般為無機礦物顏料。常用的有氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鐵綠、氧化鐵棕、氧化鉻綠、鈦白、鋅鋇白、群青藍等。

體質顏料，即填料。主要起到改善涂膜的機械性能。增加涂膜的厚度和遮蓋力，降低涂料的成本等作用。常用的填料有重晶石粉、輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣、高嶺土及各種彩色小砂粒等。

（3）溶劑

溶劑通常是用以溶解、稀釋成膜物質的易揮發(fā)性有機液體。涂料涂敷于物體表面后，溶劑基本上應揮發(fā)盡，不是一種永久性的組分，但溶劑對成膜物質的溶解力決定了所形成的樹脂溶液的均勻性、粘度和貯存穩(wěn)定性。溶劑的揮發(fā)性影響涂膜的干燥速度、涂膜結構和涂膜外觀。常用的溶劑有：甲苯、二甲苯、丁醇、丁酮、醋酸乙酯等。溶劑的揮發(fā)會對環(huán)境造成污染，選擇溶劑時，還應考慮溶劑的安全性和對人體的毒性。

涂料按溶劑及其對成膜物質作用的不同分為溶劑型涂料、水溶性涂料和水乳型涂料。其中，水溶性涂料和水乳型涂料稱為水性涂料。

（4）輔料

輔料（又稱助劑或添加劑）是為了進一少改善或增加涂料的某些性能而加入的少量物質。通常使用的有增白劑、防污劑、分散劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、潤濕劑、增稠劑、消泡劑、流平劑、固化劑、催干劑等。

2. 常用建筑涂料

建筑涂料的品種繁多，性能各異，按用途有外墻涂料、內墻涂料及地面涂料。

（1）外墻涂料

①苯乙烯一丙烯酸酯乳液涂料

苯乙烯—丙烯酸酯乳液涂料是以苯—丙乳液為基料的水乳型涂料，簡稱苯一丙乳液涂料。苯—丙乳液涂料具有優(yōu)良的耐水性、耐堿性、耐濕擦洗性，外觀細膩、色彩艷麗、質感好，與水泥混凝土等大多數(shù)建筑材料的粘附力強，并具有高耐光性和耐候性。

②丙烯酸酯涂料

丙烯酸酯涂料是以熱塑性丙烯酸酯樹脂為基料的外墻涂料。分為溶劑型和水乳型。丙烯酸酯涂料的耐水性、耐高低溫性和耐候性良好，不易變色、粉化或脫落，有多種顏色�？梢运⑼�、噴涂或滾涂。丙烯酸酯涂料的裝飾性好，壽命可達10年以上，是目前國內外應用最多的外墻涂料。丙烯酸酯涂料主要用于外墻復合涂層的罩面涂料。溶劑型涂料在施工中需注意防火、防爆。

③聚氨酯涂料

聚氨酯涂料是以聚氨酯樹脂或聚氨酯與其他樹脂復合物為主要成膜物質，加入填料、助劑組成的優(yōu)質溶劑涂料。該涂料的彈性和抗疲勞性好，并具有極好的耐水、耐堿、耐酸性能。

其涂層表面光潔度高，呈陶瓷質感，耐候性、耐玷污性能好，使用壽命可達15年以上。聚氨酯涂料價格較貴，主要用于辦公樓、商店等公用建筑。

④砂壁狀涂料

砂壁狀涂料是以合成樹脂乳液為成膜物質，加入彩色骨料以及其他助劑配制而成的粗面厚質涂料，又稱彩砂涂料。彩色骨料可用粒徑小于2mm的高溫燒結彩色砂粒、彩色陶�；蛱烊徊噬�石屑。彩砂涂料采用噴涂法施工，涂層具有豐富的色彩和良好石材質感，保色性、耐熱性、耐水性及耐化學腐蝕性能良好，使用壽命可達10年以上。砂壁狀涂料主要用于辦公樓、商店等公用建筑的外墻立面。

（2）內墻涂料

①聚醋酸乙烯涂料

聚醋酸乙烯涂料是以聚醋酸乙烯乳液為基料的乳液型內墻涂料。該涂料無毒、不燃、涂膜細膩、平滑、色彩鮮艷、裝飾效果良好、價格適中、施工方便。但是，耐水性及耐候性較差。

②醋酸乙烯一丙烯酸酯涂料

醋酸乙烯一丙烯酸酯涂樹是以乙一丙共聚乳液為基料的水乳型內墻涂料。該涂料的耐水性、耐候性和耐堿性優(yōu)于聚醋酸乙烯乳液涂料，并且有光澤，是一種中高檔的內墻裝飾涂料。

③多彩涂料

多彩涂料是以合成樹脂及顏料等為分散相，以含有乳化劑和穩(wěn)定劑的水為分散介質的水乳型涂料，按其介質特性分為水中油型和油中水型。以水中油型的貯存穩(wěn)定性最好。通常所用的多彩涂料均為水中油型。

多彩涂料具有良好的耐水性、耐油性、耐化學藥品性、耐刷洗性，并具有較好的透氣性。多彩涂料對基層的適應性強、可在各種建筑材料上涂刷使用。

（3）地面涂料

①聚氨酯地面涂料

聚氨酯地面涂料是以聚氨酯為基料的雙組分常溫固化型橡膠類涂料。其整體性好，色彩多樣，裝飾性好，并具有良好的耐油性、耐水性、耐酸堿性和耐磨性，有一定的彈性，腳感舒適。該涂料主要適用于水泥砂漿或水泥混凝土地面。

②環(huán)氧樹脂厚質地面涂科

環(huán)氧樹脂厚質地面涂料是以環(huán)氧樹脂為基料的雙組分常溫固化涂料。環(huán)氧樹脂厚質地面涂料與水泥混凝土等基層材料的粘結性能優(yōu)良，涂膜堅韌、耐磨，具有良好的耐化學腐蝕、耐油、耐水等性能，以及優(yōu)良的耐老化、耐候性和裝飾性。

7.2.3膠粘劑

1. 膠粘劑的基本概念

膠粘劑又稱粘合劑，是通過粘附作用使被粘物結合在一起的材料。

膠粘劑一般由基料和多種輔助成分組成�；�料是膠粘劑的主要成分，起粘接作用，要求有良好的粘附性和潤濕性。合成樹脂、合成橡膠、天然高分子以及無機化合物等都可做基料。輔助成分主要包括固化劑、溶劑、增塑劑、填料、偶聯(lián)劑、引發(fā)劑、促進劑、防老化劑、穩(wěn)定劑等。

固化劑用以使粘合劑交聯(lián)固化，提高粘合劑的粘合強度、化學穩(wěn)定性、耐熱性等，是以熱固性樹脂為主要成分的粘合劑所必不可少的成分；溶劑溶解、稀釋主料以調節(jié)粘度便于施工；填料具有降低固化時的收縮率、提高尺寸穩(wěn)定性、耐熱性和力學強度、降低成本等作用；

增塑劑用于提高韌性。

按受力情況膠粘劑分為結構膠粘劑和非結構膠粘劑。結構膠粘劑用于能承受荷載或受力結構件的粘結。非結構膠粘劑用于不受力或受力不大的各種場合。

膠粘劑能夠將被粘結材料牢固地粘結在一起，是因為膠粘劑與材料間存在有粘附力以及膠粘劑本身具有內聚力。粘附力和內聚力的大小，直接影響膠粘劑的粘結強度。當粘附力大于內聚力時，粘結強度主要取決于內聚力；當內聚力高于粘附力時，粘結強度主要取決于粘附力。一般認為粘附力主要來源于以下幾個方面：

（1）機械粘結力 膠粘劑滲入材料表面的凹陷處和孔隙內，在固化后如同鑲嵌在材料內部，靠機械錨固力將材料粘結在一起。對非極性多孔材料，機械粘結力常起主要作用。

（2）物理吸附力 膠粘劑和被粘材料靠分子間的物理吸附力產(chǎn)生粘結。

（3）化學鍵力 膠粘劑與材料間能發(fā)生化學反應，靠化學鍵力將材料粘結為一個整體。 不同的膠粘劑和被粘材料，粘附力的主要來源不同，當機械粘附力、物理吸附力和化學鍵力共同作用時，可獲得很高的粘結強度。

就實際應用而言，一般認為影響粘結強度的因素主要有：膠粘劑性質，被粘材料的性質，被粘材料的表面粗糙度，被粘材料的表面處理方法。膠粘劑對被粘材料表面的浸潤程度，被粘材料的表面含水狀況，粘結層厚度，粘結工藝等。

2.土木工程常用的膠粘劑

（1）結構膠粘劑

①環(huán)氧樹脂膠粘劑

環(huán)氧樹脂膠粘劑是當前應用最廣泛的膠粘劑，因環(huán)氧樹脂膠粘劑中含有環(huán)氧基、羥基、氨基和其他極性基團，對大部分材料有良好的粘結能力，有萬能膠之稱。其抗拉強度和抗剪切強度高，固化收縮率小，耐油和耐多種溶劑，耐潮濕．抗蠕變性好，是較好的結構膠粘劑。環(huán)氧樹脂膠粘劑根據(jù)固化劑類型的不同可室溫固化或高溫固化，固化時間有明顯的溫度依賴性。環(huán)氧樹脂膠粘劑在土木工程中的應用很多，主要用于裂縫修補、結構加固和表面防護等。

②不飽和聚酯樹脂膠粘劑

不飽和聚酯樹脂膠粘劑的特點是粘結強度高，抗老化性及耐熱性較好。可在室溫和常壓下固化，固化速度快，但固化時的收縮大，耐堿性較差，適于粘結陶瓷、玻璃、木材、混凝土和金屬結構構件。

（2）非結構膠粘劑

①聚醋酸乙烯膠粘劑

聚醋酸乙烯膠粘別是由醋酸乙烯單體聚合而成，俗稱白乳膠。其特性是使用方便、價格便宜、潤濕能力強，有較好的粘附力，適用于多種粘結工藝。但其耐熱性、對溶劑作用的穩(wěn)定性及耐水性較差，只能作為室溫下使用的非結構膠。

②聚氨酯膠粘劑

聚氨酯膠粘劑是分子鏈中含有異氰酸酯基(—NCO)及氨基甲酸酯基(—NH—COO—)，具有很強的極性和活潑性的一類粘合劑。其品種很多，有單組分和雙組分兩類。聚氨酯膠粘劑有良好的粘結強度，可用于金屬、玻璃、陶瓷、橡膠、塑料、織物、木材、紙張等各種材料的粘合；有良好的耐超低溫性能，而且粘結強度隨著溫度的降低而提高，是超低溫環(huán)境下理想的粘結材料和密封材料；具有良好的耐磨、耐油、耐溶劑、耐老化等性能；可通過調節(jié)分子鏈中軟段和硬段比例結構，制成滿足各種行業(yè)、各種性能要求的高性能粘合劑。但是，在高溫和高濕條件下，易水解，會降低粘結強度。

③氯丁橡膠膠粘劑

氯丁橡膠膠粘劑是以氯丁橡膠為主要組成。加入氧化鋅、氧化鎂、填料、抗老化劑和

抗氧化劑等制成，是目前應用最廣的一種橡膠型膠粘劑。氯丁橡膠膠粘劑對水、油、弱酸、弱堿、醇和脂肪烴有良好的抵抗力，可在-50～+80℃的溫度下工作，但是，徐變較大，且容易老化。

7.2.4土工合成材料

土工合成材料是以聚合物（如塑料、化纖、合成橡膠等）為原料制成的用于巖土工程的聚合物材料。按照需要，土工合成材料可置于土體內部、表層或各層土體之間，起加強或保護土體的作用。土工合成材料主要有土工織物類材料和超輕型填土材料。土工織物類合成材料的用途見表7—1。

土工纖維、土工布、化纖濾網(wǎng)、塑料網(wǎng)（格柵）、塑料膜等聚合物材料制成的布狀或網(wǎng)狀物，統(tǒng)稱為土工布或土工織物。其中，網(wǎng)格較大者，用硬纖維片或條編制而成，稱為土工墊或土工網(wǎng)；而網(wǎng)格更大者，通過塑料擠出成型的各種規(guī)格的格柵或用塑料板（帶）焊接成的各種格室，稱為土工格柵。在格室內充填砂、石或其他材料，用于沙漠、泥濘沼澤地區(qū)筑路、護坡等工程。

土工織物是一種多功能材料，主要功能有濾層作用、排水作用、隔離作用、加筋作用、防滲與防潮作用等。 表7—1 土工織物合成材料的用途

分 類

土工織物 用 途 排水、反濾、護坡等

加固墊層、坡、防護植草、排水通

道、濾層等

防沖刷、防流失、用于沙漠和沼澤

地筑路、護坡

防沖刷、防流失、用于沙漠和沼澤

地筑路、護坡

灌入混凝土或砂漿，用于護坡、地

基處理

裝入大塊石，用于截流、筑堤、防

流失

用于地下建筑的防水，堤圍的加筋

材料

用于堤壩、水庫、地下建筑游泳池

等的防滲漏

用作排水通道

用于軟基處理和排水加固

用于防止管涌、加筋、排水、增強

與土面間的摩擦力

用于路基、隧道、堤壩、結構的墻

后排水等

用于鐵路、公路、等的軟路基的填

土材料 材料類型 用合成纖維（如錦綸、腈綸等）制成 用塑料條、帶編織或壓制而成的網(wǎng)狀物 用塑料擠壓而成，呈網(wǎng)狀、蜂窩狀結構 用塑料板焊接而成 土工網(wǎng) 透水性的土工材料 土工格柵 土工格室 土工模袋 用合成纖維制成 土工袋 用合成纖維制成繩網(wǎng)、繩帶等 不透水性的土工材料 塑料膜 聚氯乙烯、聚丙烯等制成的膜 用紡織布或無紡布防水處理后制成 用聚氨酯制作的開孔型泡沫塑料 透水性土工織物與聚丙烯等塑料擠壓而成 透水的土工織物與聚丙烯等塑料擠壓而成 以無紡土工織物作芯材制成的塑料排水管 聚苯乙烯泡沫塑料 土工膜 多孔泡沫塑料板 塑料排水管 復合材料 復合土工膜 復合排水材料 EPS填土材料

本章小結

1. 聚合物是由千萬個原子彼此以共價鍵結合的大分子化合物，有加聚物和縮聚物兩大類。一般加聚物為線型高分子，均為熱塑性聚合物；而縮聚物部分是線型高分子，是熱塑性聚合物，而大部分為體型（網(wǎng)狀）高分子，屬熱固性聚合物。

2. 熱塑性聚合物具有受熱時軟化、遇冷時凝固的性質。通�？煞磸瓦M行加熱軟化、熔融和冷卻硬化，具有可再生重復使用的特性。而熱固性聚合物僅在第一次加熱（或加入固化劑前）時能發(fā)生軟比、熔融，并在此條件下產(chǎn)生化學交聯(lián)而固化，以后再加熱時再不會軟化或熔融，也不會被溶解。前者相對更加柔韌而后者更加硬脆。在強度、變形、耐熱、耐腐蝕、抗變形等方面，后者要優(yōu)于前者。但前者可以方便地進行熱塑性加工，通常價格低廉。

3. 合成高分子材料具有較小的密度、更高的比強度、更好的隔熱保溫性和耐腐蝕性，同時還具有良好的防水密封性、電絕緣性和減震消音性，與其他材料的復合性能也十分突出。但耐熱性能較差，防火、耐老化是這類材料在使用過程中應該重點考慮的問題。

4. 一般可將聚合物的老化分為聚合物分子的交聯(lián)與降解兩種。交聯(lián)是指聚合物的分子從線型結構變?yōu)轶w型結構的過程；降解是指聚合物的分子鏈發(fā)生斷裂，其分子量降低的過程。老化原因主要是熱老化和光老化。

5. 建筑塑料的基本組成為合成樹脂、填充料、增塑劑、固化劑、穩(wěn)定劑和其他添加劑。其中合成樹脂是決定塑料類型、性能和用途的根本因素。其他填充料及外加劑是為了改善塑料性能而加入的。

6. 常用的熱塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、ABS塑料和有機玻璃等；常用的熱固性塑料有酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、聚氨酯、環(huán)氧樹脂和有機硅樹脂等。

7. 涂料的基本組成包括：成膜物質、顏料、溶劑（分散介質）以及輔料（助劑）。成膜物質是涂料的關鍵成分。成膜物質分為兩大類，一類是轉化型（或反應型）成膜物質，另一類是非轉化型（或揮發(fā)型）成膜物質。建筑涂料常用樹脂有聚乙烯醇、聚乙烯醇縮甲醛、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、醋酸乙烯一丙烯酸酯共聚物（乙一丙乳液）、聚苯乙烯一丙烯酸酯共聚物（苯一丙乳液）、聚氨酯樹脂等。

8. 膠粘劑一般由基料和多種輔助成分組成。基料是膠粘劑的主要成分，起粘接作用，要求有良好的粘附性和潤濕性。合成樹脂、合成橡膠、天然高分子以及無機化合物等都可做基料。輔助成分主要包括固化劑、溶劑、增塑劑、填料、偶聯(lián)劑及其他外加劑。粘附機理主要是機械粘結力、物理吸附力和化學鍵力。

本章練習

1．聚合物有哪些特征，這些特征與聚合物的性質有何聯(lián)系?

2. 熱塑性樹脂與熱固性樹脂的主要不同點有哪些?

3 線型聚合物有哪幾種物理狀態(tài)?試述聚合物在不同物理狀態(tài)下的特點。

4．試述聚合物的老化原因和防止措施?

5．建筑塑料的基本組成有哪些?它們各起何作用？

6．膠粘劑的粘結力來源有哪些?建筑上常用的膠粘劑有那些？

7．建筑涂料的組成有哪些?它們各起何作用?建筑涂料有哪些種類?

8．試述纖維增強塑料的特點。

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