内容发布更新时间 : 2024/12/23 4:31:24星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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通常认为塑料是一种相对新的发展，但事实上作为 “聚合物”大家族的成员，它们是动植物生活的一个基本组成部分。聚合物是由象链一样非常长的分子组成的材料。象丝、虫胶、沥青、橡胶和纤维素之类的天然材料有这种类型的结构。然而，直到19世纪才尝试开发了一种合成聚合物材料，首次成功基于赛璐珞。这是一种叫做“硝化纤维素塑料”的材料，它的发明者是Alexander Parkes ,尽管不是一种开始的商业成功，最终导致了“赛璐珞”的发展。这种材料是一个重要的突破因为它成为了供应短缺的天然材料的良好替代品。

During the early twentieth century there was considerable interest in these new synthetic materials. Phenol-formaldehyde (“bakelite”) was introduced in 1905 and about the time of the second World War materials such as nylon, polyethylene and acrylic (“Perspex”) appeared on the scene. Unfortunately many of the early applications for plastics earned them a reputation as being cheap substitutes. It has taken them a long time to overcome this image but nowadays the special properties of plastics are being appreciated which is establishing them as important materials in their own right. The ever increasing use of plastics in all kinds of applications means that it is essential for designers and engineers to become familiar with the range of plastics available and the types of performance characteristics to be expected so that they can be used to the best advantage. 二十世纪初，人们十分关注这些新合成材料。酚醛树脂（“电木粉”）于1905年问世，大约在第二次世界大战期间象尼龙、聚乙烯和丙烯酸类（“有机玻璃”）的材料相继出现。可惜塑料的许多早期应用带来的是廉价代用品的名声。这种印象花费了长久的时间才被消除，但如今，塑料的特性正在被人们认识到，而塑料也正在确立它们作为重要材料的地位。塑料在各种应用中的用途不断增加，这意味着对于设计师和工程师来说，通晓塑料应用的范围和预期的性能特征是十分必要的，以致能以最好的方式利用它们。

The words “polymers” and “plastics” are often taken as synonymous but in fact there is a distinction. The polymer is the pure material which results form the process of polymerisation and is usually taken as the family name for materials which have long chain-like molecules and this includes rubber. Pure polymers are seldom used on their own and it is when additives are present that the term plastic is applied. Polymers contain additives for a number of reasons. In some cases impurities are present as a result of the polymerisation additives such as stabilisers, lubricants, fillers, pigments, etc., are added to enhance the properties of the material.

单词“聚合物”和“塑料”通常被看作是同义的，但事实上是有区别的。聚合物是缘于聚合反应过程的纯物质，常常被看作具有长链分子材料的系列名称，这也包括橡胶。纯的聚合物很少独自使用，当存在添加剂时它适用于专有名词塑料。由许多原因聚合物含有添加剂。在某些情况下作为聚合反应的结果存在杂质，去除这些杂质以获得纯的聚合物可能是不经济的。在其它情况下，添加象稳定剂、润滑剂、填充剂、颜料等之类的添加剂，以增强材料的性能。

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There are two important classes of plastics: 有两种重要类别的塑料： Thermoplastic materials. In a thermoplastic material the long chain-like molecules are held together by relatively weak Van der Waals forces. A useful image of the structure is a mass of randomly distributed long strands of sticky wool. When the material is heated the intermolecular forces are weakened so that is becomes soft and flexible and eventually, at high temperatures, it is a viscous melt. When the material is allowed to cool it solidifies again. This cycle of softening by heat and solidifying when cooled can be repeated more or less indefinitely and is a definite advantage in that it is the basis of most processing methods for these materials. It does have its drawbacks, however, because it means that the properties of thermoplastics are heat sensitive. A useful analogy which is often used to describe these materials is that like candle wax they can be repeatedly softened by heat and will solidify when cooled.

热塑性材料。在热塑性材料中象长链一样的分子间力是相对较弱的范德华力。对于结构一个有效的比喻是一大团自由分布的粘性纤维长线。当材料被加热时，内部的分子作用力变弱，以致变得柔软和柔韧，最终在高温下，成为粘性熔融体。当材料被冷却时再次固化。加热软化、冷却固化大体上能反复多次地循环，对于材料这是一个明显的优点，也是许多加工方法的基础。然而，热塑性材料的确有其缺点，因为这意味着热塑性塑料的特性是热敏的。常常用于描述这些材料的有效比拟是象烛蜡加热能够反复软化而当冷却时又将固化。

Examples of thermoplastics are polyethylene, polyvinyl chloride, polystyrene, nylon, cellulose acetate, acetal, polycarbonate, polymethyl methacrylate and polypropylene.

热塑性塑料的例子是聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、醋酸纤维素、聚甲醛、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯。

Thermosetting materials. A thermosetting material is produced by a chemical reaction which has two stages. The first stage results in the formation of long chain-like molecules similar to those present in thermoplastics, but still capable of further reaction. The second stage of the reaction takes place during moulding, usually under the application of heat and pressure. The resultant moulding will be rigid when cooled but a close network structure has been set up within the material. During the second stage the long molecular chains have been interlinked by strong bonds so that the material cannot be softened again by the application of heat. If excess heat is applied to these materials they will char and degrade. This type of behaviour is analogous to boiling an egg. Once the egg has cooled and is hard, it cannot be softened again by the application of heat.

热固性材料。热固性材料是通过两步化学反应生产而来的。第一步形成类似于存在于热塑性塑料中象长链一样的分子形式，但还能够进一步反应。第二步反应在模塑时发生，通常

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在加热加压条件下进行。当冷却时最终的模塑将是刚硬的，但在材料中建立了封闭的网状结构。在第二步反应中长分子链通过强键相互连接，所以材料加热不再软化。如果将这些材料超高温加热将炭化并分解。这种行为类似于煮熟的鸡蛋。一旦鸡蛋冷却则变硬，加热不能再次软化。 Since the cross-linking of the molecules is by strong chemical bonds thermosetting materials are characteristically quite rigid materials and their mechanical properties are not heat sensitive. Examples of thermosets are phenol formaldehyed, melamine formaldehyde, urea formaldehyde, epoxies and some polyesters.

因为由强化学键交链的热固性塑料十分刚硬，它们的机理性能不是热敏的。热固性塑料的例子是酚醛树脂、胺醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂和一些聚酯。 UNIT 30 合成橡胶

通过聚合反应生产合成橡胶的最早记录说明指的是异戊二烯（2-甲基-1,3-丁二烯），一种与天然橡胶分子内重复单元密切相关的物质。威廉斯可以说是在这方面取得成果的第一人，他在隔绝空气的条件下从干馏天然橡胶所得到的产物中分离了这种化合物，并且证实这种化学物质在空气总会变成黏稠状的。此外，当这种黏稠液体被加热时，它被发现转变成一种海绵状的胶态物质。Bouchardat和Tilden发现了用盐酸处理后的异戊二烯可以转化成胶态固体。1910年制造合成橡胶的第一个专利给了Matthews和Strange，因为他们用金属钠异戊二烯来合成橡胶。

一战期间，在德国人们对用二甲基丁二烯生产合成橡胶显示了相当大的兴趣。由于英国人的封锁中断了天然橡胶的供应，因此寻找一种可替代的材料是必要的。通过二甲基丁二烯聚合反应得到的产物被称作“甲基橡胶”。二十世纪二十年代后期，研究的兴趣由二甲基丁二烯转移到1,3-丁二烯作为单体，因为后者可以更令人满意的橡胶且1,3-丁二烯比异戊二烯更容易获得。使用金属钠作为催化剂来进行聚合反应。丁钠橡胶这个词作为德国在那时及其以后生产的合成橡胶的通用名称就是源于这一事实。

在一战随后的几年美国发生了两大重要进展。第一件是丁二烯作为单体的使用。第二件是把单体转化成合成橡胶过程的乳液聚合技术的引入。直到目前，乳液聚合已经是用于从单体中合成橡胶的主要过程了。在特种合成橡胶发展中，最重大的早期事件是1931年杜邦公司的公告，其公告内容是他们成功发展了一种叫“氯丁橡胶”的新型合成橡胶。这种合成橡胶由2-氯-1,3-丁二烯聚合生成，通常称之为“氯丁二烯”。正是氯原子在橡胶分子每个重复单元中的存在赋予了它的产品特性，如适中的耐烃油溶胀性、耐热老化性及耐臭氧老化性。在二十世纪三十年代初期附近人们还开发了聚硫橡胶。

在德国二十世纪三十年代初期研究了丁二烯与苯乙烯、丁二烯与丙烯腈的共聚物。发现苯乙烯与丁二烯的乳液聚合共聚物机械性能要优于丁二烯共聚物。丙烯腈和丁二烯共聚物被发现有令人关注的耐油特性。由丁二烯、苯乙烯获得的橡胶被定名为“丁苯橡胶”，由丁二烯、丙烯腈获得的橡胶被定名为“丁腈橡胶”。

二战期间合成橡胶制造的杰出进展无疑是乳液聚合的丁苯橡胶。这一进展在德国和美国都有发生。另一个重要的合成橡胶进展也必须要提及。这涉及所谓的丁基橡胶，它是异丁烯和少量异戊二烯的共聚物。这种橡胶是阳离子聚合产生的。丁基橡胶于1940年首次公布。它有相对低的透气性，且展示出良好的抗臭氧龟裂性和老化脆裂性。

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自二战结束，乳液聚合丁苯橡胶的开发取得了一系列重要进展。在这些进展当中，首个重要发现是乳液聚合反应具有能在迄今为止（50℃）采用在更低的温度（5℃）下进行的优势。这个反应需要特殊反应类型的聚合引发剂。也许在通用合成橡胶中最令人激动的进展是有规立构聚异戊二烯——“合成天然”橡胶。1956年，两种披露的方法是异戊二烯的聚合，本质上是顺式-1,3-聚异戊二烯。两个方法中的一个聚合是通过金属锂或烷基锂来引发的。这种反应是阴离子聚合。第二种方法是使用齐格勒-纳塔类引发剂，也就是说是一种由有机金属化合物同过渡金属化合物反应形成的络合物。此外，被用作通用合成橡胶的乙烯-丙烯共聚物的开发是合成橡胶发展史中的另一个重要里程碑。

一般综述中还有三个其他的进展要提到。第一个涉及的是往往被称作“热塑性橡胶”的材料。一个重要的商业类型是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。第二个进展是粉末橡胶。这些橡胶是以非常细微的粉末形式来有助于橡胶同其他配料混合。第三个进展是液体橡胶。有足够流动性的高黏性液体被浇铸到模具中，并随后硫化得到固体弹性材料。 UNIT 31 成纤聚合物的结构

织物纤维是通过物理性能和特有的几何尺寸区别于其它聚合物的固体有机聚合物。织物纤维的物理性能，实际是所有材料的物理性能都反映出了分子结构及分子间的结构。一些聚合物的成纤能力要归因于不同结构层次中几种结构的特征，而不是任何一个特定的分子特性。

在分子结构的三个层次中描述了纤维的结构，每个层次都与纤维行为、性能的某些方面有关。首要的结构层次是被定义为聚合物重复单元中化学组成及分子结构的有机化学，以及聚合物链的性质。分子结构的基本层次与化学性能、可染性、吸湿性、溶胀特性有直接关系，与所有的物理性能有间接关系。大分子的结构层次描绘了链长、长度分布、刚性和分子的尺寸、形状。超分子结构是聚合物链在三维空间中的一种排布。纤维的物理性能受聚合物链形成晶区和非晶区以及这些区域相对彼此布置的强烈影响。纤维、微纤这种形态是相当复杂的，且类似的亚基通常被基体材料包围在一个复合结构中。

在纺织应用中有用的所有聚合物纤维是半结晶的、不可逆取向的聚合物，也就是说聚合物链是部分有序的形成具有近乎完美记录的区域，在这个区域之内符合X射线衍射规律。在纤维的其他区域，分子链或链段不是完全有序的且接近无规线团结构。这是一个对半结晶聚合物结构结晶无定形两相模型的简单叙述，这种模型被用来描绘纤维结构、解释纤维性能的。

此外，许多其它模型把纤维描绘成一种具有高度三维规整结构的高分子物质，并引出了结晶度的概念，即在部分结晶聚合物材料中结晶区所占的比例。

至少部分结晶性的要求限制了使用与纤维形成的聚合物数量。在很大程度上，成纤聚合物实际上可结晶聚合物。聚合物的一些结构特征如规整性、链取向、单链构象、刚性，允许聚合物在适当条件下结晶。

非晶态区域也值得重视。许多重要的纤维性能是与非晶态或无定型区域直接相关联的。如这些区域中染料、水分及渗透剂的吸收。这些渗透剂是不会分散到晶区的，尽管微晶表面吸附已被假定。纤维的延展性和弹性也与非晶区直接相关。

纤维结构是一种双重的或平衡的结构。完全的非晶态结构及完美的结晶结构都不会提供纤维中所需物理性能的平衡。纤维的成型加工为的是在结构和性能中提供一种最佳平衡。

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UNIT 32 胶粘剂与被粘物的匹配

当两种材料相结合时，形成的复合物至少有5个基本要素：被粘物1/界面/粘合剂/界面/被粘物2。如果它们的结合要持续下去，那么粘合剂与被粘物必须是相容的。

粘合点的强度会是它的最弱组分的强度。如果一种被粘物是纸张，那么过度的应力通常会导致“纸张撕裂”。然而如果有强度较高的基底，这种破坏将发生在界面处的粘合剂或与胶的粘合处。如果被粘物表面已经被适当的处理过、粘合剂润湿了被粘物且这个粘合剂在某些方面是合适的，那么破坏将不会在界面发生。换句话说，胶与基底的粘合力应比胶层间的粘合力更大。如果粘合剂和被粘物的结合造成自由能降低且粘合剂凝固时没有产生过量的应变，这种情况就会发生。

让我们来先考虑下后者的要求。当粘合剂硬化时，它通常会收缩（无机水泥是个例外）。聚合反应，溶剂的消耗，甚至是热溶体冷却都有可能导致胶层收缩。诱导粘合剂从基底拔离的应变会产生。此外，当粘合点翘曲时，应变也会产生。各种补救措施可以减少由这些原因造成的破坏。

（1）选择低收缩率的树脂，如环氧树脂，而不是不饱和聚酯。

（2）选择刚性比被粘物低的粘合剂；否则翘曲会引起胶层中的应力集中。（然而，粘合剂中过度的柔顺性会伴随低粘结强度）。

（3）如果应力主要是张应力，那么就要使胶层尽可能的薄，与被粘物的平整度一致。但是多孔的被黏物需要使用充足的粘合剂来避免“饥饿的胶层”。如果粘合点要遭受到相当大的剪切应力，胶层就应该多少厚点儿。 （4）吸收一些惰性的且更好的无机填料。

（5）在对不渗透基底施加粘合剂之后，与第二个不渗透基底粘结之前，需要蒸发掉水或溶剂。

现在转过来考虑自由能的要求，让我们考察下可能存在于粘合剂与被粘物间的键的类型。这些化学键可能是主价键或者是次价键。 主价键包括离子键、共价键和金属键。离子键或极性键可能是蛋白质粘合剂中的一个因素。共价键或非极性键可能在玻璃纤维涂饰处理中起到一个作用。金属键是由熔焊、低温焊接及钎焊形成的。用于这些目的的无机材料基本上是高温、热塑性粘合剂，但是这部分超出了本篇文章的范围。

迄今为止粘合键中最重要的是能够在分子间产生吸引力的次价键或范德瓦尔斯键。他们中最重要的是伦敦力或色散力。非极性聚合物如聚乙烯、天然橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶，基本上所有的摩尔内聚力都由伦敦力或色散力产生。这些力在近似0.4纳米的距离内起作用，并以原子间距离的6次方迅速衰减。因此，分子必须很靠近伦敦力才能够奏效。这有助于解释为什么一个非常柔顺的分子（如天然橡胶）是更好地粘合剂比起一个适中柔顺的分子（如聚苯乙烯）。低模量有利于粘合，这种低模量表明了允许粘合剂适应被粘物的亚分子的自由旋转。

永久偶极子间的相互作用产生了强健，尤其是如果阳极偶极子是氢原子的时候。具有>N-H···O=C<特点的氢键解释了各种粘合剂（如淀粉糊精、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩醛、醋酸纤维素、酚醛树脂、环氧树脂）极性基底的卓越成就。这些粘合剂中都含有酚羟基或脂肪族羟基。在许多乙烯基型聚合物中混入少量的羧基基团，会更有助于粘合。在被粘物

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中，利用氢键粘合的有木材、纸张、皮革、玻璃及金属。

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