第8章土工聚合物

第8章工程聚合物

廣西工學(xué)院土木工程系本章主要內(nèi)容與目的：

介紹聚合物基本概念和常用的工程聚合物種類，在此基礎(chǔ)上介紹聚合物在公路工程中的應(yīng)用。

計(jì)劃課時(shí)與上課手段：以課堂講授為主。

廣西工學(xué)院土木工程系第一節(jié)聚合物的基本概念

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所謂聚合物是通過(guò)聚合的方式將成千上萬(wàn)的小分子連接而成的一類物質(zhì)，由于這類物質(zhì)聚合成的分子量很大，所以又稱為高分子或高聚物。第一節(jié)聚合物的基本概念一、聚合物定義及命名1．聚合物定義廣西工學(xué)院土木工程系

聚合物可分成天然和合成兩大類型。如自然界有淀粉、蛋白質(zhì)、纖維和橡膠等聚合物，但工程中所使用的聚合物往往是指人工合成的聚合物，常見的有聚乙烯、聚苯乙烯、丁苯橡膠等。

廣西工學(xué)院土木工程系盡管聚合物的分子量很大，但其化學(xué)結(jié)構(gòu)卻比較簡(jiǎn)單，大多是由一種或幾種小分子物質(zhì)聚合而成，所以聚合物分子結(jié)構(gòu)是這小分子物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重復(fù)組合。如常見的日用工程塑料聚氯乙烯是由單個(gè)氯乙烯分子聚合在一起形成。廣西工學(xué)院土木工程系這里可以看出，聚合物的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是小分子結(jié)構(gòu)的多次重復(fù)組合，將構(gòu)成聚合物結(jié)構(gòu)重復(fù)組合單元的小分子稱為單體，眾多單體聚合形成的每一個(gè)聚合物分子就是一個(gè)高分子鏈，每個(gè)分子鏈的最小機(jī)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)，而將鏈節(jié)的數(shù)目稱為聚合度，用n表示。顯然，當(dāng)知道某一聚合物的聚合度，則很容易由構(gòu)成聚合物單體物質(zhì)的分子量，計(jì)算出該聚合物的分子量來(lái)。廣西工學(xué)院土木工程系

如聚合物由一種單體聚合而成，在構(gòu)成聚合物的單體前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯等；

如聚合物由兩種或兩種以上單體聚合而成，則將單體名稱的縮寫放在前面，在其后根據(jù)用途加上“樹脂”、“橡膠”等名稱。如酚醛樹脂（由苯酚和甲醛聚合而成）、丁苯橡膠（由丁二烯和苯乙烯聚合而成）。2．聚合物材料的命名（1）根據(jù)單體名稱命名：廣西工學(xué)院土木工程系

在很多情況下，聚合物常常采用習(xí)慣的方式或采用商品名稱進(jìn)行命名，如由己二酸類和己二胺聚合成的己二酰己二胺，常習(xí)慣稱作聚酰胺66，或采用商品名稱——尼龍66。另外類似的還有有機(jī)玻璃、環(huán)氧樹脂等。

另外，為簡(jiǎn)化起見，聚合物在使用或文獻(xiàn)中常采用英文縮寫字母來(lái)表示，如聚乙烯表示為PE、聚氯乙稀表示為PVC等。（2）習(xí)慣命名和商品命名：廣西工學(xué)院土木工程系

（1）加聚反應(yīng)：由帶有雙鍵的不飽和小分子物質(zhì)通過(guò)加成反應(yīng)合成聚合物，其中根據(jù)聚合時(shí)的參與反應(yīng)的單體數(shù)目又分為均聚和共聚兩種。

二、聚合物的合成與結(jié)構(gòu)

1．聚合物合成反應(yīng)

廣西工學(xué)院土木工程系均聚合反應(yīng)——由一種單體進(jìn)行聚合的過(guò)程，如由乙烯的均聚合過(guò)程得到聚乙烯：

廣西工學(xué)院土木工程系共聚合反應(yīng)——由兩種或兩種以上單體共同聚合的過(guò)程，如由丁二烯和苯乙烯共聚合得到的嵌段聚合物，簡(jiǎn)稱為SBS，是一種熱塑性橡膠，其結(jié)構(gòu)式如下：

廣西工學(xué)院土木工程系2）縮聚反應(yīng)：由帶有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的單體物質(zhì)，通過(guò)自身或相互之間反復(fù)縮合反應(yīng)生成聚合物，同時(shí)還析出諸如水、氨、醇、氯化氫等低分子副產(chǎn)物。過(guò)程如下列方程所示。廣西工學(xué)院土木工程系：

聚合物具有一些特殊的性質(zhì)，如高彈性、較好的耐候性以及良好的變形性等，之所以具有這些特性，關(guān)鍵在于聚合物具有特殊的結(jié)構(gòu)特征。2．聚合物結(jié)構(gòu)特征

廣西工學(xué)院土木工程系聚合物在合成過(guò)程中，除了形成一維的線型鏈之外，在一定條件下還可形成帶有支鏈的結(jié)構(gòu)，甚至還能在鏈與鏈之間通過(guò)交聯(lián)形成三維的立體型結(jié)構(gòu)。對(duì)于線型或支鏈型聚合物，具有可塑化、熔融的特點(diǎn)，并能溶解于適當(dāng)?shù)娜軇?；但體型的聚合物就無(wú)法溶解，也不能熔融。所以前者呈現(xiàn)出較低的硬度、熔點(diǎn)及抗拉強(qiáng)度，但斷裂伸長(zhǎng)率較高；而后者具有較高剛性和良好的尺寸穩(wěn)定性。

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由于聚合物的分子鏈很長(zhǎng)，通常長(zhǎng)鏈呈現(xiàn)卷曲狀，在外力作用下分子鏈伸展開來(lái)，外力停止又重新收縮恢復(fù)卷曲狀，從而表現(xiàn)出極好的彈性特點(diǎn)。同時(shí)在較長(zhǎng)的分子鏈之間通過(guò)分子間力相互影響，相互作用，可抵御較大的拉力作用。所以在受拉時(shí)，即使是分子鏈被拉斷，聚合物的分子鏈也難以滑脫。廣西工學(xué)院土木工程系與小分子等其他物質(zhì)不同，高聚物可以呈現(xiàn)三種不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。廣西工學(xué)院土木工程系在溫度較低時(shí)，聚合物分子鏈之間的作用力很大，分子鏈只能在原有的位置上振動(dòng)，受到外力時(shí)只能發(fā)生瞬時(shí)的微小形變，外力卸除形變立即恢復(fù)，這種狀態(tài)就是玻璃態(tài)。當(dāng)溫度升高時(shí)，高分子鏈有了較大的活動(dòng)能力，分子鏈變得柔軟可以旋轉(zhuǎn)，在外力作用下可以產(chǎn)生較大變形，外力卸除后會(huì)逐漸恢復(fù)原狀，呈現(xiàn)顯著的彈性特點(diǎn)，此時(shí)的狀態(tài)稱為高彈態(tài)。隨溫度進(jìn)一步的升高，聚合物分子鏈達(dá)到可以相互滑動(dòng)、整體遷移的狀態(tài)，受力時(shí)極易變形，外力卸除后形變無(wú)法恢復(fù)，此時(shí)稱為粘流態(tài)。

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在三種狀態(tài)變換過(guò)程中，存在兩種溫度，一是從玻璃態(tài)到高彈態(tài)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，簡(jiǎn)稱玻璃化溫度，另一個(gè)是從高彈態(tài)到粘流態(tài)的粘流溫度。顯然常溫下，處于玻璃態(tài)的聚合物適宜作塑料或纖維使用，處于高彈態(tài)的聚合物適宜作橡膠使用，而利用聚合物的粘流狀態(tài)易于生產(chǎn)加工。廣西工學(xué)院土木工程系

所以，用作塑料和纖維的聚合物，希望其玻璃化溫度要高一些，以保證在較寬的溫度范圍里使這兩種材料具有良好的變形穩(wěn)定性；而對(duì)于橡膠材料，卻希望其玻璃化溫度越低越好，這樣可在嚴(yán)寒條件下，可保持高彈態(tài)而具有優(yōu)良的彈性。

廣西工學(xué)院土木工程系第二節(jié)常用的工程聚合物材料

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工程聚合物材料是以聚合物為主要原料加工而成的塑料、合成橡膠、合成纖維和膠結(jié)劑等，也被稱為高分子建材。廣西工學(xué)院土木工程系

塑料是以合成樹脂為主要原料，加入填充劑、增塑劑、潤(rùn)滑劑、顏料等添加劑，在一定溫度和壓力下制成的一種有機(jī)高分子材料。塑料是多功能材料，可以通過(guò)調(diào)整配合比參數(shù)及工藝條件制得不同性有的材料，具有較高的比強(qiáng)度和優(yōu)良的加工性能，因此在土建工程中也得到廣泛的應(yīng)用。

一、塑料

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合成橡膠是由石油、天然氣、煤、石灰石以及糧食等原料經(jīng)加工而取得的。常用原料如甲烷、丙烷、乙烯、丁烯、戊烯、苯和甲苯以及乙炔等。這些原料與水作用或脫水反應(yīng)就可成丁二烯，而丁二烯是很多合成橡膠的單體原料。

二、合成橡膠

廣西工學(xué)院土木工程系合成橡膠的特征是在較小的外力作用下，能產(chǎn)生大的變形，外力去除后能迅速恢復(fù)原狀，具有良好的伸縮性、儲(chǔ)能能力和耐磨、隔聲、絕緣等性能，是應(yīng)用廣泛的材料。

廣西工學(xué)院土木工程系生膠原料有天然橡膠和合成橡膠二大類，而天然橡膠遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，而石化工業(yè)的迅速發(fā)展可生產(chǎn)大量的合成橡膠原料，因此人工合成橡膠是主要原料來(lái)源，所制成的橡膠制品的性能因單體和制造工藝的不同而異，某些性能（如耐油、耐熱、耐磨等）甚至較天然橡膠為優(yōu)。

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合成纖維是以有機(jī)高分子聚合物為原料，經(jīng)熔融或溶解后紡制成的纖維，如聚酰胺、聚酯纖維等，與纖維素纖維和蛋白質(zhì)纖維等人造纖維一樣均屬于有機(jī)化學(xué)纖維。而玻璃纖維、陶瓷纖維等則屬于無(wú)機(jī)化學(xué)纖維，自然界還有石棉等無(wú)機(jī)天然纖維及動(dòng)植物纖維等有機(jī)天然纖維。三、合成纖維廣西工學(xué)院土木工程系第三節(jié)聚合物在道路工程中的應(yīng)用

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隨著路用性能要求的不斷提高，對(duì)常用的筑路材料也有了更高的要求。在公路建設(shè)過(guò)程中使用聚合物或利用聚合物材料對(duì)現(xiàn)有路用材料進(jìn)行改性，是滿足這種需要的一個(gè)有效方法。廣西工學(xué)院土木工程系

由于道路石油瀝青自身的原因，使得其在高溫抗變形能力、低溫的抗開裂性、與集料的粘附性和抗老化性上存在明顯的不足。在瀝青中摻入聚合物，利用聚合物特有性能對(duì)瀝青改性，可以有效地提高瀝青路用性能。

一、聚合物改性瀝青廣西工學(xué)院土木工程系

目前常用的聚合物改性瀝青類型有熱塑彈性體改性瀝青、橡膠類改性瀝青和熱塑性樹脂改性瀝青等，其中以采用SBS熱塑彈性體聚合物進(jìn)行瀝青改性效果最為顯著。

廣西工學(xué)院土木工程系SBS是以丁二烯1,3和苯乙烯為單體，采用共聚合的方式制成的線型或星型嵌段聚合物，即每個(gè)聚合物分子鏈在中間部位是柔性的丁二烯段，該段的兩端是剛性的苯乙烯段。其中星型SBS是丁二烯鏈段通過(guò)偶聯(lián)方式在中心部位連接起來(lái)，形成類似放射形的星型結(jié)構(gòu)。廣西工學(xué)院土木工程系無(wú)論是線型還是星型的SBS，其中聚苯乙烯鏈段（S）在兩端，分別聚集在一起，形成物理交聯(lián)區(qū)域，即所謂的硬段約束區(qū)；而聚丁二烯鏈段（B）則形成軟段，即連續(xù)相高彈區(qū)。

廣西工學(xué)院土木工程系SBS硬段作為分散相分布在連續(xù)相聚丁二烯之間，起著物理交聯(lián)點(diǎn)固定鏈段和聚丁二烯補(bǔ)強(qiáng)作用。在SBS結(jié)構(gòu)中，硬段的聚苯乙烯端賦予材料足夠的強(qiáng)度，中間的嵌段聚丁二烯又使聚合物具有特別好的彈性。正是SBS這種結(jié)構(gòu)，使其具有兩個(gè)玻璃化溫度，Tg1為-80℃（聚丁二烯段），Tg2為80℃（聚苯乙烯段）。廣西工學(xué)院土木工程系所以，將SBS加入到瀝青充分混合時(shí)，依靠SBS的特殊結(jié)構(gòu)和特性，一方面在夏季相對(duì)較高的環(huán)境里，由于環(huán)境溫度仍在Tg2之下，依靠硬段聚苯乙烯，使瀝青保持較高的抗變形能力，抵御高溫車轍的形成；另一方面在冬季低溫環(huán)境下，又依靠柔性段很低的Tg1，使瀝青材料仍具有較好的低溫柔性，防止瀝青材料的開裂，從而使瀝青材料在高溫和低溫時(shí)，性能都得到顯著的改善。廣西工學(xué)院土木工程系

聚合物混凝土是在普通水泥混凝土技術(shù)中結(jié)合聚合物材料的應(yīng)用，從而改善原水泥混凝土技術(shù)性能的一種新型材料。其中根據(jù)混凝土和聚合物兩種材料相互間的結(jié)合方式不同，將這種新材料可分為：二、聚合物混凝土廣西工學(xué)院土木工程系1．聚合物浸漬混凝土——它是將硬化的混凝土加熱、干燥、抽取孔隙中的空氣，以有機(jī)單體（如甲基丙稀酸甲脂、丙稀腈等）浸漬，然后用加熱或輻射等方法使孔隙中的單體聚合而成。具有高強(qiáng)、耐蝕、抗?jié)B、耐磨等優(yōu)良性能。廣西工學(xué)院土木工程系2．聚合物水泥混凝土——是在拌和混凝土?xí)r摻如聚合物（如聚丙烯酸、乳膠等）或單體（如丙稀腈、苯乙烯等），通過(guò)聚合物與水泥水化產(chǎn)物相互穿透包裹，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而改善混凝土的性能，具有粘結(jié)性能好，抗拉強(qiáng)度高、耐久性、耐磨性和耐蝕性高的特點(diǎn)。主要用于機(jī)場(chǎng)跑道、混凝土路面或橋梁面層等構(gòu)造物。

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3．聚合物膠結(jié)混凝