文档介绍：高材 0801 鲁潇
如何提高高分子的耐热性能
温度的升高, 给人最直观的影响就是能使高分子变软。然而对于塑料, 如果其变软变形,
就会导致其应有的机械性能丧失, 失去使用价值。 对于橡胶, 我们就是利用的它处于软化温
度之上的性质。 但是温度升高, 会使它变黏性能变差。温度的升高还带来一种影响,那就是
加入老化(热氧老化) ,这样会极大地减断高分子的使用寿命。
要提高高分子材料的耐热性能就要防止或减缓上面两种变化。变软变形是物理变化, 老
化是化学变化。
一,先探讨软化和变形,这好像只是是材料发生了物理变化。
软化的本质是分子内运动单元(链段)无规热运动超过了分子间内聚作用。
升高为什么使链段无规热运动超过了分子间内聚作用?因为温度升高链段无规热运动加
剧,分子间距离增大,导致分子间作用变弱。
所以任何材料都是分子间作用和链段无规热运动矛盾的统一体。耐热性就是衡量这一矛盾
统一体的平衡值, 实验测试在指定的外部加载条件下, 材料达到一定变形时的温度。所以增
加高分子链段无规热运动的难度,就提高了高分子材料的耐热性能。
1 ,先从高分子材料本身入手。
分子间作用越强、无规热运动链段越大(链的刚性越大),就需要更高的无规热运动程度
(温度表示无规热运动的程度) 来平衡, 耐热性也就越高。 分子间作用是由分子间作用力种
类和分子间距离二者共同决定的,链的刚性则是由分子内旋转的难易程度决定的。
a, 分子间作用力的强弱依次为氢键、偶极、 非极性范德华等项作用。如尼龙有分子间氢键,
从而具有较高的机械强度和耐热性; 再有聚氰基乙烯, 与聚氯乙烯相比更耐热, 是因为氰基
的极性比氯要大。
b, 分子间距离主要决定于分子的三维堆积密度, 分子越规整、 对称性越强 (越有利于结晶) ,
分子堆积密度就越高。晶区内分子紧密的排列,缩小了分子间距离,加大了分子间作用力。
比起非晶材料, 结晶的高分子无规热运动要多克服一个晶区的束缚。晶区对于同种类的分子,
结晶的晶相密度总是高于非晶相密度, 这就是结晶有利于耐热性提高的原因。比如聚乙烯的
耐热性能比聚氯乙烯好,而高密度聚乙烯的耐热性能又比低密度聚乙烯好。
c, 分子主链上引入芳香基团,链刚性增大,使无规热运动链段增大,需要更高的温度链段
才能运动 (这也是对称的硬链段优先结晶的原因) ,这就是芳香基团的引入有利于耐热性提
高的原因。如聚苯醚具有较高的使用温度。
总之分子间作用力越强、分子间距离越小, 分子链刚性越大, 所需平衡的无规热运动程度
(温度)就越高,耐热性就越好。依此推论,耐热性最好的热塑性材料,应为分子主链是全
芳香(大刚性)、分子间作用力为尽量多的氢键(强作用力)、分子主链无任何取代基(高
对称) 的材料, 最接近的材料是全芳香聚杂环、全芳香聚酰亚胺、全芳香聚酰胺等高耐热性
聚合物材料。
2 ,通过加入其它材料的来提高其耐热性能。
当然也可以通过借助其它材料的耐热性能或借助其它材料提高高分子材料的耐热性能。
无机填料本身的模量从而热变形温度比聚合物大很多; 无机填料长径比越大增刚效应就越
显著,热变形温度的提高也越大。这就是为什么在同样加量下, 棒状、片状的无机填料增刚,
从而热变形温度的提高幅度总是大于