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有机高分子材料的表面处理技术与加工性能立项报告

   第一节 有机高分子材料的定义
 
   有机高分子材料又称聚合物或高聚物。一类由一种或几种分子或分子团(结构单元或单体)以共价键结合成具有多个重复单体单元的大分子,其分子量高达104~106。它们可以是天然产物如纤维、蛋白质和天然橡胶等,也可以是用合成方法制得的,如合成橡胶、合成树脂、合成纤维等非生物高聚物等。聚合物的特点是种类多、密度小(仅为钢铁的1/7~1/8),比强度大,电绝缘性、耐腐蚀性好,加工容易,可满足多种特种用途的要求,包括塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂等领域,可部分取代金属、非金属材料。(立项报告)
 
 
   第二节 有机高分子材料的分类 
 
   随着化工行业的发展,我国许多领域对有机高分子材料的需求也越来越高,为了明确不同种类有机高分子材料的性质,人们对有机高分子材料进行了科学的分类。首先,根据有机高分子材料的来源分类可以将其分为三种类型,一是天然高分子化合物、二是合成高分子化合物、三是半合成高分子化合物;其次,按照合成反应特点分类可以将有机高分子材料分为聚合物、缩合物、一级开环聚合物等;最后根据理化性质和用途可以有机高分子材料分为塑料、橡胶、纤维等。 
 
   第三节 有机高分子材料的表面处理技术
 
   1、难粘高分子材料的表面处理技术 
 
   (1)化学试剂处理法。化学试剂处理法是以往对难粘高分子材料进行表面预处理的常用方法,在这里值得注意的是化学试剂处理法只是难粘高分子材料化学处理方法的一个总称,具体来说该方法还可以分为硫酸法、过硫酸法、自磷法、高锰酸钾法等。对于化学试剂处理法来说,它主要是用于将难粘高分子材料表面进行氧化以及导入羧基、乙炔基、羟基等基团。其主要目的是为了破坏难粘高分子材料的薄弱界面层从而增加难粘高分子材料表面的粗糙度,从而改善其粘附性。而对于化学试剂处理法来说,影响其处理效果的因素主要分为四个方面:一是化学试剂的配方、二是表面处理的时间、三是进行处理时的温度、四是被处理材料的种类。总的来说,运用该法对难粘高分子材料进行处理能够得到较好的处理结果,同时还具有不需要使用特殊设备的优点。但由于该法在处理过程中容易导致制品着色、处理时间较长,以及污染严重等缺陷在目前的难粘高分子材料处理过程中已经逐渐被人们所遗弃。

   (2)气体热氧化法。通常情况下,难粘高分子材料可以通过空气、氧气、臭氧地等气体进行氧化,从而改善其粘附性。一般来说,在实际的气体氧化处理中,人们都会选择臭氧对难粘高分子材料进行表面氧化处理。其主要原因在于利用臭氧对难粘高分子材料进行表面处理不会受到抗氧剂的影响,从而有利于提高氧化效果。但在实际中热空气氧化和气体氮化也是常用的氧化方法。对于热空气氧化法来说,它可以利用在热空气中添加某些促进剂提高其剥离强,从而加快反应速度,提高氧化效果。而气体氮化则是一种较为简单的施工工艺,具有污染较低、处理效果较好等优点,因此受到了广泛的应用。而由于该方法需要一些大型的设备,因此也受到了一定的限制。

   (3)火焰处理法。火焰处理法是一种对难粘高分子材料进行处理的较为直接的方法,它是利用一定配比的混合气体在特殊的灯头上燃烧,并将火焰与难粘高分子材料进行直接接触的一种处理方法。利用该方法,可以有效地将含氧基团和不饱和双键导入到难粘高分子材料的表面,从而消除薄弱界面层。由于其直接利用火焰与难粘高分子材料表面进行接触,因此其处理效果较为明显。同时由于利用该法对设备的要求较低、需要的成本较低,使得该法在目前比较流行。但由于该法是直接利用火焰与难粘高分子材料进行接触,因此需要严格控制处理过程,避免温度过高导致材料变形或者是烧坏材料。

   (4)电晕处理法。电晕处理法是将高频高压电流施加在放电电极上,以此产生大量的等离子体和臭氧,并与难粘高分子材料表面进行直接或间接作用,从而在难粘高分子材料表面导入含氧基团和不饱和双键,使得难粘高分子材料表面的张力得到提高,并粗糙其表面,在经过去油污、去水汽等处理使得难粘高分子材料的粘附性明显提高,从而达到表面处理目的。通常情况下,利用该法对难粘高分子材料进行处理可以有效地缩短处理r间,同时操作较为简便,处理效率较高,使得该法在目前也成为了应用最为广泛的处理方法之一。但利用该法处理的效果并不稳定,处理完成之后应当立即投入使用。 
 
   2、PEEK高分子材料的表面处理技术 
 
   (1)喷砂法。对于PEEK高分子材料的表面处理来说,该法主要是将可能影响高分子材料化学结合的污染进行清洁,从而创造出一个具有锁结作用的粗糙表面,扩大粘结面积,从而提高PEEK高分子材料的粘附性。利用该法对PEEK材料进行处理的过程中,需要注意到材料的硬度。其主要原因在于材料硬度较大,砂粒粒度较小,将会导致PEEK高分子材料的表面粗糙程度达不到要求。而粒度较大,则有可能导致处理表面脱落。

   (2)酸蚀法。对于PEEK高分子材料的表面处理来说,酸蚀法也是一种常用的处理方法,起作用原理是利用98%的浓硫酸对PEEK表面进行化学处理,从而使得PEEK高分子材料表面产生一个多孔可渗透的表面。而多孔可渗透的表面有利于粘结剂的渗透,从而提高PEEK高分子材料表面的粘附性。在这里值得注意的是,利用该法如果使用同样浓度的盐酸或硝酸PEEK高分子材料表面将不会发生改变,因此这里的98%高浓度硫酸一般是不可被替换的。

   (3)二氧化硅涂层和硅烷化处理法。利用二氧化硅涂层和硅烷化处理实质上是对喷砂技术的改良,其主要处理步骤是在氧化铝表面覆盖一层二氧化硅,并经过高温粉砂处理从而使其表面形成硅酸盐涂层。其作用原理和传统的喷砂法类似,但由于引入了硅元素,使得硅烷偶联剂的效果更为明显。 
 
   第四节 有机高分子材料加工性能
 
   有机高分子材料具有一些特有的加工性能,如良好的高弹性、耐磨性、化学稳定性等,这些加工性能为有机高分子材料提供了适用多种加工技术的可能性,也是高分子材料能够得到广泛应用的重要原因。
 
   1、有机高分子材料的力学性能
 
   (1)高弹性轻度交联的高聚物具有典型的高弹性,即变形大、弹性模量小,而且弹性随温度升高而增大。橡胶是典型的高弹性材料。
 
   (2) 粘弹性高聚物的粘弹性是指高聚物材料既具有弹性材料的一般特性,又具有粘性流体的一些特性,即受力的同时发生高弹性变形和粘性流动,主要表现在蠕变和应力松弛、滞后和内耗等现象上。
 
   (3)蠕变和应力松弛。在恒定温度和应力作用下,应变随时间延长而增加的现象称为蠕变。应力松弛是在应变恒定的情况下,应力随时间延长而衰减的现象。在外力的作用下,高聚物大分子链由原来的卷曲态变为较伸直的形态,从而产生蠕变;随时间的延长,大分子链构象逐步调整,趋向于比较稳定的卷曲状态,从而产生应力松弛。
 
   (4)滞后和内耗。滞后是指在交变应力的作用下,变形速度跟不上应力变化的现象。在克服内摩擦时,一部分机械能被损耗,转化为热能,即内耗。滞后越严重,内耗越大。内耗大对减振和吸声有利,但内耗会引起发热,导致高聚物老化。
 
   (5)强度高聚物的强度很低,如塑料的抗拉强度一般低于100MPa,比金属材料低很多。但高聚物的密度很小,只有钢的1/4~1/8,所以其比强度比一些金属高。
 
   (6)断裂高聚物材料由于内部结构不均一,含有许多微裂纹,造成应力集中,使裂纹容易很快发展。在小应力下即可断裂,称为环境应力断裂。
 
   (7)韧性高聚物的韧性用冲击韧度表示。各类高聚物的冲击韧度相差很大,脆性高聚物的冲击韧度值一般都小于0.2J/cm2,韧性高聚物的冲击韧度值一般都大于0.9J/cm2。
 
   (8)耐磨性高聚物的硬度低,但耐磨性高。如塑料的摩擦因数小,有些还具有自润滑性能,在无润滑和少润滑的摩擦条件下,它们的耐磨、减摩性能要比金属材料高很多。
 
   2、有机高分子材料的电学和物理化学性能
 
   (1)电学性能高聚物内原子间以共价键相连,没有自由电子和离子,因此介电常数小、介电损耗低,具有高的绝缘性。
 
   (2)热性能高聚物在受热过程中,大分子链和链段容易产生运动,因此其耐热性较差。由于高聚物内部无自由电子,因此具有低的导热性能。高聚物的线胀系数也较大。
 
   (3)化学稳定性高聚物不发生电化学反应,也不易与其他物质发生化学反应。所以大多数高聚物具有较高的化学稳定性,对酸、碱溶液具有优良的耐蚀性。


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