习　题

在同一高聚物中，各分子的大小并不相同，因此它们的相对分子质量也不同。高聚物的相对分子质量分布可以用各种实验技术测定，典型相对分子质量分布如图11.1所示。实际上高聚物的相对分子质量只是一种平均相对分子质量。平均相对分子质量有不同的计算方法，最常用的为“数均相对分子质量”。数均相对分子质量就是：

此外，经常采用的还有：重均相对分子质量、粘均相对分子质量、Z均相对分子质量和GPC相对分子质量（MGPC）等。

相对分子质量和相对分子质量分布是高聚物的重要特征常数，它与聚合物的性状有密切的关系。聚乙烯的相对分子质量与熔点和物态关系见表11.2。

11.1.2　高聚物的命名和分类

1）高聚物的命名

高聚物的命名方法主要有下列4种：

（1）习惯命名

①按原料单体的名称，在其前冠以“聚”字。示例见表11.3。

大多数烯类单体聚合物都可按此命名，部分缩聚物也可按此命名。

②部分缩聚物在原料后附以“树脂”二字命名。示例见表11.4。

（2）商品名称法

有些聚合物，特别是纤维和橡胶用商品名称来命名。示例见表11.5。

（3）系统命名法

按国际理论化学与应用化学联合会命名法，是将聚合物的重复结构单元按照有机化合物系统命名法命名，最后再在前面冠以“聚”字。示例见表11.6。

系统命名法虽然比较严谨，但冗长繁琐，除正规科技文献外，少有采用。

（4）英文缩写

由于高聚物名称较长，读写不便，所以常用英文名称的缩写表示，例如聚乙烯用PE、聚丙烯用PP、聚丁橡胶用CR、丁苯橡胶用SBR等。

2）高聚物的分类

高聚物种类繁多，为便于研究和讨论它的性能，通常采用下列分类：

（1）按材料的性能和用途分类

按高聚物材料的性能和用途可分为下列三类：

①塑料。具有可塑性的高聚物材料。可塑性是指当材料在一定温度和压力下受到外力作用时，可产生变形，而外力除去后仍能保持受力时的形状。

按其能否进行二次加工又可分为：热塑性塑料（线型结构高聚物材料）和热固性塑料（体型结构高聚物材料）两类。

②橡胶。具有显著高弹性的高聚物材料。在外力作用下可产生较大的变形，当外力卸除后又能恢复原来的形状。按其产源可分为天然橡胶和合成橡胶两类。

③纤维。是柔韧、纤细而且均匀的线状或丝状，并且具有相当长度（约直径100倍以上）、强度和弹性的高聚物材料。纤维可分为天然纤维和化学纤维（包括人造纤维和合成纤维）两类。

（2）按高聚物主链的结构分类

按高聚物主链的元素分为：

①碳链高聚物。主链完全由碳原子组成，而取代基可为其他原子。绝大部分为烯类（包括二烯类）高聚物。例如：②杂链高聚物。主链上除了碳以外，还有氧、氮、硫等杂原子的高聚物。例如：

③元素高聚物。主链中没有碳原子，而是由硅、氧、硼、氮等元素组成，其侧基可分为含氢的有机基团。例如：

11.1.3　高聚物的形成反应

单体聚合物形成高聚物的反应主要有加成聚合（简称加聚）和缩合聚合（简称缩聚）两类。

1）加聚反应

不饱和烯类单体通过加成聚合而成高聚物的反应称为加聚反应。在反应过程中无小分子伴生。其反应可简写如下：

X＝H2、C6H5、Cl、CN等。

按参加反应的单体的种类和高聚物本身的构型，加聚反应可分为：

（1）均聚反应

只有一种单体进行的聚合反应称为均聚反应。其产物称为均聚物，其通式为：

聚丙烯和聚氯乙烯等是由乙烯、丙烯或氯乙烯等单体加聚而成的均聚体。

（2）共聚反应

为了改善聚合物的性能，由两种或两种以上的单体进行的聚合反应，称为共聚反应。其产物称为共聚物。

共聚物的性能并非两种相应均聚物的简单相加，因为共聚物的性能不仅取决于各单体的相对数量和排列方式。两种单体共聚时，两种单体链节不同的排列方式可构成4种共聚物（图11.2）。

①无规共聚物：共聚物中两种单体的结构单元排列顺序没有规律性，如

…—A—B—B—A—A—A—B—B—…

例如，氯乙烯与乙酸乙烯酯的共聚物。

②交替共聚物：共聚物中两种单体结构单元轮番交替地排列，如

…—A—B—A—B—A—B—A—B—…

例如，顺丁烯二酸酐与1，2唱二苯乙烯共聚时形成交替共聚物。

③嵌段共聚物：共聚物中两种单体结构单元各自排列成段，二段均聚物的长短可以不同，但它们之间是有化学键连接着，如

…—B—B—B—B—…—A—A—A—A—…—B—B—B—B—…

例如，SBS就是苯乙烯和丁二烯的嵌段共聚物。

④接枝共聚物：共聚物分子的主链由一种单体组成，支链由另一种单体组成，如

例如，天然橡胶接枝苯乙烯可提高其强度和耐磨性。

应该指出，任何二元共聚物的组成中，很难找到完全单一的一种单体排列方式，而是以某一种排列为主的实际聚合物。

2）缩聚反应

具有两个（或两个以上）活性官能团的低分子物质，通过缩合聚合反应，常是缩聚低分子物质而生成高聚物的过程成为缩聚反应。

（1）按参加反应的单体不同分类

①均缩聚反应。同一种单体（含有两种或两种以上官能团）分子间进行的缩聚，称为均缩聚。其通式为：式中：a—A—b为低分子原料，a、b为官能团，ab为反应析出的低分子化合物，a刺A凑b为均缩聚物。

例如氨基酸经缩聚生成聚酰胺。

②混缩聚反应。两种不同单体分子间进行的缩聚反应，称为混缩聚。其通式为：

式中：a—A—a和b—B—b为两种低分子原料，其余意义同前。

例如二元酸和二元醇经缩聚生成聚酯。

③共缩聚反应。两种以上含双官能团单体的缩聚或两种单体三个不同官能团间进行的缩聚，生成混合链节的高聚物，称为共缩聚。其通式为：

式中符号同前。

（2）按产物的几何结构分类

按缩聚反应生成产物的几何结构不同，又可分为：

①线型缩聚。生成的产物的分子链为线状的，称为线型聚合物。例如，涤纶和尼龙都是线型聚合物。

②体型（网状）缩聚。生成产物的分子链交联成网状，或空间三维交联的，称为体型聚合物。例如酚醛树脂、醇酸树脂都是体型聚合物。

11.1.4　高聚物结构特征

聚合物具有一些特殊的性质，如高弹性、较好的耐候性以及良好的变形性等，之所以具有这些特性，关键在于聚合物具有特殊的结构特征。

聚合物在合成过程中除了形成一维的线型链之外，在一定条件下还可形成带有支链的结构，甚至还能在链与链之间通过交联形成三维的立体型结构（图11.3）。对于线型或支链型聚合物，具有可塑化、熔融的特点，并能溶解于适当的溶剂；但立体型的聚合物就无法溶解，也不能熔融。所以前者呈现出较低的硬度、熔点及抗拉强度，但断裂伸长率较高；而后者具有较高刚性和良好的尺寸稳定性。

由于聚合物的分子链很长，通常长链呈现卷曲状，在外力作用下分子链伸展开来，外力停止又重新收缩恢复卷曲状，从而表现出极好的弹性特点。同时在较长的分子链之间通过分子间力相互影响，相互作用，可抵御较大的拉力作用。所以在受拉时，即使是分子链被拉断，聚合物的分子链也难以滑脱。与小分子等其他物质不同，高聚物可以呈现三种不同结构状态：玻璃态、高弹态和粘流态。在温度较低时，聚合物分子链之间的作用力很大，分子链只能在原有的位置上振动，受到外力时只能发生瞬时的微小形变，外力卸除形变立即恢复，这种状态就是玻璃态。当温度升高时，高分子链有了较大的活动能力，分子链变得柔软可以旋转，在外力作用下可以产生较大变形，外力卸除后会逐渐恢复原状，呈现显著的弹性特点，此时的状态称为高弹态。随温度进一步升高，聚合物分子链达到可以相互滑动、整体迁移的状态，受力时极易变形，外力卸除后形变无法恢复，此时称为黏流态。在一种状态变换过程中，存在两种温度：一是从玻璃态到高弹态的玻璃化转变温度，简称玻璃化温度；另一个是从高弹态到黏流态的黏流温度。显然，常温下处于玻璃态的聚合物适宜作塑料或纤维使用，处于高弹态的聚合物适宜作橡胶使用，而利用聚合物的黏流状态易于生产加工。所以，用作塑料和纤维的聚合物，希望其玻璃化温度要高一些，以保证在较高的温度范围里使这两种材料具有良好的变形稳定性；而对于橡胶材料，却希望其玻璃化温度越低越好，这样可在严寒条件下，保持高弹态而具有优良的弹性。

11.2　高聚物材料在道路桥梁工程中的应用

由于高聚物材料优良的综合性能，随着技术的发展这类材料在土木建筑和道路工程中得到大量应用。例如采用聚合物对沥青进行改性、制作聚合物混凝土，并可用作胶结材料或嵌缝密封材料，以及用于加强土基和路面基层的聚合物土工布、土工格栅材料等。

11.2.1　土工合成材料

土工合成材料，是指一类以高分子聚合物为原料的透水性土工合成材料。主要有无纺（非织造）土工织物、有纺（织造）土工织物、土工格栅、土工网、土工模袋、土工格室、土工加筋带、土工膜、土工布、塑料排水板等。土工合成材料在公路工程中的应用比较广泛。其具体的作用有：①排水作用；②反滤作用；③分隔作用；④加强作用；⑤防护作用。

11.2.2　高聚物改性水泥混凝土

普通水泥混凝土硬化后内部存在着微孔隙，与自身的抗压强度相比，抗拉强度、抗折强度较小，脆性大，是一种典型的强而脆的材料。聚合物的介入有助于减少混凝土中的微孔隙，降低混凝土的渗透性，从而改善混凝土的耐久性，并使混凝土成为一种强而韧的材料。聚合物混凝土是由有机、无机材料复合而成的混凝土，按照组成材料和制作工艺可分为：

（1）聚合物浸渍混凝土

它是将硬化的混凝土加热、干燥、抽取孔隙中的空气，以有机单体（如甲基丙烯酸甲脂、丙烯腈等）浸渍，然后用加热或辐射等方法使孔隙中的单体聚合形成，具有高强、耐蚀、抗渗、耐磨等优良性能。

（2）聚合物水泥混凝土

它是在拌和混凝土时掺加聚合物（如聚丙烯酸、乳胶等）或单体（如丙烯脂、苯乙烯等），通过聚合物与水泥水化产物相互穿透包裹，形成致密的网状结构，因而改善混凝土的性能，具有粘结性能好，抗拉强度高，耐久性、耐磨性和耐蚀性高的特点。主要用于机场跑道、混凝土路面或桥梁面层等构造物。

（3）聚合物胶结混凝土

这种混凝土完全采用聚合物（聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯等）作为胶结材料的混凝土。这种混凝土由于充分利用聚合物，使混凝土呈现一些新的特点，如抗拉强皮、抗压强度、抗弯强度等都得到较大的提高，且抗渗性、耐磨性、耐水性、耐腐蚀性都得到较大的改善。

与普通混凝土相比，聚合物混凝土抗拉强度、抗压强度、抗弯拉强度都得到较大提高，抗渗性、耐磨性、耐水性、耐腐蚀性都得到较大的改善。聚合物混凝土可用于铺筑路面和桥面、修补路面坑槽、机场跑道等。

11.2.3　聚合物改性沥青

由于交通运输的飞速发展，对沥青材料高、低温性能和抗老化能力要求的日益提高，使基质沥青越来越难以满足当今高等级公路通行需要，对基质进行改性就成为必然。

目前沥青改性常用的方法之一就是采用聚合物，通过聚合物优越的综合性能对沥青的高低温性能、耐久性等进行改善。目前常用的聚合物改性沥青类型有热塑弹性体改性沥青、橡胶类改性沥青和热塑性树脂改性沥青等，其中以采用SBS热塑弹性体聚合物进行沥青改性效果最为显著。

当SBS用于沥青改性时，根据结构特点，当温度升高到超过玻璃化温度Tg2时（80℃），整个结构开始软化和流动，有利于改性沥青的拌合和施工；而在通常的沥青路面使用温度条件下仍呈现固体状态，可以产生高拉伸能力和良好的抗变形能力；在环境温度相对较低时，又由于Tg1非常低（－80℃），改性沥青能够始终保持较好的低温柔性，从而避免了沥青路面的低温开裂现象。

11.2.4　其他应用

（1）胶黏剂

胶黏剂具有优良的黏合性能，它可将同质或不同质的材料黏合在一起，在土木工程中有广泛应用。常用的胶黏剂有环氧树脂、醋酸乙烯脂等。

（2）裂缝修补与嵌缝材料

裂缝修补与嵌缝材料实际是一种胶黏剂，用于修补水泥路面的裂缝或构件的接缝。常用该类材料有环氧树脂、聚氨酯类和橡胶类。

（3）膨胀支座和弹性支座

桥梁与管线工程中的膨胀支座一般采用聚四氟乙烯（PTFE）树脂，可以保证梁水平移动的要求。弹性支座可采用氯丁橡胶（CR）和聚异戊二烯橡胶（IR）等制作，以减少噪声和振动。

本章小结

高分子聚合物又叫高分子化合物或高聚物，具有质轻、比强度高、耐腐蚀、绝缘好等优点，要求掌握高聚物的基本概念、命名和分类，了解高聚物的形成反应和结构特征，聚合物混凝土和聚合物改性沥青以及聚合物土工材料的应用，使道路工程的质量得到明显的提高，在道路工程中得到越来越多的应用。

习　题

1.什么是聚合物？主要聚合物材料有哪些类型？

2.聚合物材料是如何命名的？

3.试解释下列名词：单体、链接、聚合度、均聚、共聚。

4.举例说明聚合物在道路工程中的应用。