化學(xué)：《高分子化合物與材料》課件4（94張PPT）（人教版選修2）

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歡迎進入化學(xué)課堂 第7章 高分子化合物與材料 4 了解幾種重要高分子材料和復(fù)合材料的性能及其應(yīng)用 1 了解高分子化合物的基本概念 命名和分類 2 了解高分子化合物的基本結(jié)構(gòu)與重要特性 3 了解高分子化合物的合成反應(yīng)及改性 回收再利用的方法 本章學(xué)習(xí)要求 7 2高分子化合物的基本結(jié)構(gòu)和重要特性 7 3高分子化合物的合成 改性與再利用 7 1高分子化合物概述 7 4日常生活中的高分子材料 7 5材料的未來與分子設(shè)計 目錄 高分子化合物 高分子 高聚物或聚合物 的分子比低分子化合物的分子要大很多 通常低分子有機化合物的相對分子質(zhì)量在1000以下 而高分子化合物的相對分子質(zhì)量在1萬以上 有的可達上千萬 1 基本概念 高分子化合物的基本特征 同低分子化合物的根本區(qū)別 相對分子質(zhì)量大 7 1 1高分子化合物的基本概念和特點 7 1高分子化合物概述 高分子化合物的相對分子質(zhì)量雖然很大 但其化學(xué)組成一般卻比較簡單 例聚氯乙烯的分子是由許多氯乙烯結(jié)合而成 平均聚合度n 鏈節(jié)的式量 高聚物的平均相對分子質(zhì)量 簡寫 單體 聚合成高分子化合物的低分子化合物 鏈節(jié) 組成高分子鏈的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元 聚合度 高分子鏈所含鏈節(jié)的數(shù)目 1 高分子化合物組成簡單 相對分子質(zhì)量大 具有 多分散性 是多分子的混合物 2 高分子化合物可歸納為線型和體型兩種結(jié)構(gòu) 線型結(jié)構(gòu)中包括鏈型和支鏈型 3 高分子化合物由于其相對分子質(zhì)量很大 有較好的機械強度 又由于其分子是由共價鍵結(jié)合而成 故有較好的絕緣性和耐腐蝕性 由于其分子鏈很長 呈卷曲狀 故有較好的可塑性和高彈性 4 高分子化合物在常溫常壓下主要以固態(tài)或液態(tài)存在 幾乎無揮發(fā)性 溶解性也很差 有時只發(fā)生溶脹 2 高分子化合物的特點 1 高分子化合物的命名 1 按原料單體或聚合物的結(jié)構(gòu)特征命名 在單體名稱前面冠以 聚 字 聚氯乙烯 聚丙烯腈 聚乙二酰己二胺 聚對苯二甲酸乙二醇酯等 在單體名稱后面加 樹脂 酚醛樹脂 環(huán)氧樹脂等 7 1 2高分子化合物的命名和分類 2 按商品名命名 我國習(xí)慣以 綸 作為合成纖維商品名的后綴 如滌綸 氯綸 腈綸 錦綸 丙綸等 有機玻璃 聚甲基丙烯酸甲酯 尼龍或錦綸 聚酰胺 如尼龍 610 表7 1一些聚合物的名稱 商品名稱 符號及單體 2 按主鏈結(jié)構(gòu)分類 1 按來源分類天然高分子和合成高分子 碳鏈聚合物主鏈完全由碳原子組成 如聚乙烯 雜鏈聚合物主鏈除碳原子外 還含有氧 氮 硫等雜原子 如聚己二酰己二胺 尼龍 66 2 高分子化合物的分類 元素有機聚合物主鏈由硅 硼 鋁與氧 氮 硫 磷等組成 側(cè)鏈是有機基團 如聚二甲基硅氧烷 3 按性能和用途分類塑料 纖維 橡膠 涂料 粘合劑和功能高分子六大類 4 按功能分類通用高分子 工程材料高分子 功能高分子 仿生高分子等 元素?zé)o機聚合物主鏈和側(cè)鏈均由無機元素或基團組成 如聚二氯磷腈 2 體形結(jié)構(gòu)的高聚物分子中無獨立的大分子存在 因此只有交聚度的概念 1 線型結(jié)構(gòu)高分子物質(zhì)分子中有獨立的大分子存在 分子鏈中以單鍵相連的相鄰兩鏈節(jié)之間還可以保持一定的鍵角而旋轉(zhuǎn) 因此 一個分子鏈在無外力作用時會有眾多的分子空間形態(tài) 絕大部分為卷曲狀 高分子鏈這種強烈卷曲的傾向稱為 分子 鏈的柔順性 它對高聚物的彈性和塑性等有重要影響 鍵角固定的高分子鏈節(jié)的旋轉(zhuǎn)示意圖 1 高聚物分子的幾何形狀 7 2 1高分子化合物的基本結(jié)構(gòu) 7 2高分子化合物的基本結(jié)構(gòu)和要重特性 體型結(jié)構(gòu)的高聚物 由于分子鏈間有大量的交聯(lián) 分子鏈不可能產(chǎn)生有序排列 因而都是非晶態(tài)的 從結(jié)晶狀態(tài)來看 線型結(jié)構(gòu)的高聚物分為晶態(tài)高聚物和非晶態(tài)高聚物 或者兩者共存 高聚物中結(jié)晶性區(qū)域稱為結(jié)晶區(qū) 非結(jié)晶區(qū)域稱非結(jié)晶區(qū) 結(jié)晶的多少稱結(jié)晶度 高聚物含晶體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量百分數(shù) 2 高聚物的聚集態(tài) 玻璃態(tài)分子鏈節(jié)或整個分子鏈無法產(chǎn)生運動 高聚物呈現(xiàn)如玻璃體狀的固態(tài) 例如常溫下的塑料 高彈態(tài)鏈節(jié)可以較自由地旋轉(zhuǎn) 但整個分子鏈不能移動 例如常溫下的橡膠 高彈態(tài)是高聚物所獨有的罕見的一種物理形態(tài) 能產(chǎn)生很大形變 除去外力后能可逆恢復(fù)原狀 粘流態(tài)高聚物分子鏈節(jié)可以自由地旋轉(zhuǎn) 整個分子鏈也能自由移動 從而成為能流動的粘液 比液態(tài)低分子化合物的粘度要大得多 又稱為塑性態(tài) 例如膠粘劑或涂料 3 線型非晶態(tài)高聚物的物理形態(tài) 玻璃化溫度由高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度 用Tg表示 粘流化溫度由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度 用Tf表示 塑料與纖維 要求Tg高 Tf低 較耐熱 加工成型溫度不高 橡膠 要求Tg低 Tf高 耐寒又耐熱 一些非晶態(tài)高聚物的Tg和Tf值 聚氯乙烯Tg 81 Tf 175 聚苯乙烯Tg 100 Tf 135 聚丁二烯 順丁橡膠 Tg 108 Tf天然橡膠Tg 73 Tf 122 1 彈性和塑性 1 彈性當高聚物Tg TR 室溫 Tf 高聚物處于高彈態(tài) 而且TR和Tf與Tg的差值越大其性能越好 2 塑性當高聚物Tg TR 高聚物處于玻璃態(tài) 用做材料時可做塑料 7 2 2高分子化合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 玻璃化溫度Tg是高聚物的鏈節(jié)開始旋轉(zhuǎn)的最低溫度 它的高低與分子鏈的柔順性和分子鏈間的作用力大小有關(guān) 分子的柔順性越大 Tg越低 體型高聚物的分子鏈由于被化學(xué)鍵牢固地交聯(lián) 很難變形 因此 當溫度改變時不會出現(xiàn)粘流態(tài) 交聯(lián)度大時也不會出現(xiàn)高彈態(tài) 而只呈玻璃態(tài) 主要指標有機械強度 剛性 沖出強度 主要影響因素有 1 平均相對分子質(zhì)量 或平均聚合度 的增大 有利于增加分子鏈間的作用力 可使拉伸強度與沖擊強度等有所提高 2 極性取代基或鏈間能形成氫鍵時 能增加分子鏈之間的作用力而提高其強度 強度 天然橡膠 Mr 20萬 丁苯橡膠 Mr 4 5萬 拉伸強度 聚氯乙烯 含極性基團 Cl 聚乙烯 2 機械性能 3 適度交聯(lián)有利于增加分子鏈之間的作用力 4 在結(jié)晶區(qū)內(nèi)分子鏈排列緊密有序 可使分子鏈之間的作用力增大 機械強度也隨之增高 5 主鏈含苯環(huán)或側(cè)鏈引入芳環(huán) 雜環(huán)取代基等的高聚物 其強度和剛性比含脂肪族主鏈的高聚物的要高 如聚乙烯交聯(lián)后 沖擊強度可提高3 4倍 機械強度 高結(jié)晶聚乙烯低結(jié)晶聚乙烯 強度 芳香尼龍 如芳綸 1313 普通尼龍 高分子化合物通常以共價鍵結(jié)合 一般不存在自由電子和離子 因此高聚物通常是很好的絕緣體 可作為絕緣材料 高聚物的極性越小 其絕緣性越好 非極性高聚物分子鏈節(jié)結(jié)構(gòu)對稱的高聚物 如聚乙烯 聚四氟乙烯等 極性高聚物分子鏈節(jié)結(jié)構(gòu)不對稱的高聚物 如聚氯乙烯 聚酰胺等 例 試比較下列高聚物的電絕緣性 聚四氟乙烯聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯 3 電絕緣性和抗靜電性 電絕緣材料的高聚物可分為 1 鏈節(jié)結(jié)構(gòu)對稱且無極性基團的高聚物 如聚乙烯 聚四氟乙烯 對直流電和交流電都絕緣 可用作高頻電絕緣材料 2 無極性基團 但鏈節(jié)結(jié)構(gòu)不對稱的高聚物 如聚苯乙烯 天然橡膠等 可用做中頻電絕緣材料 3 鏈節(jié)結(jié)構(gòu)不對稱且有極性基團的高聚物 如聚氯乙烯 聚酰胺 酚醛樹指等 可用做低頻或中頻電絕緣材料 分子的極性可用相對介電常數(shù) 衡量 通常非極性高聚物的 2 弱極性或中等極性高聚物的 2 4 強極性高聚物的 4 表7 2常見高聚物的相對介電常數(shù) 靜電現(xiàn)象兩種電性不同的物體相互接觸或磨擦?xí)r 會有電子的轉(zhuǎn)移而使一物種體帶正電荷 另一種物體帶負電荷的現(xiàn)象 靜電現(xiàn)象具有兩面性 它應(yīng)用于靜電印刷 油漆噴涂和靜電分離等 但靜電往往是有害的 例如腈綸纖維起毛球 吸灰塵 粉料在干燥運轉(zhuǎn)中會結(jié)塊等 常用的抗靜電劑是一些表面活性劑 其主要作用是提高高聚物表面的電導(dǎo)性 使之迅速放電 防止電荷積累 另外 在高聚物中填充導(dǎo)電填料如炭黑 金屬粉 導(dǎo)電纖維等也同樣起到抗靜電的作用 高聚物溶解的兩個階段 溶脹溶劑分子滲入高聚物內(nèi)部 使高分子鏈間產(chǎn)生松動 并通過溶劑化使高聚物膨脹成凝膠狀 溶解高分子鏈從凝膠表面分散進入溶劑中 溶解形成均一的溶液 1 溶解性 一般線型 包括帶支鏈 的高聚物 在適當?shù)娜軇┲谐？梢匀芙?如聚苯乙烯 彩色玩具 可溶于苯或甲苯 有機玻璃 繪圖直尺 可溶于氯仿或丙酮 但體型高聚時 通常只發(fā)生溶脹而不能溶解 4 溶解性和保水性 溶劑選擇的原則是 相似相溶 極性大的高聚物選用極性大的溶劑 極性小的高聚物先用極性小的溶劑 例如 未硫化的天然橡膠是弱極性的 可溶于汽油 苯 甲苯等非極性或弱極性溶劑中 高吸水性樹脂含有羥基等強親水基團 不溶于水 在水中只能溶脹 有驚人的吸水能力 吸水后成凝膠狀 在加壓下 水分也不易擠出來 例如 由淀粉和聚氧乙烯制成的保水材料 吸水重量可達自重的4603倍 這些高吸水性的樹脂已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)保濕大棚 制作嬰兒尿不濕 防止土地荒漠化等 2 保水性 晶態(tài)高聚物一般需將其加熱至熔點附近 待晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)后 溶劑分子才能滲入 使高聚物逐漸溶解 相對分子質(zhì)量大的高聚物 鏈間作用力大 不利于其溶解 高聚物主要由C C C H C O等牢固的共價鍵連接而成 含活潑的基團較少 且分子鏈相互纏繞 使分子鏈上不少基團難以參與反應(yīng) 因而一般化學(xué)穩(wěn)定性較高 1 穩(wěn)定性 一些含高聚物不耐水 在酸或堿的催化下會與水反應(yīng) 例如 聚酰胺與水的反應(yīng) 高聚物一般化學(xué)穩(wěn)定性好 耐酸堿腐蝕 但不耐高溫 易老化 5 化學(xué)穩(wěn)定性和老化 老化是指高聚物及其材料在加工 貯存和使用過程中 長期受化學(xué) 物理 熱 光 電 機械等 以及生物 霉菌 因素的綜合影響 發(fā)生裂解或交聯(lián) 導(dǎo)致性能變壞的現(xiàn)象 例如 塑料制品變脆 橡膠龜裂 纖維泛黃 油漆發(fā)粘等 老化是物理性質(zhì)變壞的不可逆過程 主要有兩種過程 降解鏈斷裂 Mr變小 發(fā)粘 變軟 喪失機械強度 交聯(lián)線型變體型 變硬 變脆 喪失彈性 如天然膠 聚氯乙烯的老化 若在高聚物分子鏈中引入較多的芳環(huán) 雜環(huán)結(jié)構(gòu) 或在主鏈或支鏈中引入無機元素 如硅 磷 鋁等 均可提高其熱穩(wěn)定性 為了延緩光 氧 熱對高聚物的老化作用 通常可在高聚物中加入各類光穩(wěn)定劑 抗氧劑 芳香族胺類如二苯胺和酚類等 或熱穩(wěn)定劑 如硬脂酸鹽等 2 老化 聚合反應(yīng) 7 3 1高分子化合物的合成反應(yīng) 加成聚合反應(yīng) 加聚反應(yīng) 聚合反應(yīng) 由小分子單體合成聚合物的化學(xué)反應(yīng) 縮合聚合反應(yīng) 縮聚反應(yīng) 7 3高分子化合物的合成 改性與再利用 加聚反應(yīng) 僅由一種單體聚合而成的 分子鏈中只包含一種單體構(gòu)成的鏈節(jié)的聚合反應(yīng) 由兩種或兩種以上單體同時進行聚合 生成的聚合物含有多種單體構(gòu)成的鏈節(jié)的聚合反應(yīng) 共聚物往往可兼具兩種或兩種以上均聚物的一些優(yōu)異性能 因此通過共聚方法可以改善產(chǎn)品的性能 加聚反應(yīng) 由一種或多種單體相互加成 或由環(huán)狀化合物開環(huán)相互結(jié)合成聚合物的反應(yīng) 均聚反應(yīng) 共聚反應(yīng) 1 加聚反應(yīng) 縮聚反應(yīng) 由一種或多種單體相互縮合生成高聚物 同時有低分子物質(zhì) 如水 鹵化氫 氮 醇等 析出的反應(yīng) 例如癸二酸和己二胺合成為尼龍 610的反應(yīng) 2 縮聚反應(yīng) 高分子材料的改性通過各種方法改變已有材料的組成 結(jié)構(gòu) 以達到改善性能 擴大品種和應(yīng)用范圍的目的 通常采用的改性方法大體上可分為化學(xué)法與物理化學(xué)法兩大類 7 3 2高分子化合物的改性 1 高聚物的化學(xué)改性 借化學(xué)反應(yīng)改變高聚物本身的組成 結(jié)構(gòu) 以達到材料改性的目的 常用的反應(yīng) 交聯(lián)反應(yīng)共聚反應(yīng)官能團反應(yīng) 經(jīng)部分交聯(lián)后的橡膠 既提高了強度和韌性 又同時保留了較好的彈性 硫化后的橡膠只發(fā)生溶脹 具有耐溶劑性 例橡膠的硫化 借化學(xué)鍵的形成 使線型高聚物連接成為體型高聚物的反應(yīng) 1 交聯(lián)反應(yīng) ABS工程塑料具有聚苯乙烯優(yōu)良的電性能和易加工成型性 丁二烯提高彈性和沖擊強度 丙烯腈可增加耐熱 耐油 耐腐蝕性和表面硬度 使之成為綜合性能優(yōu)良的工程材料 由兩種或兩種以上不同單體通過共聚所生成的共聚物 往往在性能上有取長補短的效果 2 共聚反應(yīng) 如離子交換樹脂就是利用官能團反應(yīng) 在高聚物結(jié)構(gòu)中引入可供離子交換的基團 使之具有離子交換功能 且應(yīng)具備不溶性和一定的機械強度 先要制備高聚物母體 即骨架 如苯乙烯 二乙烯苯共聚物 體型高聚物 然后再通過官能團反應(yīng) 在高聚物骨架上引入活性基團 例如 制取磺酸型陽離子交換樹脂 可利用上述共聚物與H2SO4的磺化反應(yīng) 引入磺酸基 SO3H 由此所得離子交換樹脂 簡稱為聚苯乙烯磺酸型陽離子交換樹脂 的結(jié)構(gòu) 簡 式可表示如下 利用官能團反應(yīng) 在高分子結(jié)構(gòu)中引入適當?shù)墓δ芑?使高分子具有特定的功能 3 官能團反應(yīng) 通?？珊唽憺镽 SO3H R代表樹脂母體 磺酸基 SO3H中的氫離子能與溶液中的陽離子進行離子交換 同理 若利用官能團反應(yīng)在高聚物母體中引入可與溶液中陰離子進行離子交換的基團 即可得陰離子交換樹脂 例如 季銨型陰離子交換樹脂R N CH3 3Cl 在高聚物中摻和各種助劑 又稱添加劑 將不同高聚物共混 或用其他材料與高分子材料復(fù)合而完成的改性 1 摻和改性 聚合物中通常要加入填料 增塑劑 防老劑 抗氧劑 熱穩(wěn)定劑 紫外光穩(wěn)定劑 著色劑 發(fā)泡劑 固化劑 潤滑劑 阻燃劑等添加劑 以提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用效果 其中填料和增塑劑是添加劑中用量最大的 填料 降低成本 類型 有機填料木粉 纖維 棉布等 作用 改善性能 機械性能 耐熱性 電性能 加工性能 無機填料碳酸鈣 硅藻土 炭黑 滑石粉 金屬粉 金屬氧化物 白炭黑 SiO2 等 2 高聚物的物理化學(xué)改性 通常都選用一些高沸點 一般大于300 的液體或低熔點的固體有機化合物 如鄰苯二甲酸酯類 磷酸酯類 脂肪族二元酸酯類 環(huán)氧化合物等 作為增塑劑 如聚氯乙烯中加入質(zhì)量分數(shù)為30 70 的增塑劑就成為軟質(zhì)聚氯乙烯塑料 增塑劑的加入能增大高聚物分子鏈間的距離 減弱分子鏈之間的作用力 從而使其Tg和Tf值降低 材料的脆性和加工性能得以改善 一些能增進高聚物柔韌性和熔融流動性的物質(zhì) 增塑劑 將兩種或兩種以上不同的高聚物混合形成具有純組分所沒有的綜合性能的高聚物的方法 形成的高聚物稱為共混高聚物 又稱為高分子合金 聚合物共混物 塑料 塑料共混 如ABS PVC共混 可改善耐燃性 橡膠 橡膠共混 丁腈橡膠與天然橡膠共混 可提高天然橡膠的耐油性和耐熱性 橡膠 塑料共混 PVC 天然氯丁膠共混 可改善抗沖擊性能 共混的作用 改變單一聚合物的弱點 性能互補 獲得優(yōu)良綜合性能 賦予特別性能或功能 如賦予粘結(jié)性能 減震 導(dǎo)電 阻燃 耐水等 改善加工功能 2 共混改性 由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合制得一種多相材料的過程 與共混相比 復(fù)合包含的范圍更廣 共混改性的組分材料僅限于高聚物 而復(fù)合改性的對象除高聚物外 還可包括金屬材料與無機非金屬材料 3 復(fù)合改性 高分子化合物的回收及再利用的基本意義 解決了環(huán)境污染問題 由于高分子化合物的化學(xué)穩(wěn)定性好 難以分解 日積月累 會污染環(huán)境 危害生態(tài) 充分利用自然資源 7 3 3高分子化合物的回收及再利用 高分子化合物的回收 利用包括 再生利用和改性利用 熱分解回收化工原料 焚燒回收熱能 掩埋處理 光降解和微生物降解 從上世紀六十年代開始 塑料 主要指聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 進入廣泛實用階段 由于塑料具有很多優(yōu)點 它取材容易 價格低廉 加工方便 質(zhì)地輕巧 因此塑料一問世 便深受歡迎 它迅速滲入到社會生活的方方面面 塑料被制成碗 杯 袋 盆 桶 管等 創(chuàng)造了巨大的社會和經(jīng)濟效益 塑料被列為20世紀最偉大的發(fā)明之一 塑料的普及被譽為白色革命 隨著塑料產(chǎn)量不斷增大 成本越來越低 我們用過的大量農(nóng)用薄膜 包裝用的塑料袋和一次性塑料餐具在使用后被拋棄在環(huán)境中 給景觀和環(huán)境帶來很大破壞 由于塑料包裝物大多呈白色 它們造成的環(huán)境污染被稱為白色污染 塑料的貢獻與白色污染 視覺污染指的是塑料袋 盒 杯 碗等散落在環(huán)境中 給人們的視覺帶來不良刺激 影響環(huán)境的美感 白色污染的潛在危害則是多方面的 1 一次性發(fā)泡塑料飯盒和塑料袋盛裝食物嚴重影響我們的身體健康 2 使土壤環(huán)境惡化 嚴重影響農(nóng)作物的生長 3 填埋作業(yè)仍是我國處理城市垃圾的一個主要方法 由于塑料膜密度小 體積大 它能很快填滿場地 降低填埋場地處理垃圾的能力 而且 填埋后的場地由于地基松軟 垃圾中的細菌 病毒等有害物質(zhì)很容易滲入地下 污染地下水 危及周圍環(huán)境 4 把廢塑料直接進行焚燒處理 將給環(huán)境造成嚴重的二次污染 白色污染存在的兩種危害 視覺污染和潛在危害 1 白色污染的危害 1 停止使用一次性餐具及超薄塑料袋 2 回收廢塑料并使之資源化是解決白色污染的根本途徑 近年來 一些國家大力開展3R運動 即要求做到廢塑料的減量化 Reduce 再利用 Reuse 再循環(huán) Recycle 3 研究開發(fā)降解塑料 降解塑料有三類 光降解塑料 生物降解塑料及雙降解塑料 4 加強環(huán)保宣傳 提高公民的環(huán)保意識 在社會上形成良好的環(huán)保氛圍 是解決白色污染及其它各種形式污染的前提 2 白色污染的防治 一靠法律二靠科學(xué) 7 4日常生活中的高分子材料 高分子材料 無機材料和金屬材料并列為三大材料 高分子材料與其他材料相比 具有密度小 比強度高 耐腐蝕 絕緣性好 易于加工成型等特點 但也普遍存在四個弱點 即強度不夠高 不耐高溫 易燃燒和易老化 高分子材料由于其品種多 功能齊全 能適應(yīng)多種需要 加工容易 適宜于自動化生產(chǎn) 原料來源豐富易得 價格便宜等原因 已成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚闹匾牧?功能高分子材料研究的迅速發(fā)展 更加擴展了高分子材料的應(yīng)用范圍 產(chǎn)量大 價格低 日常生活中應(yīng)用范圍廣的塑料 如聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯等 7 4 1塑料 1 根據(jù)塑料制品的用途可分為 機械性能好 能用于制造各種機械零件的塑料 主要有聚碳酸酯 聚酰胺 聚甲醛 聚砜 酚醛樹脂 ABS塑料等 具有特殊功能和特殊用途的塑料 主要有氟塑料 硅塑料 環(huán)氧樹指等 通用塑料 工程塑料 特殊塑料 在加工過程中 一般只發(fā)生物理變化 受熱變?yōu)樗苄泽w 成型后冷卻又變硬定型 若再受熱還可改變形狀重新成型的塑料 在成型過程中發(fā)生化學(xué)變化 利用塑料在受熱時可流動的特征而成型 并延長時間 使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而成為不熔不溶的網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu) 并固化定型而形成的塑料 熱塑性塑料 線型 熱固性塑料 體型 2 根據(jù)塑料受熱特性可分類 結(jié)構(gòu)式 性能 強極性 絕緣性好 耐酸堿 難燃 具有自熄性 缺點是介電性能差 在100 120 即可分解出氯化氫 熱穩(wěn)定性差 用途 制造水槽 下水管 制造箱 包 沙發(fā) 桌布 窗簾 雨傘 包裝袋 還可做涼鞋 拖鞋及布鞋的塑料底等 氯化聚氯乙烯CPVC 過氯乙烯 可作熱水硬管 使用溫度65 105 1 聚氯乙烯 PVC 結(jié)構(gòu)式 性能 化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定 耐酸 堿 耐溶劑性能好 吸水性低 無毒 受熱易老化 用途 制造食品包裝袋 各種飲水瓶 容器 玩具等 還可制各種管材 電線絕緣層等 第四代聚乙烯 超高分子量聚乙烯 高韌性 高耐磨 密度越低 制造成本越低 2 聚乙烯 PE 性能 具有韌性 耐磨 耐熱 具有吸濕性 無毒 接伸強度大 用途 可做尼龍布 尼龍襪子 尼龍繩及醫(yī)用消毒容器等 做機械零件 儀表 儀器零件 結(jié)構(gòu)式 3 聚酰胺 尼龍 性能 耐酸堿 耐腐蝕 化學(xué)穩(wěn)定性好 耐寒 絕緣性好 耐磨 缺點是剛性差 結(jié)構(gòu)式 用途 可用作高溫環(huán)境中化工設(shè)備的密封零件 無油潤滑條件下作軸承 活塞等 還可做電容器 電纜絕緣材料 4 聚四氟乙烯 塑料王 性能 難溶 難熔 耐熱 機械強度高 剛性好 抗沖擊性好 結(jié)構(gòu)式 用途 制造線路板 插座 插頭 電話機 行李車輪 工具手柄 貼面板 三合板 刨花板等 5 酚醛樹脂 電木 性能 堅硬 耐高溫 良好的機械性能 電絕緣性好 韌性好 抗沖擊性好 透明度高 用途 制造繼電器盒蓋 計算機和磁盤的殼體 熒光燈罩 汽車及透明窗的玻璃等 結(jié)構(gòu)式 6 聚碳酸酯 透明金屬 性能 變硬度 高抗沖強度 抗蠕變性好 耐熱 耐寒 耐磨 抗氧化性好 尺寸穩(wěn)定性好 用途 制造機械 電子 電氣制造航空 航天等部門的零部件 結(jié)構(gòu)式 7 聚砜 性能 無毒 無味 易溶于酮 醛 酯等有機溶劑 耐磨性 抗沖擊性能好 用途 用于家用電器 箱包 裝飾板材 汽車收音機等零部件 結(jié)構(gòu)式 8 ABS塑料 性能 其透明性在現(xiàn)有高聚物中是最好的 缺點是耐磨能差 硬度較低 易溶于有機溶劑等 結(jié)構(gòu)式 用途 廣泛用于航空 醫(yī)療 儀器等領(lǐng)域 9 聚甲基丙烯酸甲酯 有機玻璃 橡膠可分為天然橡膠和合成橡膠 天然橡膠其化學(xué)組成是聚異戊二烯有順式與反式兩種構(gòu)型 它們的結(jié)構(gòu)簡式分別為 順式 反式 7 4 2橡膠 1 天然橡膠 1 分子鏈的柔順性較好 2 分子鏈間僅有較弱的作用力 3 分子鏈中一般含有容易進行交聯(lián)的基團 如含不飽和雙鍵 人們仿造天然橡膠的結(jié)構(gòu) 合成了各種各樣的合成橡膠 合成橡膠在某些性能上往往優(yōu)于天然橡膠 例如耐磨 耐油 耐寒等方面 2 合成橡膠 下面列舉幾種常見的合成橡膠的性能及用途 順式 1 4 聚異戊二烯適合做橡膠 其分子結(jié)構(gòu)具有三個特點 性能 耐水 耐老化性能 特別是耐磨性和氣密性好 缺點是不耐油和有機溶劑 抗撕強度小 結(jié)構(gòu)式 用途 為合成橡膠中最大的品種 約占50 廣泛用于制造汽車輪胎 皮帶等 與天然橡膠共混可作密封材料和電絕緣材料 1 丁苯橡膠 性能 耐油 耐氧化 耐燃 耐酸堿 耐老化 耐曲撓性及氣密性都很好 缺點是密度較大 耐寒和彈性較差 結(jié)構(gòu)式 用途 制造運輸帶 防毒面具 電纜外皮 輪胎 膠粘劑等 2 氯丁橡膠 萬能橡膠 性能 彈性 耐老化性和耐低溫性 耐磨性 都超過天然橡膠 缺點是抗撕裂能力差 易出現(xiàn)裂紋 結(jié)構(gòu)式 用途 為合成橡膠的第二大品種 約占15 大約60 以上用于制造輪胎 3 順丁橡膠 性能 耐油性好 拉伸強度大 耐熱性好 缺點是電絕緣性 耐寒性差 塑性低 難加工 用途 用作機械上的墊圈以及制備收音機和汽車等需要耐油的零件 結(jié)構(gòu)式 4 丁腈橡膠 性能 分子無雙鍵存在 故耐熱 耐氧化 耐老化性好 使用溫度高 結(jié)構(gòu)式 用途 制造耐熱膠管 墊片 三角膠帶 輸送帶 人力車胎等 5 乙丙橡膠 性能 是一種耐熱性和耐老化性很好的橡膠 它的特點是既耐高溫 又耐低溫 彈性好 耐油 防水 其制品柔軟光滑 物理性能穩(wěn)定 無毒 生物惰性 加工性能好 缺點是機械性能差 較脆 易撕裂 結(jié)構(gòu)式 用途 可用于醫(yī)用材料 如導(dǎo)管 引流管 靜脈插管 人造器管等 還可用于飛機 導(dǎo)彈上的一些零部件及電絕緣材料 6 硅橡膠 纖維 天然纖維 化學(xué)纖維 合成纖維 7 4 3纖維 棉花 羊毛 蠶絲 麻等 再生人造纖維 再生纖維素纖維和纖維素酯纖維等 錦綸 滌綸 腈綸 維綸 丙綸和氯綸等 用低分子化合物為原料 通過化學(xué)合成和機械加工而制得的均勻線條或絲狀高聚物 以天然高分子化合物為原料 經(jīng)化學(xué)處理和機械加工制得的纖維 合成纖維具有優(yōu)良的性能 例如強度大 彈性好 耐磨 耐腐蝕 不怕蟲蛀等 因而廣泛地用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪?合成纖維的條件 1 高聚物必須是線型結(jié)構(gòu) 且相對分子質(zhì)量大小要適當 2 必須能夠拉伸 這就要求高分子鏈應(yīng)具有極性或鏈間能有氫鍵結(jié)合 或有極性基團間的相互作用 隨著高科技的發(fā)展 現(xiàn)在已制造出很多高功能性 如抗靜電 吸水性 阻燃性 滲透性 抗水性 抗菌防臭性 高感光性 纖維及高性能纖維 如全芳香族聚酯纖維 全芳香族聚酰胺纖維 高強聚乙烯醇纖維 高強聚乙烯纖維等 性能 顯著優(yōu)點是 抗皺 保型 挺括 美觀 對熱 光穩(wěn)定性好 潤濕時強度不降低 經(jīng)洗耐穿 可與其他纖維混紡 年久不會變黃 缺點是不吸汗 而且需要高溫染色 結(jié)構(gòu)式 用途 是產(chǎn)量最大的合成纖維 大約90 作為衣料用 紡織品為75 紡織物為15 用于工業(yè)生產(chǎn)的只占總量的6 左右 1 聚對苯二甲酸乙二醇酯 滌綸 的確涼 性能 強韌耐磨 彈性高 質(zhì)量輕 染色性好 較不易起皺 抗疲勞性好 吸濕率為3 5 5 0 在合成纖維中是較大的 吸汗性適當 但容易走樣 用途 約一半作衣料用 一半用于工業(yè)生產(chǎn) 在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中 約1 3是做輪胎簾子線 尼龍 66的耐熱性比尼龍 6高 做輪胎簾子線很受歡迎 結(jié)構(gòu)式 2 聚己二酰己二胺纖維 錦綸 66 尼龍 66 性能 具有與羊毛相似的特性 質(zhì)輕 保溫性和體積膨大性優(yōu)良 強韌 與棉花相同 而富有彈性 軟化溫度高 吸水率低 不適宜作貼身內(nèi)衣 缺點是強度不如尼龍和滌綸 結(jié)構(gòu)式 用途 大約70 作衣料用 紡織物占60 左右 用于工業(yè)生產(chǎn)的只占5 左右 3 聚丙烯腈纖維 腈綸 人造羊毛 性能 親水性好 吸濕率可達5 和尼龍相等 與棉花 7 相近 強度與聚酯或尼龍相近 拉伸彈性比羊毛差 比棉花好 結(jié)構(gòu)式 用途 70 用于工業(yè)生產(chǎn) 其中以布和繩索居多 可代替棉花作衣料用 4 聚乙烯醇纖維 維綸 維尼綸 性能 它的抗張強度與蠶絲 棉花相當 潤濕時也完全不變 最大的優(yōu)點是難燃性和自熄性 缺點是耐熱性低染色不好 用途 幾乎都不作衣料用 作過濾網(wǎng)等工業(yè)產(chǎn)品約占50 室內(nèi)裝飾用占40 結(jié)構(gòu)式 5 聚氯乙烯 氯綸 功能高分子材料具有某種特殊功能的高分子材料 例如離子交換 滲透 導(dǎo)電 發(fā)光 對環(huán)境因素 光 電 磁 熱 pH 的敏感性 催化活性等 7 4 4感光高分子材料 感光高分子材料在光照射下能迅速發(fā)生物理或化學(xué)變化 經(jīng)過一定的處理過程 可以得到記錄影像的高分子材料 光交聯(lián)型高分子 光分解型高分子 光致變色高分子 感光高分子材料 在光照下 分子鏈間能發(fā)生交聯(lián)偶合反應(yīng)的感光性高分子 聚乙烯醇肉桂酸酯 生成的交聯(lián)產(chǎn)物不溶于有機溶劑 當用適當溶劑 顯影液 沖洗時 未感光部分被沖洗下來 而感光部分因不溶解而保留下來 結(jié)果得到與底片相反的圖像 負圖像 即負性光刻膠 1 光交聯(lián)型高分子 在光照下 高分子側(cè)鏈上的基團發(fā)生分解的感光性高分子 受光照的部分溶于顯影液 稀堿液 而未受光照部分則保持不變 顯出圖像 稱為正圖像 鄰重氮醌 不溶于稀堿液 烯酮 茚甲酸 可溶于稀堿中 正 負性光刻膠可以用于制造集成電路 照相底片 印刷 激光光盤等很多方面 2 光分解型高分子 在光照后化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化前后對可見光的吸收波長不同 顯示出顏色變化 停止光照后又恢復(fù)原來的顏色的高分子 無色 藍色 可制備各種光色太陽鏡 電焊鏡 護目鏡 各種玻璃窗 軍事用偽裝材料 密寫信息材料等 3 光致變色高分子 基體材料粘合增加材料 傳導(dǎo)和分散外力 為了增強兩者的結(jié)合力 有時加 偶聯(lián)劑 如硅烷偶聯(lián)劑是一類具有有機官能團的硅烷 在其分子中同時具有能和無機質(zhì)材料化學(xué)結(jié)合的反應(yīng)基團及與有機質(zhì)材料化學(xué)結(jié)合的反應(yīng)基團 通過使用硅烷偶聯(lián)劑 可在無機物質(zhì)和有機物質(zhì)的界面之間架起 分子橋 把兩種性質(zhì)懸殊的材料連接在一起 起提高復(fù)合材料的性能和增加粘接強度的作用 7 4 5復(fù)合材料 復(fù)合材料 基體材料 增強材料 連續(xù)相存在 分散相存在 增強材料承載負荷 增加強度 1 聚合物基復(fù)合材料 主要是指纖維增強聚合物材料 如將碳纖維包埋在環(huán)氧樹脂中使復(fù)合材料強度增加 玻璃纖維復(fù)合材料為玻璃纖維與聚酯的復(fù)合體 玻璃纖維聚酰胺復(fù)合材料 鋁基復(fù)合材料 鎳基復(fù)合材料 鈦基復(fù)合材料等 碳纖維 碳化硅纖維和碳化硅晶須等 2 金屬基復(fù)合材料 3 陶瓷基復(fù)合材料 復(fù)合材料按基體材料可分為 聚合物基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料 7 5材料的未來與分子設(shè)計 材料 能源和信息構(gòu)成現(xiàn)代文明的三大支柱 新世紀對材料不僅功能上提出更高的要求 而且必須考慮資源 能源 環(huán)境和安全等與可持續(xù)發(fā)展有關(guān)的問題 對未來材料的發(fā)展趨勢大致可以概括為 六化 即智能化 仿生化 復(fù)合化 納米化 輕量化和高功能化 未來的材料 智能化是指其功能可隨外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知 而自動作出適時 靈敏和適當?shù)捻憫?yīng) 并能自動地調(diào)節(jié) 修飾和修復(fù) 例如 形狀記憶合金便是一種智能材料 高分子屬于軟物質(zhì) 其特點是對弱的外界影響作出相對顯著的響應(yīng)和變化 因此研究高分子的軟物質(zhì)特征 利用外場的變化來調(diào)節(jié)高分子功能的變化 發(fā)掘高分子的自適應(yīng)性 尋找實現(xiàn)高分子功能材料智能化的途徑 將是人們今后的努力目標 1 智能化 通過研究自然界中生物體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其特有的功能 學(xué)習(xí)制造新材料的思路和方法 并在材料的設(shè)計和制造中加以模仿 稱為仿生材料學(xué) 科學(xué)家找到了貝殼硬而摔不破的原因 于是模仿貝殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計出一種摔不破的陶瓷 將涂有石墨層的SiC陶瓷片用熱壓法層層疊起來 抗沖擊能力可提高100倍 英國科學(xué)家用其制造汽車陶瓷發(fā)動機 它耐高溫 不需要水冷系統(tǒng) 2 仿生化 既堅硬又柔韌的仿生陶瓷是航天航空理想的發(fā)動機材料 也是制造裝甲車 坦克和防彈車的理想材料 蜘蛛絲是世界上最堅韌的纖維之一 美國投入很大力量研究天然蜘蛛絲的結(jié)構(gòu) 性能及生長機理 已研制出仿生蛛絲 如何獲取價廉的原料 也是科學(xué)家肩負的巨大責(zé)任 植物的光合作用制造了大量有機物質(zhì) 有機物質(zhì)有的已被人類作為天然高分子材料使用著 如順式聚異戊二烯 反式聚異戊二烯 纖維素 木材等 有的可能是潛在的合成高分子的單體資源 如木質(zhì)素 纖維素和淀粉等 地球上以沙漠形式存在著大量SiO2 如能找到更方便 更廉價的將SiO2轉(zhuǎn)化成高分子單體的方法 這無疑將給合成高分子開辟另一重要的單體來源 若能模擬自然界的生物轉(zhuǎn)化和光合作用的催化功能 研究開發(fā)光合作用合成碳氫化合物的新催化劑 將會徹底解決合成高分子的原料問題 材料的分子設(shè)計是指應(yīng)用已有的系統(tǒng)化的分子結(jié)構(gòu)和性能等知識和信息 指導(dǎo)合成具有預(yù)期性能的材料 通常采用 逆向而行 的思維方法 即根據(jù)所需性能來設(shè)計結(jié)構(gòu)并進行制備 科學(xué)家成功地設(shè)計了半導(dǎo)體超晶格材料 通過人工設(shè)計和調(diào)控材料中的電子結(jié)構(gòu) 由組分不同的半導(dǎo)體超薄層交替生長而成多層異質(zhì)周期結(jié)構(gòu)材料 從而極大地推動了半導(dǎo)體激光器的研制 材料的分子設(shè)計 目前作為針對性的或局部性的高分子設(shè)計已取得很大進展 纖維分子設(shè)計中的仿絲綢纖維設(shè)計 難燃性 耐熱纖維的設(shè)計等 塑料的分子設(shè)計中的ABS系樹脂的分子設(shè)計 透明聚氯乙烯用的助劑的分子設(shè)計等 為了保護環(huán)境 消除 白色污染 的自然降解高分子的分子設(shè)計 具有某種生物效能的高分子的分子設(shè)計等 研制自然降解型高分子的基本方法就是在原料聚合物中引進或造成感光性或感氧性結(jié)構(gòu)或可發(fā)生微生物降解結(jié)構(gòu) 1 用共聚法在高分子鏈上引入極少量羰基 乙烯與一氧化碳 苯乙烯與丙烯醛共聚可得 聚丙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯腈及它們的共聚物等也可以用通過共聚引入羰基的方法達到類似的效果 獲得具有預(yù)期壽命的聚合物 由于羰基的存在 制品易被陽光降解 現(xiàn)以光降解和微生物降解的分子設(shè)計為例 舉例簡介于下 可降解高聚物的分子設(shè)計 天然高分子如淀粉 纖維素等可被微生物分解 但合成高分子由于硬度 疏水性等原因 酶不能滲入其內(nèi)部 無法被分解 方法一 采用改性天然高分子如改性淀粉與合成高分子共混 使其制品在自然條件下因天然高分子組分被生物分解而粉碎 但是殘留的碎片是合成高分子 方法二 采用聚合物改性方法 把少量親水性基團引入聚烯烴分子中 使微生物能夠滲入到材料內(nèi)部從而發(fā)生微生物降解 2 合成可為微生物分解的聚合物 選讀材料醫(yī)用功能高分子 功能高分子材料指除傳統(tǒng)使用性能外 還具有某種特定功能的高分子材料 功能高分子材料 電磁功能高分子材料如導(dǎo)電高分子材料 高分子磁性體 磁記錄材料等 光功能高分子材料如光導(dǎo)材料 光記錄 光敏劑 感光材料等 分子材料和化學(xué)功能材料如分離膜 離子交換樹脂 高分子催化劑等 生物醫(yī)用高分子材料如人造器官 醫(yī)用高分子器械 醫(yī)用高分子藥物 仿生高分子等 作為醫(yī)用高分子材料 應(yīng)符合以下要求 不因高壓煮沸 干燥滅菌 藥液等發(fā)生變質(zhì) 化學(xué)性能穩(wěn)定 對生理組織的適應(yīng)性良好 無毒 無致癌性和生理排異性 不導(dǎo)致血液凝固與溶血 不產(chǎn)生新陳代謝的異?，F(xiàn)象 不引起生理機能的惡化與降低 耐生物老化 表7 3醫(yī)用高分子材料和用途 續(xù)上表 高分子材料應(yīng)用于醫(yī)療上的很多方面 塑料注射器 血液袋 避孕器具 牙科材料 人造器官 人造關(guān)節(jié) 人造骨骼等 作為人工器官材料 必須具備生物功能性質(zhì) 具備生物相容性 由于各種器官在生物體中所處的位置和功能不同 對材料的要求也不能一概而論 如人工心臟和人工血管 具有高度機械性能和耐疲勞性能 人工腎 具有高度選擇透過功能等 近年來開展生物雜化人工器官已受到廣泛關(guān)注 制備生物雜化人工器官的技術(shù)目前稱為組織工程 生物雜化人工器官是指由活體細胞或組織與醫(yī)用高分子材料構(gòu)成的器官 由于活體細胞的介入 使得高分子材料與生物體間的排異性大大降低 本章小結(jié) 1 相對分子質(zhì)量大 一般在1萬以上 1 高分子化合物的特性 2 鏈的長短參差不齊 是多分子的混合物 多分散性 3 幾乎無揮發(fā)性 僅以固態(tài)或液態(tài)存在 無氣態(tài) 固態(tài)可以兼具晶態(tài)和非晶態(tài) 4 有線型和體型兩種分子結(jié)構(gòu) 線型高聚物可溶于溶劑 受熱會熔化 具有熱塑性 柔順性和彈性 體型高聚物具有熱固性 5 高分子化合物中添加助劑制成的高分子材料 不同于無機及金屬材料 具有密度小 比強度高 耐腐蝕 電絕緣性好 易加工成型等優(yōu)點 不耐高溫 易老化是其主要缺點 高聚物的彈性和塑性與分子鏈的柔順性和分子鏈間的作用力有關(guān) 分子鏈的柔順性越大 分子鏈間的作用力越小 Tg越低 彈性越好 分子鏈的側(cè)基空間位阻大或側(cè)鏈含有極性基團 分子的柔順性降低 Tg值升高彈性降低 呈現(xiàn)玻璃態(tài)的傾向增大 2 高分子化合物的性能與其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān) 線型非晶態(tài)高聚物由于分子鏈很長且單鍵可以內(nèi)旋轉(zhuǎn) 賦予高聚物鏈柔順性 在一定溫度范圍內(nèi)呈高彈態(tài) 溫升變?yōu)檎沉鲬B(tài) 溫降變?yōu)椴ＡB(tài) Tg Tf的高低直接影響高聚物的性能和應(yīng)用 高分子化合物的結(jié)構(gòu)與其性能有直接關(guān)系 電絕緣性能與分子的對稱性及所含基團的極性大小等因素有關(guān) 分子對稱性好 極性小 高聚物的電絕緣性好 分子結(jié)構(gòu)不對稱且含有極性基團 即分子的極性大 高聚物的電絕緣性差 高聚物的靜電作用可以加入抗靜電劑來消除 例如電絕緣性 機械性能電與分子間作用力等有關(guān) 分子間作用力大 分子中極性基團多 結(jié)晶度高 交聯(lián)程度大 高聚物的機械性能好 例如強度 天然橡膠 Mr 20萬 丁苯橡膠 Mr 4 5萬 高結(jié)晶度聚乙烯 低結(jié)晶度聚乙烯 聚四氟乙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 高聚物一般具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性 但受光 熱 氧等因素影響 會發(fā)生交聯(lián)或降解 使高聚物老化 老化是物理性能變壞的不可逆過程 高聚物的溶解性與高聚物的組成 結(jié)構(gòu) 分子間作用力有關(guān) 分子間交聯(lián)大 結(jié)晶度高 溶解性能差 溶劑的選擇大致服從 相似相溶 原則 有些高吸水性樹脂可用做保水材料 3 若干典型高分子化合物的合成反應(yīng) 結(jié)構(gòu)和特性 可以聚氯乙烯 ABS工程塑料 聚甲基丙烯酸甲酯 尼龍610 硅橡膠等為例 熟悉其單體 合成反應(yīng) 高聚物名稱與結(jié)構(gòu)及性能 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全