合成高分子材料

1、第 8 章 合成高分子材料Taiyuan Normal University化學(xué)與社會(huì) 合成材料是人們運(yùn)用化學(xué)方法人工合成出自然界中不存在的材料，大致可分為無(wú)機(jī)合成材料和有機(jī)合成材料。 特點(diǎn)：由幾個(gè)或幾十個(gè)原子通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合形成，分子量在幾十到幾百。8.1 高分子的結(jié)構(gòu)和特性小分子 8.1.1 高分子 高分子 特點(diǎn)：由一千個(gè)以上的原子通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合形成，分子量可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)。 存在于自然界中的高分子化合物稱為天然高分子；用化學(xué)方法合成的高分子稱為合成高分子。 聚合成高分子的起始分子稱為單體，單體經(jīng)聚合得到的分子稱為聚合物，高聚物中重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)，所含鏈節(jié)的數(shù)目稱為聚合度。聚乙烯CCH

2、HHH合成高分子產(chǎn)品早期以農(nóng)業(yè)和林業(yè)的副產(chǎn)品為主要原料。大致分為淀粉類、纖維素類和非食用油脂類。缺點(diǎn)：工藝流程大，處理量大。后期的主要原料是煤和石油。 8.1.2 高分子的原料和合成方法 煤被取代的原因：用石油煉制時(shí)原料成本低，且石油中所含的有用成分相對(duì)較高。 由上述產(chǎn)品得到的有機(jī)小分子作單體，通過(guò)聚合反應(yīng)可合成高分子。加成聚合反應(yīng) 1） 特點(diǎn)：除了生成聚合物外，并不生成其他任何產(chǎn)物（聚合物中包含了單體中全部的原子）。 典型：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯。 氯乙烯發(fā)生加成聚合反應(yīng)時(shí)，有三種情況：CCCCCCCCHHHHHHHHClHClClHHClHCCCCCCCCHHHHHHHHClHClClH

3、HClHCCCCCCCHHHHHHHClHClClHHHCHCl頭-頭、尾-尾連接頭-尾連接無(wú)規(guī)則連接 連接方式不同，形成分子的性質(zhì)就不同。由加聚反應(yīng)合成的高分子約占合成高分子總量的80%?？s合聚合反應(yīng) 2） 含有雙官能團(tuán)或多官能團(tuán)的單體分子，通過(guò)分子間官能團(tuán)的縮合反應(yīng)把單體分子聚合起來(lái)，同時(shí)生成水、醇、氨等小分子化合物，稱為縮合聚合反應(yīng)。 特點(diǎn)：?jiǎn)误w分子不僅發(fā)生聚合，還生成其他小分子。聚酰胺商品名：尼龍-66。 用途：作合成纖維。單體：已二胺、己二酸。n H2N-(CH2)6-NH2 + n HOOC-(CH2)4-COOHH NH-(CH2)6-N-C-(CH2)4-C nOH + (2n

4、 - 1)H2OHOO的確良商品名：滌綸。 單體：對(duì)苯二甲酸、乙二醇。特點(diǎn)：挺括不皺，易洗易干。n HO-C- -C-OH + n HO-CH2CH2-OHOOHO C- -C-O-CH2CH2-O nH + (2n - 1)H2OOO環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂也由縮聚反應(yīng)得到。共聚合反應(yīng) 3） 將兩種或兩種以上不同的單體進(jìn)行聚合的反應(yīng)為共聚合反應(yīng)，得到的聚合物叫共聚物。 特點(diǎn)：分子與分子發(fā)生的聚合，并不產(chǎn)生其他分子。 按照共聚物中單體分布的不同，可分為交替共聚、嵌段共聚、無(wú)規(guī)共聚和接枝共聚等。交替共聚無(wú)規(guī)共聚嵌段共聚接枝共聚 8.1.3 合成高分子的結(jié)構(gòu)、特性和命名 合成高分子的結(jié)構(gòu)有三種：線型長(zhǎng)鏈

5、狀不帶支鏈的、帶支鏈的和體型網(wǎng)狀的(分子鏈間通過(guò)官能團(tuán)作用發(fā)生交聯(lián))。 線型高分子特點(diǎn)：可蜷曲、彎折，加熱可熔化，可溶于有機(jī)溶劑，易于結(jié)晶。 支鏈高分子特點(diǎn)：與線型高分子類似，密度減小，結(jié)晶能力降低。 體型高分子特點(diǎn)：不熔不溶，耐熱性高，剛性好。 可作工程和結(jié)構(gòu)材料。 注：高分子加熱后并不是馬上熔化變成液體，而是先經(jīng)歷一個(gè)軟化過(guò)程再變?yōu)橐后w。 液體冷卻后，變硬成為固體，再次加熱又能軟化、流動(dòng)的性質(zhì)，即為熱塑性。 熱塑性不但使高分子材料便于加工，而且還可以多次重復(fù)操作。a）熱塑性 b）熱固性 體型高分子因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的交聯(lián)，使其加熱后不會(huì)熔化、流動(dòng)，但當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，體型高分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，這

6、種性質(zhì)稱為熱固性。 注：體型高分子一旦加工成型，不能再通過(guò)加熱重新回到原來(lái)的狀態(tài)。 合成高分子主要成分為C、H、O、N、S及鹵素等元素，比金屬元素輕得多，相對(duì)密度小。 高分子的分子量大，分子中原子數(shù)目多，分子鏈間原子的接觸點(diǎn)多，分子間作用力大，故強(qiáng)度大。 高分子材料因其質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，在不少場(chǎng)合已逐步取代金屬材料的位置。c）密度小、強(qiáng)度高全塑汽車的問(wèn)世 高分子的分子鏈纏繞在一起，許多分子鏈上的基團(tuán)被包在里面，當(dāng)有試劑分子加入時(shí)，只有露在外面的基團(tuán)容易與試劑分子作用，而被包在里面的基團(tuán)不易反應(yīng)，故耐酸、耐腐蝕。d）耐腐蝕號(hào)稱“塑料王” 的聚四氟乙烯耐酸程度遠(yuǎn)超過(guò)金。e）絕緣性、

7、抗輻射 高分子中的分子鏈?zhǔn)窃右怨矁r(jià)鍵結(jié)合起來(lái)的，分子既不能電離，也不能在結(jié)構(gòu)中傳遞電子，故有絕緣性。 高分子對(duì) 、 、 和X等射線有抵抗能力，可以抗輻射。 a. 在單體前加“聚”字。 b. 在簡(jiǎn)化的單體名稱后面加“樹脂”二字。 c. 商業(yè)上還用商品名稱。如：聚氯乙烯的商品名為氯綸；聚乙烯為乙綸；酚醛樹脂為電木。命 名 1907年世界上第一個(gè)合成高分子材料酚醛塑料誕生。8.2 合成高分子材料 8.2.1 塑料 塑料是在一定溫度和壓力下可塑制成型的合成高分子材料，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。 按性能用途分，可分為通用塑料、工程塑料、特種塑料和增強(qiáng)塑料。 通用塑料產(chǎn)量大、用途廣、價(jià)格低，約占全部

8、塑料的80%。 特點(diǎn)：線型高分子，排列規(guī)整、緊密，結(jié)晶度、強(qiáng)度、剛性、熔點(diǎn)高。 用途：臉盆、水桶等。聚乙烯1 乙烯在不同反應(yīng)條件下進(jìn)行加成聚合反應(yīng)可得到不同性能的聚乙烯。 特點(diǎn)：支鏈化程度高，分子排列的規(guī)整性、緊密程度低，結(jié)晶度、密度低，性軟，熔點(diǎn)低。 用途：食品袋、食品匣、奶瓶等。高壓聚乙烯 低壓聚乙烯 聚甲醛的力學(xué)、機(jī)械性能與銅、鋅相似，可做軸承。 聚碳酸酯不但可代替某些金屬，還可代替玻璃、木材和合金等，做各種儀器的外殼、自行車車架等。工程塑料2特種塑料3 特點(diǎn)：優(yōu)良的機(jī)械性能、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性。 典型：聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS塑料等。 用途：工程材料和代替金屬用的塑料。 在高溫

9、、高腐蝕或高輻射等特殊條件下使用的塑料，主要用在尖端技術(shù)設(shè)備上。 聚四氟乙烯有優(yōu)異的絕緣性、抗腐蝕性、耐高溫和低溫，可在-200 250 oC范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。 8.2.2 合成纖維纖維天然纖維化學(xué)纖維人造纖維合成纖維棉、麻、絲、毛人造棉、再生蛋白質(zhì)纖維滌綸、尼龍、腈綸 人造纖維是以天然高分子纖維素或蛋白質(zhì)為原料，經(jīng)過(guò)化學(xué)改性而制成的；合成纖維是由合成高分子為原料，通過(guò)拉絲工藝獲得的纖維。 聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈的產(chǎn)量占世界合成纖維總產(chǎn)量的90%以上。 商品名：滌綸 又名：的確良 用 途：織衣料、運(yùn)輸帶、過(guò)濾布等。 特點(diǎn)：酯基的存在，使分子排列規(guī)整、緊密、結(jié)晶度高，不易變形，受力形變后易恢復(fù)。

10、滌綸織物牢固、易洗、易干，做成的衣服外形挺括，抗皺性好。 聚酯纖維 1） 商品名：尼龍 又名：錦綸 用 途：制魚網(wǎng)、降落傘、絲襪及針織內(nèi)衣等。 分子鏈間各酰胺基存在氫鍵作用，使分子鏈間作用力大為加強(qiáng)，保證了織物的強(qiáng)度。 特點(diǎn)：強(qiáng)度大、彈性好、耐磨性好。 聚酰胺纖維 2） 橡膠分為天然橡膠和合成橡膠。 8.2.3 合成橡膠 n CH2 CH-C CH2CH3 CH2-CH C-CH2 nCH3異戊二烯異戊橡膠n CH2 CH-CH CH2 CH2-CH CH-CH2 n丁二烯順丁橡膠丁苯橡膠苯乙烯彈性好，可做輪胎，膠管，膠鞋，膠粘劑等。彈性很好，耐磨，做飛機(jī)輪胎。耐磨，價(jià)格低，產(chǎn)量大，做外胎，地

11、板，鞋等。 合成 橡膠分為通用橡膠和特種橡膠。通用橡膠是用量較大的橡膠；特種橡膠是在特殊條件下使用的橡膠。 特種橡膠特點(diǎn)：耐高溫和低溫，耐油，耐化學(xué)腐蝕和高彈性。 硅橡膠： 特點(diǎn)：柔軟、光滑（做醫(yī)用制品）、耐高溫（可承受高溫消毒而不變形）。 氟硅橡膠：高彈性材料。 硅硫橡膠：耐高溫、低溫。 丁腈橡膠、聚硫橡膠：耐油性好。-CH2-CH-CH-CH2-3）鋼鐵 合成橡膠缺陷：有可塑性（線型高分子），但強(qiáng)度低，回彈力差，容易產(chǎn)生永久變形。-CH2-CH CH-CH2-CH2-CH CH-CH2-+ Sn-CH2-CH-CH-CH2-SS 機(jī)制：線型橡膠分子之間形成硫橋而交聯(lián)起來(lái)，轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，使

12、橡膠失去塑性，同時(shí)獲得高彈性。 凡能使橡膠由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)、并獲得彈性的物質(zhì)稱為橡膠的硫化劑。 在合成高分子的主鏈或支鏈上接上帶有顯示某種功能的官能團(tuán)，使高分子具有特殊的功能，滿足光、電、磁、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的功能要求，這類高分子通稱為功能高分子。8.3 新型高分子材料1）導(dǎo)電高分子 聚乙炔具有導(dǎo)電性能。機(jī)制：乙炔分子中碳、碳以叁鍵結(jié)合，單體經(jīng)加聚聚合后得到聚乙炔，它是一種單、雙鍵間隔連接的線型高分子，分子中存在共軛鍵體系，電子可在整個(gè)共軛體系中自由流動(dòng)，故可導(dǎo)電。典型：摻碘的聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩。用途：由導(dǎo)電塑料做塑料電池（一個(gè)電極是鋰，另一個(gè)是聚苯胺導(dǎo)電塑料，可多次重復(fù)充電

13、使用，壽命長(zhǎng)）。2）醫(yī)用高分子用高分子材料做成的人工器官有很好的生物相容性，不會(huì)因與人體接觸而產(chǎn)生排斥和其他作用。除了腦、胃和部分內(nèi)分泌器官外，人體中幾乎所有器官都可用高分子材料制造。人造器官醫(yī) 用 高 分 子 材 料人造心臟人造血管人造氣管人 造 腎人 造 鼻人 造 肺人 造 骨人造肌肉人造皮膚醫(yī)用高分子材料及用途硅橡膠、聚氨酯橡膠聚氨酯橡膠、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯有機(jī)硅橡膠、聚乙烯醋酸纖維素、聚酯纖維有機(jī)硅橡膠、聚乙烯聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛樹脂硅橡膠和滌綸織物硅橡膠、聚多肽 “白色污染”成因： 傳統(tǒng)塑料非常穩(wěn)定，耐酸、耐堿，不蛀不霉，將其埋在地下，上百年不會(huì)腐爛，是

14、很嚴(yán)重的社會(huì)公害。 可降解塑料在一定條件下可自行分解成為粉末。合成高分子的主鏈結(jié)合得十分牢固，要降解必須設(shè)法破壞、削弱主鏈的結(jié)合。 降解方法：生物降解、化學(xué)降解和光降解。 典型：生物降解塑料、化學(xué)降解塑料和光降解塑料。3）可降解高分子4）高吸水性高分子 部分高吸水性高分子可吸收超過(guò)自重幾百倍甚至上千倍的水，體積雖然膨脹，但加壓卻擠不出水來(lái)。 典型：“尿不濕”。 高吸水性高分子吸水機(jī)制可能與高分子交聯(lián)后結(jié)構(gòu)中立體網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充有關(guān)。 用途：保鮮包裝材料、人造皮膚、防止土地沙漠化。8.4 復(fù)合材料各類材料缺點(diǎn) 金屬材料易腐蝕；合成高分子材料易老化、不耐高溫；陶瓷材料易碎裂。 復(fù)合材料：將增強(qiáng)體與基體結(jié)合

15、在一起，形成一種能發(fā)揮兩者各自優(yōu)點(diǎn)的材料。 按增強(qiáng)體的形狀分類，復(fù)合材料可分為：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、夾層增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 按基體分類，可分為：樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。 顆粒夾層短纖維增強(qiáng)體的形狀 玻璃鋼 1） 由玻璃纖維和聚酯類樹脂復(fù)合而成的材料。 若將玻璃熔化并以極快的速度拉成細(xì)絲，所得玻璃纖維異常柔軟，可以紡織。 玻璃鋼的制造：將直徑為510 m的玻璃纖維制成紗或織物加到樹脂中，或把玻璃纖維切成短纖維加入基體。 優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗沖擊、絕緣性好。 用途：飛機(jī)、汽車、船舶、建筑和家具等行業(yè)。 尼龍、聚乙烯也可做玻璃纖維的基體。 8.4.1

16、纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 將聚丙烯腈合成纖維在200 300 oC的空氣中加熱使其氧化，后在1000 1500 oC的惰性氣體中碳化。制備方法 碳纖維增強(qiáng)塑料 2） 除了玻璃纖維、碳纖維外，作為纖維增強(qiáng)材料的還有硼纖維、碳化硅纖維等。 新一代運(yùn)動(dòng)器材，如：羽毛球拍、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等都采用碳纖維增強(qiáng)塑料來(lái)做，為運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造世界記錄做出了貢獻(xiàn)。 8.4.2 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料一般在高溫下成形，因此要求作為增強(qiáng)材料的耐熱性要高。 增強(qiáng)體：碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維。 基體金屬：鋁、鎂、鈦及某些合金。 碳纖維增強(qiáng)鋁具有耐高溫、耐熱疲勞、耐紫外線和耐潮濕等性能，可做飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料。 硼纖維增強(qiáng)鋁可用于空間技術(shù)和軍事方