第八章合成高分子材料

第八章合成高分子材料第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

合成材料是人們運用化學方法人工合成出自然界中不存在的材料，大致可分為無機合成材料和有機合成材料。第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

特點：由幾個或幾十個原子通過化學鍵結合形成，分子量在幾十到幾百。8.1

高分子的結構和特性小分子

8.1.1高分子

高分子

特點：由一千個以上的原子通過化學鍵結合形成，分子量可達幾萬到幾百萬。第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

存在于自然界中的高分子化合物稱為天然高分子利用化學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；高聚物中重復的結構單元稱為鏈節(jié)；所含鏈節(jié)的數(shù)目稱為聚合度。聚乙烯CCHHHH第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一合成高分子產(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：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：用石油煉制時原料成本低，且石油中所含的有用成分相對較高。

由上述產(chǎn)品得到的有機小分子作單體，通過聚合反應可合成高分子。第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一加成聚合反應

1）

特點：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)生加成聚合反應時，有三種情況：CCCCCCCCHHHHHHHHClHClClHHClHCCCCCCCCHHHHHHHHClHClClHHClHCCCCCCCHHHHHHHClHClClHHHCHCl頭-頭、尾-尾連接頭-尾連接無規(guī)則連接第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

連接方式不同，形成分子的性質就不同。由加聚反應合成的高分子約占合成高分子總量的80%?？s合聚合反應

2）

含有雙官能團或多官能團的單體分子，通過分子間官能團的縮合反應把單體分子聚合起來，同時生成水、醇、氨等小分子化合物，稱為縮合聚合反應。特點：單體分子不僅發(fā)生聚合，還生成其他小分子。聚酰胺商品名：尼龍-66。

用途：合成纖維。單體：已二胺、己二酸。第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一nH2N-(CH2)6-NH2+nHOOC-(CH2)4-COOHH

[

NH-(CH2)6-N-C-(CH2)4-C]nOH+(2n-1)H2OHOO的確良商品名：滌綸。單體：對苯二甲酸、乙二醇。特點：挺括不皺，易洗易干。nHO-C--C-OH+nHO-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得到。第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一共聚合反應

3）

將兩種或兩種以上不同的單體進行聚合的反應為共聚合反應，得到的聚合物叫共聚物。特點：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、無規(guī)共聚和接枝共聚等。交替共聚無規(guī)共聚嵌段共聚接枝共聚第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

8.1.3合成高分子的結構、特性和命名

合成高分子的結構(3種)：線型長鏈狀不帶支鏈的、帶支鏈的和體型網(wǎng)狀的(分子鏈間通過官能團作用發(fā)生交聯(lián))。

線型高分子特點：可蜷曲、彎折，加熱可熔化，可溶于有機溶劑，易于結晶。支鏈高分子特點：與線型高分子類似，密度減小，結晶能力降低。體型高分子特點：不熔不溶，耐熱性高，剛性好。

【可作工程和結構材料】第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一注：高分子加熱后并不是馬上熔化變成液體，而是先經(jīng)歷一個軟化過程再變?yōu)橐后w。液體冷卻后，變硬成為固體，再次加熱又能軟化、流動的性質，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操作。a）熱塑性b）熱固性體型高分子因其內(nèi)部結構的交聯(lián)，使其加熱后不會熔化、流動，但當加熱到一定溫度時，體型高分子結構遭到破壞，這種性質稱為熱固性。注：體型高分子一旦加工成型，不能再通過加熱重新回到原來的狀態(tài)。第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

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多，分子間作用力大，故強度大。高分子材料因其質輕、強度高、耐腐蝕、價廉等優(yōu)點，在不少場合已逐步取代金屬材料的位置。c）密度小、強度高全塑汽車的問世

高分子的分子鏈纏繞在一起，許多分子鏈上的基團被包在里面，當有試劑分子加入時，只有露在外面的基團容易與試劑分子作用，而被包在里面的基團不易反應，故耐酸、耐腐蝕。d）耐腐蝕號稱“塑料王”的聚四氟乙烯耐酸程度遠超過金。第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一e）絕緣性、抗輻射

高分子中的分子鏈是原子以共價鍵結合起來的，分子既不能電離，也不能在結構中傳遞電子，故有絕緣性。高分子對、、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。命名第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一1907年,世界上第一個合成高分子材料——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、特種塑料和增強塑料。

通用塑料產(chǎn)量大、用途廣、價格低，約占全部塑料的80%。第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

特點：線型高分子，排列規(guī)整、緊密，結晶度、強度、剛性、熔點高。用途：臉盆、水桶等。聚乙烯1

乙烯在不同反應條件下進行加成聚合反應可得到不同性能的聚乙烯。①

特點：支鏈化程度高，分子排列的規(guī)整性、緊密程度低，結晶度、密度低，性軟，熔點低。用途：食品袋、食品匣、奶瓶等。高壓聚乙烯②低壓聚乙烯第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

聚甲醛的力學、機械性能與銅、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：優(yōu)良的機械性能、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、高腐蝕或高輻射等特殊條件下使用的塑料，主要用在尖端技術設備上。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-200~250oC范圍內(nèi)長期使用。第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

8.2.2合成纖維纖維天然纖維化學纖維人造纖維合成纖維棉、麻、絲、毛人造棉、再生蛋白質纖維滌綸、尼龍、腈綸

人造纖維是以天然高分子纖維素或蛋白質為原料，經(jīng)過化學改性而制成的；合成纖維是由合成高分子為原料，通過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。第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

商品名：滌綸

又名：的確良

用途：織衣料、運輸帶、過濾布等。

特點：酯基的存在，使分子排列規(guī)整、緊密、結晶度高，不易變形，受力形變后易恢復。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，保證了織物的強度。特點：強度大、彈性好、耐磨性好。

聚酰胺纖維2）第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

橡膠分為天然橡膠和合成橡膠。

8.2.3合成橡膠

nCH2CH-CCH2CH3

[

CH2-CHC-CH2]nCH3異戊二烯異戊橡膠nCH2CH-CHCH2

[

CH2-CHCH-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，做飛機輪胎。耐磨，價格低，產(chǎn)量大，做外胎，地板，鞋等。第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

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：耐高溫和低溫，耐油，耐化學腐蝕和高彈性。硅橡膠：

特點：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。第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一…-CH2-CH-CH-CH2-…3）鋼鐵

合成橡膠缺陷：有可塑性（線型高分子），但強度低，回彈力差，容易產(chǎn)生永久變形?！?CH2-CHCH-CH2-……-CH2-CHCH-CH2-…+Sn…-CH2-CH-CH-CH2-…SS

機制：線型橡膠分子之間形成硫橋而交聯(lián)起來，轉變?yōu)轶w型結構，使橡膠失去塑性，同時獲得高彈性。凡能使橡膠由線型結構轉變?yōu)轶w型結構、并獲得彈性的物質稱為橡膠的硫化劑。第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

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，使高分子具有特殊的功能，滿足光、電、磁、化學、生物、醫(yī)學等方面的功能要求，這類高分子通稱為功能高分子。8.3

新型高分子材料1）導電高分子

聚乙炔具有導電性能。

機制：乙炔分子中碳、碳以叁鍵結合，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，電子可在整個共軛體系中自由流動，故可導電。第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

典型：摻碘的聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩。

用途：由導電塑料做塑料電池（一個電極是鋰，另一個是聚苯胺導電塑料，可多次重復充電使用，壽命長）。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。第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一人造器官醫(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、聚對苯二甲酸乙二酯有機硅橡膠、聚乙烯醋酸纖維素、聚酯纖維有機硅橡膠、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、聚多肽第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

“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，上百年不會腐爛，是很嚴重的社會公害。

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合得十分牢固，要降解必須設法破壞、削弱主鏈的結合。降解方法：生物降解、化學降解和光降解。

典型：生物降解塑料、化學降解塑料和光降解塑料。3）可降解高分子第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一4）高吸水性高分子

部分高吸水性高分子可吸收超過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。

典型：“尿不濕”。高吸水性高分子吸水機制可能與高分子交聯(lián)后結構中立體網(wǎng)絡擴充有關。用途：保鮮包裝材料、人造皮膚、防止土地沙漠化。第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一8.4

復合材料各類材料缺點

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。

復合材料：將增強體與基體結合在一起，形成一種能發(fā)揮兩者各自優(yōu)點的材料。

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