2024-2025學(xué)年高二化學(xué)選擇性必修3人教版課件 5.2 高分子材料

第五章合成高分子第二節(jié)高分子材料高分子材料按用途和性能可分為通用高分子材料（包括塑料、合成纖維、合成橡膠、黏合劑、涂料等）和功能高分子材料（包括高分子分離膜、導(dǎo)電高分子、醫(yī)用高分子、高吸水性樹脂等）等類別。一、通用高分子材料1.塑料塑料的主要成分是合成樹脂，例如，聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂、脲醛樹脂等。此外，為了適應(yīng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活的各種要求，還需要加入各種加工助劑。例如，聚氯乙烯是一種無色、硬質(zhì)、耐熱性差的材料。為改善它的性能，提高實用價值，需要加入以下加工助劑：為提高柔韌性加入增塑劑，為提高耐熱性加入熱穩(wěn)定劑，為賦予它各種漂亮的顏色加入著色劑......加入加工助劑后的聚氯乙烯可以制成雨衣、桌布和各種管材、板材等產(chǎn)品。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)的原則同樣適用于高分子。例如，聚乙烯、聚氯乙烯等制成的塑料制品可以反復(fù)加熱熔融加工，是熱塑性塑料；而用具有不同結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂等制成的塑料制品不能加熱熔融，只能一次成型，是熱固性塑料。下面分別以聚乙烯和酚醛樹脂為例來說明高分子結(jié)構(gòu)對性能的影響。（1）聚乙烯

聚乙烯具有極其廣泛的用途，按合成方法可分為高壓法聚乙烯和低壓法聚乙烯。高壓法聚乙烯是在較高壓力與較高溫度，并在引發(fā)劑①作用下，使乙烯發(fā)生加聚反應(yīng)得到的，含有較多支鏈，密度和軟化溫度較低，屬于低密度聚乙烯（LDPE）。低壓法聚乙烯是在較低壓力和溫度下，用催化劑使乙烯發(fā)生加聚反應(yīng)得到的，支鏈較少，密度和軟化溫度較高，屬于高密度聚乙烯（HDPE）。我們知道，烷烴分子中的碳碳單鍵可以圍繞鍵軸旋轉(zhuǎn)而不影響鍵的強度。聚乙烯分子鏈上的碳原子完全由碳碳單鍵相連，可以想象，常溫下聚乙烯分子鏈上的碳碳單鍵可以發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使分子鏈不可能呈一條直線，只能呈不規(guī)則的卷曲狀態(tài)。大量聚乙烯分子糾纏在一起，好似一團(tuán)亂麻。當(dāng)有外力作用時，卷曲的高分子鏈可以被拉直或部分被拉直，除去外力后又恢復(fù)卷曲狀態(tài)。因此，一般的高分子材料都具有一定的彈性。為什么低密度聚乙烯比高密度聚乙烯的軟化溫度低、密度也低呢？這是因為高分子鏈之間的作用力與鏈的長短有關(guān)，高分子鏈越長，高分子相對分子質(zhì)量越大，高分子鏈之間的作用力越大。此外，還與高分子鏈之間的疏密遠(yuǎn)近有關(guān)。低密度聚乙烯的主鏈有較多長短不一的支鏈，支鏈結(jié)構(gòu)有礙碳碳單鍵的旋轉(zhuǎn)和鏈之間的接近，鏈之間的作用力就比高密度聚乙烯的小，軟化溫度和密度也就較低；相反，高密度聚乙烯的支鏈較少，鏈之間易于接近，相互作用力較大，軟化溫度和密度都較高。這兩種聚乙烯加熱均可熔融，也可溶于某些溶劑中。低密度聚乙烯可用于生產(chǎn)食品包裝袋等薄膜制品，不用加入增塑劑就顯得十分柔軟。高密度聚乙烯較硬一些，可用于生產(chǎn)瓶、桶、板、管與棒材等。通過改進(jìn)聚合反應(yīng)的催化劑得到的超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（相對分子質(zhì)量大于106），具有高強度和高耐磨性，使用溫度范圍廣，耐化學(xué)腐蝕，可用于制造防彈服、防彈頭盔、繩纜等。（2）酚醛樹脂

酚醛樹脂是人們較早就開始使用的合成高分子，其生產(chǎn)歷史已超過百年。它是酚（如苯酚或甲苯酚等）與醛（如甲醛）在酸或堿的催化下相互縮合而成的高分子。

（1）在大試管中加入2g苯酚、3mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的甲醛溶液和3滴濃鹽酸，在水浴中加熱。當(dāng)試管中反應(yīng)物接近沸騰時，從水浴中取出試管，并用玻璃棒攪拌，觀察產(chǎn)物的顏色和狀態(tài)。

（2）在另一大試管中加入2g苯酚和3mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的甲醛溶液，置于水浴中加熱片刻，稍加振蕩后，加入0.5mL濃氨水，在水浴中加熱，注意與（1）中酸催化的聚合反應(yīng)進(jìn)行比較。實驗結(jié)果表明，苯酚與甲醛在酸或堿作用下均可發(fā)生縮聚反應(yīng)生成樹脂。在酸催化下，等物質(zhì)的量的苯酚與甲醛反應(yīng)，苯酚鄰位或?qū)ξ坏臍湓优c甲醛的羰基加成生成羥甲基苯酚，然后羥甲基苯酚之間相互脫水縮合成線型結(jié)構(gòu)的高分子。在堿催化下，苯酚與過量的甲醛反應(yīng)，生成羥甲基苯酚的同時，還生成二羥甲基苯酚、三羥甲基苯酚等，繼續(xù)反應(yīng)就可以生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂。具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子受熱后不能軟化或熔融，也不溶于一般溶劑。酚醛樹脂主要用作絕緣、隔熱、阻燃、隔音材料和復(fù)合材料。可用于生產(chǎn)烹飪器具的手柄，一些電器與汽車的零部件，火箭發(fā)動機、返回式衛(wèi)星和宇宙飛船外殼等的燒蝕材料。2.合成纖維纖維是人們生活中的必需品。棉花、羊毛、蠶絲和麻等是大自然賦予人們的天然纖維；以木材、秸稈等農(nóng)副產(chǎn)品為原料，經(jīng)加工處理可以得到再生纖維；以石油、天然氣、煤、農(nóng)副產(chǎn)品等為原料，將其轉(zhuǎn)化為單體，再經(jīng)過聚合反應(yīng)得到的是合成纖維。再生纖維與合成纖維統(tǒng)稱為化學(xué)纖維。合成纖維工業(yè)創(chuàng)立于20世紀(jì)30年代。合成纖維性能優(yōu)異，用途廣泛，而且生產(chǎn)條件可控，原料來源豐富，不受自然條件影響。合成纖維的這些特點使其生產(chǎn)得到了迅速發(fā)展。錦綸、滌綸、腈綸、維綸、氯綸、丙綸等合成纖維具有強度高、彈性好、耐腐蝕、不縮水、保暖等優(yōu)點，受到人們的歡迎。合成纖維除了滿足人們的穿著需求外，還廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與高科技領(lǐng)域。例如，工業(yè)用的隔音、隔熱、絕緣材料，漁業(yè)用的漁網(wǎng)、纜繩，醫(yī)療用的縫合線、止血棉，航空航天用的降落傘、航天服，等等。合成纖維的優(yōu)點很多，缺點也很明顯，除了維綸吸濕性較好，其他合成纖維的吸濕性和透氣性明顯不及天然纖維。為了綜合天然纖維與合成纖維兩者的優(yōu)點，科技工作者將兩類纖維混合紡織，使它們的性能互補而得以改善。（1）聚酯纖維

合成纖維中產(chǎn)量最大的是聚酯纖維中的滌綸。滌綸是聚對苯二甲酸乙二酯纖維的商品名稱，它是對苯二甲酸與乙二醇在催化劑作用下發(fā)生縮聚反應(yīng)生產(chǎn)的。滌綸纖維的強度大，耐磨，易洗，快干，保形性好，但透氣性和吸濕性差，可以與天然纖維混紡獲得改進(jìn)。滌綸是應(yīng)用最廣泛的合成纖維品種，大量用于服裝與床上用品（如運動服、被套、睡袋等）、各種裝飾布料、國防軍工特殊織物（航天服、降落傘），以及工業(yè)用纖維制品（過濾材料、絕緣材料、輪胎簾子線、傳送帶）等。（2）聚酰胺纖維

聚酰胺纖維中的錦綸是較早面世的合成纖維之一。美國化學(xué)家卡羅瑟斯（W.H.Carothers，1896—1937）在研究脂肪族二元羧酸與脂肪族二元醇的縮聚反應(yīng)時，得到的聚酯性能不理想，轉(zhuǎn)而研究己二胺與己二酸的縮聚反應(yīng)，成功合成了聚己二酰己二胺纖維（又稱錦綸66、尼龍66，兩個數(shù)字6分別代表二胺和二酸分子中所含碳原子的個數(shù)）。聚己二酰己二胺不溶于普通溶劑，熔化溫度高于260℃，拉制的纖維具有天然絲的外觀和光澤，耐磨性和強度超過當(dāng)時任何一種纖維。20世紀(jì)40年代前后，使用尼龍生產(chǎn)的絲襪、降落傘、漁網(wǎng)、輪胎簾子線等產(chǎn)品陸續(xù)問世。此后，人們開始生產(chǎn)由6-氨基己酸合成的錦綸6、由癸二酸和癸二胺合成的錦綸1010等脂肪族聚酰胺纖維（錦綸），以及耐高溫、高強度的芳香族聚酰胺纖維（芳綸）。3.合成橡膠橡膠是一類具有彈性的物質(zhì)，在外力作用下，橡膠的形狀會發(fā)生改變，去除外力后又能恢復(fù)原來的形狀。橡膠廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通及日常生活的方方面面。僅每年制造汽車、飛機用的輪胎就要消耗大量的橡膠，天然橡膠無論是產(chǎn)量還是性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。合成橡膠早在20世紀(jì)初就已問世，20世紀(jì)40年代得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)在已經(jīng)有了丁苯橡膠、順丁橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠、硅橡膠等，它們各自在耐磨、耐油、耐寒、耐熱、耐腐蝕等方面有著獨特的優(yōu)勢。橡膠的相對分子質(zhì)量比大多數(shù)塑料和合成纖維的都要高，一般在105~106。我們以順丁橡膠為例來了解合成橡膠的概貌。順丁橡膠是以1,3-丁二烯為原料，在催化劑作用下發(fā)生加聚反應(yīng)得到的以順式結(jié)構(gòu)為主的聚合物。該聚合物呈線型結(jié)構(gòu)，分子鏈較柔軟，性能較差。將其與硫等硫化劑混合后加熱，硫化劑將聚合物中的雙鍵打開，以二硫鍵（—S—S—）等把線型結(jié)構(gòu)連接為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到既有彈性又有強度的順丁橡膠。但硫化交聯(lián)的程度不宜過大，否則會使橡膠失去彈性。順丁橡膠具有很好的彈性，耐磨、耐寒性好，主要用于制造輪胎。天然橡膠是順式聚異戊二烯，杜仲膠是反式聚異戊二烯，你能寫出杜仲膠的結(jié)構(gòu)簡式嗎？二、功能高分子材料為了適應(yīng)高科技產(chǎn)業(yè)對材料的要求，化學(xué)工作者合成了具有某些特殊化學(xué)、物理及醫(yī)學(xué)功能的高分子材料。例如，用于化學(xué)反應(yīng)的高分子催化劑，用于分離純化的各種濾膜，用于信息存儲的磁性高分子，用于傳感器的形狀記憶高分子，用于吸水保水的高吸水性材料，可以替代人體器官、組織的醫(yī)用高分子材料，用于藥物緩釋的高分子藥物，等等。人們探索這些功能高分子材料時，需要考慮高分子的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，設(shè)計出擁有某種功能的高分子的結(jié)構(gòu)，以及合成它的路線與方法。1.高吸水性樹脂高吸水性樹脂可在干旱地區(qū)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)抗旱保水，改良土壤。例如，在苗木根部放上一些吸足了水的高吸水性樹脂，可以使苗木在生長發(fā)育過程中有充足的水。再如，嬰幼兒使用的紙尿褲可吸入自身質(zhì)量數(shù)百倍的尿液而不滴漏，保證了嬰幼兒白天活動與夜晚安睡。人們從棉花、紙張等含纖維素物質(zhì)的吸水性得到啟發(fā)，了解到它們的吸水性與纖維素分子鏈帶有許多親水的羥基有關(guān)。但是它們的吸水量只有自身質(zhì)量的20~40倍，擠壓后保有的水量也比較少。人們要得到比棉花和紙張的吸水性更好，且耐擠壓、保水性好的高吸水性材料，可以有兩種思路：一是改造纖維素或淀粉分子，接入強親水基團(tuán)；二是合成新的帶有強親水基團(tuán)的高分子。（1）淀粉、纖維素等天然吸水材料的改性。在淀粉或纖維素的主鏈上再接入帶有強親水基團(tuán)的支鏈，可以提高它們的吸水能力。例如，淀粉與丙烯酸鈉在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，生成以淀粉為主鏈的接枝共聚物。為防止此共聚物溶于水，還需在交聯(lián)劑作用下生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的淀粉-聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂。這種樹脂具有強大的吸水和保水能力，同時還是可生物降解的綠色材料。（2）用帶有強親水基團(tuán)的烯類單體進(jìn)行聚合，得到含親水基團(tuán)的高聚物。例如，在丙烯酸鈉中加入少量交聯(lián)劑，再在一定條件下發(fā)生聚合，可得到具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂。1.絕大多數(shù)高吸水性樹脂的主鏈或接枝側(cè)鏈上含有羧基、羥基等強親水性官能團(tuán)，這些親水基團(tuán)與水的親和作用是其具有強吸水性的最主要內(nèi)因。2.高吸水性樹脂分子中含有強吸水性基團(tuán)和一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即具有一定的交聯(lián)度，導(dǎo)致高吸水性樹脂能吸水溶脹但不溶于水。2.高分子分離膜天然存在的物質(zhì)和人工合成得到的產(chǎn)物往往是不純的，需要經(jīng)過分離純化才能得到較純的物質(zhì)。例如，海水中含有豐富的無機鹽，若要將海水轉(zhuǎn)化為淡水，就要設(shè)法