材料导论部分翻译.doc

16 聚合物孩子：你有没有想过？ 小型激光唱片时什么制造的? 橡皮泥是什么做的？ 第一个合成纤维是用做什么了？ 为什么有些塑料可以做洗碗机，有些不可以？Why? 防弹背心是用什么制成的？ 什么聚合物用于不沾炊具？ MER这个词意味着一个“单元”在这种情况下,大量mer指一个单位的定义特点安排一个原子或分子聚合物。聚合物可以被认为是结合的一些东西或单位的材料。聚合物材料是加入许多过化学键或单位组成的大分子,连锁分子平均分子量10000超过1000000克/摩尔的材料。分子量的定义是在每个分子原子质量的总和。碳基固体或液体,大多数聚合物;然而,他们可以是无机(如。基于硅树脂的网络)。塑料是高分子材料,由主要包含添加剂,如纤维、填料、颜料等,进一步提高他们的属性。塑料包括热塑性塑料(商品和工程),热固性材料、弹性体(天然或合成)。在这本书中,我们使用塑料和聚合物交替使用条款。聚合的过程是一个单位组成的小分子(称为单体)或几个单元(称为寡聚物)化学与创建这些巨大的分子。聚合通常始于生产长链原子的强加入共价键。塑料用于惊人数量的应用程序包括服装、玩具、家电、结构和装饰物品、涂料、油漆、胶粘剂、汽车轮胎、生物医学材料、汽车保险杠和内饰,泡沫材料,和包装。聚合物通常用于复合材料,纤维,一个矩阵。液晶显示器(LCD)是基于聚合物。我们也使用聚合物在光致变色镜片。塑料通常用于制造电子元件由于其绝缘能力和较低的介电常数。最近,灵活的电子设备领域的基于压电有用领域有重大发展。,半导性、光学和光电特性在某些聚合物。聚合物如聚醋酸乙烯酯(PVA)是水溶性的。许多这样的聚合物可以溶解在水或有机溶剂,用作粘结剂、表面活性剂、增塑剂或加工陶瓷和半导体,许多消费产品和添加剂。聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚合物组成的一部分用于汽车挡风玻璃的夹层玻璃。聚合物可能使用更多的技术比其他任何类的材料。商业标准和标准商品是轻量级、强度和刚度较低的耐蚀材料,他们不适合在高温下使用。然而,这些聚合物相对便宜,很容易形成各种形状,各种形式的塑料袋机械齿轮浴缸。在升高的温度下工程聚合物设计给改进的力量或有更好的性能。这些材料是在相对少量的情况下生产,经常生产是非常贵的。一些工程聚合物可以在温度高达350执行,在纤维形态下比钢的优势更好，。聚合物也有许多有用的物理性质。丙烯酸树脂等聚合物树脂玻璃 和透明合成树脂 （商标）是透明的,可以代替眼镜。尽管大多数聚合物电绝缘体,特殊的聚合物(如缩醛)和聚合物基复合材料具有有用的导电性。 高分子 聚四氟乙烯；铁氟龙（商标名） TM低摩擦系数,不粘炊具的涂层。聚合物也能抗腐蚀和化学攻击。第一节聚合物的分类聚合物根据几个方面进行分类,通过分子是如何合成的,通过他们的分子结构,或它们的化学家族。聚合物进行分类的一种方法是,如果是线性聚合物或聚合物支化聚合物(图1)，一个线性聚合物分子链组成的杂乱，支化聚合物,主要有聚合物链和二级分支的小型链主要源于这些链。注意,尽管我们说“线性”链实际上不是直线的形式。一个更好的方法来描述聚合物的机械和热性能。表1比较了三个主要的聚合物类别。 (a)(b)(c)(d)图1 大致概要的显示线性和支化聚合物。注意,分支可以发生在任何类型的聚合物(如。、热塑性塑料、热固性材料和弹性体)。(一)线性无支链的聚合物:注意链不是直线,没有连接。不同的聚合物链显示使用不同的颜色和设计展示清楚,每个链不是连接到另一个地方。(b)线性支化聚合物:链不联系,但是他们有分支。(c)没有分支:热固性聚合物链通过共价键连接到另一个,但他们没有分支。加入点是突出显示与坚实的圈子。(d)热固性聚合物的树枝和链条,通过共价键相互连接。不同的链和分支所示不同色调更好的对比。链的地方实际上是化学结合显示了圈。表1比较了三种聚合物类别行为结构例子热塑性 弹性线性链(直线或分支)聚乙烯热固性 刚性三维网络(支链可能是线性)聚氨酯弹性体热塑性 塑料或轻度交联热固性材料,由弹簧状分子性质的橡胶 热塑性塑料是由长链由拼接单体;他们通常表现在塑料和韧性。链可能有也可能没有分支。个别的链是缠绕的。在不同链原子中有弱弱得范德华凝固力。这有点类似几棵树,纠缠在一起。树可能有也可能没有分支机构,每个树是个本身,而不是连接到另一个地方。热塑性塑料可以解开的链的拉应力。热塑性塑料可以无定形或结晶。在加热时热塑性塑料就会软化和熔化。他们是通过加热升高温度加工成形状。热塑性塑料很容易回收。热固性聚合物是由长链(线性或分支)强烈的分子相互交联形成三维网络结构。网络或热固性聚合物就像一串字符串打结,在几个地方,而不仅仅是缠绕。每个字符串可能与另一个相连。热固性材料通常是强,但更脆弱,比热塑性塑料。热固性材料不融化在加热但开始分解。他们不容易发生交联反应后再加工,因此回收是很困难的。这些被称为橡胶弹性体。他们有一个弹性变形 200%。这些可能是热塑性塑料或轻度交联热固性材料。聚合物链由coil-like分子能够可逆地运用力量。热塑性弹性体是一种特殊的聚合物。他们的处理缓解热塑性塑料和弹性体的弹性行为。代表结构的图2显示了三种方式我们可以代表一段聚乙烯,最简单的热塑性塑料。聚合物链由一个碳原子的支柱;两个氢原子键,每个碳原子的链。曲折链在空间。在图中,聚乙烯没有分支机构,因此是一个线性热塑性。图2中的简单的二维模型(c)包括聚合物结构的基本要素,并将用于描述各种聚合物。单一线(-)之间的碳原子和碳原子和氢原子之间的代表一个共价键。两条平行线(=)代表一个双原子之间的共价键。许多聚合物包括环结构。如聚苯乙烯中的苯环和其他聚合物(图3)。图2三种方式来表示的结构聚乙烯;(一)固体三维模型,(b)一个三维的“空间”模型,和(c)一个简单的二维模型。结构如图2所示(c),如果我们取代的氢原子CH2(CH3),一个苯环,或氯,我们得到聚丙烯的结构、聚苯乙烯、聚氯乙烯(PVC),分别为。如果我们更换了所有H浓度组与氟(F),我们得到聚四氟乙烯TM的聚四氟乙烯的结构。就像许多其他的发现聚四氟乙烯TM也是偶然发现的。许多聚合物结构从而可以来源于聚乙烯的结构。下面的例子显示了如何使用不同类型的聚合物。图3两种方法来表示苯环。在这种情况下,显示了苯环连接到一对碳原子,生产苯乙烯。示例1设计/材料为聚合物组件选择设计的高分子材料的类型可以选择以下应用:外科医生的手套,一个饮料容器和一个滑轮。解决方案手套为了带上合适必须有一定延伸能力,但它必须严格遵循手在手术过程中允许的最大感触。外科手术材料经历了大量的弹性张力训练以适合应用相对较少的应用:这种需求描述了一种弹性体。饮料容器应该容易和经济生产。它应该有延性和韧性,这样它就不会意外破碎,泄露里面东西。如果碳酸饮料,二氧化碳的扩散是一个主要问题。等热塑性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)会对这个必要的成型性能和延性有应用的需要。轮会受到一些压力或者穿通。相对强劲,刚性,硬质材料需要防止磨损,所以可能最合适的是热固性聚合物。第二节加法和缩聚反应加成聚合反应和缩聚反应的两个主要方式进行“聚合”(创建一个聚合物)。这些过程被称为聚合物来自加法和缩合聚合物,分别。最常见的聚合物的形成,从乙烯分子聚乙烯(PE),添加或chain-growth聚合的一个例子。乙烯气体,单体(单个单元)和公式C2H4。两个碳原子与双共价键。每个碳原子股票两个与第二个碳原子的电子,和两个氢原子结合每个碳原子(图4)。图4添加生产聚乙烯的反应从乙烯分子。不饱和双键的单体是破碎产生活跃的部位,然后吸引更多的重复单元产生一个链。在存在一个适当的热量、压力,和催化剂之间的双键碳原子被打破,取而代之的是一个共价键。双键的不饱和键。改变单一单键后,加入了碳原子,但是他们变得活跃;其他重复单位或者单体即可以添加到生产聚合物链中。我们需要聚合物的平均分子量和分子量分布控制。因此,聚合反应必须有一个“关闭”开关!通过两种机制链可能会终止。首先,两个增长链的末端可能加入。这一过程,称为组合,创建一个单一的大型连锁从两个较小的连锁店。第二,活动结束一个链可以删除一个氢原子从第二个链由一个过程称为歧化。这种反应终止两个链,而不是结合两个链成一个更大的连锁店。有时,化合物称为终端被添加到聚合反应结束。一般热塑性塑料,平均分子量越高越高将熔化温度和较高的聚合物的杨氏模量。下面的例子展示了一个加成聚合反应的反应。示例2计算所需的启动程序计算所需的过氧化苯甲酰引发剂1公斤的平均分子量的聚乙烯200000克/摩尔。聚合度是什么?假设20%的启动程序实际上是有效的,所有终止发生的组合机制。解决方案100%的效率,我们需要一个分子的过氧化苯甲酰聚乙烯链。自由基会启动一个链之一,另一个自由基第二链;然后,两个链组合成一个更大的一个。的分子量乙烯=(2 c)(12)+(4小时)(1)= 28克/摩尔。因此,聚合度是:= 7143 乙烯分子/链 结合机制要求的数量过氧化苯甲酰分子:过氧化苯甲酰的分子量(14 C)(12) + (10 H)(1) + (4 O)(16) = 242 g/mol .因此,引发剂需要表单链的两端的量是：:然而,实际上只有20%的引发剂是有效的,其余的重组或结合其他分子,不会引起启动链。因此,我们需要这个数量的5倍,每公斤或6.03克过氧化聚苯乙烯。缩聚反应聚合物链也可以通过缩合反应,形成或初步生长的聚合,生产结构和属性加成聚合物相似的。在缩聚反应,一个相对较小的分子(例如水、乙醇、甲醇等)形成的聚合反应。这种机制可能往往涉及不同的单体或前体分子开始。二甲基对酞盐酸和乙二醇生产聚酯的聚合是一个重要的例子(图5)。二甲基对酞盐酸乙二醇对聚对苯二甲酸乙二醇酯重复单元（PET聚合物)甲醇(副产品)图5聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的缩合反应,一种常见的聚酯。OCH3组和从单体中删除,允许两个单体加入和生产methy1酒精作为副产品。在聚合物中,氢原子的乙二醇单体结合一个OCH3(甲氧基)二甲基对苯二酸酯组。甲醇(CH3OH),副产品是“浓缩”,两个单体结合产生一个更大的分子。每个双官能单体在这个例子中,和缩聚反应可以继续同样的反应。最终,一个长的聚合物链一个聚酯生产。聚酯的重复单元包含两个原始单体:乙二醇和二甲基对苯二酸酯。高分子链的长度取决于的单体可以扩散到结束并进行缩合反应。当不再有单体到达链继续反应链增长停止。缩合聚合反应也发生在陶瓷材料的溶胶-凝胶处理。下面的例子描述了尼龙和计算的发现与缩聚反应有关。示例3缩聚反应的6-Nylon尼龙被华莱士休谟卡罗瑟斯首次报道,杜邦大约在1934年,1939年,杜邦的查尔斯斯坦报道发现第一个合成纤维的3000名妇女聚集在纽约世界博览会。第一个应用的产品是强大的尼龙长袜。今天尼龙是数百个应用领域里使用。尼龙之前,卡罗瑟斯发现了氯丁橡胶(弹性体)。线性聚合物6日6-Nylon是由结合1000克己二胺和己二酸。然后缩合反应生成的聚合物。说明这个反应发生并确定形式的副产品。需要多少克的己二酸,以及6日6-nylon,假设100%的效率?解决方案单体的分子结构如下所示。线性尼龙链时产生的氢原子己二胺和己二酸的结合形成水分子。注意,反应可以继续新分子的两端,因此,可能形成长链。这种聚合物称为6日6-nylon因为单体含有六个碳原子我们可以确定,环己烷二胺的分子量是116克/摩尔,己二是146克/摩尔,水是18克/摩尔。环己烷二胺的摩尔数增加(计算)等于己二酸的摩尔数:1000g = 8.62 moles =x g 116 g/mol146 g/molx = 1259g 所需的己二酸水丧失的摩尔数是8.621:y = (8.621 moles)(18 g/mol) = 155.2g H2O但是每次一个单体连接的同时会一个水释放。因此,尼龙产生的总量：1000g + 1259g 2(155.2g) = 1948.6g第三节聚合度聚合物与有机或无机化合物不同,没有一个固定的分子量。例如,聚乙烯的分子量范围从25000 - 600万 !平均长度的线性聚合物的聚合度表示,或链的重复单元的数量。聚合度也可以定义为:聚合度=平均分子量的聚合物分子量的重复单元如果聚合物只包含一种类型单体,分子量的重复单位的单体。如果聚合物包含多个类型的单体,重复单元的分子量单体的分子量的总和,减去副产物的分子量。以线性聚合物链的长度差别最大。一些就可能很短,由于提前终止,其他可能非常长。我们可以通过两种方式定义平均分子量。重量平均分子量是除以链到的尺寸范围,可以确定链条的分数有在分子量范围内。重量平均分子量兆瓦Mw =fiMiMw平均分子量范围和重量分数的聚合物链的范围内。数量平均分子量锰是基于零头数量,而不是重量分数,内链的每一个尺寸范围。它总是小于体重平均分子量：给出的锰=xiMi每个尺寸范围的平均分子量,主链的总数的分数在每个区间。Mw或锰可以用来计算聚合度。以下两个例子说明这些概念。6-Nylon示例4聚合度为6日计算聚合度如果6,6-nylon分子量为120000克/摩尔。解决方案6的反应,产生6-nylon示例3中描述。己二胺和己二酸结合并释放一个水分子。当一个长链形式,平均来说,一个水分子释放反应分子。分子量是116 g /环己烷二胺的摩尔,146克/摩尔己二酸,和18克/摩尔水。6日的重复单元6-nylon是:重复单元的分子量是两个单体的分子量之和,减去两个形成的水分子:Mrepeat unit = 116 + 146 2(18) = 226 g/mol高分子 聚合度=120,000= 531226聚合度指链中重复单元的总数。链包含531个531年己二胺和