有机高分子材料课件PPT.ppt

科院 有机高分子化合物讲解 内容提要 1 基本概念 链节 聚合度 单体2 分类与命名3 高分子链的结构 线型 支链型 体型4 高分子化合物的力学性质 晶区模型非晶态聚合物的温度变形曲线玻璃态 高弹态 粘流态高分子材料应用的适宜温度范围 今天 大到国民经济 小到日常生活都与高分子材料息息相关 可称为 高分子化合物时代 高分子材料在二战前后得到了迅速发展 到上世纪末 光是塑料在体积上就明显超过了钢铁 高分子化合物 天然高分子与合成高分子 棉 毛 蚕丝和蛋白质等都是天然高分子材料 合成高分子材料主要包括塑料 橡胶与纤维三大合成材料 其中塑料占总量的80 功能高分子材料 人们还可以通过各种手段 用物理的或化学的方法 或者使高分子与其他物质相互作用后产生物理或化学变化 从而使高分子化合物成为能完成特殊功能的功能高分子材料 物理功能高分子材料 物理功能高分子材料如导电高分子 高分子半导体 光导电高分子 压电及热电高分子 磁性高分子 光功能高分子 液晶高分子和信息高分子材料等 化学功能高分子材料 化学功能高分子材料如反应性高分子 离子交换树脂 高分子分离膜 高分子催化剂 高分子试剂及人工脏器等 生物功能和医用高分子材料 如生物高分子 模拟器 高分子药物及人工骨材料等 高分子又称大分子 一般是指分子量大于104 链长度在103 105 甚至更大的分子 高分子化合物与低分子化合物的根本区别 在于分子量大小的不同 基本概念 造成高分子分子量很大的原因 是它们的分子是由特定的结构单元多次重复连接组成的 例如聚氯乙烯分子是由成千上万个氯乙烯分子相互连接组成的 链节单体聚合度 高分子里每个特定的结构单元也叫做链节 表示每个高分子里链节的数目 叫做聚合度 n 能够聚合生成高分子化合物的低分子化合物叫做单体 例如苯乙烯是合成聚苯乙烯的单体 聚苯乙烯由苯乙烯聚合成 聚苯乙烯和聚氯乙烯 施陶丁格提出高分子链性学说 高分子具有重复链节结构这一概念 是施陶丁格在20世纪20年代初提出的 直到30年代初 通过了多次实践 这一概念才被广泛承认 从而使高分子有飞跃的发展 为了表彰斯陶丁格的功绩 瑞典皇家科学院授予他1953年诺贝尔化学奖 高分子化合物的分子量 同一种高分子化合物在实质上 是由许多链节结构相同而聚合度不同的高分子所组成的混和物 因此高分子化合物的分子量只能是平均分子量 Mr Mr n m 聚合物的分类 聚合物的命名 聚合物有系统命名法和通俗命名法 主要采用通俗命名法 天然高分子 一般按来源和性质有专有名词 如纤维素 蛋白质等 聚合物的命名 合成高分子 是在单体名称前冠以 聚 字 如由乙烯 H2C CH2 制得的聚合物叫聚乙烯 polyethylene 简称PE 是我們最常看到的塑料 可制塑料袋 塑料杯 塑料桶及塑料玩具等用品 由氯乙烯加成聚合而成聚合物叫聚氯乙烯 poly vinylchloride 简称 PVC 是制造雨衣 硬塑料水管 塑料布 电线塑料外壳的原料 聚合物的命名 由两种单体缩聚而成的聚合物 如果结构比较复杂或不太明确 往往在单体名称后加上 树脂 二字来命名 由尿素与甲醛的水溶液在硫酸的催化下缩合而成的聚合物叫脲甲樹脂 因受熱不会软化 且质轻并有絕緣性 是制造电线插头与插座的塑料部分及炊具把手的最佳原料 聚合物的通俗名称 商品名称及简写代号 高分子链的结构 线型高分子 Linearpolymers VanderWaalsbondingbetweenchains Examples polyethylene nylon 链之间的结合力是分子间力 例如 聚乙烯 尼龙 高密度聚乙烯的线型结构 支链型高分子 Branchedpolymers 低密度聚乙烯的支链型结构 体型高分子 Cross linkedpolymers Chainsareconnectedbycovalentbonds Manyrubbershavethisstructure 链之间由共价键连接 许多橡胶具有这种结构 Networkpolymers 3Dnetworksmadefromtrifunctionalmers Examples epoxies phenolformaldehyde 网状高分子 高分子链中含有很多的单键 这些单键均可作内旋转 从而使高分子链很容易卷曲成各种不同形状 称为高分子链的柔顺性 高分子链的柔顺性 单键内旋转示意图 纯碳 碳单键的内旋转是完全的 高分子链中单键的内旋转受取代基及邻近部分的影响 具有很大的阻力 阻力小容易卷曲的称为柔顺链 阻力大不容易卷曲的称为刚性链 链段 高分子中具有独立运动能力的最小部分叫做链段 一般包括十几到几十个链节 柔顺性大 链段短 柔顺性小 链段长 主链结构侧基性质 影响柔顺性的因素 主链结构 全部由单键组成时 柔顺性好 属于柔顺链 Si O Si O 链柔顺性最大 C O C O 链次之 C C C C 链又次之 含孤立双键 主链有孤立双键时 柔顺性比不含双键时更好 比如聚异戊二烯橡胶 含芳杂环 主链上有一定数量的芳杂环时 由于芳杂环不能内旋转 分子链的柔顺性科很差 如聚甲基丙烯酸甲酯 有机玻璃 含共轭双键 含共轭双键 即两个双键被一个单键隔开 的大分子链 不能内旋转 具有极大的刚性 聚异戊二烯 侧基性质 极性越大 柔顺性越差侧基越大 柔顺性越差对称性好 柔顺性好 极性越大 柔顺性越差 聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯睛柔顺性依次递减 侧基越大 柔顺性越差 比如聚苯乙烯具有较大的苯基 内旋转困难 柔顺性差 性脆而硬 对称性好柔顺性好 聚异丁烯的两个甲基在同一个碳原子上对称取代 其单键内旋转反而更容易 故柔顺性比聚丙烯更好 高分子化合物的力学状态 高分子长链是曲曲折折的蜷曲形 有规则的蜷曲 折叠 形成晶态 无规则的蜷曲形成非晶态 高分子的分子与分子堆砌在一起 晶态高分子 非晶态高分子 晶区结构模型 同一种高分子化合物可以兼有晶态和非晶体两种结构 根据晶区结构模型 在结晶高分子中存在着若干所谓晶区 在晶区中间还存在所谓非晶区 在晶区分子链有规则而紧密地排列 非晶区分子链蜷曲和无规则的堆砌 晶态和非晶体两种结构同时存于高分子中 结晶高分子中既包含着有规整排列部分 晶区 又包含着不规整排列部分 非晶区 高分子中晶区部分所占的质量分数 叫做结晶度 典型的结晶高分子化合物通常结晶度只有50 80 结晶度 在高分子的分子与分子之间 相同的链节也可排列成为片晶 片晶再堆砌成为球晶或其他晶态 小分子化合物 要么是结晶的 要么是非晶态的 而高分子化合物 则可以一部分是晶态结构 另一部分是非晶态结构 片晶 球晶 结晶度对性质的影响 如果聚合物结晶程度比较高 产品就会更坚硬结实但可塑性差 反之亦然 在合成树脂 纤维和橡胶中 合成橡胶是结晶结构较少的聚合物 非晶态聚合物的温度 形变曲线 线性非结晶聚合物有三种不同的力学状态 玻璃态 高弹态 粘流态 温度对热塑性的影响 A 硬而脆B 硬度延展性居中C 柔软 玻璃态 整个大分子被冻结 受力时能发生键长和键角微小的改变 形变与外力成正比 外力除去 形变能立即恢复 称为普弹形变 高弹态 随着温度升高 分子热运动加剧 当升高到玻璃化温度以上 链段可随外力作用的方向而运动 产生很大的形变 外力解除后 能恢复原状 即发生高弹形变 所处状态称为高弹态 由玻璃态转变到高弹态的温度称为玻璃化温度 用Tg表示 粘流态 温度再升高 整个大分子链都能发生相对移滑动 同小分子液体类似 这种流动形变是不可逆的 称为粘流形变 聚合物所处状态叫粘流态 由高弹态变到粘流态的温度称为粘流化温度 及Tf表示 非晶态和晶态聚合物的比较 非晶态和晶态聚合物的比较 聚合物使用的温度范围 塑料在室温下大都处于玻璃态 Tg是其使用上限温度 橡胶处于高弹态 Tf是其使用下限温度 大多数合成纤维是结晶聚合物 熔点Tm是其使用上限温度 聚合物玻璃化温度越高 耐热性越高 若聚合物常温下处于玻璃态 则可用来做塑料 常温下处于高弹态则可用来做橡胶 Tg Tf是橡胶的使用温度范围 一些聚合物的玻璃转化温度 聚合物Tg oC 天然橡胶 73低密度聚乙烯 LDPE 125聚丙烯 不规则 20聚对苯二甲酸乙二酯 PET 69聚氯乙烯 PVC 75聚丙烯 规则 100聚苯乙烯100聚碳酸酯140 高分子化合物的性质 机械性能电学性能老化与防老化 影响机械性能的因素 聚合度结晶度分子间力 包括氢键 机械性能随聚合度的增大而增强 同时粘度也迅速增大 聚合物结晶度越大机械性能越好 分子间作用力 氢键增大 可显著提高聚合物的机械性能 尼龙66中氧原子与氨基中的氢原子之间形成氢键后 增强了强度 电学性能 高分子的结构是决定其导电性能的主要因素 结构对称的非极性分子 不能导电 结构不对称的极性分子 由于在交流电场中 极性基团或极性链节随电场方向发生周期性的取向 具有一定的导电性 含共轭双键的聚合物由双键中的 电子能在整个分子中运动 具有一定的导电性 老化与防老化 高分子在长期使用过程中 由于受到氧 热 紫外线 机械 水蒸气 酸碱及微生物等因素作用 逐渐失去弹性 出现裂纹 变硬 变脆或变软 发粘 变色等 从而使它的物理机械性能越来越差的现象 叫做高分子化合物的老化 高分子的老化过程主要包括交联和裂解两种反应 交联是指在大分子链之间形成化学键 从线型变为体型结构的过程 导致高分子失去弹性 变脆 变硬 裂解又称降解 是指大分子链发生断裂 聚合物相对分子质量明显降低的过程 使高分子变软 变粘并失去机械强度 防老化的措施 改变聚合物的结构物理防老化 镀上一层金属 或涂一层涂料化学防老化 加入防老化剂 如紫外线吸收剂 抑制剂等 工程塑料合成橡胶合成纤维合成胶粘剂 几种重要的高分子材料 按 通用塑料工程塑料 塑料按使用性能又可分为 一般指产量大 用途广 成型性好 价廉的塑料 如聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯等 通用塑料 有的塑料 如聚氯乙烯 有毒 不能用来制作食具或食品袋 有的塑料如聚乙烯和聚丙烯 无毒 可用来制作食品袋和其它食具 有毒塑料的鉴别法 工程塑料 一般指能承受一定的外力作用 并有良好的机械性能和尺寸稳定性 在高 低温下仍能保持其优良性能 可以作为工程结构件的塑料 如ABS 尼龙 聚砜等 工程塑料与金属材料相比 有许多优点 容易加工 生产效率高 节约能源 绝缘性能好 质量轻 比重约1 0 1 4 比铝轻一半 比钢轻3 4 比强度高 具有突出耐磨 耐腐蚀性等 是良好的工程机械更新换代产品 工程塑料的优点 聚甲醛 POM是一种坚韧有弹性的材料 即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性 几何稳定性和抗冲击性 POM既有均聚物材料也有共聚物材料 均聚物材料具有很好的延展强度 抗疲劳强度 但不易于加工 共聚物材料有很好的热稳定性 化学稳定性并且易于加工 无论均聚物材料还是共聚物材料 都是结晶性材料并且不易吸收水分 POM具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性 特别适合于制作齿轮和轴承 由于它还具有耐高温特性 因此还用于管道器件 管道阀门 泵壳体 草坪设备等 ABS ABS树脂是一种热塑性塑料 以丙烯腈 丁二烯和苯乙烯三种单体组成 ABS有很多特殊的品种 包括一般用途 高冲击性 耐高热 阻燃级等 并且在汽车 电器 电子工业等方面有着非常广泛的应用 聚四氟乙烯塑料 聚四氟乙烯 PTFE 塑料是一种性能优异的工程塑料 它具有自润滑性能好 磨擦系数低 耐高低温 耐腐蚀以及良好的绝缘性能和不粘性 且长期使用温度范围在 200 260 有 塑料王 之称 被广泛应用于机械 电子 石油 化工 食品 轻工等行业 工程塑料的应用 作齿轮 轴承 泵叶 汽车零部件 仪器仪表元件等宜选用聚酰胺 聚碳酸酯 聚苯醚和聚砜 作汽车传动万向节轴承乙聚甲醛最能胜任 作高度防腐蚀部件 容器或衬里选聚四氟乙烯或氯化聚醚为宜 作电子 电器等复杂形状的部件 要用 或 要求耐高温的电绝缘材料 可从聚酰亚胺 聚芳砜 聚芳酯或和聚四氟乙烯中选用 工程塑料的应用 要求耐磨并有一定润滑性的 首推聚酰胺 聚甲醛和聚四氟乙烯 要求耐高温或低温且冲击性好 能作成透明片材使用的 选聚碳酸酯 作冷藏设备部件或电冰箱内胆 以ABS较好 合成橡胶是以石油和天然气为原料合成的一种高分子化合物 如丁苯橡胶 顺丁橡胶 氯丁橡胶及具特殊性能的特种橡胶 如医疗 航空工业上广泛应用的硅橡胶 耐高温的氟橡胶和耐油性特别好的丁腈橡胶等 现在的总产量已经超过天然橡胶的一倍以上 合成橡胶 丁苯橡胶 丁苯橡胶 SBR 是合成橡胶工业中最大的基础胶种 占合成橡胶产量的40 以上 SBR产量的60 左右用于制造轮胎 SBR有乳聚丁苯橡胶 ESBR 和溶聚丁苯橡胶 SSBR 两大类产品 SSBR约占SBR总产量的15 20 左右 品种牌号有上百个 由于用其制造的轮胎滚动阻力低 抗湿滑性优 耐磨性好和生热低 因此主要用于制造车胎 子午胎和高性能胎 丁腈橡胶 丁腈橡胶由丁二烯与丙烯腈共聚而成 由于高分子链中含有极性极强的 CN基 具有很强的极性 具有强度高 耐磨 耐高温 耐老化 对化学药品的稳定性高等特点 主要用于制造各种耐油制品及密封垫圈 运输带及耐热橡胶制品 硅橡胶 硅橡胶 SiliconeRubber 是一种分子键兼具无机和有机性质的高分子弹性材料 它的分子主键由硅原子和氧原子交替组成 Si o Si 硅氧键的键能达370kj mol 比一般的橡胶的碳 碳结合键能240KJ mol要大得多 这是硅胶具有很高热稳定性的主要原因之一 硅橡胶的结构式 甲基乙烯基硅橡胶 硅橡胶的特性 硅橡胶具有最广的工作温度范围 100 350oC 耐高低温性能优异 此外 还具有优良的热稳定性 电绝缘性 耐候性 耐臭氧性 透气性 很高的透明度 撕裂强度 优良的散热性以及优异的粘接性 流动性和脱模性 一些特殊的硅橡胶还具有优异的耐油 耐溶剂 耐辐射及在超高低温下使用等特性 硅橡胶的用途 可用于模压高电压缘子和其他电子元件 用于生产电视机 计算机 复印机等 还用作要求耐候性和耐久性的成型垫片 电子零件的封装材料 汽车电气零件的保护材料 可用于房屋的建筑与修复 高速公路接缝密封及水库 桥梁的嵌缝密封 此外 还有特殊用途的硅橡胶 如导电硅橡胶 医用硅橡胶 泡沫硅橡胶 制模硅橡胶 热收缩硅橡胶等 合成纤维 合成纤维是由合成高分子为原料 通过拉丝工艺获得纤维 合成纤维的品种很多 最重要的品种是聚酯 涤纶 聚酰胺 尼龙 锦纶 聚丙烯腈 腈纶 它们占世界合成纤维总产量的90 以上 此外还有聚乙烯醇缩甲醛 维纶 聚丙烯 丙纶 聚氯乙烯 氯纶 等 一些合成纤维的性能 合成胶粘剂 胶粘剂又称粘合剂 俗称胶 是能使两个物体表面粘合在一起的物质 胶粘和其他的连接方法相比 有重量轻 连接部位应力分布均匀 强度高 耐疲劳等优点 环氧树脂胶粘剂 凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂 固化后的环氧树脂具有良好的物理化学性能 它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度 介电性能良好 变定收缩率小 制品尺寸稳定性好 硬度高 柔