第7章高分子化合物与材料教学案例

第第7 7章高分子化合物与材料教学案例章高分子化合物与材料教学案例 第第7章章高分子化合物与材料44 了解几种重要高分子材料和复合 材料的性能及其应用 11 了解高聚物的基本概念 命名和分类 22 了解高聚物的基本结构与重要特性 33 了解高聚物的合成反应及改性 回收再利用的方法 本章学习要求7 2高分子化合物的基本结构和重要特性7 3高分子化 合物的合成 改性与再利用7 1高分子化合物概述7 4日常生活中的 高分子材料7 5材料的未来与分子设计目录高分子化合物 高分子 高聚物或聚合物 的分子比低分子化合物的分子要大很多 通常低分子有机化合物的相对分子质量在1000以下 而高分子化合 物的相对分子质量在11万以上 有的可达上千万 11 基本概念高分子化合物的基本特征相对分子质量大 7 1 1高分子化合物的基本概念和特点7 1高分子化合物概述 1 高分子化合物组成简单 相对分子质量大 具有 多分散性 是多分子的混合物 2 高分子化合物可归纳为线型和体型两种结构 线型结构中包括链型和支链型 33 高分子化合物由于其相对分子质量很大 有较好的机械强度 又由于其分子是由共价键结合而成 故有较好的绝缘性和耐腐蚀性 由于其分子链很长 呈卷曲状 故有较好的可塑性和高弹性 44 高分子化合物在常温常压下主要以固态或液态存在 几乎无 挥发性 溶解性也很差 有时只发生溶胀 2 高分子化合物的特点1 高分子化合物的命名 11 按原料单体或聚合物的结构特征命名 在单体名称前面冠以 聚 字聚氯乙烯 聚丙烯腈 聚乙二酰己二胺 聚对苯二甲酸乙 二醇酯等 在单体名称后面加 树脂 酚醛树脂 环氧树脂等 7 1 2高分子化合物的命名和分类 2 按商品名命名 我国习惯以 纶 作为合成纤维商品名的后 缀 如涤纶 氯纶 腈纶 锦纶 丙纶等 有机玻璃 聚甲基丙烯酸甲酯 尼龙或锦纶 聚酰胺 如尼龙 610 为解决聚合物读写不便 常采用国际通用的英文缩写符号 如如PVC ABS等 聚合物单体名称商品名称符号名称结构式聚氯乙烯氯纶PVC氯乙烯聚 丙烯丙纶PP丙烯聚丙烯腈腈纶PAN丙烯腈聚己内酰胺锦纶6 或尼龙 66 PA6己内酰胺CH2CHClCH2CHCH3CH2CHN HO表表7 1一些聚合物的名称 商品名称 符号及单体聚己二酰己二 胺锦纶66 尼龙 66 PA66己二酸己二胺聚对苯二甲酸乙二醇酯涤纶PET对苯二甲酸乙 二醇聚苯乙烯聚苯乙烯树脂PS苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃PMM A甲基丙烯酸甲酯聚丙烯腈 丁二烯 苯乙烯ABS树脂ABS丙烯腈丁二烯苯乙烯HOOC CH2 4COOHNH2 CH2 6NH 2HOCH2CH2OHCH2CCOOCH3CH3CH2CHCH2CHCHCH2CH CH2HOOC COOHCH CH2 2 按主链结构分类 1 按分类天然高分子和合成高分子 碳链聚合物主链完全由碳原子组成 如聚乙烯 杂链聚合物主链除碳原子外 还含有氧 氮 硫等杂原 子 如聚己二酰己二胺 尼龙 66 CH2CH2nC CH2 4C NH CH2 6NHO On2 高分子化合物的分类 元素有机聚合物主链由硅 硼 铝与氧 氮 硫 磷等组成 侧链是有机基团 如聚二甲基硅氧烷 3 按性能和用途分类塑料 纤维 橡胶 涂料 粘合剂和功能 高分子六大类 4 按功能分类通用高分子 工程材料高分子 功能高分子 仿 生高分子等 元素无机聚合物主链和侧链均由无机元素或基团组成 如聚二氯磷腈S iOC H3C H3nP NC lCln 2 体形结构的高聚物分子中无独立的大分子存在 因此只有交 聚度的概念 1 线型结构高分子物质分子中有独立的大分子存在 分子链中 以单键相连的相邻两链节之间还可以保持一定的键角而旋转 因此 一个分子链在无外力作用时会有众多的分子空间形态 绝大部分 为卷曲状 高分子链这种强烈卷曲的倾向称为 分子 链的柔顺性 它对高聚 物的弹性和塑性等有重要影响 键角固定的高分子链节的旋转示意图11 高聚物分子的几何形状7 2 1高分子化合物的基本结构 C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C117 2高分子 化合物的基本结构和要重特性体型结构的高聚物 由于分子链间有 大量的交联 分子链不可能产生有序排列 因而都是非晶态的 从结晶状态来看 线型结构的高聚物分为晶态高聚物和非晶态高聚 物 或者两者共存 高聚物中结晶性区域称为结晶区 非结晶区域称非结晶区 结晶的 多少称结晶度 高聚物含晶体结构的质量百分数 2 高聚物的聚集态聚合物中结晶性和非结晶区玻璃态分子链节或整 个分子链无法产生运动 高聚物呈现如玻璃体状的固态 例如常温下的塑料 高弹态链节可以较自由地旋转 但整个分子链不能移动 例如常温下的橡胶 高弹态是高聚物所独有的罕见的一种物理形态 能产生很大形变 除去外力后能可逆恢复原状 粘流态高聚物分子链节可以自由地旋转 整个分子链也能自由移动 从而成为能流动的粘液 比液态低分子化合物的粘度要大得多 又称为塑性态 例如胶粘剂或涂料 3 线型非晶态高聚物的物理形态线性非晶态聚合物的物理形态与温 度的关系玻璃化温度由高弹态向玻璃态转变的温度 用T g表示 粘流化温度由高弹态向粘流态转变的温度 用T f表示 塑料与纤维 要求T g高 T f低 较耐热 加工成型温度不高 橡胶要求T g低 T f高 耐寒又耐热 一些非晶态高聚物的T g和和T f值聚氯乙烯T g 81 T f 175 聚苯乙烯T g 100 T f 135 聚丁二烯 顺丁橡胶 T g 108 天然橡胶T g 73 T f 122 11 弹性和塑性 1 弹性当高聚物T g 2 塑性当当高聚物T g T R 高聚物处于玻璃态 用做材料时可做塑料 7 2 2高分子化合物的结构与性能的关系玻璃化温度T g是高聚物的链节开始旋转的最低温度 它的高低与分子链的柔顺性和分子链间的作用力大小有关 分子的柔顺性越大 T g越低 体型高聚物的分子链由于被化学键牢固地交联 很难变形 因此 当温度改变时不会出现粘流态 交联度大时也不会出现高弹态 而 只呈玻璃态 主要指标有机械强度 刚性 冲出强度 主要影响因素有 1 平均相对分子质量 或平均聚合度 的增大 有利于增加分子链 间的作用力 可使拉伸强度与冲击强度等有所提高 2 极性取代基或链间能形成氢键时 能增加分子链之间的作用力而 提高其强度 强度天然橡胶 M r 20万 丁苯橡胶 M r 4 5万 拉伸强度 聚氯乙烯 含极性基团 Cl 聚乙烯2 机械性能 3 适度交联有利于增加分子链之间的作用力 4 在结晶区内分子链排列紧密有序 可使分子链之间的作用力增大 机械强度也随之增高 5 主链含苯环或侧链引入芳环 杂环取代基等的高聚物 其强度和 刚性比含脂肪族主链的高聚物的要高 如聚乙烯交联后 冲击强度可提高3 4倍 机械强度 高结晶聚乙烯低结晶聚乙烯强度芳香尼龙 如芳纶 1313 普通尼龙nCONH COONH 高分子化合物通常以共价键结合 一般不存在自由电子和离 子 因此高聚物通常是很好的绝缘体 可作为绝缘材料 高聚物的极性越小 其绝缘性越好 非极性高聚物分子链节结构对称的高聚物 如聚乙烯 聚四氟乙烯 等 极性高聚物分子链节结构不对称的高聚物 如聚氯乙烯 聚酰胺等 例试比较下列高聚物的电绝缘性聚四氟乙烯聚氯乙烯聚甲基丙烯酸 甲酯3 电绝缘性和抗静电性 电绝缘材料的高聚物可分为 1 链节结构对称且无极性基团的高聚物 如聚乙烯 聚四氟乙 烯 对直流电和交流电都绝缘 可用作高频电绝缘材料 2 无极性基团 但链节结构不对称的高聚物 如聚苯乙烯 天 然橡胶等 可用做中频电绝缘材料 3 链节结构不对称且有极性基团的高聚物 如聚氯乙烯 聚酰 胺 酚醛树指等 可用做低频或中频电绝缘材料 分子的极性可用相对介电常数 衡量 通常非极性高聚物的 2 弱极性或中等极性高聚物的 2 4 强极性高聚物的 4 高聚物 高聚物 聚四氟乙烯2 0聚氯乙烯3 2 3 6聚丙烯2 2聚甲基 丙烯酸甲酯酯3 3 3 9低密度聚乙烯2 25 2 35硅树脂2 75 4 20高密 度聚乙烯2 30 2 35尼龙 664 0聚苯乙烯2 45 3 10酚醛树脂5 0 6 5表7 3常见高聚物的相对 介电常数静电现象两种电性不同的物体相互接触或磨擦时 会有电 子的转移而使一物体带正电荷 另一种物体带负电荷的现象 静电现象具有两面性 它应用于静电印刷 油漆喷涂和静电分离等 但静电往往是有害的 例如腈纶纤维起毛球 吸灰尘 粉料在干燥 运转中会结块等 常用的抗静电剂是一些表面活性剂 其主要作用是提高高聚物表面 的电导性 使之迅速放电 防止电荷积累 另外 在高聚物中填充导电填料如炭黑 金属粉 导电纤维等也同 样起到抗静电的作用 高聚物溶解的两个阶段溶胀溶剂分子渗入高聚物内部 使高分子链 间产生松动 并通过溶剂化使高聚物膨胀成凝胶状 溶解高分子链从凝胶表面分散进入溶剂中 溶解形成均一的溶液 1 溶解性一般线型 包括带支链 的高聚物 在适当的溶剂中常 可以溶解 如聚苯乙烯 彩色玩具 可溶于苯或甲苯 有机玻璃 绘图直尺 可溶于氯仿或丙酮 但体型高聚时 通常只发生溶胀而不能溶解 4 溶解性和保水性溶剂选择的原则是 相似相溶 极性大的高聚 物选用极性大的溶剂 极性小的高聚物选用极性小的溶剂 例如 未硫化的天然橡胶是弱极性的 可溶于汽油 苯 甲苯等非 极性或弱极性溶剂中 高吸水性树脂含有羟基等强亲水基团 不溶于水 在水中只能溶胀 有惊人的吸水能力 吸水后成凝胶状 在加压下 水分也不易挤出来 例如 由淀粉和聚氧乙烯制成的保水材料 吸水重量可达自重的460 3倍 这些高吸水性的树脂已应用于农业保湿大棚 制作婴儿尿不湿 防止土地荒漠化等 22 保水性晶态高聚物一般需将其加热至熔点附近 待晶态转变 为非晶态后 溶剂分子才能渗入 使高聚物逐渐溶解 相对分子质量大的高聚物 链间作用力大 不利于其溶解 高聚物主要由C C C C C C H H C C O O等牢固的共价键连接而成 含活泼的基团较少 且分子链相互缠绕 使分子链上不少基团难以参与反应 因而一般化学稳定性较高 11 稳定性一些含高聚物不耐水 在酸或碱的催化下会与水反应 例如 聚酰胺与水的反应CONH COO高聚物一般化学稳定性好 耐酸碱腐蚀 但不耐高温 易老化 n m NHCH2NH2HOHCO NHCH2NH COCH2CO CH2HOOCm n5 化学稳定性和老化老化是指高聚物及其材料在加工 贮存和使 用过程中 长期受化学 物理 热 光 电 机械等 以及生物 霉菌 因素的综合影响 发生裂解或交联 导致性能变坏的现象 例如 塑料制品变脆 橡胶龟裂 纤维泛黄 油漆发粘等 老化是物理性质变坏的不可逆过程 主要有两种过程降解链断裂 M r变小 发粘 变软 丧失机械强度交联线型变体型 变硬 变脆 丧失弹性 如天然胶 聚氯乙烯的老化若在高聚物分子链中引入较 多的芳环 杂环结构 或在主链或支链中引入无机元素 如硅 磷 铝等 均可提高其热稳定性 为了延缓光 氧 热对高聚物的老化作用 通常可在高聚物中加入 各类光稳定剂 抗氧剂 芳香族胺类如二苯胺和酚类等 或热稳 定剂 如硬脂酸盐等 NH 2 老化聚合反应7 3 1高分子化合物的合成反应加成聚合反应 加聚反应 聚合反应 由小分子单体合成聚合物的化学反应缩合聚合反应 缩聚反应 7 3高分子化合物的合成 改性与再利用加聚反应仅由一种单体聚合 而成的 分子链中只包含一种单体构成的链节的聚合反应由两种或 两种以上单体同时进行聚合 生成的聚合物含有多种单体构成的链 节的聚合反应共聚物往往可兼具两种或两种以上均聚物的一些优异 性能 因此通过共聚方法可以改善产品的性能 加聚反应 由一种或多种单体相互加成 或由环状化合物开环相互结合成聚合 物的反应 均聚反应共聚反应1 加聚反应缩聚反应 由一种或多种单体相互缩合生成高聚物 同时有低分子物质 如水 卤化氢 氮 醇等 析出的反应 例如癸二酸和己二胺合成为尼龙 610的反应n H2N CH2 6NHH n C CH2 8COOHHOONH CH2 6NH C CH2 8CO O 2n H2On2 缩聚反应高分子材料的改性通过各种方法改变已有材料的组 成 结构 以达到改善性能 扩大品种和应用范围的目的 通常采用的改性方法大体上可分为化学法与物理化学法两大类7 3 2 高分子化合物的改性11 高聚物的化学改性借化学反应改变高聚物 本身的组成 结构 以达到材料改性的目的 常用的反应交联反应共聚反应官能团反应经部分交联后的橡胶 既 提高了强度和韧性 又同时保留了较好的弹性 硫化后的橡胶只发生溶胀 具有耐溶剂性 例橡胶的硫化借化学键的形成 使线型高聚物连接成为体型高聚物 的反应 1 交联反应CH2C CH CH2CH3 S8CH2C CH CH2CH3CH2C CH CH2CH3CH2C CH CH2CH3SxSyABS工程塑料具有聚苯乙烯优良的电性能和易加工成型性 丁二烯提高弹性和冲击强度 丙烯腈可增加耐热 耐油 耐腐蚀 性和表面硬度 使之成为综合性能优良的工程材料 CH2CH x CH2CH CHCH2 y CH2CH zn由两种或两种以上不同单体通过 共聚所生成的共聚物 往往在性能上有取长补短的效果 nx CH2 CH ny CH2 CH CH CH2 nz CH2 CH 2 共聚反应如离子交换树脂就是利用官能团反应 在高聚物结构 中引入可供离子交换的基团 使之具有离子交换功能 且应具备不 溶性和一定的机械强度 先要制备高聚物母体 即骨架 如苯乙烯 二乙烯苯共聚物 体型高聚物 然后再通过官能团反应 在高聚 物骨架上引入活性基团 例如 制取磺酸型阳离子交换树脂 可利用上述共聚物与H H22SO44的磺化反应 引入磺酸基 SO33H H 由此所得离子交换树脂 简称为聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂 的结构 简 式可表示如下利用官能团反应 在高分子结构中引入 适当的功能基 使高分子具有特定的功能 3 官能团反应C HC H2C HC H2S O3HC HC H2C HC H2S O3H通常可简写为R R SO33H H R R代表树脂母体 磺酸基 SO33H H中的氢离子能与溶液中的阳离子进行离子交换 同理 若利用官能团反应在高聚物母体中引入可与溶液中阴离子进 行离子交换的基团 即可得阴离子交换树脂 例如 季铵型阴离子交换树脂R R N N CH33 33Cl 在高聚物中掺和各种助剂 又称添加剂 将不同高聚物共混 或 用其他材料与高分子材料复合而完成的改性 1 掺和改性聚合物中通常要加入填料 增塑剂 防老剂 抗氧剂 热稳定剂 紫外光稳定剂 着色剂 发泡剂 固化剂 润滑剂 阻燃剂等添加剂 以提高产品质量和使用效果 其中填料和增塑剂是添加剂中用量最大的 填料降低成本类型有机填料木粉 纤维 棉布等作用改善性能 机械性能 耐热性 电性能 加工性能无机填料碳酸钙 硅藻土 炭黑 滑石粉 金属粉 金属氧化物 白炭黑 SiO2 等2 高聚物 的物理化学改性通常都选用一些高沸点 一般大于300 的液体 或低熔点的固体有机化合物 如邻苯二甲酸酯类 磷酸酯类 脂肪 族二元酸酯类 环氧化合物等 作为增塑剂 如聚氯乙烯中加入质量分数为30 70 的增塑剂就成为软质聚氯乙烯 塑料 增塑剂的加入能增大高聚物分子链间的距离 减弱分子链之间的作 用力 从而使其T g和和T f值降低 材料的脆性和加工性能得以改善 一些能增进高聚物柔韧性和熔融流动性的物质 增塑剂将两种或两种以上不同的高聚物混合形成具有纯组分所没 有的综合性能的高聚物的方法 形成的高聚物称为共混高聚物 又称为高分子合金 聚合物共混物塑料 塑料共混 如ABS PVC共混 可改善耐燃性橡胶 橡胶共混 丁腈橡胶与天然橡胶共混 可提高天然橡胶的耐油性和耐热性橡胶 塑料共混 PVC 天然氯丁胶共混 可改善抗冲击性能共混的作用 改变单一聚合物 的弱点 性能互补 获得优良综合性能 赋予特别性能或功能 如赋予粘结性能 减震 导电 阻燃 耐水等 改善加工功能 2 共混改性由两种或两种以上性质不同的材料组合制得一种多相 材料的过程 与共混相比 复合包含的范围更广 共混改性的组分材料仅限于高 聚物 而复合改性的对象除高聚物外 还可包括金属材料与无机非 金属材料 3 复合改性高分子化合物的回收及再利用的基本意义 解决了环 境污染问题由于高分子化合物的化学稳定性好 难以分解 日积月 累 会污染环境 危害生态 充分利用自然资源7 3 3高分子化合物的回收及再利用高分子化合 物的回收 利用包括 再生利用和改性利用 热分解回收化工原料 焚 烧回收热能 掩埋处理 光降解和微生物降解从上世纪60年代开始 塑料 主要指聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 进入广泛实 用阶段 由于塑料具有很多优点它取材容易 价格低廉 加工方便 质地轻 巧 因此塑料一问世 便深受欢迎 它迅速渗入到社会生活的方方 面面 塑料被制成碗 杯 袋 盆 桶 管等 创造了巨大的社会和经济效益 塑料被列为20世纪最伟大的发明之一 塑料的普及被誉为白色革命 随着塑料产量不断增大 成本越来越低 我们用过的大量农用薄膜 包装用的塑料袋和一次性塑料餐具在使用后被抛弃在环境中 给 景观和环境带来很大破坏 由于塑料包装物大多呈白色 它们造成的环境污染被称为白色污染 塑料的贡献与白色污染视觉污染指的是塑料袋 盒 杯 碗等散落 在环境中 给人们的视觉带来不良刺激 影响环境的美感 白色污染的潜在危害则是多方面的 11 一次性发泡塑料饭盒和塑料袋盛装食物严重影响我们的身体 健康 22 使土壤环境恶化 严重影响农作物的生长 33 填埋作业仍是我国处理城市垃圾的一个主要方法 由于塑料膜密度小 体积大 它能很快填满场地 降低填埋场地处 理垃圾的能力 而且 填埋后的场地由于地基松软 垃圾中的细菌 病毒等有害物质很容易渗入地下 污染地下水 危及周围环境 44 把废塑料直接进行焚烧处理 将给环境造成严重的二次污染 白色污染存在的两种危害视觉污染和潜在危害1 白色污染的危害 11 停止使用一次性餐具及超薄塑料袋 22 回收废塑料并使之资源化是解决白色污染的根本途径 近年来 一些国家大力开展3R运动即要求做到废塑料的减量化 R educe 再利用 Reuse 和再循环 Recycle 3 研究开发降解塑料 降解塑料有三类光降解塑料 生物降解塑料及双降解塑料 44 加强环保宣传 提高公民的环保意识 在社会上形成良好的 环保氛围 是解决白色污染及其他各种形式污染的前提 2 白色污染的防治 一靠法律二靠科学7 4日常生活中的高分子材料 高分子材料 无机材料和金属材料并列为三大材料 高分子材料与其他材料相比 具有密度小 比强度高 耐腐蚀 绝 缘性好 易于加工成型等特点 但也普遍存在四个弱点 即强度不够高 不耐高温 易燃烧和易老 化 高分子材料由于其品种多 功能齐全 能适应多种需要 加工容易 适宜于自动化生产 原料丰富易得 价格便宜等原因 已成为我 们日常生活中必不可少的重要材料 功能高分子材料研究的迅速发展 更加扩展了高分子材料的应用范 围 产量大 价格低 日常生活中应用范围广的塑料 如聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯等 7 4 1塑料1 根据塑料制品的用途可分为 机械性能好 能用于制造 各种机械零件的塑料 主要有聚碳酸酯 聚酰胺 聚甲醛 聚砜 酚醛树脂 ABS塑料等 具有特殊功能和特殊用途的塑料 主要有氟塑料 硅塑料 环氧树指等 通用塑料工程塑料特殊塑料在加工过程中 一般只发生物理变化 受热变为塑性体 成型后冷却又变硬定型 若再受热还可改变形状 重新成型的塑料 在成型过程中发生化学变化 利用塑料在受热时可流动的特征而成 型 并延长时间 使其发生化学反应而成为不熔不溶的网状分子结 构 并固化定型而形成的塑料 热塑性塑料 线型 热固性塑料 体型 2 根据塑料受热特性可分 类结构式 性能强极性 绝缘性好 耐酸碱 难燃 具有自熄性 缺点是介电性能差 在100 120 即可分解出氯化氢 热稳定性差 用途制造水槽 下水管 制造箱 包 沙发 桌布 窗帘 雨伞 包装袋 还可做凉鞋 拖鞋及布鞋的塑料底等氯化聚氯乙烯CPVC 过氯乙烯 可作热水硬管 使用温度65 105 nClCH CH2 1 聚氯乙烯 PVC 结构式 性能化学性质非常稳定 耐酸 碱 耐溶剂性能好 吸水性低 无毒 受热易老化用途制造食品包装袋 各种饮水瓶 容器 玩具等 还可制各种管材 电线绝缘层等第 四代聚乙烯 超高分子量聚乙烯 高韧性 高耐磨 密度越低 制造成本越低 nCH2CH2 2 聚乙烯 PE 性能具有韧性 耐磨 耐热 具有吸湿性 无毒 拉伸强度大用途可做尼龙布 尼龙袜子 尼龙绳及医用消毒容器等 做机械零件 仪表 仪器零件结构式 NH CH2 x NH C CH2 y CnO O 3 聚酰胺 尼龙 性能耐酸碱 耐腐蚀 化学稳定性好 耐寒 绝缘性好 耐磨 缺点是刚性差结构式 用途可用作高温环境中化工设备的密封零件 无油润滑条件下作轴承 活塞等 还可做电容器 电缆绝缘材料n CF2CF2 4 聚四氟乙烯 塑料王 性能难溶 难熔 耐热 机械强度高 刚性好 抗冲击性好结构式 用途制造线路板 插座 插头 电话 机 行李车轮 工具手柄 贴面板 三合板 刨花板等nOHCH2OH OHCH2 5 酚醛树脂 电木 性能坚硬 耐高温 良好的机械性能 电绝 缘性好 韧性好 抗冲击性好 透明度高用途制造继电器盒盖 计 算机和磁盘的壳体 荧光灯罩 汽车及透明窗的玻璃等nC OOCCH3CH3O结构式 6 聚碳酸酯 透明金属 性能变硬度 高抗冲强度 抗蠕变性好 耐热 耐寒 耐磨 抗氧化性好 尺寸稳定性好用途制造机械 电子 电气制造航空 航天等部门的零部件结构式 nO CCH3CH3O SOO 7 聚砜性能无毒 无味 易溶于酮 醛 酯等有机溶剂 耐磨性 抗冲击性能好用途用于家用电器 箱包 装饰板材 汽车 收音机等零部件结构式 CH2CH x CH2CH CHCH2 y CH2CH zn 8 ABS塑料性能其透明性在现有高聚物中是最好的 缺点是耐磨 能差 硬度较低 易溶于有机溶剂等结构式 用途广泛用于航空 医 疗 仪器等领域nCH2CCH3COOCH3 9 聚甲基丙烯酸甲酯 有机玻璃 橡胶可分为天然橡胶和合成橡 胶 天然橡胶其化学组成是聚异戊二烯有顺式与反式两种构型 它们的 结构简式分别为CH2C CCH2HCH3n顺式CH2C CCH3HCH2n反式7 4 2橡胶1 天然橡胶顺反异构 1 分子链的柔顺性较好 2 分子链间仅有较弱的作用力 3 分子链中一般含有容易进行交联的基团 如含不饱和双键 人 们仿造天然橡胶的结构 合成了各种各样的合成橡胶 合成橡胶在某些性能上往往优于天然橡胶 例如耐磨 耐油 耐寒 等方面 2 合成橡胶下面列举几种常见的合成橡胶的性能及用途 顺式 1 4 聚异戊二烯适合做橡胶 其分子结构具有三个特点性能耐水 耐老 化性能 特别是耐磨性和气密性好 缺点是不耐油和有机溶剂 抗撕强度小结构式 用途为合成橡胶中 最大的品种 约占50 广泛用于制造汽车轮胎 皮带等 与天然 橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料 1 丁苯橡胶n yxCH2CHCHCH2CH2CH性能耐油 耐氧化 耐燃 耐酸碱 耐老化 耐 曲挠性及气密性都很好 缺点是密度较大 耐寒和弹性较差结构式 用途制造运输带 防毒面具 电缆外皮 轮胎 胶粘剂等 2 氯丁橡胶 万能橡胶 nCH2C CH CH2Cl性能弹性 耐老化性和耐低温性 耐磨性 都超过天然橡胶 缺点是抗撕裂能力差 易出现裂纹结构式 用途为合成橡胶的第二 大品种 约占15 大约60 以上用于制造轮胎 3 顺丁橡胶nCH2C CCH2H H性能耐油性好 拉伸强度大 耐热性好 缺点是电绝缘性 耐寒性 差 塑性低 难加工用途用作机械上的垫圈以及制备收音机和汽车 等需要耐油的零件结构式 4 丁腈橡胶n yxCH2CHCHCH2CH2CH性能分子无双键存在 故耐热 耐氧化 耐老化 性好 使用温度高结构式 用途制造耐热胶管 垫片 三角胶带 输送带 人力车胎等 5 乙丙橡胶nCH3CH2CH2CH CH2性能是一种耐热性和耐老化性很好的橡胶 它的特点是既耐高温 又耐低温 弹性好 耐油 防水 其制品柔软光滑 物理性能稳 定 无毒 生物惰性 加工性能好 缺点是机械性能差 较脆 易 撕裂结构式 用途可用于医用材料 如导管 引流管 静脉插管 人造器管等 还可用于飞机 导弹上的一些零部件及电绝缘材料 6 硅橡胶nS iOC H3C H3纤维天然纤维化学纤维合成纤维7 4 3纤维棉花 羊毛 蚕丝 麻 等再生人造纤维再生纤维素纤维和纤维素酯纤维等锦纶 涤纶 腈 纶 维纶 丙纶和氯纶等等用低分子化合物为原料 通过化学合成 和机械加工而制得的均匀线条或丝状高聚物 以天然高分子化合物为原料 经化学处理和机械加工制得的纤维 合成纤维具有优良的性能 例如强度大 弹性好 耐磨 耐腐蚀 不怕虫蛀等 因而广泛地用于工农业生产和人们日常生活中 合成纤维的条件1 高聚物必须是线型结构 且相对分子质量大小要 适当 2 必须能够拉伸 这就要求高分子链应具有极性或链间能有氢键结 合 抑或有极性基团间的相互作用 随着高科技的发展 现在已制造出很多高功能性 如抗静电 吸水 性 阻燃性 渗透性 抗水性 抗菌防臭性 高感光性 纤维及高 性能纤维 如全芳香族聚酯纤维 全芳香族聚酰胺纤维 高强聚乙 烯醇纤维 高强聚乙烯纤维等 性能显著优点是抗皱 保型 挺括 美观 对热 光稳定性好 润湿时强度不降低 经洗耐穿 可与其他纤维混纺 年久不会变黄 缺点是不吸汗 而且需要高温染色结构式 用途是产量最大的合成 纤维 大约90 作为衣料用 纺织品为75 纺织物为15 用于工业生产的只占总量的6 左右 1 聚对苯二甲酸乙二醇酯 涤纶 的确凉 nCOOCOO CH2 2O性能强韧 耐磨 弹性高 质量轻 染色性好 较不易起皱 抗疲劳性好 吸湿率为3 5 5 0 在合成纤维中是较大的 吸汗性适当 但容易 走样用途约一半作衣料用 一半用于工业生产 在工业生产应用中 约1 3是做轮胎帘子线 尼龙 66的耐热性比尼龙 66高 做轮胎帘子线很受欢迎结构式 N H CH2 6NHC CH2 4CO On 2 聚己二酰己二胺纤维 锦纶 66 尼龙 66 性能具有与羊毛相 似的特性 质轻 保温性和体积膨大性优良 强韧 与棉花相同 而富有弹性 软化温度高 吸水率低 不适宜作贴身内衣 缺点是强度不如尼龙和涤纶结构式 用途大约70 作衣料用 纺织物 占60 左右 用于工业生产的只占5 左右 3 聚丙烯腈纤维 腈纶 人造羊毛 nCH2CH性能亲水性好 吸湿率可 达5 和尼龙相等 与棉花 7 相近 强度与聚酯或尼龙相近 拉伸弹性比羊毛差 比棉花好结构式 用 途70 用于工业生产 其中以布和绳索居多 可代替棉花作衣料用用 4 聚乙烯醇纤维 维纶 维尼纶 nOHCH2CH性能它的抗张强度与蚕 丝 棉花相当 润湿时也完全不变 最大的优点是难燃性和自熄性 缺点是耐热性低染色不好用途几乎都不作衣料用 作过滤网等工业 产品约占50 室内装饰用占40 结构式 5 聚氯乙烯 氯纶 nClCH2CH功能高分子材料具有某种特殊功能的 高分子材料 例如离子交换 渗透 导电 发光 对环境因素 光 电 磁 热 pH 的敏感性 催化活性等 7 4 4感光高分子材料感光高分子材料在光照射下能迅速发生物理或 化学变化 经过一定的处理过程 可以得到记录影像的高分子材料 光交联型高分子光分解型高分子光致变色高分子感光高分子材料在 光照下 分子链间能发生交联偶合反应的感光性高分子 聚乙烯醇肉桂酸酯生成的交联产物不溶于有机溶剂 当用适当溶剂 显影液 冲洗时 未感光部分被冲洗下来 而感光 部分因不溶解而保留下来 结果得到与底片相反的图像 负图像 即负性光刻胶 CH2CH nC OCH CHOCH2CH nC OCH CHOCH CHC OCH CH2nOCH CHC OCH CH2nOhv交联1 光交联型高分子在光照下 高分子侧链上的基团发 生分解的感光性高分子 hvORN2C OR RCOOH N2H2O受光照的部分溶于显影液 稀碱液 而未受光照部分则保持 不变 显出图像 称为正图像 邻重氮醌不溶于稀碱液烯酮茚甲酸可溶于稀碱中正 负性光刻胶可 以用于制造集成电路 照相底片 印刷 激光光盘等很多方面 2 光分解型高分子在光照后化学结构发生变化前后对可见光的吸收 波长不同 显示出颜色变化 停止光照后又恢复原来的颜色的高分 子 hvCH2N O HON O NO2O CH NO2无色蓝色可制备各种光色太阳镜 电焊镜 护目镜 各种玻 璃窗 军事用伪装材料 密写信息材料等 3 光致变色高分子基体材料粘合增加材料 传导和分散外力 为了增强两者的结合力 有时加 偶联剂 如硅烷偶联剂是一类具有有机官能团的硅烷 在其分子中同时具有 能和无机质材料化学结合的反应基团及与有机质材料化学结合的反 应基团 通过使用硅烷偶联剂 可在无机物质和有机物质的界面之间架起 分子桥 把两种性质悬殊的材料连接在一起 起提高复合材料的 性能和增加粘接强度的作用 7 4 5复合材料复合材料 基体材料 增强材料连续相存在分散相存在 增强材料承载负荷 增加强度 1 聚合物基复合材料主要是指纤维增强聚合物材料 如将碳纤维包埋在环氧树脂中使复合材料强度增加 玻璃纤维复合 材料为玻璃纤维与聚酯的复合体 玻璃纤维聚酰胺复合材料 铝基复合材料 镍基复合材料 钛基复合材料等 碳纤维 碳化硅纤维和碳化硅晶须等 2 金属基复合材料3 陶瓷基复合材料复合材料按基体材料可分为 聚合物基复合材料 金属基复合材料和陶瓷基复合材料 7 5材料的未来与分子设计材料 能源和信息构成现代文明的三大 支柱 新世纪对材料不仅功能上提出更高的要求 而且必须考虑资源 能 源 环境和安全等与可持续发展有关的问题 对未来材料的发展趋势大致可以概括为 六化 即智能化 仿生化 复合化 纳米化 轻量化和高功能化 未来的材料智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知 而 自动作出适时 灵敏和适当的响应 并能自动地调节 修饰和修复 例如 形状记忆合金便是一种智能材料 高分子属于软物质 其特点是对弱的外界影响作出相对显著的响应 和变化 因此研究高分子的软物质特征 利用外场的变化来调节高分子功能 的变化 发掘高分子的自适应性 寻找实现高分子功能材料智能化 的途径 将是人们今后的努力目标 1 智能化通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能 学 习制造新材料的思路和方法 并在材料的设计和制造中加以模仿 称为仿生材料学 科学家找到了贝壳硬而摔不破的原因 于是模仿贝壳的结构设计出 一种摔不破的陶瓷 将涂有石墨层的SiC陶瓷片用热压法层层叠起来 抗冲击能力可提高 100倍 英国科学家用其制造汽车陶瓷发动机 它耐高温 不需要水冷系统 2 仿生化既坚硬又柔韧的仿生陶瓷是航天航空理想的发动机材料 也是制造装甲车 坦克和防弹车的理想材料 蜘蛛丝是世界上最坚韧的纤维之一 美国投入很大力量研究天然蜘 蛛丝的结构 性能及生长机理 已研制出仿生蛛丝 如何获取价廉的原料 也是科学家肩负的巨大责任 植物的光合作用制造了大量有机物质 有机物质有的已被人类作为 天然高分子材料使用着 如顺式聚异戊二烯 反式聚异戊二烯 纤 维素 木材等 有的可能是潜在的合成高分子的单体资源 如木质 素 纤维素和淀粉等 地球上以沙漠形式存在着大量SiO2 如能找到更方便 更廉价的将S iO2转化成高分子单体的方法 将无疑给合成高分子开辟另一重要的 单体 若能模拟自然界的生物转化和光合作用的催化功能 研究开发光合 作用合成碳氢化合物的新催化剂 将会彻底解决合成高分子的原料 问题 材料的分子设计是指应用已有的系统化的分子结构和性能等知识和 信息 指导合成具有预期性能的材料 通常采用 逆向而行 的思维方法 即根据所需性能来设计结构并 进行制备 科学家成功地设计了半导体超晶格材料 通过人工设计和调控材料 中的电子结构 由组分不同的半导体超薄层交替生长而成多层异质 周期结构材料 从而极大地推动了半导体激光器的研制 材料的分子设计目前作为针对性的或局部性的高分子设计已取得很 大进展 纤维分子设计中的仿丝绸纤维设计 难燃性 耐热纤维的设计等 塑料的分子设计中的ABS系树脂的分子设计 透明聚氯乙烯用的助剂 的分子设计等 为了保护环境 消除 白色污染 的自然降解高分 子的分子设计 具有某种生物效能的高分子的分子设计等 研制自然降解型高分子的基本方法就是在原料聚合物中引进或造成 感光性或感氧性结构或可发生微生物降解结构 1 用共聚法在高分子链上引入极少量羰基乙烯与一氧化碳 苯乙烯 与丙烯醛共聚可得CH2CH2CH2CH2C CH2CH2CHCH2CHCH2CHCHO O聚丙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯腈及它们的共聚物等也可以用 通过共聚引入羰基的方法达到类似的效果 获得具有预期寿命的聚 合物 由于羰基的存在 制品易被阳光降解 现以光降解和微生物降解的分子设计为例 举例简介于下可降解高 聚物的分子设计天然高分子如淀粉 纤维素等可被微生物分解 但合成高分子由于硬度 疏水性等原因 酶不能渗入其内部 无法 被分解 方法一采用改性天然高分子如改性淀粉与合成高分子共混 使其制 品在自然条件下因天然高分子组分被生物分解而粉碎 但是残留的碎片是合成高分子 方法二采用聚合物改性方法 把少量亲水性基团引入聚烯烃分子中 使微生物能够渗入到材料内部从而发生微生物降解 2 合成可为微生物分解的聚合物选读材料医用功能高分子材料功能 高分子材料指除传统使用性能外 还具有某种特定功能的高分子材 料 功能高分子材料电磁功能高分子材料如导电高分子材料 高分子磁 性体 磁记录材料等 光功能高分子材料如光导材料 光记录 光敏剂 感光材料等 分子材料和化学功能材料如分离膜 离子交换树脂 高分子催化剂 等 生物医用高分子材料如人造器官 医用高分子器械 医用高分子药 物 仿生高分子等 作为医用高分子材料 应符合以下要求 不因高压煮沸 干燥灭菌 药液等发生变质 化学性能稳定 对生理组织的适应性良好 无毒 无致癌性和 生理排异性 不导致血液凝固与溶血 不产生新陈代谢的异