大化版高分子材料化学

1、第七章 高分子材料化学,高分子,高分子化合物,高聚物、聚合物,天然,人工合成,纤维、淀粉、蛋白质,传统,功能,塑料、橡胶、纤维,离子交换树脂、 高分子药物等,7.1 高分子化合物概述,基本概念 分类及命名 高分子合成,1 基本概念,高分子是由许多特定结构单元通过共价键重复连接而成的分子长链。 高分子相对分子质量很大，但组成并不复杂。,例:,_CH2_CH_,单体,聚合物,链 节,常简写为:,单 体：,链 节：,能够提供结构单元的低分子化合物,聚合度：,高分子链中的链节重复的数目 “ n ” 它是衡量高分子大小的重要指标，一般大于100。,结构单元,高分子化合物实际是由若干相对分子质量不同的 同

2、系聚合物组成，是混合物。 通常所说的高分子化合物的相对分子质量和聚合 度都是平均值, 并不代表每个具体分子的真实数值。,聚苯乙烯,单体 CH2=CH-C6H5,聚合度 n,2 分类及命名,（1）. 分 类, 按性能和用途分类,a 塑料,热塑性塑料,受热软化变形，可以多次反复加热成型。,加热成型后不再变形，不能反复加热成型。,热固性塑料,顺式聚异戊二烯,天然橡胶,合成橡胶,顺丁橡胶 丁苯橡胶 硅橡胶 聚氨酯橡胶等,b 橡胶,c 纤维,涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯) 腈纶(聚丙烯腈 PAN) 氯纶 (聚氯乙烯 PVC),尼龙-66 (聚己二酰己二胺),离子交换树脂、高吸水性树脂 高分子药物、高分子催

3、化剂 高分子试剂、高分子半导体等,e 功能高分子,d 胶粘材料,聚醋酸乙烯酯粘合剂等, 按主链结构分类,碳链聚合物,杂链聚合物,元素有机聚合物,主链完全由碳原子组成。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。,主链除碳原子外，还含有O、S、N等杂原 子。如聚醚、聚酯、聚酰胺。,主链由Si、B、Al与O、S、P、N等原子 组成，但侧基为有机基团。如有机硅橡胶。,（2）命 名, 按单体结构特征命名,一种单体聚合而成 “聚” + 单体名 如 聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。,两种不同单体聚合而成 单体简称后加“树脂”、“橡胶”、“共聚物”等后缀 如 酚醛树脂、丁苯橡胶、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物等。,

4、按聚合物结构特征命名,可称为聚氨酯、聚酯、聚醚、聚酰胺等。,聚己二酰己二胺,聚对苯二甲酸乙二醇酯,聚酰胺类,聚酯类,聚酰胺类称为“尼龙”,商品名：尼龙-66, 按商品名命名,后加的两个数字, 分别代表单体二元胺和二元酸的碳原子数。,如 聚己二酰己二胺,如 聚癸二酰癸二胺,商品名：尼龙-1010,合成纤维通常以“纶”作后缀 尼龙-66(也称锦纶-66) 涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯) 腈纶(聚丙烯腈) 氯纶 (聚氯乙烯 ),另外，采用国际通用英文缩写符号，读写更为方便。,聚氯乙烯 PVC 聚丙烯腈 PAN 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA,3 高分子合成,（1）. 加聚反应,由含不饱和键或环状结构的一种

5、或多种 单体相互加成得到聚合物的反应。,最常见的加聚反应是由乙烯类单体成为乙烯类 高分子化合物。,定义,特点,无副产物 聚合物的化学组成与单体组成相同。 聚合物分子量是单体分子量的整数倍。,n CH2 = CH2 +,（2）缩聚反应,由单体官能团之间缩合而形成的高聚物,同时析出低分子化合物的反应。,定义,特点,有副产物 聚合物的化学组成与单体组成不相同。 聚合物分子量不是单体分子量的整数倍。 缩聚物中留有官能团的结构特征。,缩聚反应兼有缩合出低分子和聚合成高分子的双重意义。,nH2N (CH2)6NH2 + n HOOC (CH2)4COOH,+ (2n-1)H2O,大部分缩聚物是杂链聚合物，

6、易被水、醇、酸等水解、醇解、酸解。但杂链聚合物并不完全由缩聚反应制得，如聚甲醛等由开环聚合而成。,乙二胺与乙二酸聚合生成尼龙66,开环聚合 异构化聚合 氢转移聚合等,（3）. 其他聚合反应,开环,7.2 高分子结构与性能,高分子的几何结构 高分子化合物的力学状态,1 高分子的几何结构,高分子链的结构可以分为三种类型：,(1) 线型高分子,一般具有弹性、塑性，在适当的溶剂中能溶 解、溶胀，加热可以软化、熔融.,(2) 支链型高分子,主链上常有些较短支链的高分子。,线型或支链型高分子彼此以物理力聚集在一起，因此加热能熔化，并能溶于适当溶剂中。,(3) 体型高分子,既不能溶解、也不能熔融, 个别只能

7、溶胀。,高分子长链与长链之间通过化学键交联而成，具有立体网状结构。,高分子化合物的力学状态,（1）线型非晶态高聚物,呈现三种力学状态：,玻璃态、高弹态、粘流态,Tb,脆化点,Tg, 玻璃化温度,Tf, 粘流温度,Td,分解温度,a 玻璃态 分子链及链段都不能运动，具有固定的形状。 普弹形变 b 高弹态 分子链不能运动，但链段能运动，具有弹性。 高弹形变 c 粘流态 分子链及链段都能运动，具有塑性。,玻璃化温度 (Tg) 玻璃态向高弹态转变的温度 粘流温度 (Tf ) 高弹态与粘流态间的转变温度,橡胶使用的温度范围在 TgTf之间； 塑料使用的上限温度为 Tg。,5 高分子化合物的化学变化,高分

8、子链上的官能团发生反应。,（1）官能团反应,HCHO,+,如,-H2O,特点：聚合度基本不变,（2） 降解反应 ,在一定条件下，高分子化合物聚合度降低的反应。,降解反应使高分子链断裂，高聚物变软而失去 机械强度。,降解反应可分为 热降解、氧化降解、化学降解、机械降解、光降解等。,5 高分子化合物的化学变化,（1）官能团反应,特点：聚合度基本不变,高分子链间可以通过物理或化学的方法实现交联。,（3） 交联反应 ,如硫化橡胶法，就是生橡胶与硫共热发交联反应产生体型结构，使高聚物变硬失去弹性。,高分子化合物的老化,在热、氧、水、化学介质、光、微生物的综合作用下，聚合物的化学组成和结构会发生一系列变化

9、，物理性能也会相应变坏，如发硬、发粘、变脆、变色、失去强度等，这些变化和现象统称为老化。,7.3 新型高分子材料,塑 料 合成橡胶 高分子复合材料 功能高分子材料,1 塑 料,塑料是一种可塑性的高分子材料，在加工过程中 可以处于“塑性”状态。, 热塑性塑料,主要是由线型或支链型高聚物组成，加热软 化或熔融，可塑制成型，再加热又能软化或熔融， 可如此反复处理，其性能基本不变。,（1）分类, 热固性塑料,b 加热或加固化剂，使分子链间发生交联反应，成为 体型结构。,分两步聚合：,a 先转化成具有潜在反应活性的分子质量较低的粘性 液体或易熔固体。,热固性塑料，再次加热不能熔融成型。,（2）几种重要塑

10、料, 聚四氟乙烯 (PTFE),nCF2 = CF2,聚四氟乙烯俗称塑料王，具有非常优良的耐高、低温性能，可在-180260范围内长期使用,不与任何强酸，碱，甚至王水反应，只与熔融碱金属，元素氟，三氟化铝作用 , 摩擦系数极低,仅为0.04。,优点：,它对其他物质不粘附，不吸水，电性能优良，是目前介电常数和介电损耗最小的固体绝缘材料。,缺点：,强度低刚性不够，影响零件尺寸稳定性。,聚酰胺(PA) 聚酰胺俗称尼龙, 这种热塑性塑料或由二元胺和二元酸缩聚而成,或由氨基酸脱水成内酰胺再聚合而成。 结晶性聚合物，有良好的力学性能，（抗拉高于金属，抗压与金属相近，可作为金属的替代物）。 尼龙具有突出的耐

11、磨性和自润滑性，韧性好，强度高，耐蚀性好、成型性好。 缺点是耐热性差、导热性差, 吸水性高。,ABS既保持了聚苯乙烯优良的电化学能和加工成型性，又由于丁二烯的双键和柔性，使其具有优良的弹性和冲击强度，丙烯腈又可使耐热、耐腐蚀性和表面硬度增强，使之成为综合性能优良的刚韧兼备的工程材料。,苯乙烯 丁二烯 丙烯腈共聚物(ABS),2 合成橡胶,橡胶属高弹性的高分子材料，受力后变形，外力 解除后恢复原状。一般说来，具有长柔顺链结构，链 段易于运动，富于弹性。,几种重要的合成橡胶： 顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、 硅橡胶和 聚氨酯橡胶等。,3 高分子复合材料,以高分子化合物为基体，采用其它物质为增强 材料而得到的多相固体材料。,“玻璃钢”,增强材料： 玻璃纤维,基 体： 酚醛树脂、环氧树脂等, 高分子复合材料保持了聚合物的耐化学腐蚀性、电绝缘性、 易加工性以及使材料强度增强等特性, 具有优异的综合性能。,4 功能高分子材料,1. 活性碳纤维 比表面积大：10003000m2/g极高的吸附容量。,因此活性碳纤维：吸附量大，吸附速度快。易于再生。而且还可以制成纺织品：纱，布等 应用：工业：废水废气净化，贵金属回收，军用防毒面具，生活用除味剂,医用材料的要求： 心脏3650万次/年耐老化性 心脏搏