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第五章 合成高分子
第二节
高分子材料
1、了解合成高分子材料(塑料、纤维、橡胶)的性质和用途。(宏观辨识与与微观探析)
2、了解合成高分子化合物在发展经济、提高生活质量方面的贡献。(科学态度与社会责任)
教学目标
3、了解功能高分子材料的结构特点和重要性能。(宏观辨识与与微观探析)
4、了解合成高分子在高新技术领域的应用以及在发展经济、提高生活质量方面中的贡献。(科学态度与社会责任)
塑料
合成纤维
合成橡胶
黏合剂
涂料
高分子分离膜
导电高分子
医用高分子
高吸水性树脂
一、高分子材料的分类
按来源
分类
天然高分子
人工合成高分子
高分子
材料
淀粉、纤维素、蛋白质、
天然橡胶、壳聚糖、核酸等
按用途和
性能分类
通用高分子材料
功能高分子材料
高分子
材料
二、通用高分子材料
1、塑料
阅读136第二段回答:塑料由哪些成分组成?
提高柔韧性
提高耐热性
赋予塑料各种颜色
实例:聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、
聚苯乙烯、酚醛树脂、脲醛树脂
合成树脂
以聚氯乙烯为例
特点:无色、硬质、耐热性差
改善 性能
聚氯乙烯塑料中含有的增塑剂在室温下会逐渐“逃逸”出来,且有的还具有一定毒性,因此聚氯乙烯塑料不能用于生产食品包装材料。
加工助剂
主要成分
塑料
增塑剂
热稳定剂
着色剂
(1)组成
阅读P136第三段、141第二段,回答:从性质角度分塑料分为哪两种?其在结构上有什么区别?
塑料
热塑性塑料
热固性塑料
实例:聚乙烯、聚氯乙烯等
结构:线型结构,链状结构
特性:受热时软化或熔化,
可溶于某些溶剂
可以反复加热熔融加工
(2)分类
实例:酚醛树脂、脲醛树脂等
结构:体型结构,网状结构
特性:受热后不能软化或熔化,
也不溶于一般溶剂。
不能加热熔融,只能一次成型
热固性塑料再次受热时,链与链间会形成共价键,产生一些交联,形成体型网状结构,硬化定型
为什么两种塑料的特性不同呢
热塑性塑料具有长链状的线型结构。受热时,分子间作用力减弱,易滑动;冷却时,相互引力增强,会重新硬化
①聚乙烯
(3)几种常见的塑料
阅读P137-139回答:
(1)聚乙烯有几种?生成条件、结构、性质上有什么区别?
(2)不同聚乙烯性质不同的原因是?
(3)一般高分子有一定弹性的原因是?
是线性高分子弹性强还是体型高分子?为什么?
高温高压
引发剂
低密度聚乙烯
聚乙烯
按合成方法
高压法聚乙烯
低压法聚乙烯
PE
简称:LDPE
结构:支链较多
物理性质:密度和软化温度较低
性能:无毒、较弱软
用途:生产食品包装袋、薄膜、绝缘材料
低温低压
引发剂
高密度聚乙烯
简称:HDPE
结构:支链较少
物理性质:密度和软化温度较低
性能:无毒、较弱软
用途:生产食品包装袋、薄膜、绝缘材料
网状结构
线型结构
线性结构的聚乙烯可以在一定条件下变为网状结构的聚乙烯,以增加强度
支链型结构
苯酚、甲醛
缩聚反应
酸
碱
线性结构酚醛树脂
网状结构酚醛树脂
②酚醛树脂
先加成
H+
+
再缩聚
线性结构
网状结构
酚醛树脂的性质特点和用途
具有网状结构的高分子受热后不能软化或熔融,也不溶于一般溶剂。
酚醛树脂主要用作绝缘(开关、灯头)、隔热、难燃、隔音器材和复合材料。可用于烹饪器具的手柄,一些电器与汽车的零部件,火箭发动机、返回式卫星和宇宙飞船外壳等的烧蚀材料。
图5-5 宇宙飞船返回舱烧蚀后的外壳
图5-6 使用酚醛树脂底板制成的集成电路板
尿素(H2NCONH2)可以与甲醛发生反应,最终缩聚成具有线型或网状结构的脲醛树脂。脲醛树脂可用于生产木材黏合剂、生活器具和电器开关。
尿素与甲醛反应得到线型聚合物的化学方程式为:
使用脲醛树脂制成的开关
阅读P139可降解高分子
1、可降解高分子有几种?
生物降解
光降解
如:聚乳酸
你认为涤纶能降解吗?为什么?
聚合物中加入光敏剂
2、二氧化碳与环氧丙烷的反应
已知二氧化碳能与环氧丙烷发生加成反应生成可降解高分子化合物,你能否写出反应的化学方程式?
这两种产物一样吗?
以石油、天然气、煤、农副产品等为原料,将其转化为单体,再经过聚合反应得到合成纤维,如锦纶、涤纶、氯纶、腈纶、维纶、丙纶(六大纶)等。
以木材、秸杆等农副产品为原料,经加工处理可以得到再生纤维,又称人造纤维。如粘胶纤维(人造丝、人造棉)等。
如棉花、羊毛、蚕丝和麻等
再生纤维
合成纤维
天然纤维
化学纤维
纤维
(1)纤维的分类
阅读P141-142,回答:
纤维如何分类,有哪些常见的合成纤维
2、纤维
优点:具有强度高、弹性好、耐腐蚀、不缩水、保暖等
缺点:吸湿性和透气性明显不及天然纤维
满足人们的穿着需求
工农业生产
与
高科技领域
合成纤维
性能
应用
(2)合成纤维的性能和应用
除维纶——“人造棉花”
工业用隔音、隔热、绝缘材料
渔业用的渔网、缆绳
医疗用的缝合线、止血棉
航空航天用的降落伞、航天服等
名称 结构简式 单体
涤纶(的确良)
锦纶
腈纶(人造毛)
维纶
丙纶
氯纶
认识六大纶的结构,试写出对应的单体。
CH2=CHOH
CH2=CH—CH3
CH2=CH—Cl
思考交流
合成纤维中目前产量最大的是聚酯纤维中的涤纶,它是聚对苯二甲酸乙二酯纤维的商品名称。其合成反应为:
(3)常见的合成纤维——聚酯纤维(涤纶)
制取:
单体:
催化剂
△
CH2
CH2
H O
O H
+
n
n
O
C
HO
C
O
OH
+(2n 1)
CH2
CH2
O
O
[ ]n
C
O
HO
C
O
H
H2O
涤纶性能:
强度大,耐磨,易洗,快干,保形性好,但透气性和吸湿性差,可以与天然纤维混纺获得改进。
涤纶用途:
是应用最广泛的合成纤维品种,大量用于服装与床上用品(如运动服、被套、睡袋等)、各种装饰布料、国防军工特殊织物(航天服、降落伞),以及工业用纤维制品(过滤材料、绝缘材料、轮胎帘子线、传送带)等。
宇宙飞船降落伞
聚酰胺纤维中的锦纶是较早面世的合成纤维之一,聚己二酰己二胺纤维(又称锦纶66、尼龙66)的合成反应为:
(3)常见的合成纤维——聚酰胺纤维
H2N-(CH2)6-NH2和HOOC-(CH2)4-COOH
制取:
单体:
+
聚己二酰己二胺
(2n 1)H2O
催化剂
△
+ H—NH(CH2)6NH—H
尼龙66性能:
不溶于普通溶剂,熔化温度高于260℃,拉制的纤维具有天然丝的外观和光泽,耐磨性和强度较大。
尼龙66用途:生产丝袜、降落伞、渔网、轮胎帘子线等。
锦纶在发展:
由6-氨基已酸合成的锦纶6、由癸二酸和癸二胺合成的锦纶1010等脂肪族聚酰胺纤维(锦纶),以及耐高温、高强度的芳香族聚酰胺纤维(芳纶)。
2020年11月24日凌晨,嫦娥5号在长征5号火箭巨大的推力下,启程前往月球,经20多天旅程后带着月壤返回,这是中国航天“探月工程”向世界展示出“中国力量”。其中制作国旗材料之一是高强度芳纶纤维,属于高分子材料。
维纶:
俗称“人造棉花”,其吸湿性较好,
(1)请从结构上分析其原因
(2)请以乙烯为原料,设计其合成路线(其他无机试剂任选)
(3)
已知:炔能与羧酸发生加成反应生成酯
你认为在滴眼液中起到预防和治疗眼部干涩作用的物质是?为什么?
橡胶产品
阅读P144-145,回答:
(1)什么是橡胶?
(2)橡胶如何分类?
(3)有哪些常见的橡胶?
(4)橡胶有哪些独特优势?
(5)顺丁橡胶指的是?你能写出其合成方程式吗?
(6)橡胶硫化交联的目的是?注意的问题是?
(7)三叶橡胶和杜仲胶的区别是?你能写出杜仲胶的结构简式吗?
橡 胶
天然橡胶
合成橡胶
三叶树胶(顺式聚异戊二烯)
杜仲树胶(反式聚异戊二烯)
性质:耐磨、耐寒、耐油、耐热、耐腐蚀等方面有着独特的优势。
(1)分类
3、橡胶
丁苯橡胶
顺丁橡胶
氯丁橡胶
聚硫橡胶:有耐油性
硅橡胶:有耐热耐寒性
通用橡胶
特种橡胶
——具有可逆形变的高弹性聚合材料
(2)天然橡胶是异戊二烯的聚合物
(2-甲基-1,3-丁二烯)
异戊二烯
顺式聚异戊二烯
三叶树胶(顺)
杜仲树胶(反)
是反式聚异戊二烯,你能写出其结构简式吗?
分析天然橡胶的结构特点,说说它的性质可能有哪些不足?
称橡胶的老化
易起加成反应和易被氧化,
(3)合成橡胶
顺丁橡胶是以顺式结构为主的聚1,3- 丁二烯。
缺点:
该聚合物呈线型结构,分子链较柔软,性能较差。
(4)橡胶的硫化
原因:
(1)天然橡胶和顺丁橡胶均呈线型结构,分子链较柔软,性能较差。
(2)分子中存在碳碳双键,易加成也易被氧化,直接加工成用品使用容易老化。
硫化:将橡胶与硫等硫化剂混合后加热,硫化剂将聚合物中的碳碳双键打开,以二硫键 (—S—S—)等,把线型结构连接为网状结构,得到既有弹性又有强度的硫化橡胶。
注意问题:硫化交联程度不易过大,否则会使橡胶失去弹性
顺丁橡胶具有很好的弹性,耐磨、耐寒性好,主要用于制造轮胎。
注意问题:硫化交联程度不易过大,否则会使橡胶失去弹性
合成橡胶的用途
合成橡胶是制造飞机、汽车和医疗器械等所必需的材料,是重要的战略物资。
什么是功能高分子?其特殊功能有谁决定?
有哪些常见的功能高分子?
三、功能高分子
1、定义:具有某些特殊化学、物理及医学功能的高分子材料
链上的功能基的种类、数量和分布,以及高分子的聚集态决定高分子的特殊功能。
2、常见的功能高分子
高分子分离膜
医用高分子
高分子催化剂
磁性高分子
高分子药物
高吸水性树脂
形状记忆高分子
你有没有玩过水晶宝宝?
它的吸水原理和海绵一样吗?
与棉花和纸张呢?
你知道其主要成分是什么?
为什么它有那么强的吸水性?
你挤一挤吸水后的水晶宝宝有水挤出来吗?你认为原因是?
纤维素的分子结构
你能理解棉花的保水性为何不好吗?
你认为高吸水性树脂在结构上应具有什么特点?
常见的亲水基团
羟基 羧基 醛基 氨基
常见的疏水基团
烃基 卤原子 酯基
(2)性能:
不溶于水,也不溶于有机溶剂,与水接触后在很短的时间内溶胀,可吸收其本身质量的数百倍甚至上千倍的水,同时保水能力要强,还能耐一定的挤压作用。
3、高吸水性树脂
(1)结构特点:
①含有强亲水基团的支链,如羧基、羟基、酰氨基等。
②具有网状结构。
如何能够得到高吸水性的材料呢?
方法一:天然吸水材料改性
如:纤维素或淀粉分子
方法二:合成具有亲水基团的网状高聚物
—OH
线型
接入强吸水性基团
—COONa
增强保水能强
交联成网状
已知:尿不湿所用的材料是高吸水性树脂,常用网状结构的聚丙烯酸钠,请以乙炔为原料设计合成聚丙烯酸钠的路线,(无机试剂任选)
聚丙烯酸钠的合成:
HCN
催化剂
H2O,H+
△
CH≡CH CH2=CHCN CH2=CHCOOH
NaOH
CH2=CHCOONa
资料卡片:
亲水基吸水性强弱顺序:
—COO- > —COOH > —OH
这样合成的聚丙烯酸钠能起到吸水和保水的效果吗?
高吸水性树脂交联前一般是水溶性的,形成网状结构后,才能吸收水分子,并且通过网状结构将水分子束缚,形成溶胀的凝胶体。这种凝胶体的保水能力很强,在一定压力下也不易失水。
交联
形成网状结构
4、高分子分离膜
(1)功能:分离膜一般只允许水及一些小分子物质通过,其余物质则被截留在膜的另一侧,成为浓缩液,达到对原液净化、分离和浓缩的目的。
(2)高分子分离膜分类
——按孔径大小分类
(3)材料:
主要是有机高分子材料,如醋酸纤维、芳香族聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙谗等。
(4)应用:
海水淡化和饮用水的制取,果汁浓缩、乳制品加工、药物提纯、血液透析等领域。