5.2高分子材料 课件(共52张PPT)

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第二节 高分子材料
第五章 合成高分子
高分子材料
人造草坪
聚酯纤维
吸水树脂
多彩的塑料制品
合成橡胶
材料
金属材料
无机非金属材料
有机高分子材料
: 铜、铁、铝等及各种合金。
传统无机非金属材料
新型无机非金属材料
: 水泥、玻璃、陶瓷
氮化硅陶瓷
碳化硅陶瓷
光导纤维(SiO2)
天然高分子：
合成高分子：
淀粉、纤维素、蛋白质、天然橡胶等
塑料、合成纤维、合成橡胶、粘合剂、
涂料等
材料的分类
高分子化合物的分类
按来源分
高分子化合物
天然高分子
合成高分子
通用高分子材料
功能高分子材料
塑料
合成纤维
合成橡胶
黏合剂
涂料
(按用途和性能分)
淀粉、纤维素、蛋白质、天然橡胶等
(结构)
线型、支链型、体型高分子
(受热情况)
热塑性、热固性
高分子分离膜、导电高分子、医用高分子、高吸水性树脂等
一、通用高分子材料
1. 塑料
（1）成分
树脂：未经加工处理的，没有与添加剂混合的聚合物
合成树脂
加工助剂
聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂、脲醛树脂等。
主要成分是合成树脂，还可加入具有特定作用的加工助剂
增塑剂
热稳定剂
着色剂
提高柔韧性
赋予各种颜色
提高耐热性
（2）分类
热固性塑料——不能加热熔融，只能一次成型
聚乙烯
聚氯乙烯
酚醛树脂
线型结构
不带支链的
带支链的
体型结构
热塑性塑料——可反复加热熔融加工
【科学·技术·社会 】 聚氯乙烯薄膜能用于食品包装吗？
[ ]n
n CH2 CH
Cl
一定条件
CH2 CH
Cl
聚氯乙烯本身较硬，需加入增塑剂，稳定剂等。室温下，增塑剂小分子会逐渐“逃逸”出来。，这些增塑剂小分子在室温下会逐渐“逃逸”出来，使柔软的塑料制品逐渐变硬；有的增塑剂还具有一定毒性。所以，不能用含增塑剂的聚氯乙烯薄膜生产食品包装材料。
COO(CH2)3CH3
COO(CH2)3CH3
COO(CH2)7CH3
COO(CH2)7CH3
邻苯二甲酸二丁酯
邻苯二甲酸二辛酯
增塑剂
（3）聚乙烯
1) 合成方法
聚乙烯
按合成方法
高压法聚乙烯
低压法聚乙烯
支链较多，密度和软化温度较低
高温高压
引发剂
低密度聚乙烯
LDPE
无毒，较柔软
生产食品包装袋、薄膜、绝缘材料等
支链较少，密度和软化温度较高
低温低压
催化剂
高密度聚乙烯
HDPE
无毒，较硬
生产瓶、桶、板、管等
加热均融化
溶于某些溶剂
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
网状结构
2) 结构
3) 性质
①弹性
聚乙烯分子链上的碳碳单键可以发生旋转
导致
分子链只能呈不规则的卷曲状态
所以，一般的高分子材料都具有一定的弹性
外力作用
卷曲的高分子链可以被拉直或部分被拉直
除去外力
恢复卷曲状态
②加热均可熔融，也可溶于某些溶剂
③软化温度和密度
高分子链之间的作用力
链的长短
高分子链之间的疏密远近
高分子链越长，高分子相对分子质量越大，高分子链之间的作用力越大
支链较少，易于接近相互作用力大
低密度聚乙烯，相对分子质量小、支链多
高密度聚乙烯，相对分子质量大、支链少
低密度聚乙烯<高密度聚乙烯
低密度聚乙烯比高密度聚乙烯的软化温度低，密度也低
4) 用途
①低密度聚乙烯不用加入增塑剂就显得十分柔软。可做无毒的食品包装袋等薄膜制品
②高密度聚乙烯较硬一些,可做瓶、桶、板、管与棒材等。
③通过改进聚合反应的催化剂，现已得到超高相对分子质量的聚乙烯(相对分子质量大于106)。其具有高强度和高耐磨性，使用温度范围广，耐化学腐蚀。可用于制造防弹服、防弹头盔、绳缆等。
防弹服
防弹头盔
绳缆
【资料卡片 】 高分子的命名
聚苯乙烯
聚异戊二烯（异戊橡胶）
聚甲基丙烯酸甲酯
（有机玻璃）
聚对苯二甲酸乙二酯纤维
酚醛树脂
—CH2-CH2-CH2-CH—
CH3
—
[ ]
n
乙丙橡胶
【社会·科学·技术】 可降解高分子
微生物降解和光降解
图5-4 微生物降解塑料
“白色污染”
H—O-CH-C—OH
O
[
]
n
CH3
聚乳酸
废弃的塑料制品对环境造成的污染
可降解高分子
环氧乙烷与CO2反应生产聚合物
小结： 判断高分子材料是线型结构还是体型结构，一般从以下两个角度判断：
(1)根据溶解性判断能溶于适当溶剂的高分子材料一般为线型结构，如聚乙烯、聚氯乙烯等；在溶剂中难溶解的高分子材料一般为体型结构，如酚醛塑料等。
(2)根据热塑性、热固性判断：
具有热塑性，受热能熔化的高分子材料具有线型结构；具有热固性，受热不熔化的高分子材料具有体型结构。
(4)酚醛树脂
酚醛树脂是酚（如苯酚或甲苯酚等）与醛（甲醛）在酸或碱的催化下相互缩合而成的高分子。
【实验5-1】
分组编号 Ⅰ Ⅱ
实验步骤 ①苯酚+甲醛+浓盐酸 ①苯酚+甲醛+浓氨水
产品外观
结构特点
结论 水浴加热
快速生成白色固体物质
线性结构
网状结构
生成白色固体物质，时间较长
甲醛和苯酚在酸或碱性作用下均可发生缩聚反应生成树脂
1）在酸催化下
总反应：
羟甲基苯酚
等物质的量的苯酚与甲醛反应，苯酚邻位或对位的H原子与甲醛的羰基加成生成羟甲基苯酚，然后羟甲基苯酚之间脱水缩合成线型结构高分子
2）在碱催化下
过量甲醛与苯酚反应，生成羟甲基苯酚、二羟甲基苯酚、三羟甲基苯酚等，继续反应，就可以生成网状结构的酚醛树脂
2，4-二羟甲基苯酚
2，4，6-三羟甲基苯酚
3)酚醛树脂的用途
具有网状结构的高分子受热后不能软化或熔融，也不溶于任何溶剂。
酚醛树脂主要用作绝缘、隔热、阻燃、隔音等器材和复合材料。
【思考与讨论 】
（1）通过以上学习，我们了解到合成高分子的结构大致可以分为三类:
线型结构、支链型结构和网状结构，你能举例说明它们各自的特性吗
结构 结构特点 性质特点
线型 没有支链的长链分子，且大多数呈卷曲状 受热后熔化，冷却后固化，具有热塑性
支链型 主链上有长支链和短支链，分子排列松散，分子间作用力弱 柔软度和溶解度较线型高分子的大，密度、强度和软化温度低于线型高分子
网状 线型或支链型高分子以化学键交联，形成网状结构 柔软度降低，刚性提高，不能熔融，在溶剂中会发生溶胀，但不能溶解
（2）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。请写出尿素与甲醛生成线型聚合物的化学方程式
nH2NCONH2 + 2nHCHO
催化剂
+(n-1) H2O
1：2 加成
HNCONH
CH2
HO
CH2
OH
n
H
OH
HNCONH
CH2
O
CH2
网状结构的脲醛树脂
线型结构里必须还存在能发生加聚或缩聚反应的官能团，如双键、羟基、氨基等，才有可能转变为网状结构。
名称 结构简式 单体
聚乙烯（PE）
聚氯乙烯（PVC）
聚苯乙烯（PS）
常见塑料及用途
CH2=CH2
ClCH=CH2
聚四氟乙烯（PTFE）
聚丙烯（PP）
有机玻璃(聚甲 基丙烯酸甲酯PMMA)
脲醛塑料 (电玉UF)
n
H
OH
HNCONH
CH2
O
CH2
CF2=CF2
CH3CH=CH2
CH3C=CH2
COOCH3
H2NCONH2
HCHO
2. 合成纤维
棉花、麻（纤维素）等
天然纤维
化学纤维
纤维
用石油、天然气、煤和农副产品等为原料加工制得单体，经聚合反应制成的纤维（如：“六大纶”、碳纤维、光导纤维等）
再生纤维
合成纤维
利用木材、秸秆等天然高分子原料，经过加工处理得到。如：粘胶纤维
1）纤维的分类
植物纤维
动物纤维
蚕丝、羊毛（蛋白质）等
2）常见的合成纤维——六纶
涤纶
锦纶
腈纶
丙纶
维纶
氯纶
(的确良)
(尼龙)
(人造羊毛)
(人造棉）
—CH2-CH—
[ ]
CH3
n
—CH2-CH—
[ ]
CN
n
—CH2-CH—
[ ]
Cl
n
H—NH-(CH2) 5
O
-C—OH
[
]
n
=
因其分子链上有羟基，故吸湿性好，称为“人造棉”
CH2=CH—CH3
CH2=CH—Cl
CH2=CHOH不稳定
聚乙烯醇
①聚酯纤维
涤纶纤维的强度大，耐磨，易洗，快干，保型性好，但透气性和吸湿性差。用于服装和床上用品、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
涤纶——聚对苯二甲酸乙二醇酯
单体：
和
合成纤维中目前产量最大的聚酯纤维中的涤纶
聚酰胺纤维中的锦纶是较早面世的合成纤维之一.
H2N-(CH2)6-NH2和HOOC-(CH2)4-COOH
单体：
聚己二酰己二胺纤维(又称锦纶66、尼龙66)
②聚酰胺纤维
C(CH2)4C
O
O
[ ]n
HO H+(2n-1)H2O
HN(CH2)6NH
n H2N(CH2)6NH2
n HOC(CH2)4COH +
O
O
锦纶在发展：由6-氨基己酸合成的锦纶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)。
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。
强度高、弹性好、耐腐蚀、不缩水、保暖和不怕虫蛀等
优良的性能：
维纶：
吸湿性好“人造棉花”
缺点：
吸湿性、透气性不如天然纤维
两类纤维混合纺织——性能互补
3）合成纤维特点
4）合成纤维应用
服装
航天服
降落伞
绝缘材料
隔音、隔热材料
止血棉
医用缝合线
渔网
麻绳
【科学·技术·社会 】 高强度芳纶纤维
芳香族聚酰胺纤维——聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，又称芳纶1414
+
nH2N NH2
催化剂
n
C C OH
O
O
]
HN NH
[
H
+(2n-1)H2O
C C OH
O
O
nHO
它的强度高，密度却只有钢的1/5；其热稳定性
高，在500℃高温下不会熔化分解。可以制成防弹装甲、消防服、防切割耐热手套，以及交通工具的结构材料和阻燃内饰等。
图5-10 使用了芳纶纤维结构材料的轻型飞机
3. 合成橡胶
橡 胶
天然橡胶
合成橡胶
三叶橡胶（顺式聚异戊二烯）
杜仲胶（反式聚异戊二烯）
丁苯橡胶
顺丁橡胶
合成天然橡胶
氯丁橡胶
乙丙橡胶
硅橡胶
1）橡胶的分类
2）橡胶的性质
橡胶是一类具有弹性的物质。
相对分子质量＞大多塑料、合成纤维，105~6
耐磨、耐寒、耐油、耐热、耐腐蚀、耐老化等
3)合成橡胶
（1）合成橡胶的原料
以石油、天然气为原料，以烯烃和二烯烃为单体聚合而成的高分子
（2）顺丁橡胶
C＝C
n
H
CH2
CH2
H
合成原理：单体1,3—丁二烯加聚反应
结构特点：
nCH2＝CH2 CH2＝CH2
催化剂
分子呈线型结构，分子链较柔软，性能较差。
顺丁橡胶的硫化：
将顺丁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 )等与碳原子结合，把线型结构连接成网状结构，得到既有弹性又有强度的顺丁橡胶
应用：用于制造轮胎
名称 结构简式 单体
丁苯橡胶
顺丁橡胶
丁腈橡胶　
几种常见的合成橡胶
名称 结构简式 单体
氯丁橡胶
乙丙橡胶
硅橡胶
【科学·技术·社会 】 天然橡胶
天然橡胶的单体与结构
CH2=C—CH=CH2
CH3
异戊二烯(2-甲基-1,3-丁二烯)
CH2
C=C
CH2
CH3
H
n
顺式聚异戊二烯(橡胶)
图5-13 橡胶树采胶
图5-14 我国贵州的杜仲林
杜仲树
CH2
C=C
CH2
CH3
H
n
反式聚异戊二烯(杜仲胶)
二、功能高分子材料
高吸水性树脂
隐形眼镜
尿不湿
人造皮肤
人造心脏
人造膝关节
人造血管
离子交换树脂
高分子分离膜
医用高分子
高分子催化剂
形状记忆高分子
磁性高分子
高分子药物
高吸水性树脂
具有某些特殊化学、物理及医学功能的高分子材料。
1、定义和分类
①定义
②分类
2、高吸水性树脂
吸水前
吸水后
高吸水性树脂可在干旱地区用于农业、林业抗旱保水，改良土壤。也可以用于婴幼儿纸尿裤，其可吸入自身质量数百倍的尿液而不滴漏。
(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。
(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。
《时代周刊》评出20世纪最伟大的100项发明，其中“尿不湿”榜上有名
(3)合成方法
①对淀粉、纤维素等天然吸水材料进行改性,在它们的主链上再接上带有强亲水基团的支链,以提高它们的吸水能力。
②用带有强亲水基团的烯类为单体进行聚合,得到含亲水基团的高聚物。
如:在丙烯酸钠中加入少量交联剂,在一定条件下发生聚合,得到聚丙烯酸钠
如淀粉与丙烯酸钠生成网状结构的淀粉-聚丙烯酸钠高吸水性树脂。
如CH2=CH-COONa
聚丙烯酸钠(网状结构)
高吸水性树脂加交联剂的目的是变支链型结构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，耐挤压。
加交联剂的目的是什么？
【思考与讨论】在橡胶工业中，天然橡胶与合成橡胶一般都要经过硫化工艺，将橡胶的线型结构转变为网状结构。在制备高吸水性树脂时也要加入少量交联剂，以得到具有网状结构的树脂。思考为什么要将橡胶和高吸水性树脂转变为网状结构。
天然橡胶分子内存在较活泼的碳碳双键，容易发生老化。橡胶硫化后，分子中的碳碳双键被打开,形成了新的共价键，线型结构转变为网状结构。这使硫化橡胶具有很好的弹性、较高的硬度和耐磨性，不易变黏，在有机溶剂中不易溶解，只发生溶胀。
高吸水性树脂在交联前一般是水溶性的，不具备吸水性。形成网状结构后，它可利用分子中大量的羧基、羟基等基团与水分子之间产生氢键等作用，吸收水分子，并且通过网状结构将水分子束缚在高分子网格中，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。
【探究】 高吸水性树脂的吸水性能
【问题】高吸水性树脂与一般吸水材料的吸水性能差别有多大？
【实验】(1)选择吸水材料进行实验。可以取一条纸尿裤，用剪刀剪开，取出其中的高吸水性树脂颗粒（也可使用你选择的其他高吸水性材料）。一般吸水材料可以选择医用脱脂棉、餐巾纸或海绵等。
(2)在已知质量的100mL烧杯中放入70mL水，再放入1 g ( m1)高吸水性树脂，用玻璃棒充分搅匀后静置5 min ，观察和记录现象。倾出未被吸收的水，再称出吸收水后的高吸水性树脂的质量(m2)，计算其吸水率。
(3)取1g医用脱脂棉（或其他一般吸水材料），按上述方法进行实验，并计算出它的吸水率，与高吸水性树脂的吸水率进行比较。
吸水材料 高吸水性树脂 一般吸水材料
吸水前质量m1/g
吸水现象
吸水后质量m2/g
吸水率(m2-m1)/m1
结论： 现象数据记录：
1
1
全部吸收，溶胀，水不撤落
部分吸收，水会撤落
84.82
83.82
11
10
高吸水性树脂吸水能力强，吸水溶胀，水不撤落
[讨论] 1.为什么高吸水性树脂与一般吸水材料的吸水性能差别这么大？
2.查阅资料，与同学讨论为什么高吸水性树脂能吸水而又不溶于水。
绝大多数高吸水性树脂的主链或接枝侧链上含有羧基、羟基等强亲水性官能团，这些亲水基团与水的亲和作用是其具有强吸水性的最主要内因。
高吸水性树脂分子中含有强吸水性基团和一定的网状结构，即具有一定的交联度，导致高吸水性树脂能吸水溶胀但不溶于水。
3、高分子分离膜
（1）结构特点：
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，形成浓缩液，达到对原液净化、分离和浓缩的目的。
（2）类型：分离膜根据膜孔大小分为
主要是有机高分子材料，
如醋酸纤维、芳香族聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等
广泛用于海水淡化和饮用水的制取，
以及果汁浓缩、乳制品加工、药物提纯、血液透析等领域
（3）生产分离膜的材料：
（4）用途：
高分子分离膜淡化海水