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第五章 合成高分子
第二节 高分子材料
1.高分子材料的分类
按用途和性能
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
涂料等
高分子分离膜
导电高分子
医用高分子
高吸水性树脂等
一.高分子材料概述
2.高分子的命名
(1)天然高分子:习惯使用专有名称,如淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等。
(2)合成高分子
①一种单体:在单体名称前加“聚”字,如聚乙烯、聚丙烯等。
②两种单体
a.在缩合产物或两种单体前加“聚”,如聚对苯二甲酸乙二酯等。
b.在两种单体名后加“树脂”,如酚醛树脂等。
(3)合成橡胶:通常在单体名称后加“橡胶”,如顺丁橡胶等。
(4)合成纤维的名称常用“纶”,如氯纶(聚氯乙烯纤维)、腈纶
(聚丙烯腈纤维)等。
二.通用高分子材料——塑料
1.塑料的成分
主要成分是合成树脂
例如:聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂、脲醛树脂
辅助成分是各种加工助剂
增塑剂:提高柔韧性
热稳定剂:提高耐热性
着色剂:赋予塑料各种颜色
2.塑料的分类
(1)热塑性塑料:可以反复加热熔融加工 (受热时软化并可熔化成流动的液体,冷却后变成固体,加热后又熔化,可反复加工,多次使用)。
如聚乙烯、聚氯乙烯等制成的塑料。
(2)热固性塑料:不能加热熔融,只能一次成型 (在制造过程中受热时能变软塑成一定的形状,但加工成型后就不会受热熔化 )。
如用具有不同结构的酚醛树脂等制成的塑料。
线型结构,链状结构
网状结构,体型结构
物质的结构决定其性质的原则同样适用于高分子。
思考:同样的聚乙烯原料,为什么合成的塑料性能不同?
应用
性能
结构
决定
决定
工艺
控制
3.常见的塑料——聚乙烯
比较项目 高压法聚乙烯 低压法聚乙烯
聚合反应条件 150 Mpa~300 Mpa,200 ℃左右,高温高压、使用引发剂 0.1 Mpa~2 Mpa,60~100 ℃,
低温低压、使用催化剂
高分子链的结构 含有较多支链 支链较少
密度/ (g·cm-3) 0.91~0.93(较低) 0.94~0.97(较高)
软化温度/℃ 105~120(较低) 120~140(较高)
主要性能 无毒,较柔软 无毒,较硬
主要用途 生产食品包装袋、薄膜、绝缘材料等 生产瓶、桶、板、管等
类别 低密度聚乙烯(LDPE) 高密度聚乙烯(HDPE)
(1)聚乙烯的分类——按合成方法
为什么低密度聚乙烯比高密度聚乙烯的软化温度低,密度也低呢?
这是因为高分子链之间的作用力与链的长短有关,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。低密度聚乙烯相对分子质量相对较小。
此外,还与高分子链之间的疏密远近有关。低密度聚乙烯的主链有较多长短不一的支链,支链结构有碍碳碳单键的旋转和链之间的接近,链之间的作用力就比高密度聚乙烯的小,软化温度和密度也就较低;相反,高密度聚乙烯的支链较少,链之间易于接近,相互作用力较大,软化温度和密度都较高。
这两种聚乙烯加热均可熔融,也可溶于某些溶剂中。
以聚乙烯为例说明,高分子化合物一般具有一定弹性的原因?
3.常见的塑料——酚醛树脂
(1)概念
酚醛树脂是酚与醛在酸或碱的催化下相互缩合而成的高分子。
实验操作
实验现象
实验结论
生成白色固体物质
生成白色固体物质
苯酚与甲醛在酸或碱作用下均可发生缩聚反应生成树脂
a. 在酸催化下,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)酚醛树脂的形成
羟甲基苯酚
酚醛树脂的单体
酚醛树脂的链节
△
△
b. 在碱催化下,苯酚与过量的甲醛反应,生成羟甲基苯酚的同时,还生成二羟甲基苯酚、三羟甲基苯酚继续反应生成网状结构酚醛树脂。
羟甲基苯酚
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。
(3)酚醛树脂的用途
酚醛树脂主要用作绝缘、隔热、阻燃、隔音材料和复合材料。
可用于生产烹饪器具的手柄,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。
简述线型结构、支链型结构、网状型结构对合成高分子性能的影响。
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 可反复加工,多次使用,能溶解在适当的有机溶剂里
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,加工成型后受热不再熔化,在溶剂中会发生溶胀,但不能溶解
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,也可制作生活器具与电器开关。请写出尿素与甲醛反应得到线型聚合物的化学方程式。
H2NCONH2 + 2HCHO
1:2 加成
HNCONH
CH2
HO
CH2
OH
催化剂
+(n-1) H2O
n
H
OH
HNCONH
CH2
O
CH2
nH2NCONH2 + 2nHCHO
三.通用高分子材料——合成纤维
1. 纤维的分类
天然纤维
化学纤维
棉花 羊毛
蚕丝 麻
合成纤维
涤纶
锦纶
腈纶
丙纶
维纶
氯纶
六大纶
以各种单体为原料经聚合反应制成
强度高、弹性好、耐腐蚀、不缩水、质轻保暖;但透气性、吸湿性较差。
再生纤维
用木材、秸秆等为原料,经化学加工处理所得
2. 合成纤维的应用
满足人们的穿着需求;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。
3. 合成纤维——聚酯纤维
(1) 聚对苯二甲酸乙二酯纤维 (涤纶),合成纤维中产量最大的。
①单体:
HOCH2CH2OH
②缩聚反应:
③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。
④应用:
大量用于服装与床上用品、各种装饰布料、国防军工特殊织物,以及工业用纤维制品等。
4. 合成纤维——聚酰胺纤维
(1)聚己二酰己二胺纤维(锦纶66或尼龙66)
①单体:
②缩聚反应:
H2N-(CH2)6-NH2 HOOC-(CH2)4-COOH
③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,耐磨性和强度高。
④应用:
丝袜、降落伞、渔网、轮胎帘子线。
合成橡胶
通用橡胶
特种橡胶
丁苯橡胶 氯丁橡胶
顺丁橡胶 乙丙橡胶
丁腈橡胶
——硅橡胶
2.性质:耐磨、耐寒、耐油、耐热、耐燃、耐腐蚀、耐老化等各有其优势。
天然橡胶
三叶树胶(顺式聚异戊二烯)
杜仲树胶(反式聚异戊二烯)
四.通用高分子材料——合成橡胶
1.橡胶的分类
3.顺丁橡胶
①单体:CH2=CH-CH=CH2 1,3-丁二烯
②顺丁橡胶合成方程式为
请观察顺丁橡胶的结构特点,实验室中哪些试剂瓶的瓶塞不能选用橡胶塞?
顺丁橡胶中存在碳碳双键,易发生加成反应和氧化反应,所以盛放溴水、酸性高锰酸钾溶液、浓硝酸、浓硫酸、汽油等的试剂瓶,不能用橡胶塞。
思考:顺丁橡胶能否直接用于制造汽车轮胎?
橡胶硫化是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。
该聚合物呈线型结构,分子链较柔软,性能较差。
③顺丁橡胶---硫化
4.天然橡胶
三叶树
顺式聚异戊二烯
异戊二烯
2-甲基-1,3-丁二烯
杜仲树
反式聚异戊二烯
线型高分子,含碳碳双键,易发生氧化反应。
(2)应用:可在干旱地区用于农业、林业抗旱保水、改良土壤。
1.高吸水性树脂
(1)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,得到聚丙烯酸钠高吸收性树脂。
五.功能高分子材料
2.高分子分离膜