化校合成高分子化合物.ppt

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1、14 合成有机高分子化 合 物（简介）,现代科技的发展，使人们的生活变得越来越丰富多彩，五彩缤纷的物质满足了人们的各种需要。生活中的各种物质都由各种基本材料构成，材料的特性决定了它所构成的物质的性能。为了便于认识和掌握，人们根据材料的来源、属性、组成和特性等，把材料分成如下几类：,材料概况,材料,无机材料,有机高分子材料,非金属材料,金属材料,天然高分子材料,合成高分子材料,淀粉纤维素蛋白质天然橡胶,合成塑料合成橡胶合成纤维合成粘合剂合成涂料新型合成高分子材料,功能高分子材料,复合高分子材料,三大合成材料,随着现代科技的不断发展，合成高分子材料的品种越来越多，性能也越来越完善。再此，我们重点介

2、绍三大合成材料即：合成塑料（如：酚醛树脂、聚乙烯等）合成橡胶（如：丁苯橡胶、氯丁橡胶等）合成纤维（如：涤纶、腈纶等）,高分子化合物大部分可看作由小分子聚合得到,故又称为聚合物或高聚物。,功能高分子材料又可以分成：生物高分子材料、医药高分子材料、高分子试剂、高分子催化剂等等。,4)合成有机高分子化合物：由人工合成，分子质量达到几 万-几千万的有机化合物。如：聚乙烯、合成橡胶、酚醛 树脂等,3)天然高分子化合物:来源于自然界,相对分子质量很大(几 万-几百万-几千万)的化合物。常见的天然高分子化合物:淀粉、纤维素、天然橡胶、蛋白质等。,一、有机高分子材料简介,1有机高分子化合物概况1）小分子：相对

3、分子质量通常较小，通常不上千称为低分子 化合物，简称小分子；如：烃、醇、醛、羧酸、酯、油脂、葡萄糖、蔗糖等。2）高分子：相对分子质量达几万甚至几千万，通常称为高分 子化合物，简称高分子，有时又称高聚物；分为天然高分 子和合成高分子。如：淀粉、纤维素、蛋白质、聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂等。,2）根据结构中链节连接方式分类，可以有线型结构和体型结构，线性结构又可分为带支链和不带支链的结构。如：,2高分子化合物的结构特点,1）高分子化合物通常结构并不复杂，往往由简单的结构单元重复连接而成；如聚乙烯中：（1）-CH2-CH2-：是重复出现的结构单元称链节；（2）n表示每个高分子化合物中链节的重复次数，

4、叫聚合度；n越大，一般相对分子质量越大；（3）合成高分子化合物的小分子叫单体。如乙烯是聚乙烯的单体,线型结构和体型结构的结构特点：A.线型结构又称链状高聚物 成千上万个链节以共价键连成一条长链；长链之间相互缠绕，以分子间作用力紧密结合；可以不带支链，也可以带支链。其分子链由于分子间的作用力，部分区域可以出现有序排列，这种区域叫结晶区。结晶区所占的百分率称为结晶度。高分子化合物结晶度越大，机械强度越大。特点：具有高弹性、可塑性、在溶剂中能溶解，加热能熔融，硬度和脆度较小。有独立存在的分子。如：聚乙烯、聚氯乙烯中以CC键连接成长链；淀粉、纤维素中以CC键和CO键连接成长链；,B.体型结构 高分子链

5、上有能与别的单体或物质起反应的基团，发生反应后，高分子主链与主链之间也形成化学键，产生了一些交联，形成的体型网状结构。特点：没有弹性和可塑性；不能溶解和熔融；只能溶胀，硬度和脆度较大。不能反复熔化，只能一次加工成型。如：硫化橡胶中，长链与长链之间又形成化学键，产生网状结构而交联在一起。,即使链状的高分子化合物，往往也呈扭曲或倦曲状，没有外力拉它不会呈直线形。,（1）溶解性：线型高分子化合物能溶解在适当的有机溶剂中，但溶解速度缓慢。体型高分子化合物难溶解在有机溶剂中但会发生溶胀。,（2）热塑性与热固性：线型高分子化合物受热，在一定范围内开始软化再熔化，冷却后又变成固体，再受热又会重复这一过程这一

6、特性称热塑性。体型高分子化合物受热，一般不会熔化，温度过高化学键断裂结构破坏这一特性称热固性。具有热固性的高分子化合物，一般结构都是体型的。,3、合成高分子的性质,（3）三种力学状态 通常，小分子化合物在固态和液态之间不存在第三种状态，但高分子化合物就不同了，它们除了固态、液态外，还可以存在玻璃态、高弹态和粘流态三种状态。,玻璃态：整个大分子被冻结，受力时能发生键长和键角微小的张开或压缩的改变，形变与外力成正比，外力除去，形变能立即恢复，称为普弹形变。,高弹态：随着温度升高，分子热运动加剧，当升高到玻璃化温度以上，虽然高分子化合物还不能“流动”，但链段可随外力作用的方向而运动，产生很大的形变，

7、外力解除后，能恢复原状，即发生高弹形变，所处状态称为高弹态。由玻璃态转变到高弹态的温度称为玻璃化温度，用Tg表示。,粘流态：温度再升高，整个大分子链都能发生相对移滑动，发生黏度很大的流动。同小分子液体类似，这种流动形变是不可逆的，称为粘流形变，聚合物所处状态叫粘流态。由高弹态变到粘流态的温度称为粘流化温度，用Tf表示。,合成高分子化合物使用的温度范围：,塑料在室温下大都处于玻璃态，Tg是其使用上限温度。橡胶处于高弹态，Tf是其使用上限温度。大多数合成纤维是结晶聚合物，熔点（Tm）是其使用上限温度。聚合物玻璃化温度越高，耐热性越高。若聚合物常温下处于玻璃态，则可用来做塑料。,常温下处于高弹态则可

8、用来做橡胶。Tg-Tf是橡胶的使用温度范围。,一些聚合物的玻璃转化温度,线型非晶相高聚物分子三种物理状态在一定温度下可以相互转变：,体型高分子化合物，因为分子链之间有大量交联，限制了分子链和链段的运动，因此只有一种状态玻璃态,（4）机械性能高分子材料一般都有较好的机械性能，强度比较大。,例如抗拉强度:用10kg高分子材料与10kg金属材料各制成100m长的绳子，可吊起物体的重量如下表：,影响高分子材料机械性能的因素有：聚合度、结晶度和分子间力（包括氢键）。机械性能随聚合度的增大而增强，同时粘度也迅速增大；聚合物结晶度越大 机械性能越好；分子间作用力、氢键增大，可显著提高聚合物的机械性能,（5）

9、电学性能,高分子的结构是决定其导电性能的主要因素。结构对称的非极性分子，不能导电。结构不对称的极性分子，由于在交流电场中，极性基团或极性链节随电场方向发生周期性的取向，具有一定的导电性。含共轭双键的聚合物由于双键中的电子能在整个分子中运动，在外电场作用下，电子会定向流动，具有一定的导电性。,（6）老化与防老化 高分子材料在长期使用过程中，由于受到氧化、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象，叫做高分子化合物的老化。,高分子的老化原因：主要发生包括交联和裂解两种反应。交联是指在大分子链之间形成

10、化学键，从线型变为体型结构的过程。导致高分子失去弹性、变脆、变硬。裂解又称降解，是指大分子链发生断裂，聚合物相对分子质量明显降低的过程。使高分子变软、变粘并失去机械强度。,防老化的措施：改变聚合物的结构物理防老化：镀上一层金属，或涂一层涂料化学防老化：加入抗老化剂，如紫外线吸收剂、抑制剂等。,合成高分子化合物的优缺点：优点：一般弹性好、可塑性强、机械强度高、绝缘性能好等。缺点：一般不耐高温、易燃烧、易老化等。,二、高分子化合物的合成（加聚反应和缩聚反应）,1加聚反应：定义：不饱和烃或它们的衍生物的单体通过互相加成聚合 成高分子化合物的反应称为加成聚合反应简称加聚反应,反应形式：不饱和键打开或化

11、合物开环后聚合。反应特点：一般是不可逆。,由乙烯制备聚乙烯,举例：,（1）单烯聚合,单体,反应都可以用一个通式来表示为,链节,聚合度,由苯乙烯制备聚苯乙烯,（2）二烯聚合,nCH2=CHCH=CH2,双键变 单键变 单键 双键,聚异戊二烯,（3）混烯共聚,讨论下列高分子是由那种单体聚合生成的？完成聚合反应,乙丙树脂,聚四氟乙烯：聚乙烯聚丙烯 聚氯乙烯聚苯乙烯,（1）塑料中的“五烯”都是加聚反应的 产物,（2）“四胶”（合成橡胶）,丁苯橡胶：,顺丁橡胶:,乙丙橡胶,异戊橡胶:,（3）有机玻璃,聚甲基丙烯酸甲酯,以上都是加聚反应的产物,2.缩聚反应：定义：有机物的单体间反应，生成高分子的同时还生成

12、 小分子（如水、氨、氯化氢等）的反应,称缩合聚 合反应简称缩聚反应。反应形式：单体分子的官能团之间缩合成高分子同时生 成小分子。反应特点：一般可逆。,常见的缩聚反应产物有：酚醛树脂、蛋白质（羧基和氨基化合物）、涤纶（聚对苯二甲酸乙二酯）、聚乳酸酯等。,举例：,nH2N（CH2）6NH2 nHOOC（CH2）4COOH,nHOCH2CH2OHnHOOC COOH,缩聚反应官能团：双官能团OH COOH NH2,聚酯类,聚酰胺类,讨论：1、请指出下列的高分子化合物哪些是加聚反应的产物，哪些是缩聚反应的产物？并写出它们的单体和链节。,加聚反应单体确定的方法：截断法 片段还原法,尼龙-66,聚对-苯二

13、甲酸乙二酯(涤纶),聚丙烯腈（人造羊毛）,工程塑料ABS树脂,单体:对-苯二甲酸和乙二醇,酚醛塑料,单体:甲醛和苯酚,名称：聚已二酰已二胺,2、由单体乳酸：CH3-CH-COOH合成的聚乳酸酯 OH 的结构简式。,-O-CH-CO-n CH3,（4）纤维中的“四纶”锦纶（尼龙）：尼龙-6（聚已内酰胺）：“6”表示己内酰胺的碳原子数 尼龙-66（聚己二酰已二胺）:前面数字表示二元胺的碳原子数，后面的数字表示二元酸的碳原子数。,聚已内酰胺(尼龙-6)聚已二酰已二胺（尼龙-66）,聚对苯二甲酸乙二酯 PETP(涤纶)聚丙烯腈 PAN(丙纶)聚乙烯醇缩甲醛(维纶),由缩聚产物推单体,从酯基中间断开，在

14、羰基上加-OH，在O原子上加H原子得到羧酸和醇。,1、,如:已知涤纶树脂的结构简式为写出合成涤纶树脂所需的单体的结构简式。,在羰基上加-OH，在O原子上加H原子即得单体羟基羧酸。,2、,如:写出合成如下高分子的单体的结构简式。,从肽键中间断开，在羰基上加-OH，在N原子上加H原子即得单体。,3、,如:写出合成如下高分子的单体的结构简式。,在羰基上加羟基，在N原子上加H原子即得单体氨基酸。,4、,如:写出合成如下物质的单体的结构简式。,5凡链节中主碳链含有苯环并连接-CH2-基团的，-CH2-基团必来自甲醛，单体有两种即酚和甲醛。,橡胶硫化：长链与长链之间又形成键，产生网状结构而交联在一起。橡胶

15、一定程度的硫化后，使其柔韧性和弹性都会增大。,塑料、橡胶、合成纤维,三、介绍几种重要的高分子材料,（一）塑料1、塑料的分类和成分 塑料是指具有可塑性的材料。即在一定的温度和压力下可形成规定的形状，当去温、去压时仍能保持所改变的形状。,塑料,热塑性塑料：受热软化变形，冷却时凝固，可以反复 加工。如：聚氯乙烯、聚乙烯等一般属于 线形高分子化合物。热固性塑料：成型后，受热不会软化变形，也不能反 复加工。如：酚醛树脂等一般属于体形高 分子化合物；也可线型树脂加工成型时加 入少量固化剂、添加剂使之变硬定型。,2、塑料的特性,（1）轻，一般塑料的密度是钢铁的1/81/4。（2）抗腐蚀（3）电绝缘性好（4）

16、有优良的耐磨性,构成塑料的主要成分,树脂（俗称塑料粒子）：是构成塑料的主体。如：聚乙烯树脂、聚丙烯腈树脂等。添加剂：用于改善塑料的性能如增塑剂、稳定 剂、润滑剂、固化剂、着色剂等等。,3、几种常见的塑料,（1）聚氯乙烯（PVC）线型热塑性高分子化合物,优 点：机械强度好，耐腐蚀性，电绝缘性优良，易加工成型，成本低。,缺 点：软化点较低（6580），不耐寒，冬天 硬脆易断裂，耐热耐光差。,应 用：轻工、化工、电器等方面,（2）酚醛塑料（俗称电木）,是由酚醛树脂添加其他配料制成的产品 制 备：苯酚与甲醛在酸催化下进行缩聚反应 结 构：,特 点：加热不会熔化，不溶于水及有机溶剂。电绝缘 性优良，耐许

17、多化学药剂腐蚀。有良好物理机 械性能，很坚硬。,应 用：电气工业绝缘材料（开关、灯头）；化学工 业防腐材料等,（3）聚四氟乙烯塑料（PTFE）,聚四氟乙烯（PTFE）塑料由四氟乙烯聚合而成。是一种性能优异的工程塑料，它具有自润滑性能好，磨擦系数低，耐高低温，耐腐蚀以及良好的绝缘性能和不粘性，且长期使用温度范围在200260，有“塑料王”之称。被广泛应用于机械，电子，石油，化工，食品、轻工等行业。,（4）聚甲醛塑料(POM),是以精制的三聚甲醛为原料合成的一种工程塑料，POM是一种坚韧有弹性的材料，即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳定性和抗冲击性，且易于加工，有很强的硬度和钢性。适合于制作

18、齿轮和轴承。由于它还具有耐高温特性，因此还用于管道器件（管道阀门、泵壳体），草坪设备等。（5）ABS树脂 是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚而成的一种工程塑料。有较高的机械强度、硬度、热稳定性、耐油性、耐化学腐蚀性、弹性、抗冲击性、电绝缘性和良好的加工性能，在汽车、电器、电子工业等方面有着非常广泛的应用。,其余见：书 P382表13.2,工程塑料ABS树脂,ABS的应用,工程塑料：一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。如ABS、尼龙、聚砜等。,工程塑料的优点：工程塑料与金属材料相比，有许多优点：容易加工；生产效

19、率高；节约能源；绝缘性能好；质量轻，比重约1.01.4，比铝轻一半，比钢轻3/4；比强度高；具有突出耐磨、耐腐蚀性等，是良好的工程机械更新换代产品。,工程塑料的应用：作齿轮、轴承、泵叶、汽车零部件、仪器仪表元件等要求耐磨并有一定润滑性的，宜选用聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚和聚砜；作汽车传动万向节轴承用聚甲醛最能胜任；作高度防腐蚀部件、容器或衬里选聚四氟乙烯或氯化聚醚为宜；作电子、电器等复杂形状的部件，要用或；要求耐高温的电绝缘材料，可从聚酰亚胺、聚芳砜、聚芳酯或和聚四氟乙烯中选用；要求耐高温或低温且冲击性好，能作成透明片材使用的，选聚碳酸酯；作冷藏设备部件或电冰箱内胆，以ABS较好。,（二）合成纤

20、维,1、纤维和纤维的分类 纤 维:通常把长度比本身直径大100倍以上，并且有柔韧性的丝 状物质叫做纤维,2、成纤的基本条件,1具有线型分子结构，分子链排列规整。以提高分子间的作用力，增强纤维强度。2分子量大小要适当(104)，才有利于拉丝和保证足够的强度。3分子链间要有较强的吸引力。4能溶解或溶融。,3、合成纤维是由合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得纤维。合成纤维的品种很多，最重要的品种是聚酯（涤纶）、聚酰胺（尼龙、锦纶）、聚丙烯腈（腈纶），它们占世界合成纤维总产量的90%以上。此外还有聚乙烯醇缩甲醛（维纶）、聚丙烯（丙纶）、聚氯乙烯（氯纶）等等。,4、几种重要的合成纤维,（1）锦 纶链 节:

21、以 CONH 相连结商品名称：锦纶（尼龙、耐纶）优 点：具有高强度，有一定的弹性、耐 磨、耐油、耐腐蚀、耐细菌。缺 点：耐光较差，长期光照下强度下降。,例：锦纶6,（2）涤 纶,链 节:以COO相连结商品名称：涤纶、的确良等优 点：强度大、耐磨（仅次于聚胺纤维）、富有弹性，、易皱、吸水性小、耐光、耐腐蚀、耐漂白剂、耐氧化剂、耐有机试剂及无机酸，绝缘性好,聚对-苯二甲酸乙二酯(涤纶),缺 点：耐碱性稍差,例如：的确良聚对苯二甲酸乙二酯纤维的合成,（3）聚丙烯腈,单 体:丙烯腈商品名称：腈纶（又称合成羊毛）优 点：柔软蓬松，强度、保暧性及弹性比羊毛 好，是优良的天然代用品。缺 点：耐磨性能和透气性

22、不及羊毛好。合 成：,（4）聚乙烯醇缩甲醛纤维（维纶）,商品名称：维纶(维尼纶)学名聚乙烯醇缩甲醛特 点：外观、手感、吸湿性均极似棉花，有“合 成棉花”之称。其耐磨性、强度都比棉花 好。,结构式和表示,或,其它纤维见：书 P383表13.3,合成橡胶是以石油和天然气为原料合成的一种高分子化合物。如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶及具特殊性能的特种橡胶，如医疗、航空工业上广泛应用的硅橡胶，耐高温的氟橡胶和耐油性特别好的丁腈橡胶等。现在的总产量已经超过天然橡胶的一倍以上。,3、合成橡胶,（1）、天然橡胶化学组成：聚异戊二烯，线型高分子，分子量20-50万顺式结构：有良好弹性，耐磨性和机械强度差,反式结

23、构：分子间引力大，结晶区较多，弹性很差，是 硬质橡胶。,填料和抗老化剂,填料：是为了减少生胶的用量，并提高制品的机械强度和耐磨性能。硫化：使橡胶分子链间发生交联，从而改善生胶易发生形变的缺点。抗老剂：提高橡胶的抗老的性能，延长橡胶制品的使用寿命。,顺丁橡胶 合 成：,优 点：弹性好，耐磨性能、耐低温性能也较好，具有良好的物理机械性能,用 途：造三角皮带、耐热胶管、电绝缘制品等,缺 点：抗斯裂强度、加工性能较差,（2）合成橡胶,丁苯橡胶（SBR）,合 成：,优 点：耐磨、耐老化、耐臭氧、与天然橡胶相似,用 途：目前产量最高、用途最广的合成橡胶。制造轮胎、电缆等,缺 点：弹性和机械强度较差粘合性也

24、不好。,氯丁橡胶,合 成：,优 点：良好的耐油性，特别好的耐老化，耐热性、耐磨性、耐燃性、耐化学试剂、气密性、耐 臭氧性均比天然橡胶优良。,用 途：广泛用作海底电线绝缘材料，化工防腐材 料，耐油制品等,缺 点：弹性和耐寒性比天然橡胶差。,丁腈橡胶,合 成:,优 点：特别耐油，耐磨、耐热、耐老化性都比天然 橡胶和氯丁橡胶好。,用 途：用于耐油制品。,缺 点：弹性、耐臭氧能力及多次挠屈性能较差，耐 寒性差。,硅橡胶,结 构：线型聚硅醚,优 点：既耐低温，又耐高温。在-65-250保持弹性。耐油防水，不易老化，绝缘性能也很好。,用 途：可作高温高压设备的衬垫，油管衬里，火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材

25、料。,缺 点：机械性能较差，耐酸碱不及其它橡胶。,4、合成胶粘剂,（1）胶粘剂又称粘合剂，俗称胶。是能使两个物体表面粘合在一起的物质。胶粘和其他的连接方法相，有重量轻、连接部位应力分布均匀、强度高、耐疲劳等优点。,（2）常见的胶粘剂,环氧树脂胶粘剂：凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂。固化后的环氧树脂具有良好的物理化学性能，它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变定收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定，因而广泛应用于国防、国民经济各部门，作浇注、浸渍、层压料、粘接剂、涂料等用途。,聚氨酯胶粘剂：能粘接多种材料，粘接后在低温

26、或超低温时仍能保持材料理化性质，主要应用于制鞋、包装、汽车、磁性记录材料等领域。近几年，国内聚氨酯胶粘剂年产量以平均30的速度增长。,聚丙烯酸树脂：主要用于生产压敏胶粘剂，也用于纺织和建筑领域。,合成胶粘剂：主要用于木材加工、建筑、装饰、汽车、制鞋、包装、纺织、电子、印刷装订等领域。品种包括热熔胶粘剂、有机硅密封胶粘剂、聚丙烯酸胶粘剂、聚氨酯胶粘剂、汽车用聚氯乙烯可塑胶粘剂等。同时，每年出口合成胶粘剂约2万吨，主要是聚醋酸乙烯、聚乙烯酸缩甲醛及压敏胶粘剂。,环保型胶粘剂将成为合成胶粘剂的主流,水性胶、热熔胶和热熔压敏胶不含任何有机溶剂，在生产和使用中基本上无三废排放，不污染环境，属于环保产品，

27、是当前世界各国胶粘剂发展的主流。而主要用于建筑装修和木材加工业的聚乙烯醇缩甲醛胶（即胶）和脲醛胶，由于它们都存在甲醛存放量高、危害人体、环境污染等问题，从而受到制约。主要用于室内装修装饰、木器加工及制鞋业的氯丁胶（俗称万能胶），因含有大量的有毒有害有机溶剂，它的应用也正在逐渐的受到限制。,四、高分子化合物的命名,天然高分子物按其来源或性质而有的俗称，如纤维素、淀粉、蛋白质等，不能反映该物质的结构。合成高分子物结构清楚的，在其重复单元前+“聚”，如聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯等；结构不清楚的，在其原料名称后+“树脂”，如酚醛树脂、脲醛树脂等,由两种单体缩聚得到的高聚物有两种命名方法,（1）在两种单体名称前加“聚”字，如聚已二酸已二胺即尼龙66，聚对苯二甲酸乙二醇酯，即 涤纶。（2）在两种单体原料后加“树脂”二字。如苯酚和甲醛的缩聚物叫酚醛树脂，脲和甲醛的缩聚物叫脲醛树脂,商品名称不反映高分子物结构，但名称简单，应用广泛，如腈纶、维尼纶、涤纶又称的确良（聚对苯二甲酸乙二 酯纤维）、丙纶、锦纶、氯纶、电木（酚醛树脂）等。“树脂”一般也常指加工成型前未加助剂的高聚物，“纶”常用作合成纤维。,再 见,