有机高分子化合物概论.ppt

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1、5.3.1 有机高分子化合物概论,5.3.2 高分子化合物的结构和性能,5.3.3 重要的高分子材料,5.3 化学与有机高分子材料,高分子化合物(polymer;macromolecular compound)是由许多原子彼此以共价键聚合而成的大分子化合物，所以高分子化合物又称为聚合物或高聚物。,如：聚氯乙烯 分子量 5 15万 聚苯乙烯 1 30万 纤维素 5 40万 蛋白质 0.5 几百万,5.3.1 有机高分子化合物概论,高分子化合物分子量很大,但组成简单,如聚氯乙烯的结构式为:,它是由结构单元 重复连接而成，这种结构单元又称链节(chain unit)。一个分子中链节的数目以符号n表示

2、，称为高分子化合物的聚合度(degree of polymerization)。,用来聚合成高分子化合物的原料称为单体(monomer)。如聚氯乙烯的单体就是氯乙烯 CH2=CH,聚氯乙烯分子的结构式可简写为:当n=320时，聚氯乙烯的分子量为2万。实际上高分子化合物是由许多链节相同而聚合度不同的分子所组成的混合物。,n,Cl,聚合反应分为：,(1)加成聚合,（简称加聚）,（简称缩聚）,(2)缩合聚合,由一种或多种具有不饱和键的单体或环状化合物，在一定条件下，打开不饱和键或开环相互连结成聚合物的反应称为加聚反应。,在加聚反应中没有副产物，所生成的聚合物与单体具有相同的组成。,1.加聚反应,例如

3、：乙烯类单体：,在光、热或引发剂作用下，双键中的键被打开。发生加聚反应。,加成聚合,由一种或多种单体相互作用生成聚合物，同时还有低分子化合物如H2O、NH3 等生成的一类反应称为缩聚反应。例如:己二酸与己二胺缩聚成聚酰胺(尼龙-66),缩合聚合,nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOH,H-NH(CH2)6NHOC(CH2)4CO-nOH+(2n-1)H2O,2.缩聚反应,3.有机高分子化合物的命名与分类,由一种单体聚合而成的高聚物在单体的名称前面冠以“聚”字。例如：聚乙烯、聚氯乙烯等。由两种以上单体聚合得到的聚合物常用习惯命名或采用商品名，如：苯酚与甲醛的聚合物称酚醛树脂，

4、聚酰胺称锦纶-66或尼龙-66，也有用符号表示，如PE表示聚乙烯，PVC表示聚氯乙烯。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）曾提出以结构为基础的系统命名法，科学严谨，但较繁琐，目前一直没得到普遍采用。,4.有机高分子化合物的分类,高分子化合物的分类方法很多，常见有：,(1)按分子的形状分类：线型和体型；(2)按合成方法分类：加聚高聚物和缩聚高 聚物:,(3)按材料的性能分类：塑料、橡胶、纤维等;,(4)按热性能有：热固性高聚物和热塑性高聚物；(5)按高聚物分子的化学组成有：碳链、杂链、元素有机高聚物和 无机高聚物。,线型结构：分子是由许多链节连成一个长链形大分子，其特点是：长度通常是直径的几万

5、倍。整个大分子易卷曲呈不规则的线团状。体型结构：是分子链与分子链之间被许多链节“交联”而形成的网状结构。,高分子化合物的结构和性能,C1,C2,C3,C4,x,y,z,单键 旋 转 示 意图,线性高分子化合物除了分子链可以运动外，分子链中的每个链节以单键相连可自由旋转，从而使一个分子链的空间形状不是固定的，而是不断变化的。,高分子链中单键能自由旋转从而使高分子链具有强烈卷曲倾向的性质，称为链节的柔顺性。,非晶体高分子化合物没有一定的熔点，在不同的温度下，可呈现出三种不同的物理形态，即玻璃态、高弹态和粘流态。玻璃态(vitreous state)：温度较低时，分子的能量很小，高分子化合物呈现出象

6、玻璃状的形态。常温下的塑料就是处于这种状态。,1.弹性和塑性,高弹态(entropic elasticity)：温度较高时，分子能量增加，链节能自由转动，但整个分子还是不能移动。这时高分子化合物在外力作用下产生可逆性变形，从而表现出具有很高的弹性。室温下橡胶就是处于这种状态。,粘流态(viscous state)：温度很高时，使整个分子都可以自由运动，这时高分子化合物变成能流动的粘液。室温下粘合剂就是处于这种状态。,形变,玻璃态,高弹态,粘流态,温度,Tg,Tf,高分子化合物的三态,Tg为玻璃化温度：由玻璃态向高弹态转变的温度。,Tf 为粘流化温度：由高弹态向粘流态转变的温度。,习惯上，人们把

7、Tg在室温以上的高分子化合物称为塑料；把Tg在室温以下的高分子化合物称为橡胶。,对塑料来说，Tg越高越好。为加工方便，Tf越低越好，Tg和Tf 的差值越小越好。,对橡胶来说，Tg越低越好，而Tf 越高越好，Tg和Tf 的差值越大越好。,高分子化合物的固体形态分晶体和非晶体(无定形体)两种。晶体高分子化合物在结晶时，分子的长链完全定向规则排列是非常困难的，因此是部分结晶，即一部分为结晶区，一部分为非结晶区。可见，晶体高分子化合物兼有晶体和非晶体两种形态。结晶区所占的百分数称为高分子化合物的结晶度(crystallinity)。一般高分子化合物的结晶度只有50%左右。,2.结 晶 性,分子的对称性

8、越好，结晶性就越好。如聚乙烯的结晶度可达95%。分子链含有极性基团-OH、-COOH、-CONH2，极性越大，分子间力越大，结晶程度越好。生产中常用机械拉伸的方法提高结晶度。,高分子化合物的结晶度越大，其机械强度就越大，熔点越高。,高分子化合物的力学性能主要决定于它的平均聚合度、结晶度及分子间力等因素。在一定范围，聚合度越大，力学性能越强。一般来说，结晶度越高或分子间力越大，力学性能越好。,高分子化合物的机械性能又称为力学性能。主要指高分子化合物具有抗挤压、抗拉伸、抗冲击、抗弯曲和高硬度等性能。,3.力学性能,由于高聚物内部一般没有自由电子和离子，对于直流电,绝大多数具有良好的电绝缘性。,对于

9、交流电,极性高聚物分子中的极性基团或极性链节会随着电场方向作周期性取向而导电。,高分子化合物的极性按其结构对称性划分：分子链中链节结构对称的称非极性高分子化合物,如聚乙烯、聚四氟乙烯等；链节结构不对称的称极性高分子化合物，如聚氯乙烯、聚酰胺等。,4.电绝缘性,强极性：酚醛树脂、脲醛树脂等，作低频绝缘材料；极 性：聚氯乙烯、有机玻璃等，作中频绝缘材料；弱极性：聚苯乙烯、天然橡胶等，作中频绝缘材料；非极性：聚乙烯、聚四氟乙烯等，作高频绝缘材料。,高分子化合物电绝缘性能好，也有其不利的一面，如用高分子化合物制成纺织品或薄膜时，由于摩擦起电传导不出去而逐渐积累，使纺织品易吸附灰尘，甚至引起静电放电产生

10、火花。,一般来说，高分子化合物的化学性质都比较稳定。能耐酸碱，不怕化学腐蚀，也不会产生电化学腐蚀。,但有些高分子化合物在长期使用过程中，受到光、热、辐射线、水、氧、酸、碱等的作用，可发生链的交联或链的裂解反应，使得高聚物的性能变脆、硬或变粘、软，失去原有的弹性或机械强度，这种现象称为老化(ageing)。,5.化学稳定性,产生老化的交联或裂解这两种反应，有时单独进行，有时是同时进行的。天然橡胶的老化主要是降解(degradation)引起的，而合成橡胶的老化主要是交联(cross-link)引起的。防止和减慢高分子化合物的老化，对延长高分子化合物的使用寿命来说是非常重要的。,目前，采取的防老化

11、措施大致有以下几种：(1).改性(2).添加防老剂(3).表面处理,防老化措施：,凡是有机高分子化合物在一定条件下可塑制成型，而在常温常压下能保持被塑形状的称为塑料。塑料可分为热塑性塑料(thermoplastic plastic)和热固性塑料(thermosetplastic)。塑料的主要成分是合成树脂，约占总重量的40100%，对塑料的性能起决定性作用。为改进塑料的某些性能，常加入其他组分，如填充剂、固化剂、着色剂、增塑剂、润滑剂、稳定剂、发泡剂等。,5.3.3 重要的高分子材料,工程塑料(engineering plastic)是指具有较高机械强度和其他特殊性能、能代替金属在工程上使用的

12、塑料。,1.工 程 塑 料,聚酰胺的商品名称叫尼龙（PA），是脂肪族二元酸和二元胺的缩合物。分子链中含有酰胺基()聚酰胺的用途：聚酰胺类塑料具有良好的韧性、自润滑、抗霉、无毒等特点，可用于制造轴承、齿轮、泵叶轮、输油管及其它零件等。,(1)聚酰胺,ABS是丙烯腈（A），丁二烯（B），苯乙烯（S）进行三元共聚而制得的。其结构式为：,(2)ABS,ABS的用途：树脂不仅性能良好、加工容易，而且价格低廉，所以在工业上获得极其广泛的应用。常用于制造一般的机械零件及减摩、耐磨的传动件。,聚碳酸酯（PC）是用碳酸二苯酯与双酚基丙烷的酯进行反应而制得的，其结构式为,(3)聚碳酸酯,聚碳酸酯的用途：它有良好的

13、机械性能，有良好的耐热性，透明、无毒，可以代替各种金属、玻璃、特种合金等。所以在机械、仪表、电讯、照明工程中广泛应用；而且是宇宙、航空工程中不可缺少的材料。,聚甲醛的原料是甲醛。它的机械性能与铜、锌极其相似，耐磨性与自润滑性优越，又有良好的耐油、耐过氧化物的性能。但不耐酸和强碱，不耐日光、紫外线的辐射。聚甲醛的用途：可以代替各种有色金属和合金制造某些零件，如齿轮、凸轮阀门、管道、泵叶轮等。,(4)聚甲醛,(5)聚四氟乙烯,聚四氟乙烯（PTFE）是目前塑料中综合性能最突出，应用最广的一种。聚四氟乙烯的C-F键键能高，链节结构高度对称，结晶度高达90%以上，对任何酸、碱、王水和溶剂都具有卓越的耐腐

14、蚀性。并耐热耐寒，可在-200250的温度范围内使用。聚四氟乙烯电绝缘性十分优异。此外摩擦系数低耐磨损。缺点是刚性不够，有时影响零件尺寸的稳定性。,2.合成橡胶,橡胶(rubber)是指具有显著高弹性的一类高分子化合物。一般橡胶在-40 C 80C的很宽温度范围内具有弹性。合成橡胶在性能和数量上已超过天然橡胶，主要品种有：,丁苯橡胶是以1,3-丁二烯和苯乙烯为原料进行催化共聚而成，其分子结构式为：,(1)丁苯橡胶,丁苯橡胶的用途：其性能与天然橡胶相近，耐热、耐磨、耐老化性比天然橡胶好。主要用于制造轮胎、胶管、密封配件、电绝缘材料。,氯丁橡胶是由氯丁二烯单体在乳液状态下聚合而成的。其分子结构为：

15、,(2)氯丁橡胶,氯丁橡胶的用途：氯丁橡胶具有耐热、耐氧化、耐老化、耐燃烧等性能。其缺点是耐寒性差、比重大、绝缘性不好。氯丁橡胶主要用于制造各种模型制品、胶布制品和胶粘剂。,丁腈橡胶是由1,3-丁二烯和丙烯腈共聚而成，其分子结构式为：,(3)丁腈橡胶,丁腈橡胶的用途：由于分子中带有极性基团CN，此种橡胶耐油性高、耐热、耐磨、耐老化、耐腐蚀性能超过天然橡胶和其它合成橡胶。主要用于制造耐油制品.,(4).硅橡胶,硅橡胶是由纯二甲基二氯硅烷水解后缩聚而成。其特点是既耐低温又耐高温，能在-65250 之间保持弹性，且耐油防水，化学稳定性和电绝缘性能也很好。缺点是力学性能较差，耐酸碱性较差。,硅橡胶可作

16、高温高压设备的衬垫、油管衬里、密封件以及各种高温电线、电缆的绝缘材料。,各式各样硅橡胶杂件,3.合成纤维,凡能保持长度比本身直径大100倍以上的均匀、线条状或丝状的高分子材料都称为纤维(fiber)。合成纤维的品种很多，也各因其分子结构的不同而具有各自独特的性能。,几种常用的合成纤维性质与用途,名 称 单 体 重 要 性 质 主 要 用 途 涤纶(的确良 对苯二甲酸 强度好、电绝缘性强、成 做电绝缘材料、耐酸滤 或聚酯纤维)乙二醇脂 型后形状稳定、不皱、耐 布、高空降落伞等 酸、耐光，但吸水率低、染色性差 腈纶(人造羊 丙烯腈 质轻、强度大、保暖性好、做幕布、帐篷、军用帆 毛或聚丙烯 耐光、耐

17、热、耐湿、耐化 布、炮衣、滤布、防酸 腈纤维)学药品、不怕虫蛀，耐磨 布，与毛混纺做衣料、性差、染色难、易吸灰尘 毛线、毛毯等维纶(维尼龙 乙烯醇 吸湿性好、强度大、耐酸、做工业滤布、工作服、或聚乙烯醇 缩甲醛 耐碱、耐光、易洗、易干、轮胎帘子线、渔网，代纤维)不会霉蛀，但不如涤纶挺 替棉花做衣料 括,名 称 单 体 重 要 性 质 主 要 用 途锦纶-66(尼龙 己二酸 强度大、质轻软、耐磨、做轮胎帘子线、传动带、-66或聚酰胺 己二胺 有弹性、不会霉蛀、耐油、绳索、渔网、降落伞、潜纤维)耐海水，但不耐酸、不耐 水衣以及织物、袜子等 光、透气性差丙纶(聚丙烯)丙烯 强度大、耐磨性仅次于锦 做

18、缆绳、滤布、渔网、工 纶、耐腐蚀性好，但耐光 作服等 性和染色性差氯纶(聚氯乙 氯乙烯 耐化学腐蚀性好、保暖性 做滤布、工作服、地毯、烯)强、难燃、耐晒、耐磨，衣料等 但耐热性差、难染色,4.功能高分子材料,通过高分子的化学反应，将适当的官能团引进高分子中，用这种方法生成的聚合物常具有某些特定功能，如导电性、光敏性、催化性、生物特性等。这类高分子称为功能高分子。,导电高分子材料可分为两类：一类是复合型导电高分子材料，是指高分子与各种导电性物质通过复合以及表面导电膜等方式构成的材料。,(1)导电高分子,另一类是结构导电高分子，是指高分子本身结构或经过掺杂之后具有导电功能的高分子化合物。,1977年第一个被发现能导电的高分子是聚乙烯。,感光性高分子又称光敏性高分子，它是指在光的作用下能迅速发生化学反应，引起材料的物理和化学性质变化的一类高聚物。,应用：印刷、电子、涂料等工业。例如：感光树脂印刷版、制作大规模集成电路的光刻胶、电子束胶、计算机上用做记忆因子、开闭讯号的记录材料等。,(2)感光性高分子,生物医用高分子材料，是和医学、生物学发展相关联材料的总称，因其与医学相关，功能高分子材料在生命科学，在未来高科技材料中占有甚为重要的地位。,(3)生物医用高分子,