1、第 8 章 合成高分子材料,合成材料是人们运用化学方法人工合成出自然界中不存在的材料，大致可分为无机合成材料和有机合成材料。,特点：由几个或几十个原子通过化学键结合形成，分子量在几十到几百。,8.1 高分子的结构和特性,小分子,8.1.1 高分子,高分子,特点：由一千个以上的原子通过化学键结合形成，分子量可达几万到几百万。,存在于自然界中的高分子化合物称为天然高分子；用化学方法合成的高分子称为合成高分子。,聚合成高分子的起始分子称为单体，单体经聚合得到的分子称为聚合物，高聚物中重复的结构单元称为链节，所含链节的数目称为聚合度。,聚乙烯,C,C,H,H,H,H,合成高分子产品早期以农业和林业的副
2、产品为主要原料。大致分为淀粉类、纤维素类和非食用油脂类。 缺点：工艺流程大，处理量大。,后期的主要原料是煤和石油。,8.1.2 高分子的原料和合成方法,煤被取代的原因：用石油炼制时原料成本低，且石油中所含的有用成分相对较高。,由上述产品得到的有机小分子作单体，通过聚合反应可合成高分子。,加成聚合反应,1）,特点：除了生成聚合物外，并不生成其他任何产物（聚合物中包含了单体中全部的原子）。典型：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯。氯乙烯发生加成聚合反应时，有三种情况：,C,C,C,C,C,C,C,C,H,H,H,H,H,H,H,H,Cl,H,Cl,Cl,H,H,Cl,H,C,C,C,C,C,C,C,C,H,
3、H,H,H,H,H,H,H,Cl,H,Cl,Cl,H,H,Cl,H,C,C,C,C,C,C,C,H,H,H,H,H,H,H,Cl,H,Cl,Cl,H,H,H,C,H,Cl,头-头、尾-尾连接,头-尾连接,无规则连接,连接方式不同，形成分子的性质就不同。由加聚反应合成的高分子约占合成高分子总量的80%。,缩合聚合反应,2）,含有双官能团或多官能团的单体分子，通过分子间官能团的缩合反应把单体分子聚合起来，同时生成水、醇、氨等小分子化合物，称为缩合聚合反应。特点：单体分子不仅发生聚合，还生成其他小分子。,聚酰胺,商品名：尼龙-66。 用途：作合成纤维。 单体：已二胺、己二酸。,n H2N-(CH2)
4、6-NH2 + n HOOC-(CH2)4-COOH,H NH-(CH2)6-N-C-(CH2)4-C nOH + (2n - 1)H2O,H,O,O,的确良,商品名：涤纶。 单体：对苯二甲酸、乙二醇。 特点：挺括不皱，易洗易干。,n HO-C- -C-OH + n HO-CH2CH2-OH,O,O,HO C- -C-O-CH2CH2-O nH + (2n - 1)H2O,O,O,环氧树脂、酚醛树脂也由缩聚反应得到。,共聚合反应,3）,将两种或两种以上不同的单体进行聚合的反应为共聚合反应，得到的聚合物叫共聚物。特点：分子与分子发生的聚合，并不产生其他分子。按照共聚物中单体分布的不同，可分为交替
5、共聚、嵌段共聚、无规共聚和接枝共聚等。,交替共聚,无规共聚,嵌段共聚,接枝共聚,8.1.3 合成高分子的结构、特性和命名,合成高分子的结构有三种：线型长链状不带支链的、带支链的和体型网状的(分子链间通过官能团作用发生交联)。,线型高分子特点：可蜷曲、弯折，加热可熔化，可溶于有机溶剂，易于结晶。支链高分子特点：与线型高分子类似，密度减小，结晶能力降低。体型高分子特点：不熔不溶，耐热性高，刚性好。可作工程和结构材料。,注：高分子加热后并不是马上熔化变成液体，而是先经历一个软化过程再变为液体。液体冷却后，变硬成为固体，再次加热又能软化、流动的性质，即为热塑性。热塑性不但使高分子材料便于加工，而且还可
6、以多次重复操作。,a）热塑性,b）热固性,体型高分子因其内部结构的交联，使其加热后不会熔化、流动，但当加热到一定温度时，体型高分子结构遭到破坏，这种性质称为热固性。注：体型高分子一旦加工成型，不能再通过加热重新回到原来的状态。,合成高分子主要成分为C、H、O、N、S及卤素等元素，比金属元素轻得多，相对密度小。高分子的分子量大，分子中原子数目多，分子链间原子的接触点多，分子间作用力大，故强度大。高分子材料因其质轻、强度高、耐腐蚀、价廉等优点，在不少场合已逐步取代金属材料的位置。,c）密度小、强度高,全塑汽车的问世,高分子的分子链缠绕在一起，许多分子链上的基团被包在里面，当有试剂分子加入时，只有露
7、在外面的基团容易与试剂分子作用，而被包在里面的基团不易反应，故耐酸、耐腐蚀。,d）耐腐蚀,号称“塑料王” 的聚四氟乙烯耐酸程度远超过金。,e）绝缘性、抗辐射,高分子中的分子链是原子以共价键结合起来的，分子既不能电离，也不能在结构中传递电子，故有绝缘性。高分子对 、 、 和X等射线有抵抗能力，可以抗辐射。,a. 在单体前加“聚”字。b. 在简化的单体名称后面加“树脂”二字。c. 商业上还用商品名称。如：聚氯乙烯的商品名为氯纶；聚乙烯为乙纶；酚醛树脂为电木。,命 名,1907年世界上第一个合成高分子材料酚醛塑料诞生。,8.2 合成高分子材料,8.2.1 塑料,塑料是在一定温度和压力下可塑制成型的合
8、成高分子材料，可分为热塑性塑料和热固性塑料。按性能用途分，可分为通用塑料、工程塑料、特种塑料和增强塑料。,通用塑料产量大、用途广、价格低，约占全部塑料的80%。,特点：线型高分子，排列规整、紧密，结晶度、强度、刚性、熔点高。用途：脸盆、水桶等。,聚乙烯,1,乙烯在不同反应条件下进行加成聚合反应可得到不同性能的聚乙烯。,特点：支链化程度高，分子排列的规整性、紧密程度低，结晶度、密度低，性软，熔点低。用途：食品袋、食品匣、奶瓶等。,高压聚乙烯,低压聚乙烯,聚甲醛的力学、机械性能与铜、锌相似，可做轴承。聚碳酸酯不但可代替某些金属，还可代替玻璃、木材和合金等，做各种仪器的外壳、自行车车架等。,工程塑料
9、,2,特种塑料,3,特点：优良的机械性能、耐热性和尺寸稳定性。典型：聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS塑料等。用途：工程材料和代替金属用的塑料。,在高温、高腐蚀或高辐射等特殊条件下使用的塑料，主要用在尖端技术设备上。聚四氟乙烯有优异的绝缘性、抗腐蚀性、耐高温和低温，可在-200 250 oC范围内长期使用。,8.2.2 合成纤维,纤维,天然纤维,化学纤维,人造纤维,合成纤维,棉、麻、丝、毛,人造棉、再生蛋白质纤维,涤纶、尼龙、腈纶,人造纤维是以天然高分子纤维素或蛋白质为原料，经过化学改性而制成的；合成纤维是由合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得的纤维。聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈的产量占世界合成纤维总产
10、量的90%以上。,商品名：涤纶 又名：的确良用 途：织衣料、运输带、过滤布等。特点：酯基的存在，使分子排列规整、紧密、结晶度高，不易变形，受力形变后易恢复。涤纶织物牢固、易洗、易干，做成的衣服外形挺括，抗皱性好。,聚酯纤维,1）,商品名：尼龙 又名：锦纶用 途：制鱼网、降落伞、丝袜及针织内衣等。分子链间各酰胺基存在氢键作用，使分子链间作用力大为加强，保证了织物的强度。特点：强度大、弹性好、耐磨性好。,聚酰胺纤维,2）,橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。,8.2.3 合成橡胶,n CH2 CH-C CH2,CH3, CH2-CH C-CH2 n,CH3,异戊二烯,异戊橡胶,n CH2 CH-CH CH
11、2, CH2-CH CH-CH2 n,丁二烯,顺丁橡胶,丁苯橡胶,苯乙烯,弹性好，可做轮胎，胶管，胶鞋，胶粘剂等。,弹性很好，耐磨，做飞机轮胎。,耐磨，价格低，产量大，做外胎，地板，鞋等。,合成 橡胶分为通用橡胶和特种橡胶。通用橡胶是用量较大的橡胶；特种橡胶是在特殊条件下使用的橡胶。,特种橡胶特点：耐高温和低温，耐油，耐化学腐蚀和高弹性。硅橡胶：,特点：柔软、光滑（做医用制品）、耐高温（可承受高温消毒而不变形）。氟硅橡胶：高弹性材料。硅硫橡胶：耐高温、低温。丁腈橡胶、聚硫橡胶：耐油性好。,-CH2-CH-CH-CH2-,3）钢铁,合成橡胶缺陷：有可塑性（线型高分子），但强度低，回弹力差，容易产
12、生永久变形。,-CH2-CH CH-CH2-,-CH2-CH CH-CH2-,+ Sn,-CH2-CH-CH-CH2-,S,S,机制：线型橡胶分子之间形成硫桥而交联起来，转变为体型结构，使橡胶失去塑性，同时获得高弹性。凡能使橡胶由线型结构转变为体型结构、并获得弹性的物质称为橡胶的硫化剂。,在合成高分子的主链或支链上接上带有显示某种功能的官能团，使高分子具有特殊的功能，满足光、电、磁、化学、生物、医学等方面的功能要求，这类高分子通称为功能高分子。,8.3 新型高分子材料,1）导电高分子,聚乙炔具有导电性能。机制：乙炔分子中碳、碳以叁键结合，单体经加聚聚合后得到聚乙炔，它是一种单、双键间隔连接的线
13、型高分子，分子中存在共轭 键体系， 电子可在整个共轭体系中自由流动，故可导电。,典型：掺碘的聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩。用途：由导电塑料做塑料电池（一个电极是锂，另一个是聚苯胺导电塑料，可多次重复充电使用，寿命长）。,2）医用高分子,用高分子材料做成的人工器官有很好的生物相容性，不会因与人体接触而产生排斥和其他作用。除了脑、胃和部分内分泌器官外，人体中几乎所有器官都可用高分子材料制造。,人造器官,医 用 高 分 子 材 料,人造心脏 人造血管 人造气管 人 造 肾 人 造 鼻 人 造 肺 人 造 骨 人造肌肉 人造皮肤,医用高分子材料及用途,硅橡胶、聚氨酯橡胶 聚氨酯橡胶、聚对苯二甲酸乙二酯 有机
14、硅橡胶、聚乙烯 醋酸纤维素、聚酯纤维 有机硅橡胶、聚乙烯 聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯 聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂 硅橡胶和涤纶织物 硅橡胶、聚多肽,“白色污染”成因：传统塑料非常稳定，耐酸、耐碱，不蛀不霉，将其埋在地下，上百年不会腐烂，是很严重的社会公害。可降解塑料在一定条件下可自行分解成为粉末。合成高分子的主链结合得十分牢固，要降解必须设法破坏、削弱主链的结合。降解方法：生物降解、化学降解和光降解。典型：生物降解塑料、化学降解塑料和光降解塑料。,3）可降解高分子,4）高吸水性高分子,部分高吸水性高分子可吸收超过自重几百倍甚至上千倍的水，体积虽然膨胀，但加压却挤不出水来。典型：“尿不湿”。高
15、吸水性高分子吸水机制可能与高分子交联后结构中立体网络扩充有关。用途：保鲜包装材料、人造皮肤、防止土地沙漠化。,8.4 复合材料,各类材料缺点,金属材料易腐蚀；合成高分子材料易老化、不耐高温；陶瓷材料易碎裂。,复合材料：将增强体与基体结合在一起，形成一种能发挥两者各自优点的材料。,按增强体的形状分类，复合材料可分为：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。,按基体分类，可分为：树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。,颗粒,夹层,短纤维,增强体的形状,玻璃钢,1）,由玻璃纤维和聚酯类树脂复合而成的材料。若将玻璃熔化并以极快的速度拉成细丝，所得玻璃纤维异常柔软，可以纺织。玻璃
16、钢的制造：将直径为510 m的玻璃纤维制成纱或织物加到树脂中，或把玻璃纤维切成短纤维加入基体。优点：强度高、质量轻、耐腐蚀、抗冲击、绝缘性好。用途：飞机、汽车、船舶、建筑和家具等行业。尼龙、聚乙烯也可做玻璃纤维的基体。,8.4.1 纤维增强树脂基复合材料,将聚丙烯腈合成纤维在200 300 oC的空气中加热使其氧化，后在1000 1500 oC的惰性气体中碳化。,制备方法,碳纤维增强塑料,2）,除了玻璃纤维、碳纤维外，作为纤维增强材料的还有硼纤维、碳化硅纤维等。,新一代运动器材，如：羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆等都采用碳纤维增强塑料来做，为运动员创造世界记录做出了贡献。,8.4.2 纤维增强金
17、属基复合材料,金属基复合材料一般在高温下成形，因此要求作为增强材料的耐热性要高。增强体：碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维。基体金属：铝、镁、钛及某些合金。碳纤维增强铝具有耐高温、耐热疲劳、耐紫外线和耐潮湿等性能，可做飞机的结构材料。硼纤维增强铝可用于空间技术和军事方面。碳化硅增强铝具有更好的化学稳定性、耐热性和高温抗氧化性，用于汽车工业和飞机制造业。,基体陶瓷：Al2O3、MgO . Al2O3、SiO4、Al2O3 . ZrO2、Si3N4、SiC等增强材料：碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须。晶须是由晶体生长形成的针状短纤维。,8.4.3 纤维增强陶瓷基复合材料,习题：课后1.2. 3. 5. 7. 8. 10.,纤维增强陶瓷可增加陶瓷韧性，解决陶瓷脆性问题。由纤维增强陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘接剂贴在飞机机身上，使航天飞机能安全地穿越大气层回到地球上。,
