化校合成高分子化合物課件

§14

合成有機高分子化合物（簡介）

現(xiàn)代科技的發(fā)展，使人們的生活變得越來越豐富多彩，五彩繽紛的物質(zhì)滿足了人們的各種需要。生活中的各種物質(zhì)都由各種基本材料構(gòu)成，材料的特性決定了它所構(gòu)成的物質(zhì)的性能。為了便于認識和掌握，人們根據(jù)材料的來源、屬性、組成和特性等，把材料分成如下幾類：材料概況材料無機材料有機高分子材料非金屬材料金屬材料天然高分子材料合成高分子材料淀粉纖維素蛋白質(zhì)天然橡膠合成塑料合成橡膠合成纖維合成粘合劑合成涂料新型合成高分子材料……功能高分子材料復(fù)合高分子材料三大合成材料4)合成有機高分子化合物：由人工合成，分子質(zhì)量達到幾萬-幾千萬的有機化合物。如：聚乙烯、合成橡膠、酚醛樹脂等3)天然高分子化合物:來源于自然界,相對分子質(zhì)量很大(幾萬-幾百萬-幾千萬)的化合物。常見的天然高分子化合物:

淀粉、纖維素、天然橡膠、蛋白質(zhì)等。一、有機高分子材料簡介1．有機高分子化合物概況1）小分子：相對分子質(zhì)量通常較小，通常不上千稱為低分子化合物，簡稱小分子；如：烴、醇、醛、羧酸、酯、油脂、葡萄糖、蔗糖等。2）高分子：相對分子質(zhì)量達幾萬甚至幾千萬，通常稱為高分子化合物，簡稱高分子，有時又稱高聚物；分為天然高分子和合成高分子。如：淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛樹脂等。

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)中鏈節(jié)連接方式分類，可以有線型結(jié)構(gòu)和體型結(jié)構(gòu)，線性結(jié)構(gòu)又可分為帶支鏈和不帶支鏈的結(jié)構(gòu)。如：

2．高分子化合物的結(jié)構(gòu)特點

1）高分子化合物通常結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，往往由簡單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成；如聚乙烯中：（1）-CH2-CH2-：是重復(fù)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)單元—稱鏈節(jié)；（2）n表示每個高分子化合物中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)，叫聚合度；n越大，一般相對分子質(zhì)量越大；（3）合成高分子化合物的小分子叫單體。如乙烯是聚乙烯的單體線型結(jié)構(gòu)和體型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點：A.

線型結(jié)構(gòu)又稱鏈狀高聚物

成千上萬個鏈節(jié)以共價鍵連成一條長鏈；長鏈之間相互纏繞，以分子間作用力緊密結(jié)合；可以不帶支鏈，也可以帶支鏈。其分子鏈由于分子間的作用力，部分區(qū)域可以出現(xiàn)有序排列，這種區(qū)域叫結(jié)晶區(qū)。結(jié)晶區(qū)所占的百分率稱為結(jié)晶度。高分子化合物結(jié)晶度越大，機械強度越大。

特點：具有高彈性、可塑性、在溶劑中能溶解，加熱能熔融，硬度和脆度較小。有獨立存在的分子。如：聚乙烯、聚氯乙烯中以C－C鍵連接成長鏈；淀粉、纖維素中以C－C鍵和C－O鍵連接成長鏈；（1）溶解性：線型高分子化合物能溶解在適當(dāng)?shù)挠袡C溶劑中，但溶解速度緩慢。體型高分子化合物難溶解在有機溶劑中但會發(fā)生溶脹。（2）熱塑性與熱固性：線型高分子化合物受熱，在一定范圍內(nèi)開始軟化再熔化，冷卻后又變成固體，再受熱又會重復(fù)這一過程——這一特性稱熱塑性。體型高分子化合物受熱，一般不會熔化，溫度過高化學(xué)鍵斷裂結(jié)構(gòu)破壞——這一特性稱熱固性。具有熱固性的高分子化合物，一般結(jié)構(gòu)都是體型的。3、合成高分子的性質(zhì)（3）三種力學(xué)狀態(tài)通常，小分子化合物在固態(tài)和液態(tài)之間不存在第三種狀態(tài)，但高分子化合物就不同了，它們除了固態(tài)、液態(tài)外，還可以存在玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種狀態(tài)。①玻璃態(tài)：整個大分子被凍結(jié)，受力時能發(fā)生鍵長和鍵角微小的張開或壓縮的改變，形變與外力成正比，外力除去，形變能立即恢復(fù)，稱為普彈形變。②高彈態(tài)：隨著溫度升高，分子熱運動加劇，當(dāng)升高到玻璃化溫度以上，雖然高分子化合物還不能“流動”，但鏈段可隨外力作用的方向而運動，產(chǎn)生很大的形變，外力解除后，能恢復(fù)原狀，即發(fā)生高彈形變，所處狀態(tài)稱為高彈態(tài)。由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變到高彈態(tài)的溫度稱為玻璃化溫度，用Tg表示。

③粘流態(tài)：溫度再升高，整個大分子鏈都能發(fā)生相對移滑動，發(fā)生黏度很大的流動。同小分子液體類似，這種流動形變是不可逆的，稱為粘流形變，聚合物所處狀態(tài)叫粘流態(tài)。由高彈態(tài)變到粘流態(tài)的溫度稱為粘流化溫度，用Tf表示。合成高分子化合物使用的溫度范圍：塑料在室溫下大都處于玻璃態(tài)，Tg是其使用上限溫度。橡膠處于高彈態(tài)，Tf是其使用上限溫度。大多數(shù)合成纖維是結(jié)晶聚合物，熔點（Tm）是其使用上限溫度。聚合物玻璃化溫度越高，耐熱性越高。若聚合物常溫下處于玻璃態(tài)，則可用來做塑料。線型非晶相高聚物分子三種物理狀態(tài)在一定溫度下可以相互轉(zhuǎn)變：

體型高分子化合物，因為分子鏈之間有大量交聯(lián)，限制了分子鏈和鏈段的運動，因此只有一種狀態(tài)——玻璃態(tài)

（4）機械性能高分子材料一般都有較好的機械性能，強度比較大。例如抗拉強度:用10kg高分子材料與10kg金屬材料各制成100m長的繩子，可吊起物體的重量如下表：材料品種高分子材料金屬材料錦綸繩滌綸繩金屬鈦繩碳鋼繩重物質(zhì)量／kg155001200077006500影響高分子材料機械性能的因素有：聚合度、結(jié)晶度和分子間力（包括氫鍵）。機械性能隨聚合度的增大而增強，同時粘度也迅速增大；聚合物結(jié)晶度越大機械性能越好；分子間作用力、氫鍵增大，可顯著提高聚合物的機械性能（5）電學(xué)性能

高分子的結(jié)構(gòu)是決定其導(dǎo)電性能的主要因素。結(jié)構(gòu)對稱的非極性分子，不能導(dǎo)電。結(jié)構(gòu)不對稱的極性分子，由于在交流電場中，極性基團或極性鏈節(jié)隨電場方向發(fā)生周期性的取向，具有一定的導(dǎo)電性。含共軛雙鍵的聚合物由于雙鍵中的π電子能在整個分子中運動，在外電場作用下，電子會定向流動，具有一定的導(dǎo)電性。（6）老化與防老化高分子材料在長期使用過程中，由于受到氧化、熱、紫外線、機械、水蒸氣、酸堿及微生物等因素作用，逐漸失去彈性，出現(xiàn)裂紋，變硬、變脆或變軟、發(fā)粘、變色等，從而使它的物理機械性能越來越差的現(xiàn)象，叫做高分子化合物的老化。合成高分子化合物的優(yōu)缺點：優(yōu)點：一般彈性好、可塑性強、機械強度高、絕緣性能好等。缺點：一般不耐高溫、易燃燒、易老化等。二、高分子化合物的合成（加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)）1．加聚反應(yīng)：定義：不飽和烴或它們的衍生物的單體通過互相加成聚合成高分子化合物的反應(yīng)稱為加成聚合反應(yīng)簡稱加聚反應(yīng)反應(yīng)形式：不飽和鍵打開或化合物開環(huán)后聚合。反應(yīng)特點：一般是不可逆。催化劑CH2

＝CH2n〔CH2

－CH2〕n

聚苯乙烯由乙烯制備聚乙烯舉例：nCH2

＝CH2催化劑〔CH2

－CH2〕n

聚乙烯（1）單烯聚合

單體反應(yīng)都可以用一個通式來表示為C＝CXMYNn催化劑〔C－C〕nYNXM鏈節(jié)聚合度由苯乙烯制備聚苯乙烯（2）二烯聚合nCH2=CH－CH=CH2催化劑〔CH2－CH=CH－CH2〕n

雙鍵變單鍵變單鍵雙鍵nCH2=CH－CH=CH2CH3催化劑〔CH2－CH＝CH－CH2〕nCH3聚異戊二烯（3）混烯共聚[討論]下列高分子是由那種單體聚合生成的？完成聚合反應(yīng)〔CH2－CH－CH－CH2〕nCH3〔CH2－CH＝CH－CH2〕nCH3催化劑nCH2

＝CH2+nCH＝CH2CH3〔CH2－CH－CH－CH2〕nCH3乙丙樹脂（2）“四膠”（合成橡膠）

①丁苯橡膠：

②順丁橡膠:

④乙丙橡膠③異戊橡膠:（3）有機玻璃聚甲基丙烯酸甲酯以上都是加聚反應(yīng)的產(chǎn)物2.縮聚反應(yīng)：定義：有機物的單體間反應(yīng)，生成高分子的同時還生成小分子（如水、氨、氯化氫等）的反應(yīng),稱縮合聚合反應(yīng)簡稱縮聚反應(yīng)。反應(yīng)形式：單體分子的官能團之間縮合成高分子同時生成小分子。反應(yīng)特點：一般可逆。常見的縮聚反應(yīng)產(chǎn)物有：

酚醛樹脂、蛋白質(zhì)（羧基和氨基化合物）、滌綸（聚對苯二甲酸乙二酯）、聚乳酸酯等。舉例：nH2N－（CH2）6－NH2

＋nHOOC－（CH2）4－COOHnHO－CH2－CH2－OH＋nHOOC－－COOH催化劑催化劑nHO－CH－COOHCH3催化劑nH2N－CH－COOHCH3催化劑〔OCH2CH2OOC－－CO〕n＋2nH2O〔O－CH－CO〕n＋nH2OCH3〔HN－（CH2）6－NHOC－（CH2）4－CO〕n＋2nH2O〔HN－CH－CO〕n＋nH2OCH3縮聚反應(yīng)官能團：雙官能團－OH－COOH－NH2

聚酯類聚酰胺類尼龍-66聚對-苯二甲酸乙二酯(滌綸)聚丙烯腈（人造羊毛）工程塑料ABS樹脂單體:對-苯二甲酸和乙二醇酚醛塑料單體:甲醛和苯酚名稱：聚已二酰已二胺⑦⑧⑨⑩⑾2、由單體乳酸：CH3-CH-COOH合成的聚乳酸酯

OH

的結(jié)構(gòu)簡式。-[-O-CH-CO-]nCH3從肽鍵中間斷開，在羰基上加-OH，在N原子上加H原子即得單體。3、如:寫出合成如下高分子的單體的結(jié)構(gòu)簡式。在羰基上加羥基，在N原子上加H原子即得單體氨基酸。4、如:寫出合成如下物質(zhì)的單體的結(jié)構(gòu)簡式。5．凡鏈節(jié)中主碳鏈含有苯環(huán)并連接-CH2-基團的，-CH2-基團必來自甲醛，單體有兩種即酚和甲醛。橡膠硫化：長鏈與長鏈之間又形成鍵，產(chǎn)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而交聯(lián)在一起。橡膠一定程度的硫化后，使其柔韌性和彈性都會增大?！芰?、橡膠、合成纖維三、介紹幾種重要的高分子材料（一）塑料1、塑料的分類和成分

塑料是指具有可塑性的材料。即在一定的溫度和壓力下可形成規(guī)定的形狀，當(dāng)去溫、去壓時仍能保持所改變的形狀。塑料熱塑性塑料：受熱軟化變形，冷卻時凝固，可以反復(fù)加工。如：聚氯乙烯、聚乙烯等一般屬于線形高分子化合物。熱固性塑料：成型后，受熱不會軟化變形，也不能反復(fù)加工。如：酚醛樹脂等一般屬于體形高分子化合物；也可線型樹脂加工成型時加入少量固化劑、添加劑使之變硬定型。2、塑料的特性（1）輕，一般塑料的密度是鋼鐵的1/8—1/4。（2）抗腐蝕（3）電絕緣性好（4）有優(yōu)良的耐磨性構(gòu)成塑料的主要成分樹脂（俗稱塑料粒子）：是構(gòu)成塑料的主體。如：聚乙烯樹脂、聚丙烯腈樹脂等。添加劑：用于改善塑料的性能如增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、固化劑、著色劑等等。3、幾種常見的塑料（1）聚氯乙烯（PVC）線型熱塑性高分子化合物優(yōu)點：機械強度好，耐腐蝕性，電絕緣性優(yōu)良，易加工成型，成本低。缺點：軟化點較低（65~80℃），不耐寒，冬天硬脆易斷裂，耐熱耐光差。應(yīng)用：輕工、化工、電器等方面（2）酚醛塑料（俗稱電木）是由酚醛樹脂添加其他配料制成的產(chǎn)品

制備：苯酚與甲醛在酸催化下進行縮聚反應(yīng)

結(jié)構(gòu)：特點：加熱不會熔化，不溶于水及有機溶劑。電絕緣性優(yōu)良，耐許多化學(xué)藥劑腐蝕。有良好物理機械性能，很堅硬。

應(yīng)用：電氣工業(yè)絕緣材料（開關(guān)、燈頭）；化學(xué)工業(yè)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。是一種性能優(yōu)異的工程塑料，它具有自潤滑性能好，磨擦系數(shù)低，耐高低溫，耐腐蝕以及良好的絕緣性能和不粘性，且長期使用溫度范圍在－200～260℃，有“塑料王”之稱。被廣泛應(yīng)用于機械，電子，石油，化工，食品、輕工等行業(yè)。

（4）聚甲醛塑料(POM)

是以精制的三聚甲醛為原料合成的一種工程塑料，POM是一種堅韌有彈性的材料，即使在低溫下仍有很好的抗蠕變特性、幾何穩(wěn)定性和抗沖擊性，且易于加工，有很強的硬度和鋼性。適合于制作齒輪和軸承。由于它還具有耐高溫特性，因此還用于管道器件（管道閥門、泵殼體），草坪設(shè)備等。

（5）ABS樹脂

是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種單體共聚而成的一種工程塑料。有較高的機械強度、硬度、熱穩(wěn)定性、耐油性、耐化學(xué)腐蝕性、彈性、抗沖擊性、電絕緣性和良好的加工性能，在汽車、電器、電子工業(yè)等方面有著非常廣泛的應(yīng)用。其余見：書P382—表13.2工程塑料ABS樹脂ABS的應(yīng)用工程塑料：

一般指能承受一定的外力作用，并有良好的機械性能和尺寸穩(wěn)定性，在高、低溫下仍能保持其優(yōu)良性能，可以作為工程結(jié)構(gòu)件的塑料。如ABS、尼龍、聚砜等。工程塑料的優(yōu)點：工程塑料與金屬材料相比，有許多優(yōu)點：容易加工；生產(chǎn)效率高；節(jié)約能源；絕緣性能好；質(zhì)量輕，比重約1.0～1.4，比鋁輕一半，比鋼輕3/4；比強度高；具有突出耐磨、耐腐蝕性等，是良好的工程機械更新?lián)Q代產(chǎn)品。

工程塑料的應(yīng)用：作齒輪、軸承、泵葉、汽車零部件、儀器儀表元件等要求耐磨并有一定潤滑性的，宜選用聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚和聚砜；作汽車傳動萬向節(jié)軸承用聚甲醛最能勝任；作高度防腐蝕部件、容器或襯里選聚四氟乙烯或氯化聚醚為宜；作電子、電器等復(fù)雜形狀的部件，要用ＡＢＳ或ＤＡＰ；要求耐高溫的電絕緣材料，可從聚酰亞胺、聚芳砜、聚芳酯或和聚四氟乙烯中選用；要求耐高溫或低溫且沖擊性好，能作成透明片材使用的，選聚碳酸酯；作冷藏設(shè)備部件或電冰箱內(nèi)膽，以ABS較好。（二）合成纖維1、纖維和纖維的分類纖維:通常把長度比本身直徑大100倍以上，并且有柔韌性的絲狀物質(zhì)叫做纖維

2、成纖的基本條件1．具有線型分子結(jié)構(gòu)，分子鏈排列規(guī)整。以提高分子間的作用力，增強纖維強度。2．分子量大小要適當(dāng)(104)，才有利于拉絲和保證足夠的強度。3．分子鏈間要有較強的吸引力。4．能溶解或溶融。3、合成纖維——是由合成高分子為原料，通過拉絲工藝獲得纖維。合成纖維的品種很多，最重要的品種是聚酯（滌綸）、聚酰胺（尼龍、錦綸）、聚丙烯腈（腈綸），它們占世界合成纖維總產(chǎn)量的90%以上。此外還有聚乙烯醇縮甲醛（維綸）、聚丙烯（丙綸）、聚氯乙烯（氯綸）等等。4、幾種重要的合成纖維（1）錦綸鏈節(jié):

以—CONH—相連結(jié)商品名稱：

錦綸（尼龍、耐綸）優(yōu)點：具有高強度，有一定的彈性、耐磨、耐油、耐腐蝕、耐細菌。缺點：耐光較差，長期光照下強度下降。例：錦綸—6（2）滌綸鏈節(jié):

以—COO—相連結(jié)商品名稱：滌綸、的確良等優(yōu)點：強度大、耐磨（僅次于聚胺纖維）、富有彈性，、易皺、吸水性小、耐光、耐腐蝕、耐漂白劑、耐氧化劑、耐有機試劑及無機酸，絕緣性好聚對-苯二甲酸乙二酯(滌綸)

缺點：耐堿性稍差例如：的確良——聚對苯二甲酸乙二酯纖維的合成

（3）聚丙烯腈單體:

丙烯腈商品名稱：腈綸（又稱合成羊毛）優(yōu)點：柔軟蓬松，強度、保曖性及彈性比羊毛好，是優(yōu)良的天然代用品。缺點：耐磨性能和透氣性不及羊毛好。合成：

（4）聚乙烯醇縮甲醛纖維（維綸）商品名稱：維綸(維尼綸)學(xué)名聚乙烯醇縮甲醛特點：外觀、手感、吸濕性均極似棉花，有“合成棉花”之稱。其耐磨性、強度都比棉花好。O-CH2-O—CH

—CH2—n

—CH2—CH—n結(jié)構(gòu)式和表示或其它纖維見：書P383—表13.3合成橡膠是以石油和天然氣為原料合成的一種高分子化合物。如丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠及具特殊性能的特種橡膠，如醫(yī)療、航空工業(yè)上廣泛應(yīng)用的硅橡膠，耐高溫的氟橡膠和耐油性特別好的丁腈橡膠等?，F(xiàn)在的總產(chǎn)量已經(jīng)超過天然橡膠的一倍以上。3、合成橡膠（1）、天然橡膠化學(xué)組成：聚異戊二烯，線型高分子，分子量20-50萬順式結(jié)構(gòu)：有良好彈性，耐磨性和機械強度差反式結(jié)構(gòu)：分子間引力大，結(jié)晶區(qū)較多，彈性很差，是

硬質(zhì)橡膠。填料和抗老化劑填料：是為了減少生膠的用量，并提高制品的機械強度和耐磨性能。硫化：使橡膠分子鏈間發(fā)生交聯(lián)，從而改善生膠易發(fā)生形變的缺點?？估蟿禾岣呦鹉z的抗老的性能，延長橡膠制品的使用壽命。

①順丁橡膠

合成：優(yōu)點：彈性好，耐磨性能、耐低溫性能也較好，具有良好的物理機械性能用途：造三角皮帶、耐熱膠管、電絕緣制品等缺點：

抗斯裂強度、加工性能較差（2）合成橡膠②丁苯橡膠（SBR）

合成：優(yōu)點：耐磨、耐老化、耐臭氧、與天然橡膠相似用途：目前產(chǎn)量最高、用途最廣的合成橡膠。制造輪胎、電纜等缺點：彈性和機械強度較差粘合性也不好。③氯丁橡膠

合成：優(yōu)點：良好的耐油性，特別好的耐老化，耐熱性、耐磨性、耐燃性、耐化學(xué)試劑、氣密性、耐臭氧性均比天然橡膠優(yōu)良。用途：廣泛用作海底電線絕緣材料，化工防腐材料，耐油制品等缺點：彈性和耐寒性比天然橡膠差。④丁腈橡膠

合成:

優(yōu)點：特別耐油，耐磨、耐熱、耐老化性都比天然橡膠和氯丁橡膠好。用途：用于耐油制品。缺點：彈性、耐臭氧能力及多次撓屈性能較差，耐寒性差。⑤硅橡膠結(jié)構(gòu)：線型聚硅醚優(yōu)點：既耐低溫，又耐高溫。在-65-250℃保持彈性。耐油防水，不易老化，絕緣性能也很好。

用途：可作高溫高壓設(shè)備的襯墊，油管襯里，火箭、導(dǎo)彈、飛機的零件和絕緣材料。缺點：機械性能較差，耐酸堿不及其它橡膠。

4、合成膠粘劑

（1）膠粘劑又稱粘合劑，俗稱膠。是能使兩個物體表面粘合在一起的物質(zhì)。膠粘和其他的連接方法相，有重量輕、連接部位應(yīng)力分布均勻、強度高、耐疲勞等優(yōu)點。（2）常見的膠粘劑①環(huán)氧樹脂膠粘劑：凡分子結(jié)構(gòu)中含有環(huán)氧基團的高分子化合物統(tǒng)稱為環(huán)氧樹脂。固化后的環(huán)氧樹脂具有良好的物理化學(xué)性能，它對金屬和非金屬材料的表面具有優(yōu)異的粘接強度，介