第五章化學(xué)與社會(huì)

第五章化學(xué)與社會(huì)第1頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三什么是材料？材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。從物理化學(xué)屬性來分，可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和不同類型材料所組成的復(fù)合材料。從用途來分，又分為電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。

目前傳統(tǒng)材料有幾十萬(wàn)種，而新合成的材料每年大約以5%的速度在增加。第2頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三材料：社會(huì)進(jìn)步的標(biāo)志人類社會(huì)（標(biāo)志性材料）石器時(shí)代青銅器時(shí)代：煉銅及其合金（最早的金屬材料）鐵器時(shí)代：把煉銅技術(shù)用于煉鐵，用鐵來制造農(nóng)具鋼鐵時(shí)代：18世紀(jì)蒸汽機(jī)發(fā)明引起了產(chǎn)業(yè)革命，以鋼鐵為中心的金屬材料舊石器時(shí)代：天然的石、木、竹、骨等材料新石器時(shí)代：燒制陶瓷、瓷器高新技術(shù)材料：生物技術(shù)、能源技術(shù)、海洋技術(shù)、空間技術(shù)第3頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、纖維素和人造纖維植物性纖維，如棉和麻均為碳水化合物。它們都是由碳、氫、氧3種元素構(gòu)成的。從分子結(jié)構(gòu)來看，碳水化合物是一類多羥基醛（酮）或水解后能產(chǎn)生多羥基有機(jī)化合物的物質(zhì)。這種碳水化合物可分為單糖、低聚糖和多糖。高分子材料第4頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三單糖是最簡(jiǎn)單，不能再被水解的碳水化合物。如：（1）單糖和多糖第5頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三低聚糖是由幾個(gè)單糖分子縮水聚合而成。根據(jù)水解后能生成單糖的數(shù)目可分為二糖、三糖。如蔗糖、麥芽糖是二糖。蔗糖水解后的產(chǎn)物就是葡萄糖和果糖。第6頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第7頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三纖維素與淀粉則是多糖的代表物。

纖維素是自然界中分布最廣的多糖。它的基本結(jié)構(gòu)單元也是葡萄糖。分子質(zhì)量很高，約200萬(wàn)。纖維素分子的長(zhǎng)鏈能依靠數(shù)目眾多的氫鍵結(jié)合起來而形成纖維束。幾個(gè)纖維束絞在一起形成繩束狀結(jié)構(gòu)在定向排布就形成肉眼可見的纖維，因而，同樣是由葡萄糖構(gòu)成的纖維素，比起淀粉來有高得多的強(qiáng)度，可以支撐植物。由于人的消化系統(tǒng)中沒有水解纖維素的酶，所以人不能消化纖維素。

（2）纖維素第8頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三纖維素第9頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三纖維素用濃硝酸和濃硫酸混合液處理后，就會(huì)得到硝酸纖維素酯，俗稱硝化纖維。根據(jù)硝化程度的高低又分為無(wú)煙火藥，火棉膠（封裝瓶口用）和賽璐鉻制品（如乒乓球、照相底片基等）的原料。由于各種纖維素的分子量大小不同，結(jié)構(gòu)上的差異，特別是纖維束形成的過程各不相同，就決定了纖維的強(qiáng)度和長(zhǎng)短，以及它們能否被紡成織物。

第10頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三自然界的纖維中，棉花和麻莖可以被紡成織物直接為人類所利用。那么還有大量的纖維，如木材、蘆葦、甘蔗渣、麥桿、棉桿等能否也被利用來紡絲織布呢？化學(xué)處理可使其成為現(xiàn)實(shí)。將這些不能紡絲的纖維素先后用二硫化碳(CS2)和氫氧化鈉(NaOH)處理，就會(huì)得到纖維素黃原酸鈉。除去雜質(zhì)后，將其溶解于稀堿液中就制成一種粘稠的液體。通過特殊的噴絲裝置將此粘液噴入硫酸(H2SO4)和硫酸鹽的溶液中，這種粘膠狀的酯就會(huì)分解還原到纖維素。這就是粘膠纖維素生產(chǎn)的全過程。

（3）人造纖維第11頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三人造纖維可紡成長(zhǎng)絲或切成短絲。長(zhǎng)絲與蠶絲可混紡成各種綢緞；與棉紗混紡可制成線綈面料。短絲與棉花混紡就是人造棉。若把短絲切成像羊毛一樣長(zhǎng)短，即可制成人造毛面料。所謂人造纖維就是用化學(xué)處理的方法，使不能紡絲的天然纖維變成可紡絲的纖維。第12頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三含粘膠纖維的植物均有織物柔軟、輕飄舒適、美觀、便宜等優(yōu)點(diǎn)。 共同的缺點(diǎn)是縮水大、濕強(qiáng)度小、彈性差、不耐堿等。這是由于在粘膠纖維制造過程中，纖維素分子受到多次強(qiáng)烈的化學(xué)作用，致使聚合度變低，分子排列疏松零亂，分子間隙大，水分子很容易鉆到空隙中使纖維膨松無(wú)力，強(qiáng)度下降。 為了克服這些缺點(diǎn)，曾把合成高分子樹脂加入粘膠纖維中，制成一種高強(qiáng)度粘膠纖維，市場(chǎng)上稱為富強(qiáng)纖維（俗稱“富纖”），它縮水率小，水中強(qiáng)度下降不多。

第13頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三纖維素不溶于水，但可溶于銅氨溶液中（氫氧化銅氨溶液）以此制成粘膠液再噴絲制得的人造纖維稱為銅氨纖維。它顏色潔白、光澤柔和、手感柔軟。濕纖維強(qiáng)度也比粘膠纖維略好，但由于生產(chǎn)過程中要消耗一定的銅，成本較高，所以生產(chǎn)量較少。

另一種是以棉籽絨（極短纖維）為原料的人造纖維，稱之為醋酸纖維。它是用醋酐[(CH3CO)2O]將纖維素酯化成纖維素三醋酸酯（1個(gè)纖維分子與3

個(gè)分子醋酸反應(yīng)生成的酯），再部分分解為較低的醋酸酯（如二醋酸酯），然后溶解于丙酮內(nèi)成為紡絲液，在細(xì)孔中壓出，經(jīng)熱空氣將丙酮揮發(fā)掉即成。

第14頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

合成纖維實(shí)際上是一種高分子化合物。高分子化合物在人類的生活中已不是陌生的東西。生活中常見的五光十色的塑料，身上穿的合成纖維衣服，以及合成橡膠等均是高分子化合物。上述織物雖稱人造纖維，但仍是利用自然界的纖維材料，嚴(yán)格講應(yīng)該是人造織物纖維，真正的人造纖維應(yīng)該是從非纖維材料出發(fā)所制成的織物纖維。2．合成纖維第15頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三從化學(xué)的角度講，高分子化合物的分子量要比一般的化合物分子量大得多。要準(zhǔn)確地說達(dá)到多大才算是高分子并無(wú)多大意義。一般而言，如果分子量達(dá)到某種程度，使化合物的物理和化學(xué)性質(zhì)，不會(huì)因?yàn)榉肿恿可杂胁煌l(fā)生變化的話，那么該化合物就是高分子化合物了。

與天然高分子化合物（如纖維、淀粉）不同，合成高分子化合物都是用化學(xué)方法，是小分子聚合而成的，所以也稱之為高聚物。第16頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三它的結(jié)構(gòu)式為：它是由小分子化合物，氯乙烯(CH2=CHCl)，聚合而成的。若把：看作聚氯乙烯的一個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，則聚氯乙烯可寫成：一個(gè)大分子鏈往往是有許多簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元，以共價(jià)鍵形式相連而成的分子。以聚氯乙烯為例:第17頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三通常把構(gòu)成這種重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的低分子化合物稱為單體，大分子則稱為聚合物。合成聚合物的方法有兩種類型：縮聚和加聚。

縮聚反應(yīng)類似于低分子有機(jī)化合物的縮合反應(yīng)。例如酯化反應(yīng)：第18頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2個(gè)小分子化合物縮去1個(gè)水分子，合并為1個(gè)較大的分子，這種反應(yīng)不斷進(jìn)行，就可成為高聚物。例如二元羧酸和二元醇的作用：

第19頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三兩端的羥基（―OH）和羧基

進(jìn)一步縮合，這樣聚合反應(yīng)就可連續(xù)不斷進(jìn)行。第一步反應(yīng)生成的苯二甲酸單乙二酯可以看作該聚合物的單體。該聚合物的結(jié)構(gòu)式可寫成：

第20頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三其中n為聚合度。加聚反應(yīng)類似于低分子化合物中的烯烴加成，如乙烯加氯：第21頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如果烯烴分子的雙鍵打開后，自身相互間發(fā)生加成反應(yīng)，這樣反應(yīng)就可連續(xù)不斷進(jìn)行。結(jié)果無(wú)數(shù)個(gè)乙烯小分子就變成了1個(gè)聚氯乙烯大分子，這種聚合反應(yīng)稱為加聚反應(yīng)。

合成纖維實(shí)際上就是用化學(xué)反應(yīng)的方法把小分子化合物聚合成為可以紡紗布的高聚物。下面介紹幾種最常用的合成纖維：（1）聚酯――滌綸

滌綸又叫“的確良”，是國(guó)外商品名達(dá)格綸、帝特綸、特麗綸的音譯。又因?yàn)槌踔飘a(chǎn)品為夏日穿的薄型襯衣，故而得一俗名“的確涼”。第22頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三它的原料對(duì)苯二甲酸和乙二醇（HOCH2CH2OH）來源于石油工業(yè)的甲苯和乙烯。

對(duì)苯二甲酸甲苯來自芳構(gòu)化工段經(jīng)催化劑（HM沸石分子篩）發(fā)生歧化反應(yīng)，生成苯和對(duì)、間、鄰二甲苯的混合物。第23頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三混二甲苯再經(jīng)異構(gòu)化制成對(duì)二甲苯：經(jīng)氧化后得對(duì)苯二甲酸：第24頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

乙烯(CH2=CH2)來自裂解工段，經(jīng)氧化后生成環(huán)氧乙烷再經(jīng)水解反應(yīng)，即可得乙二醇（HOCH2CH2OH）。

用對(duì)苯二甲酸和乙二醇就可直接酯化，聚合而成滌綸。由于是酯化反應(yīng)縮合聚合而成，所以這種聚合物又稱為聚脂。滌綸大分子鏈中因有剛性的苯環(huán)及酰基存在，使分子鏈排列整齊緊密、結(jié)晶度也高、不易變形，因而滌綸具有高強(qiáng)度，耐磨性僅次于尼龍，而且耐光、第25頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三耐蝕、耐蛀，特別是易洗快干，挺括保型性好。綜合性能優(yōu)于尼龍，是優(yōu)良的衣料，也大量用于輪胎簾子線、工業(yè)濾布、繩索等。

但其突出缺點(diǎn)是吸濕性差、導(dǎo)電性差。因此，不透氣，不適宜做內(nèi)衣，也不易染色。同時(shí)衣物與其它物體摩擦而產(chǎn)生的靜電，會(huì)把灰塵吸附在織物上而變臟，起毛球。改進(jìn)的辦法是加入能在分子鏈中形成醚鍵的第三組分，如對(duì)羥基苯甲酸進(jìn)行共縮聚，或是將滌綸與棉、麻、絲混織。對(duì)羥基苯甲酸

第26頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三滌綸樹脂除大量作纖維用外，由于它的高強(qiáng)度和優(yōu)良電絕緣性、耐熱性，還有相當(dāng)一部分制成滌綸薄膜和高強(qiáng)度聚酯漆而用于電子電氣工業(yè)。(2)

聚酰胺

——尼龍尼龍或耐綸是聚酰胺類纖維商品名“Nylon”的譯音。它主要指聚己內(nèi)酰胺（尼龍-6）和聚己二酰己二胺（尼龍-66）。我國(guó)錦州化工廠最早大量生產(chǎn)，故我國(guó)統(tǒng)稱“錦綸”。而卡普綸則是前蘇聯(lián)同類商品名的譯音。

?；王０坊慕Y(jié)構(gòu)分別為：第27頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三有機(jī)酸和有機(jī)胺的反應(yīng)也是縮合反應(yīng)。如：第28頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如果一個(gè)二酸和一個(gè)二胺發(fā)生反應(yīng)：由于兩端仍各有一個(gè)羧基和氨基，可以繼續(xù)和另一個(gè)氨基和羧基發(fā)生在縮合反應(yīng)，如此不斷進(jìn)行下去，就形成了聚合反應(yīng)。尼龍-66就是由己二酸和己二胺聚合而成的。

第29頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三尼龍-6的原料為己內(nèi)酰胺，其結(jié)構(gòu)式為：第30頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三純己內(nèi)酰胺不會(huì)自行聚合，但有少量水作催化劑時(shí)即成為氨基己酸[H2N(CH2)5COOH]，該分子的兩端各有一個(gè)氨基和一個(gè)羧基，若分別和另一個(gè)分子的羧基和氨基發(fā)生縮合反應(yīng)的話，那么同樣會(huì)形成聚合反應(yīng)，其產(chǎn)物就是尼龍-6。尼龍?jiān)谌蠛铣衫w維（聚酰胺、聚酯、聚丙烯腈）中產(chǎn)量居于首位。尼龍-6單體己內(nèi)酰胺和尼龍-66單體己二胺、己二酸均可由苯酚或環(huán)己烷、甲苯等為原料制得。為了控制分子質(zhì)量以適合紡絲要求，常加入一定量醋酸（單體重量的0.07%-0.14%）為穩(wěn)定劑。尼龍-66的制造也適用熔融縮聚，不過先要將等摩爾的兩種原料制成純度很高的尼龍鹽，然后再縮聚。

第31頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三尼龍的最大優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大、彈性好、耐摩擦。其強(qiáng)度比棉花大2–3倍，耐磨是棉花的10

倍，尼龍繩強(qiáng)度比同樣粗的鋼絲繩還要大。另外它質(zhì)輕，比棉花輕35%。耐腐蝕，不受蟲蛀。因此大量用來制造輪胎簾子線、降落傘、漁網(wǎng)、彈力襪、混紡衣料等。尼龍的這些特性與大分子鏈上有大量酰胺基和亞甲基(-CH2-)有關(guān)。前者可形成很多數(shù)目的分子鏈間氫鍵而大大加強(qiáng)了分子間作用力，保證了纖維的強(qiáng)度；后者C–C

單鍵的可活動(dòng)性則保證了纖維有一定彈性。第32頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三聚酰胺最大缺點(diǎn)是耐光性差，長(zhǎng)期光照則發(fā)黃，強(qiáng)度下降，保型性也差，織物不如滌綸挺括。并且它的表面光滑，有蠟狀手感。吸濕性不理想，不適宜做內(nèi)衣。除尼龍-6和尼龍-66之外，目前聚酰胺中還有尼龍-9、尼龍-610、尼龍-1010等比較重要，并有一定的產(chǎn)量。它們都具有質(zhì)輕、耐磨、強(qiáng)度好、耐油等優(yōu)點(diǎn)。因此廣泛用于機(jī)械儀表、汽車等工業(yè)，以代替有色金屬制造軸承、齒輪、泵葉及其它零件。

第33頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(3)

聚烯烴①腈綸

腈綸是聚丙烯腈在我國(guó)的商品名，國(guó)外則稱為“澳綸”、“開絲米綸”。是僅次于聚酯和聚酰胺的合成纖維品種。它柔軟、輕盈、保暖，有人造羊毛之稱。它雖比羊毛輕10%以上，但強(qiáng)度卻高達(dá)2倍多。腈綸不但不會(huì)發(fā)霉和被蟲蛀，并對(duì)日光的抵抗性也比羊毛高1倍，比棉花大10倍。因此它特別適合制造帳篷、炮衣、車蓬、幕布、窗簾等室外織物。用它制成的毛線特別是輕軟的膨體絨線早就為人們所喜愛。第34頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三聚丙烯腈的單體丙烯腈用下列方法（丙烯氨氧化法）合成。改進(jìn)腈綸的方向是進(jìn)一步改善它的染色性、起毛球、回彈性和降低成本。現(xiàn)已采用共聚及混合紡絲等方法，如氯乙烯-丙烯腈共聚纖維，則即基本保持了腈綸特性，又大大降低了生產(chǎn)成本。第35頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三②維尼綸

維尼綸是1950年首先由日本櫻田一郎發(fā)明的一個(gè)合成纖維品種。它的化學(xué)成分是聚乙烯醇縮甲醛。維尼綸（Vinylene）是其商品名。這種纖維的原料（乙烯、乙炔）易得，成本低廉，纖維性能極似棉花而強(qiáng)度比棉花的還好，適合做各種衣料和各種工業(yè)用布。

第36頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三乙烯法：維尼倫的基本原料醋酸乙烯酯，主要有兩種合成方法。乙炔法：第37頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三制造維尼綸的工藝路線包括醋酸乙烯酯聚合、水解制聚乙烯醇和聚乙烯醇縮醛化等三步。把聚乙烯醇的水溶液進(jìn)行溶液紡絲，制成的長(zhǎng)絲或短纖維在進(jìn)行熱處理和縮醛化處理就得到維尼綸纖維。經(jīng)縮醛化后纖維的耐熱能力、收縮性均有改善，大量用來與棉花混紡，制成各種衣料，即為市場(chǎng)上的“維棉”。它的突出優(yōu)點(diǎn)是吸濕性好、價(jià)格低廉，主要缺點(diǎn)是彈性差、織物易皺。因有皮層結(jié)構(gòu)，故不易染成鮮艷的顏色，熱水中收縮性也較大。第38頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三把聚乙烯醇與聚氯乙烯進(jìn)行接枝共聚，即可保持維尼綸的強(qiáng)度高、吸濕性好等優(yōu)點(diǎn)，又可保持氯綸的熱塑性彈性好、耐燃等優(yōu)點(diǎn)。特別是纖維無(wú)皮層結(jié)構(gòu)，染色簡(jiǎn)單，可用各種染色方法得到色彩鮮艷、牢度大的織物。這就是近幾年發(fā)展起來的新纖維品種---維氯綸。③丙綸丙綸是合成纖維的后起之秀，自60

年代初工業(yè)化生產(chǎn)以來，發(fā)展速度快，由于其原料便宜易得，聚合和紡絲工藝簡(jiǎn)單，纖維以輕、牢、耐磨而著稱，引起人們的廣泛重視與歡迎。第39頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期三可紡絲用的聚丙烯樹脂是以三乙基鋁和四氯化鈦〔Al(C2H5)3–TiCl4〕為催化劑，是丙烯聚合得到的立體等規(guī)性高聚物。它與無(wú)規(guī)矩丙烯相比，具有結(jié)晶度高、熔點(diǎn)高、易成纖、強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。聚丙烯樹脂一般以熔融紡絲。由于丙綸耐光性較差