化学与人类生活 教学课件 作者 柳一鸣 主编 第四章 化学与材料 第四节 高分子材料.pptVIP

尚辅网 尚辅网 第四节 高分子材料 人们常用的棉花、蚕丝、羊毛、毛皮等是天然材料，但天然材料受到自然条件和资源等限制，无论在数量、质量、品种、性能利用途等各方面都无法满足人类对材料日益增长的需求，发展合成高分子材料成为当今社会发展的必然。目前，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料一样，成为科学技术、经济建设中的重要材料。 一 高分子概述 天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。 高分子发展 1907年，Leo Bakeland发明了酚醛塑料，标志着人类应用合成高分子材料的开始； 1920年Hermann Staudinger提出了高分子的概念并且创造了Makromolekule这个词； 二十世纪二十年代末，聚氯乙烯开始大规模使用； 二十世纪三十年代初，聚苯乙烯大规模生产； 二十世纪三十年代末，尼龙开始生产。 二十世纪后期，国福世蓝（1st line）公司研发了以高分子复合聚合物与金属粉末或陶瓷粒组成的双组分或多组分的复合材料。 高分子复合材料技术已发展成为重要的现代化应用技术之一。在经历了二十世纪的大发展之后高分子材料对整个世界的面貌产生了重要的影响。塑料是二十世纪人类最重要的发明。高分子材料在文化领域和人类的生活方式方面也产生了重要的影响。 高分子是由1000个以上的原子通过共价键结合形成可达几万至几百万的大分子，它是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。高分子材料是指以高分子化合物为基础的材料。 (1) 有机高分子以碳为主兼有少量氮、氧等原子。 (2) 无机高分子的主链原子是除碳以外的其它原如过渡金属、硅、磷、氮和硼等。 (3) 功能高分子材料具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能。 高分子的命名 一种是在单体前加“聚”字，如聚乙烯、聚苯 乙烯等； 另一种是在简化的单体名称后面加“树脂”两字，如酚醛树脂，它是由甲醛和苯酚缩聚得到的。又如脲醛树脂、环氧树脂等。 合成高分子原料 农业和林业的副产品，如含淀粉的薯类、植物种子等，可从中提炼得到乙醇、丁醇、丙酮； 含纤维的木屑、甘蔗渣、椰子壳、芦苇等可从中得到纤维素、糖醛； 含非食用油脂的蓖麻油、桐油、松节油可从中得到对苯二甲酸、癸二酸、癸二胺。 20世纪50年代后，石油化工兴起，煤被石油和天然气取代，成为合成高分子工业原料的主要来源。 加 成 聚 合 加 成 聚 合 加成聚合含有重要的单体分子通过加成聚合反应得到聚合物(图1)，没有任何其它产物。 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，简称缩聚反应。 线型长链状结构可呈蜷曲、弯折或呈螺旋形，加热可熔化，也可溶于有机溶剂，并容易结晶。合成纤维和大多数塑料都是线型高分子。 带支链的线型长链状结构在很多性能上与线型长链高分子相似，但支链使高分子的密度减小，结晶能力降低。 体型网状结构具有不熔化不溶解、耐热性高和刚性好的特点，适合做工程和结构材料。 1907年世界上第一个合成高分子材料酚醛塑料诞生，二次大战后合成高分子材料蓬勃兴起，推动包括塑料、合成纤维、合成橡胶等合成高分子工业迅速发展。重要的合成高分子材料包括塑料、橡胶和纤维。 塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分，再加入填料、增塑剂和其它添加剂在一定的温度和压力下可塑制成型的合成高分子材料。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。 加热后软化，形成高分子熔体的塑料成为热塑性塑料，它们大都是线型链状高分子，常见的有环氧树脂, 酚醛塑料, 聚酰亚胺,三聚氰氨甲醛树脂等。 加热后固化，形成交联的不熔结构的塑料称为热固性塑料，它们大都是体型网状高分子，主要的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(俗称有机玻璃)、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯。 通用塑料以“四烯”为代表，即聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯，它们的产量大、用途广、价格低廉。四烯的产量约占全部塑料产量的80%，尤其以聚乙烯的产量最大。 工程塑料是指可以作为工程材料和代替金属用的塑料，要求有优良的机械性能、耐热性和尺寸稳定性。目前工程塑料主要有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯塑料等。其在宇航、冷冻、化工、电器医疗器械等工业部门都有广泛的应用。