高分子与高分子材料.ppt

高分子与高分子材料,4.了解几种重要高分子材料和复合材料的性能及其应用。,1.了解高分子化合物的基本概念、命名和分类。,2.了解高分子化合物的基本结构与重要特性。,3.了解高分子化合物的合成反应及改性、回收再利用的方法。,本章学习要求,7.2 高分子化合物的基本结构和重要特性,7.3 高分子化合物的合成、改性与再利用,7.1 高分子化合物概述,7.4 日常生活中的高分子材料,7.5 材料的未来与分子设计,目 录,高分子化合物（高分子、高聚物或聚合物）的分子比低分子化合物的分子要大很多。通常低分子有机化合物的相对分子质量在1000以下，而高分子化合物的相对分子质量在1万以上，有的可达上千万。,1基本概念,高分子化合物的基本特征：相对分子质量大。,7.1.1 高分子化合物的基本概念和特点,7.1 高分子化合物概述,高分子化合物的相对分子质量虽然很大，但其化学组成一般却比较简单。,例 聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯结合而成：,*平均聚合度 n 链节的式量=高聚物的平均相对分子质量,简写：,单体聚合成高分子化合物的低分子化合物,链节组成高分子链的重复结构单元,聚合度高分子链所含链节的数目,（1）高分子化合物组成简单，相对分子质量大，具有“多分散性”。是多分子的混合物。,（2）高分子化合物可归纳为线型和体型两种结构。线型结构中包括链型和支链型。,（3）高分子化合物由于其相对分子质量很大，有较好的机械强度。又由于其分子是由共价键结合而成，故有较好的绝缘性和耐腐蚀性，由于其分子链很长，呈卷曲状，故有较好的可塑性和高弹性。,（4）高分子化合物在常温常压下主要以固态或液态存在，几乎无挥发性，溶解性也很差，有时只发生溶胀。,2高分子化合物的特点,1高分子化合物的命名,（1）按原料单体或聚合物的结构特征命名,在单体名称前面冠以“聚”字：聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙二酰己二胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。,在单体名称后面加“树脂”：酚醛树脂、环氧树脂等。,7.1.2 高分子化合物的命名和分类,（2）按商品名命名,*我国习惯以“纶”作为合成纤维商品名的后缀，如涤纶、氯纶、腈纶、锦纶、丙纶等。,有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯。,尼龙或锦纶聚酰胺，如尼龙-610。,表7.1 一些聚合物的名称、商品名称、符号及单体,（2）按主链结构分类,（1）按来源分类 天然高分子和合成高分子。,碳链聚合物 主链完全由碳原子组成。如聚乙烯：,杂链聚合物 主链除碳原子外，还含有氧、氮、硫等杂原子。如聚己二酰己二胺（尼龙-66）：,2高分子化合物的分类,元素有机聚合物 主链由硅、硼、铝与氧、氮、硫、磷等组成，侧链是有机基团。如聚二甲基硅氧烷：,（3）按性能和用途分类 塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂和功能高分子六大类。,（4）按功能分类 通用高分子、工程材料高分子、功能高分子、仿生高分子等。,元素无机聚合物 主链和侧链均由无机元素或基团组成。如聚二氯磷腈：,（2）体形结构的高聚物 分子中无独立的大分子存在，因此只有交聚度的概念。,（1）线型结构高分子物质 分子中有独立的大分子存在，分子链中以单键相连的相邻两链节之间还可以保持一定的键角而旋转，因此，一个分子链在无外力作用时会有众多的分子空间形态，绝大部分为卷曲状。高分子链这种强烈卷曲的倾向称为（分子）链的柔顺性，它对高聚物的弹性和塑性等有重要影响。,键角固定的高分子链节的旋转示意图,1高聚物分子的几何形状,7.2.1 高分子化合物的基本结构,7.2 高分子化合物的基本结构和要重特性,体型结构的高聚物，由于分子链间有大量的交联，分子链不可能产生有序排列，因而都是非晶态的。,从结晶状态来看，线型结构的高聚物分为晶态高聚物和非晶态高聚物，或者两者共存。,高聚物中结晶性区域称为结晶区，非结晶区域称非结晶区，结晶的多少称结晶度（高聚物含晶体结构的质量百分数）。,2高聚物的聚集态,聚合物中结晶性和非结晶区,玻璃态 分子链节或整个分子链无法产生运动，高聚物呈现如玻璃体状的固态。例如常温下的塑料。,高弹态 链节可以较自由地旋转，但整个分子链不能移动。例如常温下的橡胶。高弹态是高聚物所独有的罕见的一种物理形态，能产生很大形变，除去外力后能可逆恢复原状。,粘流态 高聚物分子链节可以自由地旋转，整个分子链也能自由移动，从而成为能流动的粘液，比液态低分子化合物的粘度要大得多，又称为塑性态。例如胶粘剂或涂料。,3线型非晶态高聚物的物理形态,线性非晶态聚合物的物理形态与温度的关系,玻璃化温度 由高弹态向玻璃态转变的温度，用Tg 表示。,粘流化温度 由高弹态向粘流态转变的温度，用Tf 表示。,塑料与纤维:要求Tg 高，Tf 低（较耐热，加工成型温度不高）,橡胶：要求Tg 低，Tf 高（耐寒又耐热）,一些非晶态高聚物的Tg和Tf值：聚氯乙烯 Tg=81 Tf=175聚苯乙烯 Tg=100 Tf=135聚丁二烯(顺丁橡胶)Tg=-108 天然橡胶 Tg=-73 Tf=122,1弹性和塑性,（1）弹性 当高聚物Tg TR(室温)Tf,高聚物处于高弹态，而且TR和Tf与Tg的差值越大其性能越好。,（2）塑性 当高聚物Tg TR，高聚物处于玻璃态，用做材料时可做塑料。,7.2.2 高分子化合物的结构与性能的关系,玻璃化温度Tg是高聚物的链节开始旋转的最低温度。它的高低与分子链的柔顺性和分子链间的作用力大小有关。分子的柔顺性越大，Tg越低。,体型高聚物的分子链由于被化学键牢固地交联，很难变形，因此，当温度改变时不会出现粘流态，交联度大时也不会出现高弹态，而只呈玻璃态。,主要指标有机械强度、刚性、冲出强度。主要影响因素有：,(1)平均相对分子质量（或平均聚合度）的增大，有利于增加分子链间的作用力，可使拉伸强度与冲击强度等有所提高。,(2)极性取代基或链间能形成氢键时，能增加分子链之间的作用力而提高其强度。,强度：天然橡胶（M r=20万）丁苯橡胶（M r=45万）,拉伸强度:聚氯乙烯(含极性基团-Cl)聚乙烯,2机械性能,(3)适度交联有利于增加分子链之间的作用力。,(4)在结晶区内分子链排列紧密有序，可使分子链之间的作用力增大，机械强度也随之增高。,(5)主链含苯环或侧链引入芳环、杂环取代基等的高聚物，其强度和刚性比含脂肪族主链的高聚物的要高。,如聚乙烯交联后，冲击强度可提高34倍。,机械强度:高结晶聚乙烯 低结晶聚乙烯,强度：芳香尼龙(如芳纶-1313)普通尼龙,高分子化合物通常以共价键结合，一般不存在自由电子和离子，因此高聚物通常是很好的绝缘体，可作为绝缘材料。,高聚物的极性越小，其绝缘性越好。,非极性高聚物 分子链节结构对称的高聚物，如聚乙烯，聚四氟乙烯等。,极性高聚物 分子链节结构不对称的高聚物，如聚氯乙烯，聚酰胺等。,例：试比较下列高聚物的电绝缘性：,聚四氟乙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯,3电绝缘性和抗静电性,电绝缘材料的高聚物可分为：,（1）链节结构对称且无极性基团的高聚物，如聚乙烯，聚四氟乙烯，对直流电和交流电都绝缘，可用作高频电绝缘材料。,（2）无极性基团，但链节结构不对称的高聚物，如聚苯乙烯，天然橡胶等，可用做中频电绝缘材料。,（3）链节结构不对称且有极性基团的高聚物，如聚氯乙烯，聚酰胺，酚醛树指等，可用做低频或中频电绝缘材料。,分子的极性可用相对介电常数衡量，通常非极性高聚物的2，弱极性或中等极性高聚物的24，强极性高聚物的4。,表7.3 常见高聚物的相对介电常数,静电现象 两种电性不同的物体相互接触或磨擦时，会有电子的转移而使一物体带正电荷，另一种物体带负电荷的现象。,静电现象具有两面性，它应用于静电印刷、油漆喷涂和静电分离等。但静电往往是有害的，例如腈纶纤维起毛球、吸灰尘；粉料在干燥运转中会结块等。,常用的抗静电剂是一些表面活性剂，其主要作用是提高高聚物表面的电导性，使之迅速放电，防止电荷积累。,另外，在高聚物中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等也同样起到抗静电的作用。,高聚物溶解的两个阶段：,溶胀 溶剂分子渗入高聚物内部，使高分子链间产生松动，并通过溶剂化使高聚物膨胀成凝胶状。,溶解 高分子链从凝胶表面分散进入溶剂中，溶解形成均一的溶液。,（1）溶解性,一般线型（包括带支链）的高聚物，在适当的溶剂中常可以溶解。如聚苯乙烯（彩色玩具）可溶于苯或甲苯，有机玻璃（绘图直尺）可溶于氯仿或丙酮。,但体型高聚时，通常只发生溶胀而不能溶解。,4溶解性和保水性,溶剂选择的原则是“相似相溶”，极性大的高聚物选用极性大的溶剂；极性小的高聚物选用极性小的溶剂。例如，未硫化的天然橡胶是弱极性的，可溶于汽油、苯、甲苯等非极性或弱极性溶剂中。,高吸水性树脂含有羟基等强亲水基团，不溶于水，在水中只能溶胀，有惊人的吸水能力。吸水后成凝胶状，在加压下，水分也不易挤出来。例如，由淀粉和聚氧乙烯制成的保水材料，吸水重量可达自重的4603倍；这些高吸水性的树脂已应用于农业保湿大棚，制作婴儿尿不湿、防止土地荒漠化等。,（2）保水性,晶态高聚物一般需将其加热至熔点附近，待晶态转变为非晶态后，溶剂分子才能渗入，使高聚物逐渐溶解。,相对分子质量大的高聚物，链间作用力大，不利于其溶解。,高聚物主要由C-C、C-H、C-O等牢固的共价键连接而成，含活泼的基团较少，且分子链相互缠绕，使分子链上不少基团难以参与反应，因而一般化学稳定性较高。,（1）稳定性,一些含 高聚物不耐水，在酸或碱的催化下会与水反应。例如，聚酰胺与水的反应：,高聚物一般化学稳定性好，耐酸碱腐蚀，但不耐高温，易老化。,5化学稳定性和老化,老化是指高聚物及其材料在加工、贮存和使用过程中，长期受化学、物理（热、光、电、机械等）以及生物（霉菌）因素的综合影响，发生裂解或交联，导致性能变坏的现象。例如，塑料制品变脆、橡胶龟裂、纤维泛黄、油漆发粘等。,老化是物理性质变坏的不可逆过程。主要有两种过程：,降解 链断裂，Mr变小 发粘、变软、丧失机械强度,交联 线型变体型变硬、变脆、丧失弹性，如天然胶、聚氯乙烯的老化,若在高聚物分子链中引入较多的芳环、杂环结构，或在主链或支链中引入无机元素（如硅、磷、铝等），均可提高其热稳定性。,为了延缓光、氧、热对高聚物的老化作用，通常可在高聚物中加入各类光稳定剂、抗氧剂（芳香族胺类如二苯胺 和酚类等），或热稳定剂（如硬脂酸盐等）。,（2）老化,聚合反应,7.3.1 高分子化合物的合成反应,加成聚合反应（加聚反应）,聚合反应由小分子单体合成聚合物的化学反应,缩合聚合反应（缩聚反应）,7.3 高分子化合物的合成、改性与再利用,加聚反应,仅由一种单体聚合而成的，分子链中只包含一种单体构成的链节的聚合反应,由两种或两种以上单体同时进行聚合，生成的聚合物含有多种单体构成的链节的聚合反应,共聚物往往可兼具两种或两种以上均聚物的一些优异性能，因此通过共聚方法可以改善产品的性能。,加聚反应由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开环相互结合成聚合物的反应。,均聚反应,共聚反应,1加聚反应,缩聚反应由一种或多种单体相互缩合生成高聚物，同时有低分子物质（如水、卤化氢、氮、醇等）析出的反应。,例如癸二酸和己二胺合成为尼龙-610的反应：,2缩聚反应,高分子材料的改性 通过各种方法改变已有材料的组成、结构，以达到改善性能、扩大品种和应用范围的目的。,通常采用的改性方法大体上可分为化学法与物理化学法两大类：,7.3.2 高分子化合物的改性,1高聚物的化学改性,借化学反应改变高聚物本身的组成、结构，以达到材料改性的目的。,常用的反应,交联反应共聚反应 官能团反应,经部分交联后的橡胶，既提高了强度和韧性，又同时保留了较好的弹性。硫化后的橡胶只发生溶胀，具有耐溶剂性。,例 橡胶的硫化：,借化学键的形成，使线型高聚物连接成为体型高聚物的反应。,（1）交联反应,ABS工程塑料具有聚苯乙烯优良的电性能和易加工成型性，丁二烯提高弹性和冲击强度，丙烯腈可增加耐热、耐油、耐腐蚀性和表面硬度，使之成为综合性能优良的工程材料。,由两种或两种以上不同单体通过共聚所生成的共聚物，往往在性能上有取长补短的效果。,（2）共聚反应,如离子交换树脂就是利用官能团反应，在高聚物结构中引入可供离子交换的基团，使之具有离子交换功能，且应具备不溶性和一定的机械强度。,先要制备高聚物母体（即骨架）如苯乙烯-二乙烯苯共聚物（体型高聚物），然后再通过官能团反应，在高聚物骨架上引入活性基团。例如，制取磺酸型阳离子交换树脂，可利用上述共聚物与H2SO4的磺化反应，引入磺酸基SO3H。由此所得离子交换树脂（简称为聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂）的结构（简）式可表示如下：,利用官能团反应，在高分子结构中引入适当的功能基，使高分子具有特定的功能。,（3）官能团反应,通常可简写为R-SO3H（R代表树脂母体），磺酸基-SO3H中的氢离子能与溶液中的阳离子进行离子交换。,同理，若利用官能团反应在高聚物母体中引入可与溶液中阴离子进行离子交换的基团，即可得阴离子交换树脂。例如，季铵型阴离子交换树脂R-N（CH3）3Cl。,在高聚物中掺和各种助剂（又称添加剂）、将不同高聚物共混、或用其他材料与高分子材料复合而完成的改性。,（1）掺和改性,聚合物中通常要加入填料、增塑剂、防老剂（抗氧剂、热稳定剂、紫外光稳定剂）、着色剂、发泡剂、固化剂、润滑剂、阻燃剂等添加剂，以提高产品质量和使用效果。,其中填料和增塑剂是添加剂中用量最大的。,填料,降低成本,类型,有机填料 木粉、纤维、棉布等,作用,改善性能 机械性能、耐热性、电性能、加工性能,无机填料 碳酸钙、硅藻土、炭黑、滑石粉、金属粉、金属氧化物、白炭黑（SiO2）等,2高聚物的物理化学改性,通常都选用一些高沸点（一般大于300）的液体或低熔点的固体有机化合物（如邻苯二甲酸酯类、磷酸酯类、脂肪族二元酸酯类、环氧化合物等）作为增塑剂。,如聚氯乙烯中加入质量分数为30%70%的增塑剂就成为软质聚氯乙烯塑料。,增塑剂的加入能增大高聚物分子链间的距离，减弱分子链之间的作用力，从而使其Tg和Tf值降低，材料的脆性和加工性能得以改善。,一些能增进高聚物柔韧性和熔融流动性的物质。,增塑剂,将两种或两种以上不同的高聚物混合形成具有纯组分所没有的综合性能的高聚物的方法。形成的高聚物称为共混高聚物(又称为高分子合金)。,聚合物共混物,塑料塑料共混。如ABS-PVC共混，可改善耐燃性,橡胶橡胶共混。丁腈橡胶与天然橡胶共混，可提高天然橡胶的耐油性和耐热性,橡胶塑料共混。PVC-天然氯丁胶共混，可改善抗冲击性能,共混的作用：改变单一聚合物的弱点，性能互补，获得优良综合性能；赋予特别性能或功能，如赋予粘结性能、减震、导电、阻燃、耐水等；改善加工功能。,（2）共混改性,由两种或两种以上性质不同的材料组合制得一种多相材料的过程。,与共混相比，复合包含的范围更广；共混改性的组分材料仅限于高聚物，而复合改性的对象除高聚物外，还可包括金属材料与无机非金属材料。,（3）复合改性,高分子化合物的回收及再利用的基本意义：,解决了环境污染问题,由于高分子化合物的化学稳定性好，难以分解，日积月累，会污染环境、危害生态。,充分利用自然资源,7.3.3 高分子化合物的回收及再利用,高分子化合物的回收、利用包括：,再生利用和改性利用,热分解回收化工原料,焚烧回收热能,掩埋处理,光降解和微生物降解,从上世纪60年代开始，塑料(主要指聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯)进入广泛实用阶段。由于塑料具有很多优点：它取材容易，价格低廉，加工方便，质地轻巧，因此塑料一问世，便深受欢迎，它迅速渗入到社会生活的方方面面，塑料被制成碗、杯、袋、盆、桶、管等。创造了巨大的社会和经济效益。塑料被列为20世纪最伟大的发明之一，塑料的普及被誉为白色革命。,随着塑料产量不断增大，成本越来越低，我们用过的大量农用薄膜、包装用的塑料袋和一次性塑料餐具在使用后被抛弃在环境中，给景观和环境带来很大破坏。由于塑料包装物大多呈白色，它们造成的环境污染被称为白色污染。,*塑料的贡献与白色污染,视觉污染指的是塑料袋、盒、杯、碗等散落在环境中，给人们的视觉带来不良刺激，影响环境的美感。,白色污染的潜在危害则是多方面的。（1）一次性发泡塑料饭盒和塑料袋盛装食物严重影响我们的身体健康。（2）使土壤环境恶化，严重影响农作物的生长。（3）填埋作业仍是我国处理城市垃圾的一个主要方法。由于塑料膜密度小、体积大，它能很快填满场地，降低填埋场地处理垃圾的能力；而且，填埋后的场地由于地基松软，垃圾中的细菌、病毒等有害物质很容易渗入地下，污染地下水，危及周围环境。（4）把废塑料直接进行焚烧处理，将给环境造成严重的二次污染。,白色污染存在的两种危害：视觉污染和潜在危害,1.白色污染的危害,（1）停止使用一次性餐具及超薄塑料袋。,（2）回收废塑料并使之资源化是解决白色污染的根本途径。近年来，一些国家大力开展3R运动：即要求做到废塑料的减量化（Reduce）、再利用（Reuse）和再循环（Recycle）。,（3）研究开发降解塑料。降解塑料有三类：光降解塑料、生物降解塑料及双降解塑料。,（4）加强环保宣传，提高公民的环保意识，在社会上形成良好的环保氛围，是解决白色污染及其他各种形式污染的前提。,2.白色污染的防治 一靠法律二靠科学,7.4 日常生活中的高分子材料,高分子材料、无机材料和金属材料并列为三大材料。,高分子材料与其他材料相比，具有密度小、比强度高、耐腐蚀、绝缘性好、易于加工成型等特点。但也普遍存在四个弱点，即强度不够高，不耐高温、易燃烧和易老化。,高分子材料由于其品种多，功能齐全、能适应多种需要，加工容易，适宜于自动化生产，原料来源丰富易得、价格便宜等原因，已成为我们日常生活中必不可少的重要材料。功能高分子材料研究的迅速发展，更加扩展了高分子材料的应用范围。,产量大，价格低，日常生活中应用范围广的塑料。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。,7.4.1 塑料,1.根据塑料制品的用途可分为:,机械性能好，能用于制造各种机械零件的塑料。主要有聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛、聚砜、酚醛树脂、ABS塑料等。,具有特殊功能和特殊用途的塑料。主要有氟塑料、硅塑料、环氧树指等。,通用塑料,工程塑料,特殊塑料,在加工过程中，一般只发生物理变化，受热变为塑性体，成型后冷却又变硬定型，若再受热还可改变形状重新成型的塑料。,在成型过程中发生化学变化，利用塑料在受热时可流动的特征而成型，并延长时间，使其发生化学反应而成为不熔不溶的网状分子结构，并固化定型而形成的塑料。,热塑性塑料（线型）,热固性塑料（体型）,2.根据塑料受热特性可分类,结构式:,性能：强极性，绝缘性好，耐酸碱，难燃，具有自熄性。缺点是介电性能差，在100 120即可分解出氯化氢，热稳定性差,用途：制造水槽，下水管；制造箱、包、沙发、桌布、窗帘、雨伞、包装袋；还可做凉鞋、拖鞋及布鞋的塑料底等,氯化聚氯乙烯CPVC（过氯乙烯）可作热水硬管，使用温度65 105。,（1）聚氯乙烯（PVC),结构式:,性能：化学性质非常稳定，耐酸、碱，耐溶剂性能好，吸水性低，无毒，受热易老化,用途：制造食品包装袋、各种饮水瓶、容器、玩具等；还可制各种管材、电线绝缘层等,第四代聚乙烯（超高分子量聚乙烯）高韧性、高耐磨。密度越低，制造成本越低。,（2）聚乙烯(PE),性能：具有韧性、耐磨、耐热，具有吸湿性、无毒、拉伸强度大,用途：可做尼龙布、尼龙袜子、尼龙绳及医用消毒容器等；做机械零件、仪表、仪器零件,结构式:,（3）聚酰胺（尼龙）,性能：耐酸碱，耐腐蚀，化学稳定性好，耐寒，绝缘性好，耐磨。缺点是刚性差,结构式:,用途：可用作高温环境中化工设备的密封零件，无油润滑条件下作轴承、活塞等，还可做电容器、电缆绝缘材料,（4）聚四氟乙烯（塑料王）,性能：难溶、难熔、耐热，机械强度高，刚性好，抗冲击性好,结构式:,用途：制造线路板、插座、插头、电话机、行李车轮、工具手柄、贴面板、三合板、刨花板等,（5）酚醛树脂（电木）,性能：坚硬、耐高温、良好的机械性能、电绝缘性好、韧性好、抗冲击性好、透明度高,用途：制造继电器盒盖，计算机和磁盘的壳体、荧光灯罩、汽车及透明窗的玻璃等,结构式:,（6）聚碳酸酯（透明金属）,性能：变硬度、高抗冲强度、抗蠕变性好，耐热、耐寒、耐磨、抗氧化性好，尺寸稳定性好,用途：制造机械、电子、电气制造航空、航天等部门的零部件,结构式:,（7）聚砜,性能：无毒、无味，易溶于酮、醛、酯等有机溶剂。耐磨性、抗冲击性能好,用途：用于家用电器、箱包、装饰板材、汽车收音机等零部件,结构式:,（8）ABS塑料,性能：其透明性在现有高聚物中是最好的，缺点是耐磨能差，硬度较低，易溶于有机溶剂等,结构式:,用途：广泛用于航空、医疗、仪器等领域,（9）聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）,橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶。,天然橡胶其化学组成是聚异戊二烯有顺式与反式两种构型，它们的结构简式分别为：,顺式,反式,7.4.2 橡胶,1.天然橡胶,顺反异构,（1）分子链的柔顺性较好,（2）分子链间仅有较弱的作用力,（3）分子链中一般含有容易进行交联的基团（如含不饱和双键）,人们仿造天然橡胶的结构，合成了各种各样的合成橡胶。合成橡胶在某些性能上往往优于天然橡胶，例如耐磨、耐油、耐寒等方面。,2.合成橡胶,下面列举几种常见的合成橡胶的性能及用途。,顺式-1,4-聚异戊二烯适合做橡胶，其分子结构具有三个特点：,性能：耐水，耐老化性能，特别是耐磨性和气密性好。缺点是不耐油和有机溶剂，抗撕强度小,结构式:,用途：为合成橡胶中最大的品种（约占50%），广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料,（1）丁苯橡胶,性能：耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性及气密性都很好；缺点是密度较大，耐寒和弹性较差,结构式:,用途：制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎、胶粘剂等,（2）氯丁橡胶（万能橡胶）,性能：弹性、耐老化性和耐低温性、耐磨性，都超过天然橡胶；缺点是抗撕裂能力差，易出现裂纹,结构式:,用途：为合成橡胶的第二大品种（约占15%），大约60%以上用于制造轮胎,（3）顺丁橡胶,性能：耐油性好，拉伸强度大，耐热性好；缺点是电绝缘性、耐寒性差，塑性低、难加工,用途：用作机械上的垫圈以及制备收音机和汽车等需要耐油的零件,结构式:,（4）丁腈橡胶,性能：分子无双键存在，故耐热、耐氧化、耐老化性好，使用温度高,结构式:,用途：制造耐热胶管、垫片、三角胶带、输送带、人力车胎等,（5）乙丙橡胶,性能：是一种耐热性和耐老化性很好的橡胶，它的特点是既耐高温，又耐低温，弹性好，耐油，防水，其制品柔软光滑，物理性能稳定、无毒、生物惰性、加工性能好，缺点是机械性能差，较脆，易撕裂,结构式:,用途：可用于医用材料，如导管，引流管，静脉插管，人造器管等，还可用于飞机、导弹上的一些零部件及电绝缘材料,（6）硅橡胶,纤维,天然纤维,化学纤维,合成纤维,7.4.3 纤维,棉花、羊毛、蚕丝、麻等,再生人造纤维,再生纤维素纤维和纤维素酯纤维等,锦纶、涤纶、腈纶、维纶、丙纶和氯纶等,用低分子化合物为原料，通过化学合成和机械加工而制得的均匀线条或丝状高聚物。,以天然高分子化合物为原料，经化学处理和机械加工制得的纤维。,合成纤维具有优良的性能，例如强度大、弹性好、耐磨、耐腐蚀、不怕虫蛀等。因而广泛地用于工农业生产和人们日常生活中。,合成纤维的条件：,1.高聚物必须是线型结构，且相对分子质量大小要适当。,2.必须能够拉伸，这就要求高分子链应具有极性或链间能有氢键结合，抑或有极性基团间的相互作用。,随着高科技的发展，现在已制造出很多高功能性（如抗静电、吸水性、阻燃性、渗 透性、抗水性、抗菌防臭性、高感光性）纤维及高性能纤维（如全芳香族聚酯纤维、全芳香族聚酰胺纤维、高强聚乙烯醇纤维、高强聚乙烯纤维等）。,性能：显著优点是：抗皱、保型、挺括、美观。对热、光稳定性好。润湿时强度不降低，经洗耐穿，可与其他纤维混纺。年久不会变黄。缺点是不吸汗，而且需要高温染色,结构式:,用途：是产量最大的合成纤维，大约90%作为衣料用（纺织品为75%，纺织物为15%）。用于工业生产的只占总量的6%左右,(1)聚对苯二甲酸乙二醇酯(涤纶、的确凉),性能：强韧耐磨、弹性高、质量轻，染色性好，较不易起皱，抗疲劳性好。吸湿率为3.5%5.0%，在合成纤维中是较大的，吸汗性适当，但容易走样,用途：约一半作衣料用，一半用于工业生产。在工业生产应用中，约1/3是做轮胎帘子线。尼龙66的耐热性比尼龙6高，做轮胎帘子线很受欢迎,结构式:,(2)聚己二酰己二胺纤维（锦纶66，尼龙66）,性能：具有与羊毛相似的特性，质轻，保温性和体积膨大性优良。强韧（与棉花相同）而富有弹性，软化温度高。吸水率低，不适宜作贴身内衣。缺点是强度不如尼龙和涤纶,结构式:,用途：大约70%作衣料用（纺织物占60%左右），用于工业生产的只占5%左右,(3)聚丙烯腈纤维(腈纶、人造羊毛),性能：亲水性好，吸湿率可达5%，和尼龙相等，与棉花（7%）相近。强度与聚酯或尼龙相近，拉伸弹性比羊毛差，比棉花好,结构式:,用途：70%用于工业生产，其中以布和绳索居多。可代替棉花作衣料用,(4)聚乙烯醇纤维（维纶、维尼纶）,性能：它的抗张强度与蚕丝、棉花相当，润湿时也完全不变。最大的优点是难燃性和自熄性。缺点是耐热性低染色不好,用途：几乎都不作衣料用，作过滤网等工业产品约占50%，室内装饰用占40%,结构式:,(5)聚氯乙烯（氯纶）,功能高分子材料 具有某种特殊功能的高分子材料。例如离子交换、渗透、导电、发光、对环境因素（光、电、磁、热、pH）的敏感性、催化活性等。,7.4.4 感光高分子材料,感光高分子材料 在光照射下能迅速发生物理或化学变化，经过一定的处理过程，可以得到记录影像的高分子材料。,光交联型高分子,光分解型高分子,光致变色高分子,感光高分子材料,在光照下，分子链间能发生交联偶合反应的感光性高分子。,聚乙烯醇肉桂酸酯,生成的交联产物不溶于有机溶剂。当用适当溶剂（显影液）冲洗时，未感光部分被冲洗下来，而感光部分因不溶解而保留下来，结果得到与底片相反的图像（负图像,即负性光刻胶）。,1光交联型高分子,在光照下，高分子侧链上的基团发生分解的感光性高分子。,受光照的部分溶于显影液（稀碱液），而未受光照部分则保持不变，显出图像，称为正图像。,邻重氮醌,不溶于稀碱液,烯酮,茚甲酸,可溶于稀碱中,正、负性光刻胶可以用于制造集成电路、照相底片、印刷、激光光盘等很多方面。,2光分解型高分子,在光照后化学结构发生变化前后对可见光的吸收波长不同，显示出颜色变化，停止光照后又恢复原来的颜色的高分子。,无色,蓝色,可制备各种光色太阳镜、电焊镜、护目镜，各种玻璃窗，军事用伪装材料，密写信息材料等。,3光致变色高分子,基体材料 粘合增加材料，传导和分散外力。,为了增强两者的结合力，有时加“偶联剂”。如硅烷偶联剂是一类具有有机官能团的硅烷，在其分子中同时具有能和无机质材料化学结合的反应基团及与有机质材料化学结合的反应基团。通过使用硅烷偶联剂，可在无机物质和有机物质的界面之间架起分子桥，把两种性质悬殊的材料连接在一起，起提高复合材料的性能和增加粘接强度的作用。,7.4.5 复合材料,复合材料=基体材料+增强材料,连续相存在,分散相存在,增强材料 承载负荷，增加强度。,1聚合物基复合材料,主要是指纤维增强聚合物材料。如将碳纤维包埋在环氧树脂中使复合材料强度增加；玻璃纤维复合材料为玻璃纤维与聚酯的复合体；玻璃纤维聚酰胺复合材料。,铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料等。,碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须等。,2金属基复合材料,3陶瓷基复合材料,复合材料按基体材料可分为：聚合物基复合材料，金属基复合材料和陶瓷基复合材料。,*7.5 材料的未来与分子设计,材料、能源和信息构成现代文明的三大支柱。新世纪对材料不仅功能上提出更高的要求，而且必须考虑资源、能源、环境和安全等与可持续发展有关的问题。,对未来材料的发展趋势大致可以概括为“六化”：即智能化、仿生化，复合化、纳米化、轻量化和高功能化。,未来的材料,智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而自动作出适时、灵敏和适当的响应，并能自动地调节、修饰和修复。例如，形状记忆合金便是一种智能材料。,高分子属于软物质，其特点是对弱的外界影响作出相对显著的响应和变化。因此研究高分子的软物质特征，利用外场的变化来调节高分子功能的变化，发掘高分子的自适应性，寻找实现高分子功能材料智能化的途径，将是人们今后的努力目标。,1智能化,通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，学习制造新材料的思路和方法，并在材料的设计和制造中加以模仿，称为仿生材料学。,科学家找到了贝壳硬而摔不破的原因，于是模仿贝壳的结构设计出一种摔不破的陶瓷。将涂有石墨层的SiC陶瓷片用热压法层层叠起来，抗冲击能力可提高100倍。英国科学家用其制造汽车陶瓷发动机，它耐高温，不需要水冷系统。,2仿生化,既坚硬又柔韧的仿生陶瓷是航天航空理想的发动机材料，也是制造装甲车、坦克和防弹车的理想材料。,蜘蛛丝是世界上最坚韧的纤维之一，美国投入很大力量研究天然蜘蛛丝的结构、性能及生长机理，已研制出仿生蛛丝。,如何获取价廉的原料，也是科学家肩负的巨大责任。,植物的光合作用制造了大量有机物质，有机物质有的已被人类作为天然高分子材料使用着，如顺式聚异戊二烯、反式聚异戊二烯、纤维素、木材等；有的可能是潜在的合成高分子的单体资源，如木质素、纤维素和淀粉等。,地球上以沙漠形式存在着大量SiO2，如能找到更方便、更廉价的将SiO2转化成高分子单体的方法，将无疑给合成高分子开辟另一重要的单体来源。,若能模拟自然界的生物转化和光合作用的催化功能，研究开发光合作用合成碳氢化合物的新催化剂，将会彻底解决合成高分子的原料问题。,材料的分子设计是指应用已有的系统化的分子结构和性能等知识和信息，指导合成具有预期性能的材料。,通常采用“逆向而行”的思维方法，即根据所需性能来设计结构并进行制备。,科学家成功地设计了半导体超晶格材料，通过人工设计和调控材料中的电子结构，由组分不同的半导体超薄层交替生长而成多层异质周期结构材料，从而极大地推动了半导体激光器的研制。,材料的分子设计,目前作为针对性的或局部性的高分子设计已取得很大进展。,纤维分子设计中的仿丝绸纤维设计，难燃性、耐热纤维的设计等；,塑料的分子设计中的ABS系树脂的分子设计，透明聚氯乙烯用的助剂的分子设计等；,为了保护环境、消除“白色污染”的自然降解高分子的分子设计，具有某种生物效能的高分子的分子设计等。,研制自然降解型高分子的基本方法就是在原料聚合物中引进或造成感光性或感氧性结构或可发生微生物降解结构。,(1)用共聚法在高分子链上引入极少量羰基,乙烯与一氧化碳、苯乙烯与丙烯醛共聚可得：,聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈及它们的共聚物等也可以用通过共聚引入羰基的方法达到类似的效果，获得具有预期寿命的聚合物。,由于羰基的存在，制品易被阳光降解。,现以光降解和微生物降解的分子设计为例，举例简介于下：,可降解高聚物的分子设计,天然高分子如淀粉、纤维素等可被微生物分解。但合成高分子由于硬度、疏水性等原因，酶不能渗入其内部，无法被分解。,方法一：采用改性天然高分子如改性淀粉与合成高分子共混，使其制品在自然条件下因天然高分子组分被生物分解而粉碎。但是残留的碎片是合成高分子。,方法二：采用聚合物改性方法，把少量亲水性基团引入聚烯烃分子中，使微生物能够渗入到材料内部从而发生微生物降解。,(2)合成可为微生物分解的聚合物,选读材料 医用功能高分子材料,功能高分子材料指除传统使用性能外，还具有某种特定功能的高分子材料。,功能高分子材料,电磁功能高分子材料 如导电高分子材料、高分子磁性体、磁记录材料等。,光功能高分子材料 如光导材料、光记录、光敏剂、感光材料等。,分子材料和化学功能材料 如分离膜、离子交换树脂、高分子催化剂等。,生物医用高分子材料 如人造器官、医用高分子器械、医用高分子药物、仿生高分子等。,作为医用高分子材料，应符合以下要求：,不因高压煮沸、干燥灭菌、药液等发生变质。,化学性能稳定，对生理组织的适应性良好，无毒；,无致癌性和生理排异性，不导致血液凝固与溶血，不产生新陈代谢的异常现象，不引起生理机能的恶化与降低；,耐生物老化；,表7-7 医用高分子材料和用途,(续上表),高分子材料应用于医疗上的很多方面：塑料注射器、血液袋、避孕器具、牙科材料、人造器官、人造关节、人造骨骼等。,作为人工器官材料，必须具备生物功能性质，具备生物相容性，由于各种器官在生物体中所处的位置和功能不同，对材料的要求也不能一概而论。,如人工心脏和人工血管，具有高度机械性能和耐疲劳性能；人工肾，具有高度选择透过功能等。,近年来开展生物杂化人工器官已受到广泛关注。,制备生物杂化人工器官的技术目前称为组织工程。,生物杂化人工器官是指由活体细胞或组织与医用高分子材料构成的器官。,由于活体细胞的介入，使得高分子材料与生物体间的排异性大大降低。,本章小结,(1)相对分子质量大，一般在1万以上。,1.高分子化合物的特性,(2)链的长短参差不齐，是多分子的混合物多分散性。,(3)几乎无挥发性，仅以固态或液态存在，无气态。固态可以兼具晶态和非晶态。,(4)有线型和体型两种分子结构。线型高聚物可溶于溶剂、受热会熔化，具有热塑性、柔顺性和弹性。体型高聚物具有热固性。,(5)高分子化合物中添加助剂制成的高分子材料，不同于无机及金属材料，具有密度小、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性好、易加工成型等优点。不耐高温、易老化是其主要缺点。,高聚物的弹性和塑性与分子链的柔顺性和分子链间的作用力有关。分子链的柔顺性越大分子链间的作用力越小，Tg越低，弹性越好。分子链的侧基空间位阻大或侧链含有极性基团，分子的柔顺性降低，Tg值升高弹性降低，呈现玻璃态的倾向增大。,2.高分子化合物的性能与其结构紧密相关,线型非晶态高聚物由于分子链很长且单键可以内旋转，赋予高聚物链柔顺性，在一定温度范围内呈高弹态，温升变为粘流态，温降变为玻璃态。Tg、Tf的高低直接影响高聚物的性能和应用。,高分子化合物的结构与其性能有直接关系。,电绝缘性能与分子的对称性及所含基团的极性大小等因素有关。分子对称性好，极性小，高聚物的电绝缘性好。分子结构不对称且含有极性基团，即分子的极性大，高聚物的电绝缘性差。高聚物的静电作用可以加入抗静电剂来消除。例如电绝缘性：,机械性能也与分子间作用力等有关，分子间作用力大，分子中极性基团多，结晶度高，交联程度大，高聚物的机械性能好。例如强度：,天然橡胶（M r=20万）丁苯橡胶（M r=45万）,高结晶度聚乙烯 低结晶度聚乙烯,聚四氟乙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯,高聚物一般具有较高的化学稳定性。但受光、热、氧等因素影响，会发生交联或降解，使高聚物老化，老化是物理性能变坏的不可逆过程。,高聚物的溶解性与高聚物的组成、结构、分子间作用力有关。分子间交联大、结晶度高，溶解性能差。溶剂的选择大致服从“相似相溶”原则。有些高吸水性树脂可用做保水材料。,3.若干典型高分子化合物的合成反应、结构和特性,可以聚氯乙烯、ABS工程塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙-610、硅橡胶等为例，熟悉其单体、合成反应、高聚物名称与结构及性能。,