工程化学(周祖新)5-2 化学与材料科学

5.3．合成材料（有机合成材料）塑料合成橡胶合成纤维优点：强度大、密度小；缺点：不耐高温塑料常见塑料：聚乙烯（PE）聚氯乙烯（PVC）聚苯乙烯（PS）有机玻璃（PMMA）电木塑料（bakelite）合成纤维五光十色的纺织品橡胶天然橡胶合成橡胶天然橡胶：合成橡胶的性能和用途它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能，因而广泛应用于农业、国防、交通及日常生活中。人工合成橡胶高分子化合物材料5.3.1.高分子化合物概述CH2CH2nnCH2=CH2单体链接聚合度5.3.1.1.高分子化合物的基本概念2．高分子化合物的结构特点（1）高分子化合物通常结构并不复杂，往往由简单的结构单元重复连接而成；如聚乙烯中：（A）－CH2－CH2－叫聚乙烯的结构单元（或链节）；（B）n表示每个高分子化合物中链节的重复次数，叫聚合度；n越大，相对分子质量越大；（C）合成小分子的物质叫单体。如乙烯是聚乙烯的单体。[CH2CH2]n这些高分子化合物大部分是由小分子聚合而成的，所以也常被称为聚合物。例如，聚乙烯分子是由成千上万个乙烯分子聚合而成的高分子化合物。聚乙烯分子模型5.3.高分子化合物的命名(1)习惯命名法在单体名前加“聚”或在单体名称后加“树脂”．(２)商品名称命名法如：聚酰胺的商品名称是尼龙，尼龙－６６表示聚已二酰已二胺．（３）系统命名法把高分子化合物的链节按有机化合物系统命名法命名，再在其前面加“聚”字．５.３.１.３高分子化合物的合成由低分子化合物经过聚合形成高分子化合物的化学反应称为聚合反应．聚合反应可分为加聚反应和缩聚反应．（１）加聚反应由一种或多种单体经过加成反应相互结合生成高分子化合物的反应称为加聚反应．（２）缩聚反应由两个或两个以上官能团的单体相互缩合形成高分子化合物，同时析出某些由低分子化合物（如水、醇、氨等）的反应称为缩聚反应．５.３.１.４高分子化合物的分类（１）按分子主链结构分类按分子主链结构，高分子化合物可分为碳链，杂链，元素有机，芳、杂环等四大类。（２）按聚合反应类型分类按聚合反应类型，可将聚合产物分为加成聚合物（加聚物）和缩合聚合物（缩聚物）。（３）按高分子材料的使用性能分类按高分子材料的使用性能，可分为塑料、橡胶和纤维。５.３.２高分子化合物的结构和性能５.３.２.１高分子化合物的结构５.３.２.２高分子化合物的三种物理状态玻璃态黏流态高弹态温度TgTf高分子化合物的形变与温度的关系(1)玻璃态分子的形态和相对位置被固定住,当加外力时形变很小,链段只作瞬时的微小申缩和转向,当外力去除后,形变立即恢复,此时,高分子化合物象玻璃一样坚硬,故称玻璃态。常温下塑料就是玻璃态。Tg较高。（2）高弹态热运动能量增加，虽然整个分子链还不能运动，但链段可以自由转动，能产生较大形变，外力去除后，恢复原状，表现出很高弹性，称高弹态。Tg较低。（3）黏流态当温度上升到适当范围，整个分子链都能运动，高分子化合物就能成为流动的黏流状液体。（1）弹性和塑性线型高分子化合物分子链呈卷曲状态，具有柔顺性。当受外力拉伸时，分子链由卷曲状态变成伸展状态，外力除去后，分子链又恢复原状，表现出弹性。线型高分子化合物都表现出不同程度的弹性。橡胶具有较好的弹性。体型高分子化合物的弹性一般很差。（2）力学性能高分子化合物的力学性能（例如抗压、抗拉、抗冲击、抗弯等）的衡量指标是机械强度、刚性和抗冲击强度等。高分子化合物的力学性能主要取决于影响分子链之间作用力的因素。（3）电绝缘性能对于直流电，绝大多数高分子化合物都具有良好的电绝缘性能，但是，有些分子链节具有不对称极性基团或极性链节（例如聚氯乙烯）的高分子化合物，在交流电场中，极性基团或极性链节会随交变电场方向作周期性移动，具有一定的导电性。５.３.２.3.高分子化合物的性能(4)溶解性高聚物的溶解进行得很慢，且经过溶胀过程。向盛有适量去离子水的烧杯中加入NaCl少许，搅拌使其溶解，再加入适量白色的聚乙烯醇粉末，静置，可观察到聚乙烯醇经溶胀直至完全溶解，形成无色透明的溶液，且放出大量的热。高聚物的溶解性遵从下列规则：(a)“相似相溶”规则聚乙烯醇能溶于水有机玻璃能溶于丙酮及自身的单体中天然橡胶、丁苯橡胶能溶于汽油、苯中聚苯乙烯能溶于苯、甲苯及自身的单体中(b)溶度参数相近规则溶度参数即高聚物内聚能密度的平方根当高聚物和溶剂的内聚能密度接近时，一般认为当|δ1–δ2|3.1(J·cm–3)½时便可溶胀及溶解。Ⅰ，烃类非极性溶剂及卤代烃类（弱亲电子性溶剂）δ1/(J·cm–3)1/2Ⅱ，醚、醛、酮、酯、酰胺及胺类（给电子性溶剂）δ1/(J·cm–3)1/2Ⅲ，醇、腈、硝基、磺基等（强亲电子性或强氢键溶剂）δ1/(J·cm–3)1/2正己烷14.9乙醚15.1正丁醇23.3环己烷16.8乙醛20.0乙腈24.3四氯化碳17.6环己酮20.2乙醇26.0苯18.8丙酮20.4乙酸26.4三氯甲烷19.0吡啶22.3甲酸27.6二氯甲烷19.8二甲基甲酰胺24.5苯酚29.6二硫化碳20.4水47.8水47.8表5.2一些溶剂的溶度参数（t=25℃）(5).化学稳定性和老化高分子化合物在使用过程中，由于环境的影响，其强度、弹性、硬度等特性会逐渐变坏，这种现象叫老化。老化的原因①光老化RH＋hv→R-H﹡(+O2)→R·+·O-OH→分解成单体②热老化热和氧综合作用，过程与光老化相似。③化学试剂老化水解或酸解高分子化合物。高分子化合物的防护（1）添加防老化剂如：抗氧剂、光稳定剂（2）改性如：共混、共聚、交联等方法。（3）物理方法表面附一层保护层，如：涂漆、镀金属等。5.3.3.传统高分子材料按材料的性质分塑料橡胶纤维按高分子主链的结构分碳链杂链元素高分子按应用功能分通用高分子特殊高分子功能高分子仿生高分子医用高分子等塑料是可塑性材料的简称。一般所说的塑料是指合成树脂（作为主要成分，约占总重量的40%~100%）加入填料、增塑剂、稳定剂、着色剂、发泡剂等制成的材料。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯（统称“四烯”）、酚醛塑料和氨基塑料是产量最大、用途广、价格便宜的六大通用塑料。塑料的主要特点是塑性。线型结构的树脂加热软化后变为黏稠流体，可塑制成型，冷却后固化定型；但若再加热，又将变软而可以重塑（热塑性）。体型结构的树脂在塑制成型后，再加热时就能固化成不溶的聚合物（热固性）。5.3.3.1塑料聚氯乙烯聚乙烯性能：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。结构式:聚氯乙烯ClCH2CHn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：制造食品袋、各种饮水瓶、容器、玩具等；还可制各种管材、电线绝缘层等。结构式:聚乙烯CH2CH2n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。ABS塑料用途：用于家用电器、箱包、装饰板材、汽车收音机等零部件。结构式:电热水器CH2CHCH2CH2CHCNxCHyCH2CHzABS塑料ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。●具有硬、韧、刚的特性，综合机械性能良好，●尺寸稳定，容易电镀和易于成形。●耐热性较好，在－40℃的低温下仍有一定的机械强度。可制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、储槽内衬、电机外壳、仪表壳、仪表盘、蓄电池槽、水箱外壳等。在汽车零件上的应用发展很快，如作挡泥板、扶手、热空气调节导管，以及小轿车车身等。作纺织器材、电讯器件都有很好的效果。摩托车挡泥板聚四氟乙烯酚醛树脂硅橡胶聚丙烯7.聚碳酸酯(PC)(双酚A)聚碳酸酯誉称透明金属，●具有优良的综合性能。冲击韧性和延性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模量较高，不受温度的影响；●抗蠕变性能好，尺寸稳定性高；●透明度高，可染成各种颜色；●吸水性小；●绝缘性能优良，在10℃～130℃间介电常数和介质损耗近于不变。制造精密齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条等。利用其高的电绝缘性能，制造垫圈、垫片、套管、电容器等绝缘件，并可作电子仪器仪表的外壳、护罩等。由于透明性好，在航空及宇航工业中，是一种不可缺少的制造信号灯、挡风玻璃，座舱罩、帽盔等的重要材料。双酚A结构双酚A制品(诱发儿童性早熟)有机玻璃顶棚9.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗称有机玻璃。●有机玻璃的透明度比无机玻璃还高,透光率达92%;●密度只有无机玻璃的一半,为1.18g/cm3。●机械性能比普通玻璃高得多(与温度有关)。制造仪表护罩、外壳、光学元件、透镜等。1.酚醛塑料(PF)由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下缩聚合成酚醛树脂,再加入添加剂而制得的高聚物。一般为热固性塑料。●酚醛塑料具有一定的机械强度和硬度,耐磨性好；●绝缘性良好,耐热性较高，耐蚀性优良。●缺点是性脆，不耐碱。制作插头、开关、电话机、仪表盒、汽车刹车片、内燃机曲轴皮带轮、纺织机和仪表中的无声齿轮、化工用耐酸泵日用用具等。酚醛塑料制品热固性塑料橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高分子化合物。它们在很宽的温度范围内（一般在-40~80℃）处于高弹态，某些特种橡胶可以在-100~200℃保持高弹性。这类橡胶还有优良的收缩性，良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，因而广泛应用于密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。5.3.3.2合成橡胶它们能在200~300℃下使用，硅橡胶甚至可在425℃时短时间使用。硅橡胶还耐低温，在-60℃时仍保持弹性。耐低温性能较好的还有顺丁橡胶。氟橡胶不怕酸、碱、燃料油，耐热，可在不同条件下使用。硅橡胶也是特种绝缘橡胶。各种橡胶中，耐热性能较好的是氟橡胶和硅橡胶。例如(俗称Viton)和，CF2CF(CF3)-CH2CF2nSi(CH3)2On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。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。结构式:丁苯橡胶CH2CHCH2CHyCH2CHx丁苯橡胶性能：耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性都很好；缺点是密度较大，耐寒和弹性较差。用途：制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎等。结构式:氯丁橡胶(万能橡胶)CH2CHCCH2Cln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。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。结构式:顺丁橡胶CH2CCH2nCHH硅橡胶涂料是人们经常使用的一类物品，它兼有保护、装饰、标志等功能。早期人类使用的涂料主要是天然涂料，如桐油、大漆等。随着工业生产的发展和人民生活的改善，涂料的品种和应用领域在不断的增多和扩大。5.3.3.3涂料涂料的组成成膜物质颜料助剂溶剂高固体成分、水溶性涂料的发展方向5.3.4功能高分子材料5.3.4.1高分子液晶材料高分子液晶是具有类似于低分子液晶有序结构的一类化合物。它与分子链的结构和组成有关，高分子主链或侧链中含有可形成液晶的单体时，则高分子一般也可显示出液晶的特点。近晶型结构中，链节平行排列，且链节的质心分层作层状排列；向列型结构中，链节近似于平行的单轴排列。当高分子的侧链含有可形成液晶的单体时，各层中侧链平行排列而呈梳子状，类似近晶型结构，高分子主链呈无规则状态，位于侧链的有序排列之间。某些生物高分子液晶显示出生物组织的功能，为人工合成具有特定生物活性的生物膜提供了可能性。近年来，高分子液晶发展迅速。液晶是新型显示材料，在工程上应用非常广泛。比如，液晶显示器、电子体温计等。液晶的用途液晶分子在弱电场（1V量级）控制下改变其取向，从而改变液晶层的光学特性，实现有史以来最省电的平板显示技术，成为与运算半导体集成电路在功率与电压上直接匹配的现代仪表、计算机的最佳搭档。可以说，没有液晶显示，就不可能有当今信息时代涌现出的笔记本电脑、移动电脑终端、汽车雷达卫