53功能高分子材料(课堂实录)

第三节功能高分子材料教学目标：知识与技能：了解功能高分子材料（高吸水性树脂）的合成、性能及应用过程与方法：通过自主学习，查阅资料，角色扮演等手段获取功能材料的有关信息。情感态度价值观：通过对功能高分子材料的学习，体验高分子材料在工农业生产、高新科技领域和提高人民生活质量中的重要作用，激发投身科学事业的决心。教学重点：功能高分子材料的种类及功能高分子材料的代表物的结构特点和重要性能。教学难点：了解一些功能高分子材料的结构与性能的联系。教学流程：内容角色栏目引入：导电高分子的发现主持人↓问题：尿不湿的选用主持人↓尿不湿的吸水材料尿不湿销售商乙课↓科学探究：高吸水性的材料与A牌尿不湿生产商丙堂传统吸水材料的比较↓访问题：吸水剂的作用机理主持人↓谈功能高分子材料定义品种和高分子材料专家甲分类聚丙烯酸钠吸水机理↓问题：如何获得高吸水性能树脂主持人↓高分子材料的功能设计途径生产聚丙烯酸钠获得高吸水性能树脂的方法B厂总工程师丁聚丙烯酸钠的合成方法↓学生自由发问对应角色回答课↓问题：教材学与问主持人堂↓问题：高吸水性树脂在日常生活中的运用主持人互↓高吸水性树脂在日常生活中的运用示例学生动↓检测与反馈教师、学生课堂闯关教学实录：教师：在国庆节前，我布置同学们进行有关功能高分子材料的调查，节后，我和王聪同学认真仔细地阅读了大家的调查报告，然后，由王聪同学牵头组织了部分同学成立“功能高分子材料探究性学习小组”，再次利用业余时间通过走访专家、查阅资料、进行实验等方式对大家普遍关注的问题进行调查研究。下面请他们以角色扮演的方式向大家汇报他们的研究结果。主持人（王聪）：欢迎来到“快乐课堂，非常生活”。（幻灯：导电高分子的发现）大家都知道，塑料通常是不导电的，是绝缘体。但是，在20世纪70年代，日本化学家白川英树的学生在一次做聚乙炔实验时，误将催化剂的用量多加了1000倍，结果得到了一种银白色的薄膜。白川英树对此偶然发现的反常现象进行了更深入的研究，终于得到了具有半导体性质的聚乙炔膜。1976年，美国化学家马克迪尔米德邀请白川英树到美国，与美国物理学家黑格一起合作研究具有导电性的聚乙炔，发现以碘掺杂的聚乙炔具有与金属一样的导电性，比原聚乙炔膜导电性提高了一百多万倍。为奖励他们在导电高分子、有机半导体方面的开创性工作，2000年他们被授予诺贝尔化学奖。从此，导电与塑料这两个在电学上看起来是互相矛盾的名词有机地联系在一起了。导电高分子是一种功能高分子，功能高分子看似深奥，但对于有些功能高分子材料我们却非常熟悉，比如尿不湿。今天我们“课堂访谈”栏目非常荣幸的请到了我国著名高分子材料专家甲、尿不湿著名品牌A的销售商乙、生产商丙以及生产聚丙烯酸钠的B厂总工程师丁，欢迎他们的到来，欢迎他们和我们一起聊聊功能高分子材料。前几天，我的一位亲戚向我抱怨说，他的宝宝一夜要换几片尿不湿，如果不换，就哭闹不休，搞得他夜里睡不好，白天上班无精打采。请教乙，他的宝宝是不适宜用尿不湿还是尿不湿使用不当？乙：如果他的宝宝换过尿不湿后就能安然入睡，显然使用尿不湿并无不妥！我认为问题可能出在他没有选择合适的尿不湿。选择尿不湿要考虑的因素很多，但最重要的是尿不湿的吸水量。尿不湿“尿了不湿”才行！尿不湿的中间芯层——吸收材料的好坏直接影响产品的吸收性能。一般情况下，尿不湿的吸收材料是植物性纤维材料绒毛浆，为了增强吸收效果和锁定水分，吸收层中还需加入一定量的高分子吸水树脂。由于高分子吸水树脂价格昂贵，各种产品加入量有所不同。吸水树脂加入量大的产品，能更好地吸收和锁定水分，避免返渗，可以保持皮肤干燥。而有些尿不湿生产企业在这方面偷工减料，甚至一些低档尿不湿的吸收材料采用皱纹卫生纸替代。这类产品吸收量较少，使用时需要经常更换。我们可以一起做个实验来加以对比！欢迎丙为大家介绍一下实验内容。丙：今天我们的实验内容是高吸水性的材料与传统吸水材料吸水率的比较。吸水率可以用吸水材料吸收水的质量与吸水材料本身质量之比来表示。那么，请同学们讨论与思考：如何测定某一吸水材料的吸水率？需要哪些仪器？步骤是什么？如何计算吸水率？（讨论的方案主要有：方案1（教材P114科学探究）：主要步骤1取一烧杯，称其质量为M，向其中注入７０ml水2用天平称取１g吸水材料，放入盛有水的烧杯中3静置一段时间，观察现象4将烧杯中多余的水倒出，称取吸水后的吸水材料和烧杯质量m5计算吸水材料的吸水率（m-M-1）/1实验器材：烧杯量筒天平方案2（改进）：主要步骤1用天平称取１g吸水材料，放入一干燥的烧杯中2用100mL的量筒准确量取７０mL的水倒入干燥的烧杯中3静置一段时间，观察现象4将烧杯中多余的水倒入量筒，准确读取多余的水的体积V5计算吸水材料的吸水率（70-V）×1/1实验器材：烧杯量筒胶头滴管天平）思考与交流：两种方案，成功的关键步骤各是什么？（方案1：1、称准2、倒净；方案2：1、量准2、倒净）今天我们的实验高吸水性的材料与传统吸水材料吸水率的比较采用方案2来进行。实验的主要步骤是：1取一片尿不湿，用剪刀将其剪开，取出白色棉絮状聚丙烯酸钠2用天平分别称取１g聚丙烯酸钠和1g餐巾纸，分别放入两只干燥的烧杯中3分别用100mL的量筒准确量取７０mL的水分别倒入干燥的烧杯中4静置5分钟，观察现象5分别将烧杯中多余的水倒入量筒，准确读取多余的水的体积6分别计算聚丙烯酸钠和餐巾纸的吸水率（水的密度以1g/cm3计）7最后分别将烧杯中吸过水的聚丙烯酸钠和餐巾纸倒在一张干燥的纸上，略加挤压，比较两者渗出水量的大小实验注意：1、操作规范，读数准确。2、四人小组，明确分工；团结合作，讨论交流。学生分组实验探究。实验小组派代表汇报实验现象及数据。高吸水性的材料与传统吸水材料的比较材料吸水前材料质量(g)加入水的体积(mL)剩余水的体积(mL)吸水率聚丙烯酸钠170餐巾纸170讨论与交流：比较聚丙烯酸钠和餐巾纸的吸水率，你能将你的发现与大家分享吗？丙小结：高吸水性树脂吸水的吸水能力远远高于一般的纸（传统吸水材料），其吸水量往往可以达到自身重量的几百甚至几千倍，而且，高吸水性树脂吸水后保水能力强。这也就是高吸水性树脂这种功能高分子材料的神奇之处。主持人：感谢丙为我们带来的精彩试验。但是，在刚才的实验中我们注意到：尿不湿不仅吸水率高于餐巾纸，而且，尿不湿中的吸水剂吸水后挤压挤不出水，而吸水后的纸却能挤出水，说明吸水剂吸水后保水能力强。这是为什么呢？请甲教授给我们谈谈，好吗？甲：这是因为两者使用的吸水材料不同，吸水机理不同。尿不湿所使用的吸水剂是高分子吸水树脂，属于功能高分子材料。那么，我们首先来看看什么是功能高分子材料？就字面而言，所谓功能高分子系指带有特殊功能基团的高分子材料，按照21世纪科技发展的形势和高分子科学所面临的任务来概括，功能高分子可定义为：对物质、能量和信息具有传递、转换和储存功能的特殊高分子材料。功能高分子材料包括具有新型骨架结构的高分子材料,还包括在合成高分子的主链或支链上引入某种功能原子团,使其显示出在光、电、磁、声、热、化学、生物、医学等方面的特殊功能。这些功能高分子材料的优异性能在通信、交通、航空航天、医疗、医药、建筑、印刷、海水淡化、农林园艺等许多领域发挥了重要作用。功能高分子材料的品种和分类功能高分子光敏高分子导电高分子高分子催化剂与试剂微生物降解高分子生物医药高分子高分子吸附剂高分子膜高吸水性树脂交换型高分子感光树脂光致变色高分子光导电高分子高分子半导体高分子导体超导高分子离子交换树脂电子交换树脂高分子药物医用高分子仿生高分子图片介绍高分子分离膜、医用高分子材料；尿不湿中的吸水剂聚丙烯酸钠属于高吸水性树脂。言归正传。聚丙烯酸钠为什么具有高吸水性？这与它的结构有关。某厂产品介绍上将聚丙烯酸钠的结构表示为：—[-CH2CHCOONa-]—m，合适吗？如何改正？它能否发生电离？请写出聚丙烯酸钠电离方程式。（甲结合电离方程式讲解聚丙烯酸钠吸水机理）未经交联的聚丙烯酸钠是水溶性的聚电解质类聚合物,通过交联可赋予聚丙烯酸钠高吸水性。下图为高吸水树脂离子网络示意图,羧酸钠侧基遇水后,电离成羧酸根和Na+,Na+在水中为可移动离子,主链网络骨架则均为带负电的羧酸根阴离子,其间的排斥产生使网络扩张的动力,Na+虽具备一定活动性,但由于受网络骨架相反电荷的吸引、束缚,使得Na+仍存在于网络内,这样网络内部Na+浓度大于外部Na+浓度,离子网络内外产生渗透压,加上聚电解质本身的水合能力强,水得以在短时间内大量进入网络,直到整个体系都达平衡。高吸水树脂三维空间网络孔径越大,吸水倍率越高,反之,孔径越小,吸水倍率越低。主持人：感谢甲教师的介绍。通过甲教师的介绍，我们知道了高吸水树脂的吸水机理，那么，我们如何才能得到高吸水性能的树脂？请B厂总工程师丁总为我们介绍一下。丁：这牵涉功能高分子材料的功能设计。所谓功能设计，就是赋予高分子材料特殊功能的方法，其主要途径是：（1）通过分子设计合成功能高分子。这里包括高分子结构设计和官能团设计。为此目的，必须掌握高分子结构与功能之间的关系。高分子应具有什么样的主链？它应该带有哪种功能基？是由带功能基的单体合成高分子，还是先合成高分子主链，然后再在主链上引入功能基？分子设计完成后，就是选择合适的合成方法。合成主要有两种途径，一是含有功能基的单体经过加聚或缩聚等反应制备，二是利用现有的高分子，通过高分子化学反应引入预期的功能基。由功能基单体制备功能高分子的优点是功能基含量高，（每一个链节都含有功能基），功能基在分子链上分布均匀。但带功能基的单体合成比较困难，功能基和可聚合的基团都有活性，在合成过程中要注意保护，因此这些单体比较贵。利用高分子化学反应制取功能高分子。优点是高分子骨架是现成的，可选择的高分子固体多，价格低、来源广。但在进行高分子化学反应时，反应不可能百分之百完成，尤其在多步化学反应中，功能基含量低，在分子链上分布也不均匀。（2）通过特殊加工赋于高分子材料功能特性，如高分子材料通过薄膜化可制得各种分离膜，而这些分离膜可广泛应用于渗透、透析、超滤等分离工艺中，还有一些高分子材料通过纤维化可制光学纤维等。（3）通过两种或两以上具有不同功能的材料进行复合，制成复合型功能材料，这是目前制备功能材料使用最广泛的方法，这种方法工艺简单、材料来源丰富、成本低。例在绝缘高分子材料中加入导电填料（碳黑、金属粉末或金属丝）可制得导电高分子材料。如果加入磁性填料（如铁氧体或稀土类磁粉）则可制成高分子磁性材料。由此，获得具有高吸水性能的树脂有两种办法：一是对淀粉、纤维素等天然吸水材料进行改性，在他们的高分子链上再接上含强亲水性原子团的支链，以提高它们的吸水性能。例如，将淀粉与丙烯酸钠在引发剂作用下共聚，生成以淀粉为主链的接枝共聚物，同时与交联剂反应，生成具有网状结构的淀粉——聚丙烯酸钠接枝共聚物高吸水性树脂。二是以带有强吸水性原子团的化合物，如丙烯酸等为单体，均聚或两种单体得到亲水性高聚物。如我厂聚丙烯酸钠的生产。从甲教授介绍中我们知道聚丙烯酸钠的结构，那么，形成聚丙烯酸钠的单体是什么？如何得到丙烯酸钠？学生回答，板书。我厂制备聚丙烯酸钠的一般方法是先将丙烯酸与NaOH溶液反应制得丙烯酸钠单体，再通过加入少量交联剂使其发生聚合从而得到聚丙烯酸钠。CH2＝CHCOOH+NaOHCH2＝CHCOONa+H2OnCH2＝CHCOONa这种方法固然制得高纯度的聚丙烯酸钠，但是成本过高且合成比较困难，所以也有厂家采用在高分子链上加功能基的方法生产聚丙烯酸钠。很显然，这种方法简易而廉价，但聚丙烯酸钠纯度不高，用在尿不湿中，也就导致产品性能有所差异，这也就是市场上尿不湿价格产生差异的原因之一。主持人：从丁总介绍中我们知道了获得高吸水性能的树脂方法。下面是“课堂互动”时间。通过专家们的介绍，我们对功能高分子材料有所了解了吗？有什么问题还想和我们的专家聊聊吗？自由发问。（学生问：丁总在介绍获得高吸水性树脂时反复提到亲水性原子团，请问：什么是亲水性原子团？哪些是亲水性原子团？丁：易溶于水的官能团即亲水性原子团。根据相似相溶原理极性溶剂（如