第1章(2)高分子材料基础知识(塑料包装材料与制品)

1第一章概述第二节高分子材料基础知识高分子科学家用电器薄膜装饰航天航空光导纤维信息产业生物工程动植物肉蛋粮食菜兽皮棉麻毛丝茅草木材竹子水泥玻璃粘合剂涂料橡胶塑料210000BC5000BC015001900196019801990200020102020各种材料在各个历史时期相对重要性金铜铁钢合金钢高温合金高分子木材皮肤纤维动物胶橡胶电木尼龙PEPCPSPPPAN聚酯高模聚合物导电高分子复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料石材陶瓷陶器玻璃水泥耐火材料熔融硅耐湿陶瓷韧性机械陶瓷3高分子化合物的分类合成高分子天然高分子有机高分子无机高分子C-C链高分子：PE,PP,PIB,PS,PMMA杂原子链高分子:聚酰胺（锦纶），聚酯（涤纶），聚氨酯，脲醛树脂，聚甲醛水泥，玻璃，聚磷酸酯类高分子化合物天然橡胶多糖类：纤维素（棉、麻、木），淀粉，粘胶质（水果、甘蔗），藻酯类，甲壳类（蟹、虾、龟），植物酸蛋白质：酶（生物合成催化剂），荷尔蒙（生物调节剂），丝，角素（发、毛、羽），肌凝蛋白（肌肉），血色素，蛋白（血清、蛋）血球素（血、精、卵），酪蛋白，等核酸：脱氧核糖核酸（DNA),核糖核酸(RNA)4一、高分子材料的合成1．高分子的基本概念（1）单体：通过反应能制备高分子化合物的物质称做单体。例如乙烯是单体，能聚合生成聚乙烯：nCH2=CH2~~CH2CH2~~CH2CH2CH2CH2某种氨基酸，相互反应，失去小分子（水），聚合生成聚氨基酸，这个氨基酸也称做单体：•2高分子的基本概念（1）单体：（2）二聚体，三聚体……和齐聚物：•聚合是逐步进行的，两个单体结合生成二聚体，二聚体也能和单体结合生成三聚体，两个二聚体结合能生成四聚体，以此类推逐渐生成更多聚体。H2NCCOH[NCC]H2OHROHROHn（2）二聚体，三聚体……和齐聚物：•低分子量的聚合产物，例如二聚体、三聚体、四聚体、五聚体……无论是环状的，还是线形的统称齐聚物。•齐聚物与通常所说的聚合物是很不同的，增减几个结构单元能使其物理性质有很大的变化。HOCH2COHHOCH2COCH2COH-H2O单体二聚体OOOH[OCH2C]OH-H2O三聚体O3三聚甲醛（三氧六环）聚甲醛乙炔三聚体（苯）聚乙炔(n聚体)CHCHHHHHHH[CH=CH]nC=OHHCOOCCOHHHHHH[CH2O]n（3）聚合物：•高分子量的聚合产物，又称做高聚物、高分子、大分子。常用聚合物的分子量高达104～106，甚至更高。•一个大分子往往由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成。•例如聚氯乙烯分子由许多氯乙烯结构单元重复连接而成，可表示为：CH2CHCH2CHCH2CHClClCl~~~~~~[CH2CH]Clnor高分子化合物的分子量•就是结构单元的分子量（M0）与聚合度（DP）或重复单元数n的乘积，可表示为：M＝DP·M0＝n·M0•还有一类聚合物与聚氯乙烯不同，是由两种单体聚合生成高分子，例如由己二胺和己二酸缩合聚合生成商品名称为尼龙-66的高分子。其中重复单元是由两种结构单元-NH-(CH2)-6NH-和-OC-(CH2)4-CO-组成：n结构单元1结构单元2重复单元[NH(CH2)NHC(CH2)C]64OO缩合聚合物的分子量•两种结构单元分别来源于己二胺和己二酸，但聚合过程中消除小分子水而失去了一些原子，这些结构单元不宜再称单体单元。•在这种情况，结构单元数DP将是重复单元数(n)的两倍：•聚合物的分子量应表示为：•其中M10和M20分别是结构单元1和结构单元2的分子量。M0为结构单元平均分子量020102010)(21)(MDPMMDPMMnMDP=2n（4）线型高分子：•线型高分子是由长的骨架原子组成，例如聚乙烯，•也可以有取代侧基，例如聚氯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈等，•骨架原子都是碳原子的又称碳链高分子：•聚乙烯聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯晴(CH2CH2)n,[CH2CH]Cln(CH2C)nCH3OOCH3C(CH2CH)nCN而像尼龙一66，聚对苯二甲酸乙二醇酯等的线型高分子，其主链骨架原子还含有非碳原子又称杂链高分子：尼龙－66聚对苯二甲酸乙二醇酯•线型高分子通常是指可溶解在溶剂中的，固态时可以是玻璃态的热塑性塑料，有的聚合物在常温下呈柔顺性材料，也有的是弹性体。n[NH(CH2)NHC(CH2)C]64OO[OCH2CH2OCC]OOn（5）支化高分子：•支化高分子是由线型高分子链中派生出一些支链，其组成的结构单元和主链是相同的（如图1－1所示）。支化高分子也是可溶的，很多性质和线型高分子类似。但与线性高分子不同的是结晶倾向要降低，溶液的粘度不同。•图1－1支化高分子图1－2交联高分子（6）交联高分子：•高分子链间产生化学结合，可生成交联或网状高分子（如图1－2所示）。这样的高分子通常只能被溶剂溶胀，而不能溶解，也不能熔融。随着交联程度的增加，其能溶胀程度减少，当高度交联时溶胀也不能产生了。一些热固性树脂就是高度交联的。而作为橡胶弹性材料则具有轻度的交联结构。（7）共聚物：•由两种或两种以上单体聚合而成的聚合物叫共聚物。如在同一个聚合釜中，将丁二烯与苯乙烯两种单体混合聚合，得到的是丁苯共聚物：•很多高分子材料都是共聚物。按单体单元在高分子链中的不同序列分布分类的话，共聚物有四种类型：CH2=CH+CH2=CHCH=CH2[(CH2CH)(CH2CH=CHCH2)]xyn①无规共聚物：在高分子链中不同单体单元的序列分布无规则。两种单元在链中的排列顺序是不能预测的。在烯类单体自由基共聚合时,通常得到的是无规共聚物，其性质与相应的均聚物是大不相同的。-A-B-A-A-B-A-B-B-A-A-B-A-B-B-A-B-②交替共聚物：顾名思义，交替共聚物就是A和B两种结构单元在高分子链中交替排列。通过特定的烯类聚合能得到交替共聚物，其性能与两类均聚物的性质也大不相同。-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-③嵌段共聚物：高分子链中由一种结构单元链段和另一种结构单元链段相接组成。兼具有两种均聚物的性质。-A-A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-B-④接技共聚物：•共聚物的主链是一种均聚物，支链是另一种均聚物称接枝共聚物。可用两类均聚物相互反应生成，也可由A种均聚物的主链上引人一些可反应的基团，再接上由B形成的支链构成接枝共聚物。接枝共聚物的性质是两类均聚物的加合。（8）高分子共混物：•两种或更多种聚合物机械混合在一起叫做高分子共混物，能将两种或多种聚合物性质综合在一起。根据组成、共混结构的不同可以得到各种改性的高分子材料以满足技术上的需要。聚合物的命名•长期以来，聚合物没有统一的命名法，往往根据单体或聚合物结构来命名，有时也常用商品名或俗名。1972年国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）提出了线型有机聚合物的系统命名法。•我国化学名词审定委员会高分子化学专业组，根据国内高分子界专家的广泛讨论和审定，提出一个“高分于化学命名原则”。宗旨是支持IUPAC提倡的科学性很强的以结构为基础的命名法，同时也承认以单体来源为基础的命名法等。1根据单体来源或制法命名•很多聚合物的名称是由单体或假想单体名称前加一个“聚”字而来，例如•聚乙烯、CH2=CH2(CH2-CH2)n•聚丙烯、CH2=CH(CH2-CH)nCH3CH3•聚氯乙烯、CH2=CH(CH2-CH)nClClCH3•聚甲基丙烯酸甲酯等。CH2=CCOOCH3•聚乙烯醇:CH2=CH(CH2-CH)nOHOHCH3OHCH3-CH=OCH2=CH(CH2-CH)nOCOCH3OCOCH3•假想的乙烯醇单体---它是以乙醛的形式存在。•实际上聚乙烯醇是由聚乙酸乙烯酯经醇解而得到的。•但这命名法方便，又把单体原料来源标明，广泛应用。•然而，有时也会产生混淆和无法命名，如聚ω一己内酰胺和聚6一氨基已酸是同一种聚合物，有两种单体。HN-(CH2)5-COorH2N-(CH2)5-COOH(HN-(CH2)5-CO)n2根据聚合物的结构特征命名•很多缩聚物是两种单体通过官能团间缩合反应制备的。在结构上与单体有差别。可根据结构单元的结构来命名，前面冠以“聚”字。•例如对苯二甲酸和乙二醇制备的聚合物叫聚（对苯二甲酸乙二酯），由己二胺和己二酸反应制备的叫聚己二酰已二胺等等。•有一些聚合物结构中已看不出单体来源了。更需要由聚合物的结构特征命名，3根据商品命名•有机化合物的命名很复杂，聚合物就更复杂了。•在商业生产和流通中，人们仍习惯用简单明了的称呼，并能与应用联系在一起。例如:聚甲基丙烯酸甲酯-----有机玻璃，塑料类聚合物---酚醛树脂，脲醛树脂，醇酸树脂。有时也将聚氯乙烯-------俗称氯乙烯树脂。将橡胶类聚合物---------加上后缀“橡胶”，例如:丁二烯和苯乙烯共聚物--------丁苯橡胶，丁二烯和丙烯腈共聚物-------丁腈橡胶，乙烯和丙烯共聚物-------乙丙橡胶等等。•将纤维类的，在我国是用“纶”作后缀的例如:聚对苯二甲酸乙二酯-----涤纶，聚ω一已内酰胺----锦纶，聚乙烯醇缩醛----维尼纶，聚氯乙烯---氯纶，聚丙烯腈-----腈纶，聚丙烯----丙纶。•还有直接引用的国外商品名称音译，例如:聚酰胺又称尼龙(Nylon)，聚已二酰己二胺----尼龙一66(nylon-66)，聚癸二酰癸二胺----尼龙一1010，•第一个数表示二元胺的碳原子数目，第二个数为二元酸的，因此尼龙一610则是己二胺和癸二酸的缩聚产物。4IUPAC的系统命名法•为避免聚合物命名中的多名或不确切，国际纯化学和应用化学联合会（InternationalUnionofPureandAppliedChemistry）提出了以结构为基础的系统命名法，•（1）确定聚合物的最小重复单元。•（2）排好重复单元中次级单元的次序。•（3）按小分子有机化合物的IUPAC命名法则来命名这个重复单元。•（4）在此重复单元命名前加一个“聚”字。IUPAC系统命名法的实例(1)•聚环氧乙烷、-[CH2-CH2-O]n-。聚乙二醇、-[CH2-O-CH2]n-。聚氯乙醇，-[O-CH2-CH2]n-。按原则2所排的次级单元为-[O-CH2-CH2]n-，按原则3命名为氧化乙烯，•IUPAC命名，应叫聚氧化乙烯（Polyoxyethylene）。•聚丁二烯,-[CH=CH-CH2-CH2]n-,聚(1-次丁烯基）。•聚氯乙烯,-[CHCl-CH2]-,聚（1－氯代乙烯）。IUPAC系统命名法的实例(2)•聚对苯二甲酸乙二酯的重复单元应为:•称聚（氧化乙烯氧化对苯二甲酰）。•聚亚苯基苯并二噻唑的IUPAC命名:Poly{(benzo[1,2-d;4,5-d']bisthiazole-2,6-diyl)-1,4-Phenylene}，聚{(苯并[1,2-并;4,5-并]二噻唑-2,6-二基)-1,4-亚苯基}。•按IUPAC命名比较严谨，但太繁琐。IUPAC不反对继续使用习惯命名。[OCH2CH2OCC]OOn2聚合物反应类型•由小分子化合物单体制备聚合物的反应主要分为三类，它们是缩合反应、加成反应和开环聚合。另一类是由一种聚合物经过适当的高分子反应也可转化为另一种高分子化合物。•1缩聚反应•2加聚反应•3开环聚合反应•4高分子转化反应1缩聚反应•具有官能团的单体,通过缩合反应，消除小分子副产物，彼此连接在一起，生成长链高分子的反应称缩聚反应。•用这类反应能制备很多品种的高分子材料例如尼龙，聚酯，酚醛树脂，脉醛树脂等。•尼龙是二元胺和二元酸的缩聚物，其中尼龙一66则是己二胺和己二酸的缩聚产物：4OOHOC(CH2)COHH2OH2N(CH2)NH26n[NH(CH2)NHC(CH2)C]OO4•聚酯是二元酸和二元醇的缩聚物，其中对苯二甲酸与乙二醇缩聚生成的是我们常见的可乐瓶的材料：HOCRCOH+HOR'OHH[OR'OCRC]OH-H2OOOn醇酸树脂•由邻苯二甲酸酐和甘油制备的是醇酸树脂，由