合成材料范文

合成材料范文合成材料范文 高二化学合成材料教案人们常用的棉花 蚕丝 羊毛 毛皮等是天 然材料 从橡胶树中取得的胶乳经加工可得到橡胶 天然橡胶也是天然材料 天然材料受到自然条件和资源等限制 如橡胶树只能生长在热带和 亚热带地区 棉花生长在较寒冷的温带等 随着社会经济发展和科学技术进步 天然材料无论在数量 质量 品种 性能和用途等各方面都无法满足人类对材料日益增长的需求 发展合成材料成为大势所趋 合成材料是人们运用化学方法人工合成出自然界中不存在的材料 大致可分为无机合成材料和有机合成材料 下面介绍的合成高分子材料属于有机合成材料 一 高分子由几个或几十个原子通过化学键结合形成的分子 分子 量在几十到几百 这种分子称为小分子 如醋酸分子 CH3COOH 乙醇分子 CH3CH2OH 甘氨酸分子 NH 2CH3COOH 等都是小分子化合物 然而有的分子由一千个以上原子通过共价键结合形成 分子量可达 几万至几百万 这类分子称为高分子 或称高分子化合物 存在于自然界中的高分子化合物称为天然高分子 如淀粉 纤维素 棉 麻 丝 毛都是天然高分子 人体中的蛋白质 糖类 核酸 等也是天然高分子 用化学方法合成的高分子称为合成高分子 如聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯腈 聚酰胺 尼龙 等都是常用的合成高分子材料 聚乙烯从石油裂化可得到乙烯 由n个乙烯分子在一定的反应条件下 经聚合可得到聚乙烯分子 反应可表示如下乙烯分子是平面分子 分子中所有原子处于同一平面 碳原子之间以双键结合 如图8 1 所示 当乙烯分子在催化剂的作用下 双键被打开 CH2 CH2 两端的单 键可与邻近的乙烯分子连接 发生聚合反应 生成线型 长链状 的聚乙烯分子 通常把乙烯分子称为单体 单体经聚合后得到的聚乙烯分子称为聚 合物 或称高聚物 聚乙烯分子中有一个重复的结构单元 CH2 CH2 称为链节 n称为聚合度 也就是聚乙烯分子中所含链节的数 目 二 高分子的原料和合成方法制备合成高分子的原料资源很广泛而 且也很丰富 从本世纪合成高分子工业发展来看 早期以农业和林业的副产品为 主要原料 大致可分为三类淀粉类如薯类 植物种子 橡子等 可 从中得到乙醇 丁醇 丙酮 纤维素类如木屑 稻草 花生壳 玉 米芯 麦秆 甘蔗渣 椰子壳 芦苇等 可从中得到木粉 纤维素 糖醛等 非食用油脂类如蓖麻油 桐油 蚕蛹油和松节油 可从 中得到对苯二甲酸 癸二酸 癸二胺等 以农林副产品为原料生产合成高分子 工艺流程长 处理量大 相 继为煤和石油所代替 过煤和石油中包含着一系列有用的化工原料 将煤干馏后从煤焦油 中得到很多化合物可以作为合成高分子的原料 到了50年代 石油化工兴起 煤又被石油和天然气取代成为合成高 分子工业原料的主要 煤之所以会被石油取代 主要原因是用石油炼制时原料成本低 如 从石油得到乙炔比从煤得到乙炔成本约降低一半 另外 石油中有用成分高 对最重要的乙烯来说 从1吨焦煤中只能得5kg乙烯 而1吨石油中可 得到200多千克 从上述农 林副产品 煤或石油中得到的有机小分子化合物作为单 体 通过聚合反应可以合成高分子 具体的合成方法有加成聚合 缩合聚合等 1 加成聚合反应含有重键的单体分子 如乙烯 C2H4 氯乙烯 C2H3Cl 丙烯 C3H6 苯乙烯等 它们是通过加成聚合反应得 到聚合物的 加聚反应后除了生成聚合物外 再没有任何其他产物生成 聚合物 中包含了单体中全部原子 如聚乙烯 聚氯乙烯 C2H4是平面对称分子 当一个Cl原子取代了C2H4分子中的一个H原子 后 对称性被破坏了 C2H3Cl分子中若将带氯原子的碳原子看成是头 则不带氯的碳原子 就是尾了 氯乙烯分子进行加聚反应时 可能产生三种情况头 头 尾 尾连 接 头 尾连接 混乱无序连接 如图8 2所示 从图中看到 第一种连接方式 相邻碳原子上有氯原子 第二种连 接方式 碳原子上的氯原子是间隔开的 第三种连接方式是上述两 种连接的混合 连接方式不同 所形成的聚氯乙烯分子的结构不同 反映在性质上 也就有差异 在工业上利用加成聚合反应生产的合成高分子约占合成高分子总量 的80 最重要的有聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯和聚苯乙烯等 2 缩合聚合反应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 称为缩合聚合反应 简称缩聚反应 如尼龙 66又称聚酰胺 用己二胺和己两端的氨基和羧基具有活性 可继续与单体分子缩合 最终形成长链状大分子聚合物 即聚酰胺 它的商品名称叫尼龙 66或锦纶 66 数字表示两种单体中碳原子 的数目 把粘稠的尼龙 66液体从抽丝机的小孔里挤出来 得到性能优异的 尼龙 66合成纤维 日常生活中我们熟悉的 的确良 是对苯二甲酸和乙二醇脱水缩合 聚合而成的聚酯纤维高分子 商品名称也叫涤纶 它有挺括不皱 易洗易干等特点 缩合聚合反应在合成高分子工业上的重要性仅次于加聚反应 常见 的聚酰胺 尼龙 聚酯 涤纶 环氧树脂 酚醛树脂 有机硅 树脂 聚碳酸酯等 都是通过缩聚反应生产的 三 合成高分子的结构 特性和命名由单体分子经加聚或缩聚反应 得到的高分子聚合物都是线型长链状化合物 如聚乙烯 聚氯乙烯 尼龙 66 涤纶等 表8 1列出一些常见的线型高分子 有的线型高分子在长链上可带有支链 例如表中聚甲基丙烯酸甲酯 长链上带有支链 当长链状高分子还带有其他官能团时 分子链之间可以通过官能团 发生化学反应 形成化学键使分子链交联起来 构成体型网状高分 子 因此合成高分子的结构大体有三种线型长链状不带支链的 带支链 的和体型网状的 图8 4是高分子的三种结构 线型高分子可呈蜷曲 弯折或呈螺旋状 加热可熔化 也可溶于有 机溶剂 易于结晶 合成纤维和大多数塑料都是线型高分子 支链高分子在很多性能上与线型高分子相似 但支链的存在使高分 子的密度减小 结晶能力降低 体型高分子具有不熔不溶 耐热性高和刚性好的特点 适用作工程 和结构材料 合成高分子的主链主要是由碳原子以共价键结合起来的碳链 由于 单键可以自由旋转 使线型长链高分子在旋转的影响下 整个分子 保持直线状态的机率甚微 事实上线型长链高分子处于自然蜷曲的状态 分子纠缠在一起 因 而具有可柔性 当有外力作用在分子上 蜷曲的分子可以被拉直 但外力一除去 分子又恢复到原来的蜷曲状态 因此合成高分子都有一定的弹性 由于合成高分子都是长链大分子 又处于自然的蜷曲状态 所以不 容易排列整齐成为周期性的晶态结构 与小分子不同 合成高分子不容易形成完整的晶体 然而在局部范围内 分子链有可能排列整齐 形成结晶态 即所谓 短程有序 因此在高分子晶体中往往含有晶态部分和非晶态部分 故常用结晶 度来衡量整个高分子中晶态部分所占的比例 晶态高分子的耐热性和机械强度一般要比非晶态高分子高 而且还 有一定的熔点 所以要提高高分子的这些性质 就要设法提高高分 子的结晶度 高分子结构具有不均一性 或称多分散性 这一点与小分子结构是 截然不同的 小分子的结构是确定的 分子量也是确定的 但对合成高分子来说 每个独立的高分子只要聚合度n确定了 分子 量也就确定了 但在聚合反应中 得到的聚合物不是均一的 而是不同聚合度的高 分子的混合物 因此在这种情况下无法确定高分子的分子量 实验测定高分子的分子量 只是试样中聚合度大小不一的高分子分 子量的统计平均结果而已 合成高分子的上述结构特点 使其具有热塑性 热固性 耐磨性 绝缘性 相对密度小 比强度高等特殊的性能 长链型高分子被加热时 分子受热不均匀 有的部分已受热 有的 部分受热少 甚至还有一部分没有受热 因此高分子加热后不是马上熔化变成液体 而是先经历一个软化过 程再变为液体 当然 这是外因的作用 分子内部不均匀 也是一个重要的原因 液体冷却后 变硬成为固体 再次加热 它又能软化 流动 线型高分子的这种性质称为热塑性 它不但使高分子材料便于加工 而且还可以多次重复操作 表8 1中列出的线型高分子都具有热塑性 加热软化后可以加工成 为各种形状的塑料制品 也可制成纤维 加工非常方便 单体进行聚合反应时 先形成线型高分子 在某种条件下分子链之 间发生交联由线型转变为体型高分子 体型高分子加热后不会熔化 流动 当加热到一定温度时体型高分 子的结构遭到破坏 这种性质称为热固性 因此体型高分子一旦加工成型后 不能通过加热重新回到原来的状 态 合成高分子中主要含C H O N S及卤素等元素 因此比金属材料 轻得多 一般高分子相对密度在1 2之间 最轻的聚丙烯塑料 相对密度只 有0 91 泡沫塑料的相对密度只有0 01 比水轻100倍 是非常好的 救生材料 高分子材料相对密度小 但强度高 有的工程塑料的强度超过钢铁 和其他金属材料 例如玻璃钢的强度比合金钢大1 7倍 比铝大1 5倍 比钛钢大1倍 由于质轻 强度高 耐腐蚀 价廉 所以高分子材料在不少场合已 逐步取代金属材料的位置 全塑汽车的问世就是典型的例子 高分子材料为什么有这样高的强度呢 高分子的分子量大 分子中 原子数目多 且分子链彼此缠绕在一起 因此分子链之间原子的接 触点非常多 相互间的作用力很大 这种作用力称为分子间作用力 或称范德华力 如果具备形成氢键的条件 分子链之间还可形成氢键 高分子中存在强大的分子间作用力是高分子材料具有高强度的主要 原因 高分子的分子链缠绕在一起 许多分子链上的基因被包在里面 当 有试剂分子加入时 只有露在外面的基团容易与试剂分子作用 而 被包在里面的基因不易反应 所以高分子化合物的化学反应性能较 差 对化学试剂显得比较稳定 高分子具有耐酸 耐腐蚀等特性 著名的 塑料工 聚四氟乙烯 即使把它放在王水中煮也不会变质 其耐酸程度远超过金 聚四氟乙烯是优异的耐酸 耐腐蚀材料 高分子中的分子链是原子以共价键结合起来的 分子既不能电离 也不能在结构中传递电子 所以高分子具有绝缘性 电线的包皮 电插座等都是用塑料制成 此外 高分子对多种射线如 和X射线有抵抗能力 可以抗 辐射 合成高分子的命名 一种是在单体前加 聚 字 如聚乙烯 聚氯 乙烯等 另一种是在简化的单体名称后面加 树脂 二字 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 商业上喜欢用商品名称 比较方便 表8 1列出一些合成高分子的商品名称 四 合成高分子材料1907年世界上第一个合成高分子材料 酚醛 塑料 诞生 30 40年代又合成了许多高分子材料 包括塑料 合成纤维和合成橡胶 此后合成高分子工业发展迅速 表8 3列出了世界合成高分子的消费量 据统计 1976年合成高分子材料的世界产量按体积计算已超过金属 材料的世界产量 预计到2000年时 按质量计算也将赶上或超过金属材料 下面简单介绍三类主要的合成高分子材料塑料 合成纤维和合成橡 胶 1 塑料塑料是在一定的温度和压力下可塑制成型的合成高分子材料 合成高分子具有热塑性和热固性 因而塑料可分为热塑性塑料和热 固性塑料 热塑性塑料大都是线型高分子 热固性塑料为体型高分子 若将塑料按性能和用途来分类 可分为通用塑料 工程塑料 特种 塑料和增强塑料 通用塑料产量大 用途广 价格低 其中聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙 烯和聚苯乙烯约占全部塑料产量的80 尤以聚乙烯的产量最大 聚乙烯乙烯单体在不同的反应条件下进行加成聚合反应可得到不同 性能的聚乙烯 若选择0 2 1 5MPa低压聚合 用Ziegler Natta催化剂 得到的产 品为低压聚乙烯 低压聚乙烯是线型高分子 排列比较规整 紧密 易于结晶 因此 结晶度 强度 刚性 熔点都比较高 适合做强度 硬度较高的塑 料制品 如桶 瓶 管 棒等 若在150MPa高压下用自由基引发加成聚合反应 得到的是高压聚乙 烯 它是支链化程度较高的合成高分子 使分子排列的规整性和紧 密程度受到影响 因此结晶度 密度降低 所以高压聚乙烯又称低 密度聚乙烯 低密度聚乙烯性软 熔点也低 适合做食品包装袋 奶瓶等软塑料 制品 工程塑料是可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 主要有聚甲醛 聚酰胺 聚碳酸酯 ABS塑料等 如聚甲醛的力学 机械性能与铜 锌相似 用它做汽车上的轴承 使用寿命比金属的长一倍 它还可做其他零配件 又如聚碳酸酯 它不但可代替某些金属 还可代替玻璃 木材和合 金等 做各种仪器的外壳 自行车车架 飞机的挡风玻璃和高级家 具等 特种塑料是指在高温 高腐蚀或高辐射等特殊条件下使用的塑料 它们主要用在尖端技术设备上 例如聚四氟乙烯具有优异的绝缘性能 抗腐蚀性特别好 能耐高温 和低温 可在 200 250 范围内长期使用 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 2 合成纤维纤维分为天然纤维和化学纤维两大类 棉 麻 丝 毛属天然纤维 化学纤维又可分为人造纤维和合成纤维 人造纤维是以天然高分子纤维素或蛋白质为原料 经过化学改性而 制成的 如粘胶纤维 人造棉 醋酸纤维 人造丝 再生蛋白 质纤维等 合成纤维是由合成高分子为原料 通过拉丝工艺获得纤维 合成纤维的品种很多 最重要的品种是聚酯 涤纶 聚酰胺 尼 龙 锦纶 聚丙烯腈 腈纶 它们占世界合成纤维总产量的90 以上 此外还有聚乙烯醇缩甲醛 维纶 聚丙烯 丙纶 聚氯乙烯 氯纶 等 聚酯纤维商品名涤纶 又叫的确良 主要用于织衣料 也可做运输带 轮胎帘子线 过滤布 缆绳 渔 网等 涤纶织物牢固 易洗 易干 做成的这类刚性基团的存在 使分子 排列规整 紧密 结晶度较高 不易变形 受力形变后也易恢复 这是涤纶抗皱性好的原因 聚酰胺纤维商品名尼龙 也叫锦纶 最常见的是尼龙 6和尼龙 66 尼龙主要用于制做渔网 降落伞 宇航飞行服 丝袜及针织内衣等 尼龙织物的特点是强度大 弹性好 耐磨性好 这分子链之间各酰胺基可以通过氢键的作用 使分子链之间的作用 力大为加强 保证了织物的强度 表8 4列出一些合成纤维的性能 3 合成橡胶橡胶分天然橡胶和合成橡胶 天然橡胶热带和亚热带的橡胶树 由于橡胶在工业 农业 国防领域中有重要作用 因此它是重要的 战略物资 这促使缺乏橡胶资源的国家率先研究开发合成橡胶 通过对天然橡胶的化学成分进行剖析 发现它的基本组成是异戊二 烯 于是启发人们用异戊二烯作为单体进行聚合反应 得到了合成橡胶 称为异戊橡胶 异戊橡胶的结构与性能基本上与天然橡胶相同 由于当时异戊二烯只能从松节油中获得 原料受到限制 而丁二烯 则丰富 因此以丁二烯为基础开发了一系列合成橡胶 如顺丁橡胶 丁苯橡胶 丁腈橡胶和氯丁橡胶等 随着石油化学工业的发展 从油田气 炼厂气经过高温裂解和分离 提纯 可以得到乙烯 丙烯 丁烯 异丁烯 丁烷 戊烯 异戊烯 等各种气体 它们是制造合成橡胶的好原料 世界橡胶产量中 天然橡胶仅占15 左右 其余都是合成橡胶 合成橡胶品种很多 性能各异 在许多场合可以代替 甚至超过天 然橡胶 合成橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶 通用橡胶用量较大 例如丁苯橡胶占合成橡胶产量的60 其次是顺 丁橡胶 占15 此外还有异戊橡胶 氯丁橡胶 丁钠橡胶 乙丙橡 胶 丁基橡胶等 它们都属通用橡胶 表8 5列出一些合成橡胶的化学组成和用途 特种橡胶是在特殊条件下使用的橡胶 它们有特殊的性质 如耐高 温 耐低温 耐油 耐化学腐蚀和具有高弹性等 硅橡胶是以硅氧原子取代主链中的碳原子形成的一种特种橡胶 它 柔软 光滑 适宜做医用制品 能耐高温 可承受高温消毒而不变 形 若将氟原子引入硅橡胶中 则可制得氟硅橡胶 它是一种高弹性材 料 硅硫橡胶耐高 低温 丁腈橡胶和聚硫橡胶耐油性好 许多合成橡胶是线型高分子 具有可塑性 但强度低 回弹力差 容易产生永久变形 因此如何克服合成橡胶的这些缺点 是人们关注的问题 研究表明 若加入硫磺与橡胶分子作用 可使橡胶硫化 反应如下硫的作用是使线型橡胶分子之间形成硫桥而交联起来 转 变为体型结构 使橡胶失去塑性 同时获得高弹性 硫是橡胶的硫化剂 凡能使橡胶由线型结构转变为体型结构 并获 得弹性的物质都可称为橡胶的硫化剂 五 新型高分子材料在合成高分子的主链或支链上接上带有显示某 种功能的官能团 使高分子具有特殊的功能 满足光 电 磁 化 学 生物 医学等方面的功能要求 这类高分子通称为功能高分子 功能高分子材料发展已有20多年历史 它可以制成各种质轻柔顺的 纤维或薄膜 在许多领域中得到成功的应用 它将成为合成高分子 材料中很有发展前途的一个分支 已知的功能高分子的品种和分类如下 导电高分子高分子具有绝缘性 这是由它的结构所决定的 在前面 已经讨论过 70年代人们合成了聚乙炔 发现它有导电性能 乙炔分子中碳与碳以叁键结合 单体经加聚聚合后得到聚乙炔 这 是一种双键 单键间隔连接的线型高分子 分子中存在共轭 健体 系 电子可以在整个共轭体系中自由流动 因此可以导电 若将碘掺杂到聚乙炔中 导电率会大幅度提高 随聚乙炔后 又发现聚吡咯 聚噻吩 聚噻唑 聚苯硫醚等都具有 导电性 导电高分子材料引起人们的重视 用导电塑料做成的塑料电池已进入市场 硬币大小的电池 一个电 极是金属锂 另一个电极是聚苯胺导电塑料 电池可多次重复充电 使用 工作寿命长 医用高分子高分子材料应用于医学上已有40多年历史 由于某些合成高分子与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的 化学结构和物理性能 因此用高分子材料做成的人工器官具有很好 的生物相容性 不会因与人体接触而产生排斥和其他作用 目前已知可用于制做人造器官的合成高分子材料有尼龙 环氧树脂 聚乙烯 聚乙烯醇 聚甲醛 聚甲基丙烯酸甲酯 聚四氟乙烯 聚醋酸乙烯酯 硅橡胶 聚氨酯 聚碳酸酯等 表8 6列出了部分可用高分子材料制造的人造器官 除了脑 胃和 部分内分泌器官外 人体中几乎所有器官都可用高分子材料制造 可降解高分子塑料制品已进入千家万户 垃圾中废弃的塑料也愈来 愈多 由于这类合成高分子非常稳定 耐酸耐碱 不蛀不霉 把它们埋入 地下 上百年也不会腐烂 因此废弃的塑料已经成为严重的公害 人们大声疾呼要消除 白色 污染 如果包装食品的塑料袋和泡沫塑料饭盒用可降解高分子材料来做 那末废弃的塑料将在一定条件下自行分解成为粉末 合成高分子的主链结合得十分牢固 要降解必须设法破坏 削弱主 链的结合 目前已提出生物降解 化学降解和光照降解等三种方法 并合成了 生物降解塑料 化学降解塑料和光照降解塑料 这类可降解高分子 将在解决环境污染方面起到重要的作用 高吸水性高分子号称 尿不湿 的纸尿片已进入市场 婴儿用上它 整夜不必换尿片 这种用高吸水性高分子做成的纸尿片 即使吸入1000mL水 依然滴 水不漏 干爽通气 有的高吸水性高分子可吸收超过自重几百倍甚至上千倍的水 体积 虽然膨胀 但加压却挤不出水来 这类奇特的高分子材料可用淀粉 纤维素等天然高分子与丙烯酸 苯乙烯磺酸进行接枝共聚得到 或用聚乙烯醇与聚丙烯酸盐交联得 到 高吸水性高分子的吸水机制尚不清楚 可能与高分子交联后结构中 立体网络扩充有关 高吸水性高分子是一种很好的保鲜包装材料 也适宜做人造皮肤的 材料 有人建议利用高吸水性高分子来防止土地沙漠化 六 复合材料前面介绍的合成高分子材料 金属材料和无机非金属 材料各有其长处和短处 如果将这三类不同的材料通过复合工艺组 合成为新的复合材料 它既能保持原来材料的长处 又能弥补短处 例如金属材料易腐蚀 合成高分子材料易老化 不耐高温 陶瓷材 料易碎裂等缺点 都可以通过复合的方法予以改善和克服 因此复合材料是在三大材料基础上发展起来的新材料 复合材料的历史可追溯到很久以前 人们打泥砖 往泥中掺入禾秸 晒干后的泥砖可以称为复合材料 为什么要掺禾秸呢 人们从实践中懂得这样可以提高泥砖的强度 砂子 砾石与水泥加在一起也是复合材料 它比单纯水泥的强度大 得多 钢筋水泥是复合材料 将增强体与基体结合在一起 形成一种能发挥两者各自优点的材料 称为复合材料 高分子 塑料 树脂 金属 陶瓷等材料都可以作为基体 掺入 增强体后便成为复合材料 若按增强体的形状分类 复合材料可分为颗粒增强复合材料 夹层 增强复合材料和纤维增强复合材料 如图8 5所示 目前发展较快 应用较广的是纤维增强复合材料 若按基体分类 也可分为三类树脂基复合材料 金属基复合材料和陶瓷基复合材料 1 纤维增强树脂基复合材料玻璃钢它是由玻璃纤维与聚酯类树脂复 合而成的材料 玻璃是非常易碎的脆性材料 但如果将玻璃熔化并以极快的速度拉 成细丝 这种玻璃纤维异常柔软 可以纺织 玻璃纤维的强度很高 比天然纤维或化学纤维高出5 30倍 在制造玻璃钢时 可将直径为5 10 m的玻璃纤维制成纱 带材或 织物加到树脂中 也可以把玻璃纤维切成短纤维加入基体 玻璃钢具有优良的性能 它的强度高 质量轻 耐腐蚀 抗冲击 绝缘性好 增强体除了用普通玻璃外 还可以根据具体用途调整玻璃成分 制 取耐化学腐蚀 耐高温 高强度和高模量的玻璃纤维 玻璃钢已经广泛用于飞机 汽车 船舶 建筑和家具等行业 除了用聚脂类作为玻璃纤维增强树脂基体外 还可用尼龙 聚乙烯 聚丙烯 环氧 酚醛和有机硅树脂等作为玻璃纤维增强树脂基体 碳纤维增强塑料碳纤维的发明可以追溯到爱迪生时代 他在发明电 灯过程中选用多种材料做灯丝都失败了 后来他将竹子烘烤后制成 碳丝 终于使电灯亮了 碳丝可以说是当今碳纤维的前身 目前制备碳纤维的方法