化学与社会市公开课获奖课件

1、第五章 化学与新材料春夏秋冬穿什么？一日三餐吃什么？一家几口住什么？上学上班坐什么？第1页第1页什么是材料？ 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品那些物质。 从物理化学属性来分，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成复合材料。 从用途来分，又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。 当前老式材料有几十万种，而新合成材料每年大约以5%速度在增长。第2页第2页材料：社会进步标志人类社会（标志性材料）石器时代青铜器时代：炼铜及其合金（最早金属材料）铁器时代：把炼铜技术用于炼铁，用铁来制造农具钢铁时代：18世纪蒸汽机创造引起了产业革

2、命，以钢铁为中心金属材料旧石器时代：天然石、木、竹、骨等材料新石器时代：烧制陶瓷、瓷器高新技术材料：生物技术、能源技术、海洋技术、空间技术第3页第3页一、纤维素和人造纤维 植物性纤维，如棉和麻均为碳水化合物。它们都是由碳、氢、氧3种元素构成。从分子结构来看，碳水化合物是一类多羟基醛（酮）或水解后能产生多羟基有机化合物物质。这种碳水化合物可分为单糖、低聚糖和多糖。高分子材料第4页第4页 单糖是最简朴，不能再被水解碳水化合物。 如：（1）单糖和多糖第5页第5页 低聚糖是由几种单糖分子缩水聚合而成。依据水解后能生成单糖数目可分为二糖、三糖。如蔗糖、麦芽糖是二糖。蔗糖水解后产物就是葡萄糖和果糖。第6页

3、第6页第7页第7页 纤维素与淀粉则是多糖代表物。 纤维素是自然界中分布最广多糖。它基本结构单元也是葡萄糖。分子质量很高，约200万。纤维素分子长链能依托数目众多氢键结合起来而形成纤维束。几种纤维束绞在一起形成绳束状结构在定向排布就形成肉眼可见纤维，因而，同样是由葡萄糖构成纤维素，比起淀粉来有高得多强度， 能够支撑植物。 由于人消化系统中没有水解纤维素酶， 因此人不能消化纤维素。 （2）纤维素第8页第8页纤维素第9页第9页 纤维素用浓硝酸和浓硫酸混合液处理后，就会得到硝酸纤维素酯，俗称硝化纤维。依据硝化程度高低又分为无烟火药，火棉胶（封装瓶口用）和赛璐铬制品（如乒乓球、摄影底片基等）原料。 因为

4、各种纤维素分子量大小不同，结构上差异，尤其是纤维束形成过程各不相同，就决定了纤维强度和长短，以及它们能否被纺成织物。 第10页第10页 自然界纤维中，棉花和麻茎能够被纺成织物直接为人类所利用。那么尚有大量纤维，如木材、芦苇、甘蔗渣、麦杆、棉杆等能否也被利用来纺丝织布呢？化学处理可使其成为现实。将这些不能纺丝纤维素先后用二硫化碳(CS2)和氢氧化钠(NaOH)处理，就会得到纤维素黄原酸钠。除去杂质后，将其溶解于稀碱液中就制成一个粘稠液体。通过特殊喷丝装置将此粘液喷入硫酸(H2SO4)和硫酸盐溶液中，这种粘胶状酯就会分解还原到纤维素。这就是粘胶纤维素生产全过程。 （3）人造纤维第11页第11页人造

5、纤维可纺成长丝或切成短丝。长丝与蚕丝可混纺成各种绸缎；与棉纱混纺可制成线绨面料。短丝与棉花混纺就是人造棉。若把短丝切成像羊毛同样长短， 即可制成人造毛面料。所谓人造纤维就是用化学处理办法，使不能纺丝天然纤维变成可纺丝纤维。第12页第12页 含粘胶纤维植物都有织物柔软、轻飘舒适、美观、廉价等长处。共同缺点是缩水大、湿强度小、弹性差、不耐碱等。这是由于在粘胶纤维制造过程中，纤维素分子受到多次强烈化学作用，致使聚合度变低，分子排列疏松零乱，分子间隙大，水分子很容易钻到空隙中使纤维膨松无力，强度下降。为了克服这些缺点，曾把合成高分子树脂加入粘胶纤维中，制成一个高强度粘胶纤维，市场上称为富强纤维（俗称“

6、富纤”），它缩水率小，水中强度下降不多。 第13页第13页纤维素不溶于水，但可溶于铜氨溶液中（氢氧化铜氨溶液）以此制成粘胶液再喷丝制得人造纤维称为铜氨纤维。它颜色洁白、光泽柔和、手感柔软。湿纤维强度也比粘胶纤维略好，但由于生产过程中要消耗一定铜，成本较高，因此生产量较少。 另一个是以棉籽绒（极短纤维）为原料人造纤维，称之为醋酸纤维。它是用醋酐(CH3CO)2O将纤维素酯化成纤维素三醋酸酯（1个纤维分子与3 个分子醋酸反应生成酯），再部分分解为较低醋酸酯（如二醋酸酯），然后溶解于丙酮内成为纺丝液，在细孔中压出，经热空气将丙酮挥发掉即成。 第14页第14页 合成纤维事实上是一个高分子化合物。高分子

7、化合物在人类生活中已不是陌生东西。生活中常见五光十色塑料，身上穿合成纤维衣服，以及合成橡胶等均是高分子化合物。上述织物虽称人造纤维，但仍是利用自然界纤维材料，严格讲应当是人造织物纤维，真正人造纤维应当是从非纤维材料出发所制成织物纤维。2合成纤维第15页第15页 从化学角度讲，高分子化合物分子量要比普通化合物分子量大得多。要准确地说达到多大才算是高分子并无多大意义。普通而言，假如分子量达到某种程度，使化合物物理和化学性质，不会因为分子量稍有不同而发生改变话，那么该化合物就是高分子化合物了。 与天然高分子化合物（如纤维、淀粉）不同，合成高分子化合物都是用化学方法，是小分子聚合而成，因此也称之为高聚

8、物。 第16页第16页它结构式为： 它是由小分子化合物，氯乙烯(CH2=CHCl)，聚合而成。若把： 看作聚氯乙烯一个重复结构单元，则聚氯乙烯可写成：一个大分子链往往是有许多简朴结构单元，以共价键形式相连而成分子。以聚氯乙烯为例:第17页第17页 通常把构成这种重复结构单元低分子化合物称为单体，大分子则称为聚合物。 合成聚合物办法有两种类型：缩聚和加聚。 缩聚反应类似于低分子有机化合物缩合反应。比如酯化反应：第18页第18页 2个小分子化合物缩去1个水分子，合并为1个较大分子，这种反应不断进行，就可成为高聚物。比如二元羧酸和二元醇作用： 第19页第19页两端羟基（OH）和羧基 进一步缩合，这样

9、聚合反应就可连续不断进行。第一步反应生成苯二甲酸单乙二酯能够看作该聚合物单体。该聚合物结构式可写成： 第20页第20页 其中n为聚合度。 加聚反应类似于低分子化合物中烯烃加成，如乙烯加氯：第21页第21页 假如烯烃分子双键打开后，本身互相间发生加成反应，这样反应就可连续不断进行。结果无数个乙烯小分子就变成了1个聚氯乙烯大分子，这种聚合反应称为加聚反应。 合成纤维事实上就是用化学反应办法把小分子化合物聚合成为能够纺纱布高聚物。下面简介几种最惯用合成纤维：（1）聚酯涤纶 涤纶又叫“确实良”，是国外商品名达格纶、帝特纶、特丽纶音译。又由于初制产品为夏日穿薄型衬衣，故而得一俗名“确实凉”。 第22页第

10、22页它原料对苯二甲酸和乙二醇（HOCH2CH2OH）起源于石油工业甲苯和乙烯。 对苯二甲酸甲苯来自芳构化工段经催化剂（HM沸石分子筛）发生歧化反应，生成苯和对、间、邻二甲苯混合物。第23页第23页混二甲苯再经异构化制成对二甲苯：经氧化后得对苯二甲酸：第24页第24页 乙烯(CH2=CH2)来自裂解工段，经氧化后生成环氧乙烷再经水解反应， 即可得乙二醇（HOCH2CH2OH）。 用对苯二甲酸和乙二醇就可直接酯化，聚合而成涤纶。由于是酯化反应缩合聚合而成，因此这种聚合物又称为聚脂。 涤纶大分子链中因有刚性苯环及酰基存在，使分子链排列整洁紧密、结晶度也高、不易变形，因而涤纶含有高强度，耐磨性仅次于

11、尼龙，并且耐光、 第25页第25页耐蚀、耐蛀，尤其是易洗快干，挺括保型性好。综合性能优于尼龙，是优良衣料，也大量用于轮胎帘子线、工业滤布、绳索等。 但其突出缺点是吸湿性差、导电性差。因此，不透气，不宜做内衣，也不易染色。同时衣物与其它物体摩擦而产生静电，会把灰尘吸附在织物上而变脏，起毛球。改进办法是加入能在分子链中形成醚键第三组分，如对羟基苯甲酸进行共缩聚，或是将涤纶与棉、麻、丝混织。 对羟基苯甲酸 第26页第26页涤纶树脂除大量作纤维用外，由于它高强度和优良电绝缘性、耐热性，尚有相称一部分制成涤纶薄膜和高强度聚酯漆而用于电子电气工业。(2) 聚酰胺 尼龙 尼龙或耐纶是聚酰胺类纤维商品名“Ny

12、lon”译音。它主要指聚己内酰胺（尼龙-6）和聚己二酰己二胺（尼龙-66）。我国锦州化工厂最早大量生产，故我国统称“锦纶”。而卡普纶则是前苏联同类商品名译音。 酰基和酰胺基结构分别为：第27页第27页有机酸和有机胺反应也是缩合反应。如：第28页第28页假如一个二酸和一个二胺发生反应： 由于两端仍各有一个羧基和氨基，能够继续和另一个氨基和羧基发生在缩合反应，如此不断进行下去，就形成了聚合反应。尼龙-66就是由己二酸和己二胺聚合而成。 第29页第29页尼龙-6原料为己内酰胺，其结构式为：第30页第30页 纯己内酰胺不会自行聚合，但有少许水作催化剂时即成为氨基己酸 H2N(CH2)5COOH ，该分

13、子两端各有一个氨基和一个羧基，若分别和另一个分子羧基和氨基发生缩合反应话，那么同样会形成聚合反应，其产物就是尼龙-6。 尼龙在三大合成纤维（聚酰胺、聚酯、聚丙烯腈）中产量居于首位。尼龙-6单体己内酰胺和尼龙-66单体己二胺、己二酸均可由苯酚或环己烷、甲苯等为原料制得。 为了控制分子质量以适合纺丝要求，常加入一定量醋酸（单体重量0.07%- 0.14%）为稳定剂。尼龙-66制造也合用熔融缩聚，但是先要将等摩尔两种原料制成纯度很高尼龙盐，然后再缩聚。 第31页第31页 尼龙最大长处是强度大、弹性好、耐摩擦。其强度比棉花大23倍，耐磨是棉花10 倍，尼龙绳强度比同样粗钢丝绳还要大。另外它质轻，比棉花

14、轻35%。耐腐蚀，不受虫蛀。因此大量用来制造轮胎帘子线、降落伞、渔网、弹力袜、混纺衣料等。尼龙这些特性与大分子链上有大量酰胺基和亚甲基(-CH2-)相关。前者可形成诸多数目的分子链间氢键而大大加强了分子间作用力，确保了纤维强度；后者CC 单键可活动性则确保了纤维有一定弹性。第32页第32页 聚酰胺最大缺点是耐光性差，长期光照则发黄，强度下降，保型性也差，织物不如涤纶挺括。并且它表面光滑，有蜡状手感。吸湿性不抱负，不宜做内衣。 除尼龙-6和尼龙-66之外，当前聚酰胺中尚有尼龙-9、尼龙-610、尼龙-1010等比较主要，并有一定产量。它们都含有质轻、耐磨、强度好、耐油等长处。因此广泛用于机械仪表

15、、汽车等工业，以代替有色金属制造轴承、齿轮、泵叶及其它零件。 第33页第33页(3) 聚烯烃腈纶 腈纶是聚丙烯腈在我国商品名，国外则称为“澳纶”、“开丝米纶”。是仅次于聚酯和聚酰胺合成纤维品种。它柔软、轻盈、保暖，有些人造羊毛之称。它虽比羊毛轻10%以上，但强度却高达2倍多。腈纶不但不会发霉和被虫蛀，并对日光抵抗性也比羊毛高1倍，比棉花大10倍。因此它尤其适合制造帐篷、炮衣、车蓬、幕布、窗帘等室外织物。用它制成毛线尤其是轻软膨体绒线早就为人们所爱慕。第34页第34页 聚丙烯腈单体丙烯腈用下列办法（丙烯氨氧化法）合成。 改进腈纶方向是进一步改进它染色性、起毛球、回弹性和减少成本。现已采用共聚及混

16、合纺丝等办法，如氯乙烯-丙烯腈共聚纤维，则即基本保持了腈纶特性，又大大减少了生产成本。第35页第35页维尼纶 维尼纶是1950年首先由日本樱田一郎创造一个合成纤维品种。它化学成份是聚乙烯醇缩甲醛。维尼纶（Vinylene）是其商品名。这种纤维原料（乙烯、乙炔）易得，成本低廉，纤维性能极似棉花而强度比棉花还好，适合做各种衣料和各种工业用布。 第36页第36页乙烯法：维尼伦基本原料醋酸乙烯酯，主要有两种合成办法。乙炔法：第37页第37页 制造维尼纶工艺路线包括醋酸乙烯酯聚合、水解制聚乙烯醇和聚乙烯醇缩醛化等三步。 把聚乙烯醇水溶液进行溶液纺丝，制成长丝或短纤维在进行热处理和缩醛化处理就得到维尼纶纤

17、维。经缩醛化后纤维耐热能力、收缩性都有改进，大量用来与棉花混纺，制成各种衣料，即为市场上“维棉”。它突出长处是吸湿性好、价格低廉，主要缺点是弹性差、织物易皱。因有皮层结构，故不易染成鲜艳颜色，热水中收缩性也较大。第38页第38页 把聚乙烯醇与聚氯乙烯进行接枝共聚，即可保持维尼纶强度高、吸湿性好等长处，又可保持氯纶热塑性弹性好、耐燃等长处。尤其是纤维无皮层结构，染色简朴，可用各种染色办法得到色彩鲜艳、牢度大织物。这就是近几年发展起来新纤维品种-维氯纶。丙纶 丙纶是合成纤维后起之秀，自60 年代初工业化生产以来，发展速度快，由于其原料廉价易得，聚合和纺丝工艺简朴，纤维以轻、牢、耐磨而著称，引起人们

18、广泛注重与欢迎。第39页第39页 可纺丝用聚丙烯树脂是以三乙基铝和四氯化钛Al(C2H5)3 TiCl4为催化剂，是丙烯聚合得到立体等规性高聚物。它与无规矩丙烯相比，含有结晶度高、熔点高、易成纤、强度大等长处。聚丙烯树脂普通以熔融纺丝。由于丙纶耐光性较差，纺丝中常加入热稳定剂（如二苯酮类）和光稳定剂（如水杨酸酯类）。 聚丙烯纤维是合成纤维中最轻，它强度和耐磨性与聚酰胺相近，尚有不吸湿、绝缘等特点。当前主要用于绳索、网具、滤布、编织绳和袋等。用它做军用蚊帐只有100g - 150g 重,用丙纶做成消毒纱布不粘连伤口，且可直接高温消毒。第40页第40页 丙纶主要缺点湿吸湿性、可染色性差，日晒老化现象较明显，若在聚合体中加入添加剂（如有机金属盐类）或进行化学处理或与第二组分（如聚甲基丙烯乙二酯）进行接枝共聚，可得到改进。氯纶 聚氯乙烯虽是塑料品种老大，但直至找到了溶液纺丝所需溶剂和改进了纤维热稳定性后，才使氯纶纤维有了较大发展。由于原料丰富、工艺简朴、成本低廉，又有特殊用途，因而它在合成纤维中含有一定地位。聚氯乙烯即使可采用混入增塑剂，