化学与社会(2)市公开课获奖课件

1、二、高分子材料（4）塑料 顾名思义，塑料是指能够塑造材料，或者说含有可塑性材料，它应当包括陶土和石膏之类材料。而当前塑料概念已经是专指高分子合成材料。第1页第1页所谓可塑性，就是指当材料在一定温度和压力下，受到外力作用时可产生形变，而外力清除后仍能保持受力时状态。假如从1868 年第一个人造塑料-赛璐铬算起，塑料历史已有100 多年。赛璐铬是一个有硝酸纤维与樟脑制成材料，能够用来制造乒乓球、纽扣及玩具等。但是，这种材料仍是利用天然高分子化合物纤维素加工而成。真正由低分子通过化学合成第一个塑料，应当是19问世酚醛树脂。 由缩聚或加聚等反应合成高分子树脂，加入一定量助剂和填充剂，通过适当温度、压力

2、、时间塑化加工即可制成各种塑料制品。 第2页第2页依据能否进行二次加工成型性质，又把塑料分成热塑性（线型结构高分子）和热固性（体型结构高分子）两种。我们所指塑料大多数为无定形或结晶度不大，在常温下处于玻璃态高聚物。 塑料含有比重轻、强度高、化学性能稳定、电绝缘性好、耐磨擦等长处，当前已广泛地代替木材、不锈钢和一些有色金属及部分钢材。其中诸多已被用于建筑材料、交通运送工具、化工设备、电器和机械零件，被称为工程塑料，它越来越成为材料工业中主要组员。伴随科学技术发展，火箭、宇航飞机等国防和尖端科学上所需要一些特殊塑料是其它材料所无法代替。第3页第3页 塑料能够是缩聚物、加聚物或共聚物。前已指出，塑料

3、、纤维和橡胶并无严格分界线，比如纤维未定向拉伸之前，或橡胶在低温下都是塑料。 当前全世界投入一定规模生产塑料品种达300余种，这些品种我国都能生产。而产量最大是聚乙烯和聚氯乙烯。一些产量大、应用广塑料品种大体分类下列：第4页第4页塑 料 品 种通用塑料工程塑料特种塑料聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、 酚醛塑料、氨基塑料聚酰胺、聚甲醛、有机玻璃、聚碳酸酯、聚砜、聚苯醚、ABS塑料含氟塑料、有机硅树脂、特种环氧树脂、离子互换树脂 当然其中有些既是工程塑料又可用作通用塑料，如有机玻璃、普通环氧树脂、聚乙烯等。第5页第5页（1）酚醛树脂 酚类和醛类化合物在酸性和碱性催化剂作用下，经缩聚反应而制得树

4、脂，即为酚醛树脂。它经固化成型后产品是世界上最早工业化塑料，用它制造电木至今消耗量仍很大。所用酚与醛配比不同和催化剂不同，得到酚醛树脂化学结构和物理性能也不同。 比如，在酸性催化剂作用下，酚过量将生成含有永久可溶和可熔线型树脂：第6页第6页第7页第7页 低缩聚酚醛树脂可做粘合剂，溶于溶剂稀释后即为酚醛清漆，但酚醛树脂主要用途还是做成热固性塑料，即在酚醛树脂中加入一定量填料，模压或浇铸成一定形状制品。由于它抗湿、抗热、抗电、耐磨、耐化学侵蚀，因而大量用于电器材料、日惯用具、交通工具、机械零件上，如汽车用刹车片和轮船用离合器片。它缺点是脆和不耐碱。 第8页第8页(2) 聚烯烃：聚乙烯、聚氯乙烯（P

5、VC）、聚苯乙烯 聚烯烃主要指聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚丁烯等，它们原料均起源于石油或天然气，因此在塑料中是产量最大品种。聚乙烯为其代表，如食品包装袋、油桶是我们最熟悉应用。 聚乙烯工业生产已经有半个世纪历史，其合成方法有低压法、中压法、高压法3 种，所得聚乙烯物理力学性能及使用范围也各有不同。 第9页第9页聚乙烯3种生产办法比较高压法中压法低压法压力/kgcm-21000以上30-401-5温度/180-280125-15060以上催化剂微量O2或有机过氧化物金属氧化物如CrO3、MoO3Al(C2H5)3+TiCl4溶剂苯烷烃或芳香烃烷烃结晶度%649387密度/gcm30.91-0.9

6、30.96-0.970.94-0.97抗张强度/kgcm370-150290210-370断裂伸长率%90-8007050-100软化温度/14135120-130使用范围薄膜、包装材料、电线绝缘层桶、管电线绝缘层或包皮桶、管、塑料部件、电线绝缘层或包皮第10页第10页 聚乙烯是饱和碳氢化合物，结构与石蜡烃相同，因此化学性质非常稳定，除氧化性酸（如HNO3）外，它能耐大多数酸碱侵蚀，在60下列不溶于任何溶剂，又由于它分子链中不含有极性基团，因此吸水性极低并含有优良介电性能。 聚乙烯可用普通热塑性塑料加工办法成型，如可用吹塑法制成薄膜（大量用于食品袋等包装材料）；又如用挤出法制成各种管材、板材、

7、电线绝缘层；用挤出吹塑法制成各种瓶子、容器、玩具；用各种涂刮法将聚乙烯涂布于各种纸张或织物表面或喷涂于金属材料表面成为保护层。第11页第11页 聚乙烯主要缺点是易受热和氧作用而老化。把聚乙烯进行辐射处理，则分子链之间有了适当交联，是它保形性、回弹性、耐热性、电绝缘性等都有进一步改进。从而能够扩大应用到电容器等绝缘材料、飞机和湿度较高材料上等。它作用还在不断扩大。 聚氯乙烯是最早工业化塑料品种之一，现在仍是国内外应用最大塑料品种之一，如雨衣、鞋、提包、台布 是与日常生活关系最密切塑料。第12页第12页 由于电石生产中耗电量大，成本高，限制了聚氯乙烯生产发展。60 年代后，伴随石油工业发展，出现了

8、以乙烯为原料单体合成办法，如二氯乙烷法： 在50年代前，聚氯乙烯单体- 氯乙烯合成基本上采用电石路线：第13页第13页第14页第14页 我国当前仍有相称部分生产厂家以电石为原料生产聚氯乙烯。该法正在向石油路线法过渡。但对于电石起源不足，而全面向石油化工原料转换又不也许时，采用炔烯联合法对于实现原料过渡有积极作用。氯乙烯为无色低沸点气体（沸点-13）。 第15页第15页 工业上氯乙烯聚合工艺办法有4 种，即悬浮、乳液、本体、溶液。前两种产量最大。悬浮聚合成本低、产品质量好、用途广，适合于大规模生产，为当前世界各国生产聚氯乙烯最主要办法。乳液聚合速率快，易于连续化，体系稳定，产品粒度细，尽管它后处

9、理繁琐，含杂质多，树脂热稳定性、色泽不如悬浮法，但它在制造乳胶涂料、人造革和糊状树脂等方面，当前仍是最好办法。本体法工艺过程和所需设备均较简朴，生产周期短、成本低、收率高，当前产品虽不多，但很有发展前程。溶液聚合法因生产成本高、产量不大，仅在生产涂料等特殊需要时才用。 第16页第16页 聚氯乙烯树脂可用通常塑料加工方法加工成型（压延、挤塑、吹塑等），因为聚氯乙烯热稳定性差，在加工中会分解出少许氯化氢和氯乙烯气体。氯乙烯有致癌作用，而氯化氢又是深入使树脂分解催化剂，故在加工中除加入增塑剂以降低加工温度外，还要加入碱性稳定剂以克制树脂分解。惯用增塑剂有：邻苯二甲酸酯类、磷酸酯类；惯用稳定剂有：硬酯

10、酸铅、钡、锌盐。依据加入增塑剂量不同可加工成硬制品如板、管；软制品如薄膜、日用具。第17页第17页 聚氯乙烯塑料突出长处是耐化学腐蚀、不燃性和成本低、加工容易，故被广泛地用来制造农用、民用薄膜、导线、电缆、板材、管材、化工防腐设备、隔音绝热泡沫塑料大量包装材料、及日常生活用具等。它最主要缺点是耐热性差，材料在60以上就要变形，冲击强度韧性不够抱负，尚有一定毒性，因此聚氯乙烯普通树脂制品不适合用于食品包装。为克服上述缺点，可用共聚或共混办法加以改进，当前已出现了无毒聚氯乙烯树脂，可用于食品、药物包装等，扩大了它使用范围，值得注重和发展。 第18页第18页聚苯乙烯由于含有良好高频绝缘性并且透明无毒

11、，是当前产量仅次于聚乙烯和聚氯乙烯塑料品种，它单体苯乙烯主要是由苯烷基化而得到。 苯乙烯常温下是液体，它聚合方法可依据不同成品性质要求而不同。本体聚合为最普通一个，所得聚合物含有优良电绝缘性能，但因为反应热难控制，因而易使产物分子量分布较宽，第19页第19页部分残留单体包在聚合物中，造成聚合物易开裂“雾化”；溶液聚合法大多用于制造涂料；乳液聚合则多用于生产苯乙烯共聚物，如丁苯橡胶和ABS塑料（丙烯一丁二烯一苯乙烯三元共聚物）；悬浮聚合则是制造离子互换树脂“珠体”（苯乙烯一二乙烯共聚物）最有效办法。 聚苯乙烯有较好加工性能，它可采用惯用塑料加工办法制成薄膜、容器、玩具、发泡材料。聚苯乙烯薄膜含有

12、优良电绝缘性能，故惯用于电容器绝缘层和电器零件。它发泡材料含有密度小(0.33g/cm3) 和良好隔音、隔热、 防震性能而被广泛用作精密仪器包装和隔热材料。加工过程中，第20页第20页聚苯乙烯易与各种颜料拼合成色彩鲜艳制品，用来制造玩具和各种日用器皿。但它最大缺点是耐热性差，性脆，能溶于芳烃、卤化烃、醚、酮、汽油等溶剂中，故影响了它应用。因此当前有相称一部分聚苯乙烯不是单独用，而与丁二烯、丙烯、异丁烯、氯丁烯等共聚，如苯乙烯/丁二烯 = 25/75，即为耐磨丁苯橡胶。另外苯乙烯衍生物如： 第21页第21页 前者有很高强度，后者有较好耐热性，软化点高达240 260，比聚苯乙烯高出150 ，因此

13、很受注重。(3) 有机玻璃 聚甲基丙烯酸甲酯又称有机玻璃，它与普通硅玻璃完全是两类物质。它是当前最优秀透明材料，透光率达92%以上。普通硅玻璃如厚度超出15cm 时，隔着它就看不清东西，而隔着1m 厚有机玻璃观看物体还清楚可见。它不但晶莹剔透并且比普通硅玻璃轻二分之一，不易碎。第22页第22页把聚甲基丙烯酸甲酯在130 以上温度下用一定速度定向拉伸，可制得定向有机玻璃，用16mm 厚有机玻璃制作成战斗机顶罩，当遭到直径为10cm 炮弹袭击时炮弹只是穿过而不产生裂纹和锐角。如在聚合过程中加入各种色彩鲜艳着色剂和蚌壳珠光粉，则可制成五光十色有机玻璃纽扣和珠光钮扣。另外在光学仪器、建筑装饰方面也广泛

14、应用。 有机玻璃最大缺点是耐磨性差，需要经常打磨修理。同时它也不耐一些有机溶剂如卤代烃、酯等。 第23页第23页有机玻璃单体甲基丙烯酸甲酯是以丙酮、甲醇、氰化钠 、硫酸为原料合成：第24页第24页甲基丙烯酸甲酯可用悬浮法和本体法进行聚合。以悬浮聚合法并混入肉色色料制成聚甲基丙烯酸甲酯就是人们习用以久牙托粉。在工业上大量采用还是以本体聚合法生产有机玻璃。通常是把单体、引起剂、增塑剂、脱膜剂、色料放在反应器中低温预聚合，使大部分聚合热发散出来，这时聚合体积收缩也大部分完毕，然后把一定粘稠度预聚物灌入预先制好管、棒、板状等模子中，经长时间逐步升温完毕聚合。这样制得产品无气泡。本体聚合法反应周期较长，

15、越是厚玻璃，时间越长；若是反应不完全，有残留单体存在，会使产物物理机械性能变坏。第25页第25页 (4) ABS塑料 在合成塑料工艺中，出现了一个新技术，那就是共聚。共聚是加聚一个，单一单体加成聚合称为均聚，两种以上单体加成聚合就称为共聚。如ABS就是由丁二烯、苯乙烯、丙烯腈共聚而成。 利用共聚技术能够调整聚合物性能，这已成为创造新材料主要办法，如ABS塑料就是在聚苯乙烯改性基础上发展起来。第26页第26页聚苯乙烯有坚硬、透明、良好加工性能和电绝缘性等长处，但性脆和不耐高温。假如将含有较高强度、耐热、耐溶剂聚丙烯腈和含有较好弹性和耐冲击聚丁二烯一起共聚，制成ABS共聚物，则苯乙烯、丙烯腈、丁二

16、烯聚合物各自性能都保持下来，也就是说ABS塑料取得了它们综合性能。 ABS塑料可用苯乙烯 丙烯腈共聚物（简称AS树脂）与丁二烯 丙烯腈共聚物（丁胶乳）共混制得。也能够用苯乙烯、丙烯腈、丁二烯共聚制得。共聚法制得树脂质量比共混法好。 第27页第27页 ABS塑料被广泛用于制造电讯器材、汽车、飞机零部件及各种仪表外壳等。当前电视机、洗衣机等家用电器壳体部件已用ABS塑料。把它进行电镀，则可做成与金属镀件很难分辨光亮材料。 ABS塑料缺点主要是耐热、耐寒性能还不够好，使用温度范围在 - 40 95，耐光性也差，不透明。改进办法是提升树脂分子量与结晶度，可是耐热性提升到110。增长丁二烯含量，可提升耐

17、寒性。用部分氯代聚乙烯代替丁二烯组分共聚物（称ACS树脂），可改进耐日光性，若再加入第四组分 甲基丙烯酸甲酯共聚（共聚物称为MABS树脂），则透明度可达85%。因此可制成电视机荧屏、汽车照明配件、透明塑料板和各种容器等。第28页第28页 (5) 含氟塑料 含氟塑料主要指聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚全氟丙烯以及它们共聚物等 ：聚四氟乙烯 聚三氟氯乙烯 聚全氟丙烯第29页第29页其中聚四氟乙烯性能最优，用途最广。由于它不被任何酸、碱、王水及各种溶剂所腐蚀，素有“塑料王”美称。因而被广泛应用于制冷工业、化学工业、电器工业上。它在-269250温度范围内都可使用。聚四氟乙烯尚有一个特性是十分致密和光滑

18、，常被应用作机械工业中轴承材料。加上它还是耐高温塑料，涂在锅子表面就制成了不粘锅。但是在使用不粘锅时，必须注意两点，其一，要用木制锅铲，由于涂层极薄，铁铲容易将其破坏；其二，不粘锅不能空烧，也就是说，烧时候锅内必须有东西。由于尽管聚氟乙烯能耐高温，但还是耐不了空烧时高温。 第30页第30页 杜邦公司聚四氟乙烯商品名Teflon音译名为特氟龙。 聚四氟乙烯特性与其大分子结构密切相关： 分子中碳与氟以共价键结合，分子高度对称，支化也许性很小，因此，聚合物结晶度很高（93%-97%）。同时氟原子（体积与氢原子靠近）紧紧排布在碳链四周，使碳链不受到氧化剂或任何药物侵蚀。 第31页第31页 因为四氟乙烯

19、聚合热很大，因此它只能用乳液法或悬浮法聚合，而不能用本体聚合方法。又因为它几乎不溶，故其加工成型方法也很独特，比如先将聚合物细粉放在模具中冷压成一定形状，再在高温（360 380）烧结成型，然后再利用烧结后冷却速度不同来控制结晶度，从而可制得不同柔韧程度塑料。优点：不被任何酸、碱、王水及各种溶剂所腐蚀；十分致密和光滑；耐高温（使用温度范围-269250）。第32页第32页 应用：制冷工业、化学工业、电器工业上；机械工业中轴承材料；涂在锅子表面就制成了不粘锅。 由于聚四氟乙烯制备所需资源缺乏，产品成本高，限制了它应用。 (6) 工程塑料A 聚碳酸酯 聚碳酸酯惯用合成办法有两种：一个是用碳酸二苯酯

20、与双酚A丙烷（又称双酚A）酯互换反应；另一个是用双酚A与光气进行缩合反应。第33页第33页第一个办法：第34页第34页第二种办法：双酚A与光气进行缩合反应：第35页第35页 第一个办法中反应可逆，不需加溶剂。若用碱作催化剂，反应速度加快，但容易发生副反应；若用酸作催化剂，反应容易完毕，生成树脂聚合度高，但反应需在较高温度和减压条件下进行，蒸除副产物苯酚。 第二种办法中反应生成HCl被碱吸取，反应后必须除去无机盐类，以免树脂高温时老化。第36页第36页聚碳酸酯特点：热塑性塑料、透明度达90%、有良好机械性能和电绝缘性能、抗冲击强度（比尼龙大两倍）和抗热性能大大超出其它塑料、使用温度范围广（软化温

21、度260 370、脆化点Tb 在138、玻璃化温度 Tg 为149）、吸水性小。 因此聚碳酸酯可用普通热塑性塑料加工办法进行加工，如注塑、挤压等。但加工成型困难，加工成品易应力开裂。应用：齿轮、电器零件、及精密零件、电动仪器盒子、机器套子、安全帽、全塑自行车架、航空航天部件、代替玻璃、木材、合金。第37页第37页B. 聚砜 聚砜是由双酚A和4，4二氯二苯砜缩聚而成，其反应式和链节结构为：第38页第38页 聚砜是1965年出现新型热塑性工程塑料，其主链结构中有许多重复 （砜基）基团，和交迭对苯基。 聚砜含有高硬度、高抗冲强度、突出抗蠕变性和尺寸稳定性；还含有优良电性能、耐热性和耐低温性，比如最高使用温度可达150160，短期可达195，在-100可长期使用。聚砜能够用于机械、电气、电子仪器和汽车工业部门中，如作耐高温、高强度、抗蠕变结构材料；还可用于航空、航天等国防尖端部门。第39页第39页 1967年以后，又出现了新型耐高温工程塑料聚芳砜，如聚苯醚砜和聚链苯醚砜。第40页第40页聚芳砜特点：很高力学强度、硬度、耐磨性、耐热（耐高温性能可与聚酰亚胺相媲美，并且成本也低，能在260下长期