1、第六讲 合成高分子材料,合成材料是人们运用化学方法人工合成出的材料，大致可分为无机合成材料和有机合成材料。本章介绍的合成高分子材料属于有机合成材料。,第一节 高分子的结构和特性,1 高分子 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。天然高分子 ：淀粉、纤维素、棉、麻、丝、毛 ；蛋白质、糖类、核酸 合成高分子 ：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺(尼龙),聚乙烯,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
2、目。,2 高分子的原料和合成方法,原料 ：淀粉类如薯类、植物种子、橡子等;煤；石油 具体的合成方法有加成聚合、缩合聚合和共聚合等 加成聚合反应 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。,加成聚合的方式,聚氯乙烯分子进行加成聚合反应时，可能产生三种情况：头头、尾尾连接；头尾连接；混乱无序连接，如图所示。(a) 头头、尾尾连接,(b) 头尾连接,(c) 无规则连接,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。,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
3、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。,尼龙-66又称聚酰胺。用己二胺和己二酸作为单体，这两种单体分子之间通过脱水缩合，最终形成长链状大分子聚合物，它的商品名称叫尼龙-66或锦纶-66。,“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。,共聚合反应,将两种或两种以上不同的单体进行聚合，这种聚合物叫做共聚物。共聚物中单体单元的结构、数
4、量和排列方式会影响共聚物的物理性能。例如聚丙烯腈(腈纶)性如羊毛，但着色性差，若用1 的丙烯基磺酸钠与之共聚合后，腈纶纤维就可染成各种颜色。又如将丙烯腈(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(S)进行共聚合制得的ABS树脂，是一种综合性能极好的三元共聚物。,3 合成高分子的结构、特性和命名,结构 :线型长链状不带支链的、带支链的和体型网状的 .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
5、料。,高分子 特点,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。相对密度在12之间，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。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15倍，比钛钢大l倍。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“塑料王”聚四氟乙烯，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
6、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，高分子可以抗辐射。,合成高分子的命名，一种是在单体前加“聚”宇，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。,第二节 合成高分子材料,1 塑料 塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。 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,低压聚乙烯适合做强度、硬度较高的塑料制
7、品，如桶、瓶、管、棒等。 高压聚乙烯，又称低密度聚乙烯。适合做食品包装袋、奶瓶等软塑料制品。工程塑料 可作为工程材料和代替金属用的塑料。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。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-200250 C范围内长期使用，在宇航、冷冻、化工、电器、医疗
8、器械等工业部门都有广泛的应用。,2 合成纤维,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、缆绳等。涤纶的分子链结构中含有酯基(COOR)，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
9、、降落伞、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。这些优越的性能是由结构决定的。聚酰胺分子链中存在酰胺基(CONH2)，分子链之间通过氢键的作用，使分子链之间的作用力大为加强，保证了织物的强度。,3 合成橡胶,橡胶分天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶的基本组成是异戊二烯。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。丁二烯来源丰富，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。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
10、是顺丁橡胶，占15 ；此外还有异戊橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等，它们都属通用橡胶。 特种橡胶是在特殊条件下使用的橡胶，它们有特殊的性质，如硅橡胶是以硅氧原于取代主链中的碳原子形成的一种特种橡胶，它柔软、光滑，能耐高温，可承受高温消毒而不变形。,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，易产生永久变形。加入硫磺与橡胶分子作用，可使橡胶硫化。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。,第三节 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
11、要求，这类高分子通称为功能高分子。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,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，分子中存在共轭键体系，电子可以在整个共轭体系中自由流动，因此可以导电。随后，又发现聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、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人市场，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
12、多年历史。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。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,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。 目前己提出生物降解、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,高吸水性高分子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
13、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。,第四节 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二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。,高分子(塑料、树脂)、金属、陶瓷等材料都可以作为
14、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。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。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
15、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。,碳纤维增强塑料,目前制备碳纤维的方法是将聚丙烯腈合成纤维在200300 C的空气中加热使其氧化，然后，在10001500 C 的惰性气体中碳化，即可得到强度很高的碳纤维。用沥青为原料也可制成碳纤维，成本比用聚丙烯腈降低约50 。碳纤维原料来源广、成本低、性能好，是很有发展前途的增强材料。,碳纤维增强塑料可以根据使用温度的不同选择不同的树脂基体。如环氧树脂使用温度为150200 C ；聚双马来酰亚胺为200
16、250 C ；而聚酰亚胺在300 以上。这类热固性树脂的碳纤维复合材料较多应用于制造航天飞行器外壳或火箭喷管的耐烧蚀材料中。新一代的运动器材如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑雪杖、滑雪板、撑杆、弓箭等都采用碳纤维增强塑料来做，为运动员创造世界记录做出了贡献。,2 纤维增强金属基复合材料,树脂基复合材料的耐热性低，一般不超过300 ，且不导电，导热性也较差，这就限制了它们在某些条件下的使用。而金属基复合材料恰好在这些方面具有优势，成为各国竟相发展的新材料。 主要使用硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维。基体金属用得较多的是铝、镁、钛及某些合金。,碳纤维是金属基复合材料中应用最广泛的增强材料。碳
17、纤维增强铝具有耐高温、耐热疲劳、耐紫外线和耐潮湿等性能，适合于在航空、航天领域中做飞机的结构材料。硼纤维增强铝也用于空间技术和军事方面。碳化硅纤维增强铝比铝轻10 ，强度高10 ，刚性高一倍，具有更好的化学稳定性、耐热性和高温抗氧化性。它们主要用于汽车工业和飞机制造业。用碳化硅纤维增强钛做成的板材和管材已用来制造飞机垂尾、导弹壳体和空间部件。,3 纤维增强陶瓷基复合材料,随着对高温高强材料的要求愈来愈高，人们转向研制陶瓷基复合材料。基体陶瓷大体有Al2O3，MgOAl2O3，SiO2，Al2O3ZrO2，Si3N4，SiC等。增强材料有碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须。所谓晶须就是由晶体生长形成的针状短纤维。纤维增强陶瓷可以增加陶瓷的韧性，这是解决陶瓷脆性的途径之一。由纤维增强陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘接剂贴在航天飞机机身上，使航天飞机能安全地穿越大气层回到地球上。,复 习 题,1. 举例说明什么是天然材料和合成材料。2. 下列聚合物的商品名叫什么? 聚丙烯腈，聚甲基丙烯酸甲酯，聚酰胺，聚对苯二甲酸二乙酯3什么是硫化剂?橡胶为什么需要硫化?,
