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第五章 合成高分子
第二節(jié) 高分子材料
教學(xué)目標(biāo)
1、教學(xué)目標(biāo)
1) 通過對(duì)高分子材料的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步鞏固加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)的認(rèn)知思路，認(rèn)識(shí)塑料、橡膠和合成纖維的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
2) 通過對(duì)比分析線型、支鏈和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)材料性質(zhì)的影響，了解高分子與有機(jī)小分子的主要不同之處。擴(kuò)展并完善對(duì)有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。
3) 通過不同條件下合成酚醛樹脂的實(shí)驗(yàn)探究，進(jìn)一步體會(huì)“化學(xué)反應(yīng)是可控制的”“條件不同產(chǎn)物不同”等化學(xué)觀念，在實(shí)驗(yàn)中直觀感受微觀的線型結(jié)構(gòu)與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)材料宏觀性質(zhì)的影響。
4) 通過高分子材料吸水性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，體會(huì)通過分析微觀結(jié)構(gòu)解釋化學(xué)性質(zhì)的思路，以及結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用之間的關(guān)系；體驗(yàn)功能導(dǎo)向的高分子材料合成的價(jià)值，了解新型高分子材料的優(yōu)異性能及其在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
教學(xué)目標(biāo)
2、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)
1) 重點(diǎn)：三大合成材料的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
2) 難點(diǎn)：功能高分子的結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響。
導(dǎo)入新課
隨著人類不斷的文明和進(jìn)步，人對(duì)天然材料的利用已不能滿足很多方面的需要，于是就發(fā)生了一場材料的革命 — 人工合成材料。
第一個(gè)完全人工合成的高分子聚合物酚醛樹脂于1910年開始投入生產(chǎn)。
三大“合成材料”的塑料、合成纖維和合成橡膠已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，成為現(xiàn)代化建設(shè)不可缺少的材料。
導(dǎo)入新課
高分子材料的分類 — 按用途和性能
通用高分子材料
功能高分子材料
高分子材料
塑料、合成纖維、合成橡膠、黏合劑、涂料等
高分子分離膜、導(dǎo)電高分子、醫(yī)用高分子、高吸水性樹脂等
一、通用高分子材料
1、塑料
1) 塑料的成分
合成樹脂
加工助劑
塑料的成分
塑料的主要成分是合成樹脂
樹脂：指未加工處理的聚合物
舉例：增塑劑、熱穩(wěn)定劑、著色劑等
作用：改善塑料的性能，以適應(yīng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活需求
2) 塑料的分類
類型
熱塑性塑料
熱固性塑料
特征
種類
可反復(fù)加熱熔融加工
不能加熱熔融，只能一次成型
聚乙烯、聚苯乙烯等
酚醛樹脂、脲醛樹脂等
一、通用高分子材料
1、塑料
3) 常見的塑料
Ⅰ ) 聚乙烯(PE)的制備
n CH2＝CH2 CH2 CH2
聚乙烯
催化劑
加熱、加壓
[ ]
n
①聚乙烯
Ⅱ ) 高壓法聚乙烯和低壓法聚乙烯的比較 (合成方法)
一、通用高分子材料
Ⅱ ) 高壓法聚乙烯和低壓法聚乙烯的比較 (合成方法)
高壓法聚乙烯
低壓法聚乙烯
聚合反應(yīng)條件
高分子鏈結(jié)構(gòu)
鏈間的疏密遠(yuǎn)近
相對(duì)分子質(zhì)量
鏈間的作用力
密度(g cm 3)
軟化溫度(oC)
主要性能
主要用途
較高壓力、溫度，使用引發(fā)劑
較低壓力、溫度，使用催化劑
含有較多短長不一的支鏈
支鏈較少
相對(duì)疏而遠(yuǎn)
相對(duì)進(jìn)而密
相對(duì)小
相對(duì)大
相對(duì)較小
相對(duì)較大
0.9~0.93(又稱低密度聚乙烯)
0.94~0.97(又稱高密度聚乙烯)
105~120(相對(duì)低)
120~140(相對(duì)高)
無毒、較柔軟
無毒、輕硬
食品包裝袋、薄膜、絕緣材料
生產(chǎn)瓶、桶、板、管等
一、通用高分子材料
高分子鏈越長→相對(duì)分子質(zhì)量越大→高分子鏈之間的作用力越大→熔點(diǎn)、密度越高
高分子鏈之間越密→鏈之間易于接近→高分子鏈之間的作用力越大→熔點(diǎn)、密度越高
思考：為什么低密度聚乙烯比高密度聚乙烯的熔點(diǎn)低、密度也低呢？
資料卡片P135 — 高分子的命名(自己閱讀整理)
一、通用高分子材料
②酚醛樹脂：
用酚(如苯酚或甲苯酚等)與醛(如甲醛)在酸或堿的催化下相互縮合而成的高分子。
教材P136·實(shí)驗(yàn)5 1 酚醛樹脂的制備及性質(zhì)
1) 在試管中加入2g苯酚，3mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的甲醛溶液和3滴濃鹽酸，在沸水浴中加熱，當(dāng)試管中反應(yīng)物接近沸騰時(shí)，從沸水浴中取出試管，并用玻璃棒攪拌，觀察產(chǎn)物的顏色和狀態(tài)。
2) 在另一試管中加入2g苯酚和3mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的甲醛溶液，置于水浴中加熱片刻，稍加振蕩后，加入0.5mL濃氨水，注意與(1)中酸催化聚合反應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)行比較。
實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
(1)
(2)
液體變渾濁，有黏稠物質(zhì)生成
苯酚與甲醛在酸或堿作用下均發(fā)生縮聚反應(yīng)生成酚醛樹脂
一、通用高分子材料
②酚醛樹脂
酸催化合成：在酸催化下，等物質(zhì)的量的苯酚與甲醛反應(yīng)，苯酚鄰位或?qū)ξ坏臍湓优c甲醛的羰基加成生成羥甲基苯酚。
OH
＋ H C H
O
H＋
OH
CH2OH
羥甲基苯酚之間相互脫水縮合成線型結(jié)構(gòu)的高分子
H＋
OH
CH2OH
n
OH
CH2 OH
H
[ ]　　
n
＋(n 1)H2O
一、通用高分子材料
②酚醛樹脂
堿催化合成：在堿催化下，苯酚或過量的甲醛反應(yīng)，生成羥甲基苯酚的同時(shí)，還生成二羥甲基苯酚、三羥甲基苯酚等，繼續(xù)反應(yīng)就可以生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂。
2,4-二羥甲基苯酚
OH
CH2OH
CH2OH
2,4,6-三羥甲基苯酚
OH
CH2OH
CH2OH
HOH2C
一、通用高分子材料
(2019 北京卷)交聯(lián)聚合物P的結(jié)構(gòu)片段如圖所示。下列說法不正確的是(圖中 表示鏈延長) ( )
A．聚合物P中有酯基，能水解
B．聚合物P的合成反應(yīng)為縮聚反應(yīng)
C．聚合物P的原料之一丙三醇可由
油脂水解獲得
D．鄰苯二甲酸和乙二醇在聚合過程
中也可形成類似聚合物P的交聯(lián)結(jié)構(gòu)
一、通用高分子材料
②酚醛樹脂
酚醛樹脂的性質(zhì)及用途
性質(zhì)
用途
具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子受熱后不能軟化或熔融，也不溶于一般溶劑。因此，酚醛樹脂具有優(yōu)良的絕緣性、耐腐蝕性等。
酚醛樹脂主要用作絕緣、隔熱、阻燃、隔音材料和復(fù)合材料。可用于生產(chǎn)烹飪器具的手柄，一些電器與汽車的零部件，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、返回式衛(wèi)星和宇宙飛船外殼等的燒蝕材料
一、通用高分子材料
2、合成纖維
1) 纖維的分類
天然纖維
化學(xué)纖維
纖維
植物纖維：如棉花、麻等(主要成分纖維素)
動(dòng)物纖維：如羊毛、蠶絲等(主要成分蛋白質(zhì))
再生纖維：如黏膠纖維、大豆蛋白纖維等
合成纖維：如聚酯纖維、聚酰胺纖維等
注意：1) 化學(xué)纖維：通過化學(xué)方法處理并加工而得到的纖維；
2) 再生纖維：以木材、秸稈等天然纖維為原料，經(jīng)加工處理制得的纖維；
3) 合成纖維：以石油、天然氣、煤、農(nóng)副產(chǎn)品等為原料，將其轉(zhuǎn)化為單體，再經(jīng)聚合反應(yīng)制得的纖維。
一、通用高分子材料
2、合成纖維
2) 合成纖維的性能和用途
性能
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
改進(jìn)方法
用途
吸濕性和透氣性明顯不及天然纖維(維綸吸濕性較好)
強(qiáng)度高、彈性好、耐腐蝕、不縮水、保暖
將天然纖維和合成纖維混合紡織，得到的混紡纖維實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)，性能更加優(yōu)良
合成纖維除滿足人們的穿著需求外，還廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和高科技領(lǐng)域。如工業(yè)用的隔音、隔熱、絕緣材料，漁業(yè)用的漁網(wǎng)、纜繩，醫(yī)療用的縫合線、止血棉，航天用的降落傘、航天服等
一、通用高分子材料
3) 重要的合成纖維
①聚酯纖維——滌綸
乙二醇 (HOCH2CH2OH)
(HO C
O
C OH)
O
單體：
對(duì)苯二甲酸
O
nHO C
濃硫酸
Δ
O
C OH＋nHO CH2 CH2 OH
合成原理：
O
HO—C
O
C O CH2CH2O—H
[ ]
n
＋(2n 1) H2O
一、通用高分子材料
①聚酯纖維——滌綸
O
nHO C
濃硫酸
Δ
O
C OH＋nHO CH2 CH2 OH
合成原理：
O
HO—C
O
C O CH2CH2O—H
[ ]
n
＋(2n 1) H2O
性能：
用途：
強(qiáng)度大、耐磨、易洗、快干、保形性好，但吸濕性和透氣性差
大量用于服裝和床上用品、各種裝飾布料、國防軍工特殊織物(航天服、降落傘)、工業(yè)用纖維制品等
一、通用高分子材料
3) 重要的合成纖維
②聚酰胺纖維：
由二元或多元胺與二元或多元羧酸縮合而形成的高分子纖維稱為聚酰胺纖維
脂肪族聚酰胺纖維：錦綸(聚己二酰己二胺纖維)
合成原理：
濃硫酸
Δ
O
nHO C(CH2)4C OH
O
nH2N (CH2)6 NH2 ＋
O
H—O C(CH2)4C HN(CH2)6NH—H
O
[ ]
n
＋(2n 1) H2O
一、通用高分子材料
脂肪族聚酰胺纖維：錦綸(聚己二酰己二胺纖維)
合成原理：
濃硫酸
Δ
O
nHO C(CH2)4C OH
O
nH2N (CH2)6 NH2 ＋
O
H—O C(CH2)4C HN(CH2)6NH—H
O
[ ]
n
＋(2n 1) H2O
特性：
用途：
不溶于普通溶劑、熔化溫度高于260oC、拉制的纖維具有天然絲的外觀和光澤，耐磨，強(qiáng)度大等
用于生產(chǎn)絲襪、降落傘、漁網(wǎng)、輪胎簾子線等
一、通用高分子材料
3) 重要的合成纖維
②聚酰胺纖維：
由二元或多元胺與二元或多元羧酸縮合而形成的高分子纖維稱為聚酰胺纖維
脂肪族聚酰胺纖維：錦綸(聚己二酰己二胺纖維)
O
H—O C(CH2)4C HN(CH2)6NH—H
O
[ ]
n
芳香族聚酰胺纖維：芳綸
O
H—HN
O
C—OH
[ ]
n
NH C
一、通用高分子材料
3、合成橡膠
1) 合成橡膠的原料及性能
原料
性能
以石油、天然氣為原料，以烯烴和二烯烴為單體聚合而成的高分子
具有高彈性、絕緣性、氣密性，耐磨、耐油、耐寒、耐熱、耐腐蝕
2) 順丁橡膠
①順丁橡膠的合成原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
C＝C
n
H
CH2
CH2
H
合成原理：nCH2＝CH2 CH2＝CH2
催化劑
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：分子呈線型結(jié)構(gòu)，分子鏈較柔軟，性能較差
一、通用高分子材料
②順丁橡膠的硫化：
將順丁橡膠與硫等硫化劑混合后加熱，硫化劑將聚合物中的碳碳雙鍵打開，以二硫鍵( S S )等與碳原子結(jié)合，把線型結(jié)構(gòu)連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到既有彈性又有強(qiáng)度的順丁橡膠
應(yīng)用：用于制造輪胎
一、通用高分子材料
3) 天然橡膠簡介：
天然橡膠有兩種，一種是巴西三葉橡膠樹產(chǎn)出的橡膠，通常稱為天然橡膠；另一種是杜仲數(shù)產(chǎn)出的橡膠，稱為杜仲膠或古塔波膠。
C＝C
n
H
CH2
CH2
H
天然橡膠
順式聚異戊二烯
C＝C
n
H
CH2
CH2
H
杜仲膠
反式聚異戊二烯
二、功能高分子材料
1、功能高分子材料的含義
在天然或合成高分子的主鏈或支鏈上引入某種功能原子團(tuán)，使其具有特殊的功能，滿足化學(xué)、物理或醫(yī)學(xué)等方面的功能要求，這類高分子稱為功能高分子。
功能高分子
化學(xué)功能高分子
物理功能高分子
生物功能高分子
功能轉(zhuǎn)換型高分子
二、功能高分子材料
功能高分子
化學(xué)功能高分子
物理功能高分子
生物功能高分子
功能轉(zhuǎn)換型高分子
如電致發(fā)光高分子、光致變色高分子、形狀記憶樹脂等
如高分子藥物、軟組織替代高分子等
如發(fā)光高分子、導(dǎo)電高分子、高傳導(dǎo)熱高分子、吸聲高分子等
如高分子試劑、高分子催化劑、離子交換膜等
二、功能高分子材料
2、高吸水性樹脂
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
性能
制取方法
用途
(1)含強(qiáng)親水基團(tuán)，如羧基、羥基、酰胺基；(2)具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)
不溶于水，也不溶于有機(jī)溶劑，吸水性好，與水接觸后在很短的時(shí)間內(nèi)溶脹，可吸收其自身質(zhì)量數(shù)百倍甚至上千倍的水，同時(shí)保水性好，且耐擠壓
(1)改造纖維素或淀粉分子，接入強(qiáng)親水基；(P141)
(2)合成新的帶有強(qiáng)親水基團(tuán)的高分子。(P142)
高吸水性樹脂用于干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)、林業(yè)抗旱保水，改良土壤
二、功能高分子材料
3、高分子分離膜
1) 高分子分離膜簡介
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
類型
生產(chǎn)材料
用途
一般只允許水及一些小分子物質(zhì)通過，其余物質(zhì)則被截留在膜的另一側(cè)，形成濃縮液，達(dá)到對(duì)原液凈化、分離和濃縮的目的
根據(jù)膜孔大小的不同，分離膜可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜等，可用于分離不同的物質(zhì)
主要是有機(jī)高分子材料，如醋酸纖維、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚丙烯等
廣泛用于海水淡化、飲用水的制取，以及果汁濃縮、乳制品加工、藥物提純、血液滲析等領(lǐng)域
二、功能高分子材料
3、高分子分離膜
2) 高分子分離膜的分離原理

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