資源簡介

(共48張PPT)
5.2 高分子材料
核心素養目標
宏觀辨識與微觀探析
學生能夠從宏觀上認識高分子材料在生活、生產和科技領域的廣泛應用，如常見的塑料制品、合成纖維制成的衣物等；從微觀角度理解高分子材料的結構特點，包括高分子鏈的結構、鏈之間的相互作用等，以及這些微觀結構如何決定其宏觀性能，如高分子鏈的長短、支鏈情況對材料熔點、密度和硬度的影響。
證據推理與模型認知
基于實驗事實和理論知識，對高分子材料的組成、結構及其變化提出合理假設，例如根據高分子材料的性能推測其可能的結構；通過建立高分子鏈的結構模型、聚合反應的機理模型等，來解釋高分子材料的性質和合成過程。
核心素養目標
科學探究與創新意識
具備科學探究的意識和能力，能夠通過實驗探究高分子材料的性能，如探究不同交聯程度對橡膠彈性的影響；在學習過程中，鼓勵提出有探究價值的問題，如如何改進高分子材料的性能以滿足特殊需求，設計實驗方案進行探究，培養創新意識和實踐能力 。
科學態度與社會責任
在實驗探究中養成嚴謹求實的科學態度，嚴格遵守實驗規則，如實記錄實驗現象和數據；關注高分子材料在社會發展中的作用，以及其對環境可能造成的影響，如 “白色污染” 問題，培養可持續發展的觀念和社會責任感。
學習重難點
重點
1.高分子材料的分類，如通用高分子材料（塑料、合成纖維、合成橡膠等）和功能高分子材料（高吸水性樹脂、高分子分離膜等）的特點和應用。
2.常見高分子材料的結構特點，如聚乙烯、酚醛樹脂等的分子結構，以及這些結構與材料性能之間的關系 。
難點
1.從微觀角度理解高分子材料的結構復雜性。
2.設計并實施高分子合成實驗，培養學生的科學探究能力，在實驗過程中，學生需要掌握實驗操作技能、數據處理方法以及對實驗結果的分析和解釋。
課前導入
這些生活中隨處可見的材料，其實都屬于“高分子材料”。它們不僅輕便、耐用，還廣泛應用于各個領域。今天，我們就一起揭開高分子材料的神秘面紗，探索它們的結構、性能以及如何改變我們的生活！
高分子的命名與分類
PART 01
1.高分子的命名
（1）天然高分子一般有習慣使用的專有名稱，如淀粉、纖維素、蛋白質、RNA、DNA等。
（2）合成高分子的名稱一般在單體名稱前加上“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯等。
由兩種單體聚合而成的高聚物的命名法
在縮合產物或兩種單體前加“聚”，如聚對苯二甲酸乙二酯等
在兩種單體名稱后加上“樹脂”，如脲醛樹脂（由尿素與甲醛合成）等
（3）合成橡膠的名稱通常在單體名稱后加上“橡膠”，如乙(烯)丙(烯)橡膠、順丁(二烯)橡膠。
（4）合成纖維的名稱常用“綸”，如滌綸(聚對苯二甲酸乙二酯纖維)、氯綸(聚氯乙烯纖維)。
2.高分子材料的分類
按來源分類
高分子材料
天然高分子材料
合成高分子材料
按來源分類
通用高分子材料：塑料、合成纖維、合成橡膠、黏合劑、涂料等
功能高分子材料：高分子分離膜、醫用高分子、高吸水性樹脂等
按鏈的連接形式分類
線型高分子材料：高分子為鏈狀
支鏈型高分子材料：高分子主鏈帶有長短不一的支鏈
網狀高分子材料：高分子鏈之間形成化學鍵，產生關聯，形成網狀結構
按受熱時的不同行為分類
熱塑性高分子材料
熱固性高分子材料
一般地，線型高分子具有熱塑性，網狀高分子具有熱固性
通用高分子材料
PART 02
1.塑料
（1）塑料的成分
合成樹脂——主要成分
塑料的成分
加工助劑
舉例：增塑劑、熱穩定劑、著色劑等
作用：改善塑料的性能
1.樹脂是指未加工處理的聚合物，沒有添加各種加工助劑，而塑料是由合成樹脂及各種加工助劑組成的，塑料的主要成分是合成樹脂。這兩個名詞有時也混用，因為有些塑料基本上是由合成樹脂組成的，不含或含少量其他加工助劑，如有機玻璃、聚乙烯、聚苯乙烯等。
2.塑料的基本性能主要取決于樹脂的性質，但加工助劑也起著重要作用。
著色劑
增塑劑
熱穩定劑
1.塑料
（2）塑料的種類
類型 特征 舉例
熱塑性塑料 可以反復加熱熔融加工 聚乙烯、聚氯乙烯等
熱固性塑料 不能加熱熔融，只能一次成型 酚醛樹脂、脲醛樹脂等
聚乙烯
酚醛樹脂
聚氯乙烯
可反復加熱熔融
不能加熱熔融，只能一次成型
長鏈狀的線型結構
體型（網狀）結構
2.常見的塑料
（1）聚乙烯
聚乙烯具有及其廣泛的用途，按合成方法可分為高壓法聚乙烯和低壓法聚乙烯。高壓法聚乙烯是在較高壓力與較高溫度，并在引發劑作用下，使乙烯發生加聚反應得到的，含有較多支鏈，密度和軟化溫度較低，屬于低密度聚乙烯。低壓法聚乙烯是在較低壓力和溫度下，用催化劑使乙烯發生加聚反應得到的，支鏈較少，密度和軟化溫度較高，屬于高密度聚乙烯。
低密度聚乙烯
高密度聚乙烯
2.常見的塑料
比較項目 高壓法聚乙烯 低壓法聚乙烯
聚合反應條件 150 MPa～300 MPa,200 ℃左右，使用引發劑 0.1 MPa～2 MPa,60～100 ℃，使用催化劑
高分子鏈的結構 含有較多支鏈 支鏈較少
密度/ (g·cm－3) 0.91～0.93 0.94～0.97
軟化溫度/℃ 105～120 120～140
主要性能 無毒，較柔軟 無毒，較硬
主要用途 生產食品包裝袋、薄膜、絕緣材料等 生產瓶、桶、板、管等
高壓法聚乙烯與低壓法聚乙烯的對比
2.常見的塑料
高壓聚乙烯 低壓聚乙烯
分子結構類型 支鏈型 線型
類別
相對分子質量 相對_____ 相對_____
熔融溫度 相對_____ 相對_____
密度 相對_____ 相對_____
硬度 相對_____ 相對_____
較小
較低
較小
較小
較大
較高
較大
較大
低密度聚乙烯
高密度聚乙烯
聚乙烯分子結構與其軟化溫度、密度之間的關系
1.聚乙烯的軟化溫度、密度與高分子鏈之間的作用力有關。高分子鏈之間的作用力越大，聚乙烯的軟化溫度越高、密度也越高。
高分子鏈越長
高分子鏈之間越密
相對分子質量越大
鏈之間易于接近
高分子鏈之間的作用力越大
軟化溫度、密度越高
2.常見的塑料
2.組成和結構相似的分子，相對分子質量越大，分子間作用力越大。低密度聚乙烯和高密度聚乙烯的結構相似，與高密度聚乙烯相比，低密度聚乙烯的高分子鏈較短，主鏈有較多長短不一的支鏈，因此高分子鏈之間的作用力較小，軟化溫度、密度都較低。
總結：
高壓→低密度、低軟化溫度、較軟→塑料薄膜、食品包裝紙；
低壓→高密度、高軟化溫度、較硬→瓶、桶、板、管等。
2.常見的塑料
（2）聚乙烯的彈性
常溫下聚乙烯分子鏈上的碳碳單鍵可以旋轉
分子鏈常呈卷曲狀態
卷曲的高分子鏈被拉直或部分被拉直
恢復卷曲狀態
因此，一般的高分子材料都具有一定的彈性
（3）通過改進聚合反應的催化劑，現已得到超高相對分子質量的聚乙烯，其具有高強度和高耐磨性，使用溫度范圍廣，耐化學腐蝕，可用于制造防彈服、防彈頭盔、繩纜等。
2.常見的塑料
聚乙烯塑料制成成品的過程中，為了產品的外觀和某些性能，通常需要加入添加劑。如：聚氯乙烯是一種無色、硬質、耐熱性差的材料。為改善它的性能，提高實用價值，需要加入以下加工助劑：為提高柔韌性加入增塑劑，為提高耐熱性加入熱穩定劑，為賦予它各種漂亮的顏色加入著色劑……加入加工助劑后的聚氯乙烯可以制成雨衣、桌布和各種管材、板材等產品。
聚氯乙烯薄膜能用于食品包裝嗎？
并非所有的塑料都能用與食品或藥品包裝；使用中除了考慮原料本身是否有毒性外，還需要考慮加入的添加劑的性質，用于食品和藥品包裝的塑料制品一定要注意食品安全問題。
聚氯乙烯本身較硬，需加入增塑劑（大多有毒），室溫下，增塑劑小分子會逐漸“逃逸”出來。
3.酚醛樹脂
（1）含義：是用酚和醛在酸或堿的催化作用下相互縮合而成的高分子。
（2）制備和結構
苯酚、甲醛
縮合反應
酸
堿
高分子
線型
高分子
網狀
【實驗探究】酚醛樹脂的制備和性質實驗
3.酚醛樹脂
（1）在大試管中加入2g苯酚、3ml質量分數為40%的甲醛溶液和3滴濃鹽酸，在水浴中加熱。當試管中反應物接近沸騰時，從水浴中取出試管，并用玻璃棒攪拌,觀察產物的顏色和狀態。
（2）在另一大試管中加入2g苯酚和3 mL質量分數為40%的甲醛溶液，置于水浴中加熱片刻，稍加振蕩后，加入0.5 mL濃氨水，在水浴中加熱，注意與（1）中酸催化的聚合反應進行比較。
苯酚與甲醛在酸性加熱條件下反應，溶液變渾濁，攪拌后冷卻、混合物分層，傾去上層水，取下層白色固體，向其中加入乙醇，再水浴加熱，白色固體溶解。
3.酚醛樹脂
水浴加熱
【實驗現象】
苯酚與甲醛在堿性加熱條件下反應，生成黃色粘稠狀固體。
【實驗結論】
苯酚與甲醛在酸或堿催化作用下，均可以發生縮聚反應生成樹脂。
+乙醇,
加熱
3.酚醛樹脂
在酸催化下，等物質的量的苯酚與甲醛反應，苯酚鄰位或對位的氫原子與甲醛的羰基加成生成羥甲基苯酚，然后羥甲基苯酚之間相互脫水縮合成線型結構的高分子。
在堿催化下，苯酚與過量的甲醛反應，生成羥甲基苯酚的同時，還生成二羥甲基苯酚、三羥甲基苯酚等，繼續反應就可以生成網狀結構的酚醛樹脂。
3.酚醛樹脂
通過以上學習，我們了解到合成高分子的結構大致可以分為三類：線型結構、支鏈型結構和網狀結構，你能舉例說明它們各自的特性嗎
結構 結構特點 性質特點
線型
支鏈型
網狀
沒有支鏈的長鏈分子，且大多數呈卷曲狀
受熱熔化，冷卻后固化，具有熱塑性
主鏈上有長支鏈和短支鏈，分子排列松散，分子間作用力弱
柔軟度和溶解度較線型高分子的大,密度、強度和軟化溫度低于線型高分子
線型或支鏈型高分子以化學鍵交聯,形成網狀結構
柔軟度降低,剛性提高,不能熔融,在溶劑中會發生溶脹,但不能溶解
3.酚醛樹脂
尿素（H2NCONH2）可以與甲醛發生反應，最終縮聚成具有線型或網狀結構的脲醛樹脂。脲醛樹脂可用于生產木材黏合劑、生活器具和電器開關。
請寫出尿素與甲醛反應得到線型聚合物的化學方程式。
H2N－C－NH2
O
=
H－C－H
O
=
+
n
2n
H－O－CH2－NH－C－NH－CH2－OH
O
=
n
+
(n-1)H2O
3.合成纖維
纖 維
化學纖維
再生纖維：利用天然高分子化合物，經過一系列的化學處理和機械加工而制得的纖維，也叫人造纖維。如粘膠纖維等
合成纖維：用石油、天然氣、煤和農副產品等不含天然纖維的物質為原料加工制得單體，經聚合反應制成的纖維
天然纖維
植物纖維：如棉花、麻等(主要成分纖維素)
動物纖維：如羊毛、蠶絲等(主要成分蛋白質)
“六大綸”：滌綸、錦綸、腈綸、丙綸、維綸、氯綸
（1）纖維的分類
3.合成纖維
（2）聚酯纖維(滌綸)
合成纖維中目前產量最大的是聚酯纖維中的滌綸，它是聚對苯二甲酸乙二酯纖維的商品名稱。其合成反應為：
滌綸性能：強度大，耐磨，易洗，快干，保形性好，但透氣性和吸濕性差，可以與天然纖維混紡獲得改進。
滌綸用途：是應用最廣泛的合成纖維品種，大量用于服裝與床上用品(如運動服、被套、睡袋等)、各種裝飾布料、國防軍工特殊織物(航天服、降落傘),以及工業用纖維制品(過濾材料絕緣材料、輪胎簾子線、傳送帶)等。
宇宙飛船降落傘
3.合成纖維
（3）聚酰胺纖維（商品名錦綸，俗稱尼龍）
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，聚己二酰己二胺纖維(又稱錦綸66、尼龍66，前一個6代表二胺中碳原子數，后一個6代表二酸中碳原子數))的合成反應為：
錦綸66性能：不溶于普通溶劑，熔化溫度高于260℃，拉制的纖維具有天然絲的外觀和光澤，耐磨性和強度較大。
錦綸66用途：生產絲襪、降落傘、漁網、輪胎簾子線等。
錦綸在發展：由6-氨基已酸合成的錦綸6、由癸二酸和癸二胺合成的錦綸1010等脂肪族聚酰胺纖維(錦綸)，以及耐高溫、高強度的芳香族聚酰胺纖維(芳綸)
衣服標簽上的材質，是什么意思？
3.合成纖維
3.合成纖維
【科學·技術·社會 】 高強度芳綸纖維
芳香族聚酰胺纖維——聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，又稱芳綸1414
nH2N NH2
n
C C OH
O
O
]
HN NH
[
H
+(2n-1)H2O
C C OH
O
O
nHO
它的強度高，密度卻只有鋼的1/5；其熱穩定性
高，在500℃高溫下不會熔化分解。可以制成防彈裝甲、消防服、防切割耐熱手套，以及交通工具的結構材料和阻燃內飾等。
使用了芳綸纖維結構材料的輕型飛機
+
催化劑
4.合成橡膠
橡 膠
天然橡膠
合成橡膠
三葉樹膠（順式聚異戊二烯）
杜仲樹膠（反式聚異戊二烯）
丁苯橡膠
順丁橡膠
氯丁橡膠
聚硫橡膠:有耐油性
硅橡膠:有耐熱耐寒性
（2）性質：橡膠是一類具有彈性的物質。耐磨、耐寒、耐油、耐熱、耐燃、耐腐蝕、耐老化等各有其優勢。
（1）分類
通用橡膠
特種橡膠
4.合成橡膠
（3）常見的橡膠
順丁橡膠：是以1,3 丁二烯為原料，在催化劑作用下，通過加聚反應，得到以順式結構為主的聚1,3 丁二烯。化學方程式為:
結構特點: 順丁橡膠均呈線型結構，分子鏈較柔軟，性能較差。而且分子中存在碳碳雙鍵，易加成也易被氧化，直接加工成用品使用容易老化。
思考：請觀察順丁橡膠的結構特點，實驗室中哪些試劑瓶的瓶塞不能選用橡膠塞？
順丁橡膠中存在碳碳雙鍵，易發生加成反應和氧化反應，所以盛放溴水、酸性高錳酸鉀溶液、濃硝酸、濃硫酸、汽油等的試劑瓶，不能用橡膠塞。
4.合成橡膠
將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，把線型結構連接為網狀結構，得到既有彈性又有強度的硫化橡膠。這一加工過程稱為橡膠的硫化。
橡膠的硫化交聯的程度不宜過大，否則會使橡膠失去彈性。
應用: 順丁橡膠具有很好的彈性，耐磨、
耐寒性好，主要用于制造輪胎。
順丁橡膠能否直接用于制造汽車輪胎？
該聚合物呈線型結構，分子鏈較柔軟，性能較差。
（4）橡膠的硫化
5.天然橡膠
最常見的天然橡膠是三葉橡膠樹產出的橡膠；還有一種是杜仲樹產出的橡膠，稱為杜仲膠。
天然橡膠是異戊二烯的聚合物，具有順式結構，稱為順式聚異戊二烯。天然橡膠原為線型高分子，硫化后轉變成網狀結構，增加了它的強度與彈性。三葉橡膠樹只在暖濕地帶生長，我國海南、云南等省已引種成功。
杜仲膠可從杜仲樹的樹皮、葉、果實中提取。杜仲樹是我國特產，適應性強，種植面廣，我國四川、貴州、湖南、陜西、湖北等省都有大面積種植。杜仲膠也是異戊二烯的聚合物，與天然橡膠不同的是它具有反式結構。杜仲膠硬而彈性差，屬于硬橡胺，但絕緣性好。我國科學工作者正在研究開發杜仲膠，使它既能生產塑料也能生產橡膠。現在已開發出多種產品，如杜仲膠形狀記憶材料、代替石膏的醫用骨科夾板、海底電纜、絕緣器件等。
5.天然橡膠
反式聚異戊二烯
天然橡膠是順式聚異戊二烯，杜仲膠是反式聚異戊二烯，你能寫出杜仲膠的結構簡式嗎
異戊二烯
順式聚異戊二烯
功能高分子材料
PART 03
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，使其具有特殊的功能，滿足化學、物理或醫學等方面的功能需求，這類高分子成為功能高分子。
1.功能高分子材料的含義
功能高分子
化學功能高分子
物理功能高分子
生物（醫用）功能高分子
功能轉換型高分子
如高分子試劑、高分子催化劑、離子交換樹脂等
如發光高分子、導電高分子、吸聲高分子等
如高分子藥物、軟硬組織替代高分子等
如電致發光高分子、形狀記憶樹脂等
2.高吸水性樹脂
結構特點：
（1）含有強親水基團，如羧基、羥基、酰胺基等；
（2）具有網狀結構
性能：
不溶于水，也不溶于有機溶劑，吸水性好，與水接觸后在很短的時間內溶脹，可吸收其自身質量數百倍甚至上千倍的水，且耐擠壓、保水性好。
2.高吸水性樹脂
制取方法：
（1）對淀粉、纖維素等天然吸水材料進行改性：在淀粉或纖維素的主鏈上接入帶有強親水基團的支鏈，以提高他們的吸水能力。
如淀粉與丙烯酸鈉在一定條件下發生反應，生成以淀粉為主鏈的接枝共聚物。為防止此共聚物溶于水，還需在交聯劑作用下生成網狀結構的淀粉—聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂；
淀粉
（纖維素）
接枝共聚物
交聯劑
網狀淀粉-聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂
線型
網狀
丙烯酸鈉
改造后的樹脂具有強大的吸水和保水能力，而且可生物降解
2.高吸水性樹脂
制取方法：
（2）用帶有強親水基團的烯類單體進行聚合，得到含親水基團的高聚物。如在丙烯酸鈉中加入少量交聯劑，再在一定條件下發生聚合，可得到具有網狀結構的聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂。
CH2=CHCOOH→CH2=CHCOONa
丙烯酸鈉
交聯劑
網狀聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂
交聯劑
一定條件
網狀
可吸收幾百至幾千倍于自身質量的水，同時保水能力強，還能耐一定的擠壓作用。
用途：
（1）可在干旱地區用于農業、林業抗旱保水，改良土壤。如在苗木根部放上一些吸足了水的高吸水性樹脂，可以使苗木在生長發育過程中有充足的水。
（2）“尿不濕”可以吸收其自身重量約幾百倍的尿液而不滴不漏，保證嬰兒夜晚安睡和白天活動。
《時代周刊》評出20世紀最偉大的100項發明，其中“尿不濕”榜上有名
2.高吸水性樹脂
（1）高分子分離膜簡介
功能高分子
結構特點
類型
生產分離膜的材料
用途
分離膜一般只允許水及一些小分子物質通過，其余物質則被截留在膜的另一側，形成濃縮液，達到對原液精華。分離和濃縮的目的。
根據膜孔大小的不同，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。
主要是有機高分子材料，如醋酸纖維、芳香族聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等。
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、血液透析等領域。
3.高分子分離膜
3.高分子分離膜
（2）高分子分離膜的分離原理
以海水淡化為例，海水分別通過不同的分離膜分離出不同的成分，最后得到淡水，如圖所示：
隨堂訓練
1.判斷正誤。(正確的畫“√”，錯誤的畫“×”)
(1)三大合成材料是指塑料、合成纖維和合成橡膠。 (　　)
(2)高壓聚乙烯比低壓聚乙烯的熔點高。 (　　)
(3)苯酚與甲醛通過縮聚反應一定形成線型結構高分子。 (　　)
(4)聚乙烯塑料易造成白色污染而聚酯塑料不會造成白色污染。 (　　)
隨堂訓練
(5)丙烯酸鈉是高吸水性樹脂的主要成分 (　　)
(6)高吸水性樹脂成品是線性結構（ ）
(7)功能高分子材料具有傳統高分子材料的機械性能和某些特殊功能 (　　)
(8)高分子分離膜用于污水、工業廢水處理和海水淡化等 (　 　)
隨堂訓練
2.有甲、乙兩種高聚物，甲能溶于有機溶劑，加熱可熔融；乙不溶于任何溶劑，加熱不會變軟或熔融，則下列敘述中錯誤的是(　　)
A．高聚物甲可能具有彈性，而高聚物乙沒有彈性
B．高聚物甲可能是線型高分子化合物材料
C．高聚物甲一定是體型高分子化合物材料
D．高聚物乙一定是體型高分子化合物材料
C
隨堂訓練
3.下列高分子經簡單處理可以從線型結構變成網狀結構的是(　　)
A．①② B．③④ C．①④
D．②③
D
隨堂訓練
4.下列關于功能高分子材料的說法中，不正確的是 ( )　
A. 離子交換樹脂主要用于分離和提純，如硬水的軟化、回收工業廢水中的金屬等
B. 嬰兒用的“尿不濕”的主要成分是具有強吸水性的樹脂
C. 導電塑料應用于電子工業，可用來制造電子器件
D. 醫用高分子材料制成的人工器官都受到人體的排斥作用，難以達到與生物體相容的程度
D
隨堂訓練
5.科學家研制的一種使沙漠變綠洲的新技術,即在沙漠中噴灑一定量的聚丙烯酸酯( )與水的混合物,使其與沙粒結合,既能阻止地下的鹽分上升,又能攔截、蓄積雨水。下列對聚丙烯酸酯的敘述中正確的是(　　)
①聚丙烯酸酯的單體的結構簡式為CH2=CHCOOR
②聚丙烯酸酯沒有固定的熔、沸點
③聚丙烯酸酯在一定條件下能發生水解反應和加成反應
④其聚合方式與酚醛樹脂的聚合方式相同
⑤聚丙烯酸酯具有很強的吸水性
A.只有③④ B.只有①② C.①②③⑤ D.①②③④
B
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