应用广泛的高分子材料

选修5第五章第二节应用广泛的高分子材料2010年12月•【知识与技能】1.通过“三大合成材料”的实例，分别说明塑料、合成纤维、合成橡胶的结构、性能和用途。2.高分子结构对性能的影响。•【过程与方法】联系生活实际，从身边常见的物质入手，了解高分子合成材料的分类及主要用途，了解“三大合成材料”典型代表物的有关聚合反应，聚合物的结构、性能特点。•【情感、态度与价值观】通过活动课研究、学习治理“白色污染”的途径和方法，关注和爱护自然，树立社会责任感，培养环境保护意识。•【教学重点】高分子化合物结构与性能之间的关系•【教学难点】“三大合成材料”的结构与性能之间的关系•【引言】•第一个完全人工合成的高分子聚合物-酚醛树脂于1910年开始投入生产。•人工合成高分子化合物的成功为人工合成材料开辟了新路，改变了只能依靠天然材料的历史。•合成高分子材料由于用途广泛、多样、性能优异，而且其合成原料一般来自于含量丰富的天然资源，具有价廉、易得、适于大规模工业的特点，在经济发展和改善人民生活中发挥着极大的作用。有机高分子化合物制成的材料就是有机高分子材料。一、有机高分子的分类及命名有机高分子材料天然有机高分子材料合成有机高分子材料棉花、麻羊毛、蚕丝（简称有机合成材料）【按来源分类】合成材料【按用途和性能分类】合成高分子材料功能高分子材料复合材料塑料合成纤维合成橡胶黏合剂涂料高分子分离膜液晶高分子导电高分子医用高分子高吸水性树脂三大合成材料【资料卡片】•高分子化合物的命名：•（1）天然高分子化合物习惯用专有名称；如淀粉、纤维素、蛋白质、甲壳质等；•（2）合成高分子化合物一般在单体名称前加上“聚”。如聚丙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯等；如聚对苯二甲酸乙二醇酯，酚醛树脂等。•树脂含义：指未加工处理的聚合物。•（3）合成橡胶的名称通常在单体名称后加上“橡胶”。如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等。•（4）合成纤维的名称常用“纶”。如涤纶二、高分子化合物的结构特点1、高分子化合物通常结构并不复杂，往往由简单的结构单元重复连接而成；如聚乙烯中：[CH2CH2]n【按结构分类】高分子化合物线型高分子支链型高分子体型高分子网状结构(体型)2、根据结构中链节连接方式分类，可以有线型结构和体型结构，线性结构又可分为带支链和不带支链的结构。高分子结构示意图由于高分子化合物大部分是由小分子聚合而成的，所以也常被称为聚合物。当小分子连接构成高分子时，有的形成很长的链状，有的由链状结成网状。线型结构网状结构(体型)•实验1：有机玻璃的溶解•实验目的：探究线型结构的有机高分子在有机溶剂中的溶解性。•实验用品：聚甲基丙烯酸甲酯，三氯甲烷，试管。•实验步骤：取有机玻璃粉末0.5g放入试管中，加入10mL三氯甲烷，振荡试管。观察有机玻璃是否溶解。•实验现象：几分钟后有机玻璃溶于三氯甲烷，形成了无色液体。•实验结论：有机玻璃能溶于有机溶剂三氯甲烷。•通过这个实验，可以联想起日常生活中许多现象——如将塑料尺子与橡皮放在一起，尺子的刻度变模糊了，甚至尺子的形状发生了改变，这就是尺子的材料溶解的现象。三、高分子化合物性质探究•实验2：橡胶的溶解•实验目的：探究体形结构的有机高分子在有机溶剂中的溶解性。•实验用品：废轮胎粉末、汽油，试管。•实验步骤：取废轮胎粉末0.5g放入试管中，加入10mL汽油，振荡试管。观察轮胎粉末是否溶解及其他现象。•实验现象：几分钟后废轮胎粉末只是有一定程度的胀大，但未溶解。•实验结论：橡胶不溶于有机溶剂汽油。【有机高分子化合物溶解性的小结】有机高分子化合物都不溶于水；线型结构的有机高分子能溶解在适当的有机溶剂中，但溶解过程比小分子缓慢；而体型结构的高分子在有机溶剂中也不易溶解，有的只是有一定程度的胀大。•【生活实例】•市场上出售的香油等各种食用油，包装瓶用塑料材质，瓶塞用塑料材质就是这个原理。农贸市场出售香油使用玻璃瓶、橡胶塞，仔细观察：橡胶塞用一层塑料纸包裹，就是防止橡胶与油品接触发生溶胀现象而不易打开或塞紧瓶塞。•实验3：塑料的热塑性试验•实验目的：探究塑料是否具有热塑性。•实验用品：聚乙烯塑料碎片，试管、试管夹、酒精灯、火柴。•实验步骤：在一支试管中放入聚乙烯塑料碎片约3g，用酒精灯缓缓加热，观察塑料碎片软化和熔化的情况。等熔化后立即停止加热以防分解。等冷却固化后再加热，观察现象。•实验现象：加热后，聚乙烯塑料变软熔为粘稠状、流动的液体，该液体经冷却后又变为固体，该固体再被加热后又熔为粘稠、流动的液体。•实验结论：聚乙烯塑料有热塑性。实验探究高分子材料在不同温度下的性能•【说明】：•①线型结构的高分子具有热塑性。根据这一性质制成的高分子材料具有良好的可塑性，能制成薄膜、拉成丝或压制成各种形状，用于工业、农业、日常生活等。•②有些体型高分子一经加工成型就不会受热熔化，因而具有热固性。合成高分子按结构分类——线型支链型－热固型热塑型加工成型后受热不再熔化可反复加工，多次使用能溶解在适当的有机溶剂里不易溶解，只有一定程度的胀大网状结构体型三、高分子合成材料——塑料1、分类：热塑性塑料——如聚乙烯高分子链间无永久性的化学交联，只有微弱的分子间作用力以及由于链间纠缠所造成的暂时性物理交联，此交联会随加工过程而有纠缠及去缠的现象；因此热塑性塑料会随加热而有软化变形乃至于流动的现象：随温度下降则有固化变硬的情形，为可逆过程。结构性质用途决定决定适用于高分子化合物常见的热固性塑料包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂。热固性塑料：——如酚醛树脂塑料在加工过程中受热发生聚合反应，透过交联剂(或称做架桥剂)的作用分子链间产生化学交联，形成紧密的网状结构。交联反应本身是不可逆的化学反应，因此热固性塑料在加工后并不会如热塑性塑料会受热软化，若温度过高则发生裂解而不会有软化变形的现象。常见的塑料按受热可分为:可反复加热熔融加工，多次使用（线型结构）热塑型：热固型：塑料不能加热熔融只能一次成型（体型结构)聚乙烯酚醛树脂•2、主要成分：•塑料——主要成分是合成高分子化合物即合成树脂•适应各种要求：在高分子材料中掺入各种加工助剂（如聚氯乙烯；增塑剂—提高柔韧性；热稳定剂—改进耐热性；赋予各种颜色-着色剂等）•常见塑料：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂等。【理解】树脂是指未经加工处理的、没有与各种添加剂混合的聚合物塑料＝树脂＋添加剂树脂的本性决定了塑料的主要基本性能，添加剂也起重要作用塑料一般由合成树脂及增塑剂、防老化剂、润滑剂、色料等添加剂组成，它的主要成分是合成树脂。3.常见塑料：例如：聚乙烯高压聚乙烯低压聚乙烯合成条件分子结构类型有无支链高分子链长短相对分子质量高压高温引发剂较低压力催化剂线型支链型√少有或没有相对较长相对较短相对较小相对较大高压聚乙烯低压聚乙烯熔融温度密度硬度分子间作用力用途低密度相对较低相对较小相对较小相对较高高密度相对较大相对较大高或低密度的聚乙烯均可溶解于适当的有机溶剂中低密度聚乙烯LDPE高密度聚乙烯HDPE食品包装袋等薄膜制品瓶、桶、板、管、棒材等•【思考】高压聚乙烯为什么比低压聚乙烯的熔点低、密度低？为什么高分子化合物具有一定的弹性？影响高分子化合物熔点、密度的因素：高分子链越长——相对分子质量越大——分子间的作用力越大——熔点、密度越高高压聚乙烯主链比低压聚乙烯短，相对分子质量小链与链之间越密——链之间的作用力越大——熔点、密度越高高压聚乙烯主链带有长短不一的支链，支链结构有碍碳碳单键的旋转和链之间的接近，链之间的作用力比低压聚乙烯低，熔点和密度也就较低。（参看P106教材）高分子链之间的作用力与链的长短有关熔沸点还与高分子链之间的疏密远近有关低压聚乙烯比高压聚乙烯链更长，而且支链少得多－低压、高密度、高熔点、较硬－管材、桶、瓶高压、低密度、低沸点、较软－塑料薄膜、食品包装袋塑料种类几种常见的塑料◆聚乙烯(PE)产品保鲜膜吹塑成型的聚乙烯薄膜无毒，化学稳定性好，适合做食品和药物的包装材料单体:CH2=CH2了解塑料产品高压聚乙烯做薄膜，不用加增塑剂，十分柔软。聚乙烯制品改进聚合反应的催化剂，得到超高相对分子质量（≥100万）、性能更为优越的聚乙烯。它具有高强度、高耐磨性、熔融温度135-137℃，使用温度100℃以上，可用作防弹头盔、防弹衣的材料。◆聚氯乙烯（PVC）化学稳定性好，耐酸碱腐蚀，使用温度不宜超过60℃，在低温下会变硬分为：软质塑料和硬质塑料单体:CH2=CHCl◆聚苯乙烯单体：CH2=CHC6H5聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）单体：CH2=CCH3COOCH3◆聚四氟乙烯单体：CF2＝CF2人们给聚四氟乙烯冠以“塑料王”的美称。一种特别的菜锅——不粘锅。易清洁的脱排油烟机，人们仅仅是在锅的内表面和脱排油烟机的外表面多涂了一层氟树脂。利用氟树脂优异的热性能、化学性能、易清洁性能和无毒性能，它还有最好的耐化学腐蚀和耐老化的性能。常见塑料聚合物的结构是？填表并书写化学方程式：【资料卡片】增塑剂的毒性P105•请阅读教材【科学视野】可降解高分子材料【光降解】有一种方法是在高分子化合物的分子链的一定距离之间添加光敏基团，它们被曝晒在阳光下，光敏基团就吸收辐射而使高分子化合物在此断裂，断裂以后的碎片是比较容易被生物降解的。【微生物降解】另一种方法是在高分子化合物中引入一些基团，使它适合某些微生物的口味，这些微生物能使高分子化合物的长链分子断裂为小碎片，小碎片进一步降解就比较容易了。酚醛树脂P108烹饪器具的手柄宇宙飞船的外壳电器部件主要用作绝缘、隔热、难燃、隔音器材和复合器材。•（1）组成：•用酚类（如苯酚）与醛类（如甲醛）在酸或碱的催化下相互缩合而成的高分子化合物。•（2）形成：•在酸催化下，等物质的量的苯酚与甲醛反应，苯酚邻位或对位的氢原子与甲醛的羰基加成生成邻（或对位）羟甲基苯酚，然后羟甲基苯酚之间相互脱水缩合成线型结构高分子。4、酚醛树脂（电木）OHOH—C—H=+H+OH─CH2OHnH+OH—CH2[]OH—CH2OHnHOH+（n-1）H2O【思考与交流】为什么用碱性催化生成的酚醛树脂能形成网状结构？你能画出酚醛树脂的部分网状结构吗？羟甲基苯酚酚醛树脂局部结构在碱催化下，等物质的量的苯酚与甲醛或过量的甲醛与苯酚反应，生成羟甲基苯酚、二羟甲基苯酚、三羟甲基苯酚等，然后加热继续反应，就可以生成网状结构的酚醛树脂。—OHCH2OHCH2OHHOCH22，4，6-三羟甲基苯酚2，4-二羟甲基苯酚OHCH2OHCH2OH【实验5－1】酚醛树脂的制备及性质•【目的】通过甲醛和苯酚形成酚醛树脂的过程，加深对缩聚反应的认识。•【用品】大试管、带有长玻璃管(约30cm)的橡皮塞、试管夹、量筒、烧杯、石棉网、酒精灯、温度计、蒸发皿。•苯酚、甲醛(40％)、浓盐酸(37％)、浓氨水(28％)。•【原理】酚醛树脂用苯酚和甲醛为原料，在酸或碱的催化作用下缩聚而成。苯酚过量，在酸性催化剂作用下，缩聚成线型结构的热塑性酚醛树脂。甲醛过量，在碱性催化剂作用下，缩聚成体型结构的热固性酚醛树脂。•操作：•1．用盐酸作为催化剂•在一个大试管里加入苯酚2g，注入3mL甲醛溶液和3滴浓盐酸混合后，用带有玻璃管的橡皮塞塞好，放在沸水浴里加热约15min。待反应物接近沸腾时，液体变成白色浑浊状态。从水浴中取出试管，用玻璃棒搅拌反应物，稍冷。将试管中的混合物倒入蒸发皿中，倾去上层的水，下层就是缩聚成线型结构的热塑性酚醛树脂（米黄色中略带粉色）。它能溶于丙酮、乙醇等溶剂中。•2．用浓氨水作催化剂•在另一个试管里加入2.5g苯酚，注入3～4mL40％甲醛溶液，混匀后再加1mL浓氨水，振荡混合，也用带有玻璃管的橡皮塞塞好，水浴中加热（装置如图5－1）。约15min后，试管里逐渐出现白色的浑浊状态，暂停加热。待发生的气泡稍少时，再继续加热，过一会儿，就变成黏稠的半流动性液体。将所得黏稠物倒入一瓷蒸发皿里，在50℃温度下烘1h后，再继续在70～80℃下烘8h，即能缩合成体型固体酚醛树脂(淡黄色)，它不溶于任何溶剂。图5－1酚醛树脂的制取•【注意事项】•①清洗试管的方法是：倒掉试管上部