選修5第五章 第二節應用廣泛的高分子材料 知識與技能 1 通過 三大合成材料 的實例 分別說明塑料 合成纖維 合成橡膠的結構 性能和用途 2 高分子結構對性能的影響 過程與方法 聯系生活實際 從身邊常見的物質入手 了解高分子合成材料的分類及主要用途 了解 三大合成材料 典型代表物的有關聚合反應 聚合物的結構 性能特點 情感 態度與價值觀 通過活動課研究 學習治理 白色污染 的途徑和方法 關注和愛護自然 樹立社會責任感 培養環境保護意識 教學重點 高分子化合物結構與性能之間的關系 教學難點 三大合成材料 的結構與性能之間的關系 引言 第一個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 人工合成高分子化合物的成功為人工合成材料開辟了新路 改變了只能依靠天然材料的歷史 合成高分子材料由于用途廣泛 多樣 性能優異 而且其合成原料一般來自于含量豐富的天然資源 具有價廉 易得 適于大規模工業的特點 在經濟發展和改善人民生活中發揮著極大的作用 有機高分子化合物制成的材料就是有機高分子材料 一 有機高分子的分類及命名 按來源分類 合成材料 按用途和性能分類 合成高分子材料 功能高分子材料 復合材料 塑料 合成纖維 合成橡膠 黏合劑 涂料 高分子分離膜 液晶高分子 導電高分子 醫用高分子 高吸水性樹脂 三大合成材料 資料卡片 高分子化合物的命名 1 天然高分子化合物習慣用專有名稱 如淀粉 纖維素 蛋白質 甲殼質等 2 合成高分子化合物一般在單體名稱前加上 聚 如聚丙烯 聚丙烯腈 聚苯乙烯等 如聚對苯二甲酸乙二醇酯 酚醛樹脂等 樹脂含義 指未加工處理的聚合物 3 合成橡膠的名稱通常在單體名稱后加上 橡膠 如丁苯橡膠 順丁橡膠 氯丁橡膠等 4 合成纖維的名稱常用 綸 如滌綸 二 高分子化合物的結構特點 1 高分子化合物通常結構并不復雜 往往由簡單的結構單元重復連接而成 如聚乙烯中 按結構分類 高分子化合物 線型高分子 支鏈型高分子 體型高分子 網狀結構 體型 2 根據結構中鏈節連接方式分類 可以有線型結構和體型結構 線性結構又可分為帶支鏈和不帶支鏈的結構 高分子結構示意圖 由于高分子化合物大部分是由小分子聚合而成的 所以也常被稱為聚合物 當小分子連接構成高分子時 有的形成很長的鏈狀 有的由鏈狀結成網狀 線型結構 網狀結構 體型 實驗1 有機玻璃的溶解實驗目的 探究線型結構的有機高分子在有機溶劑中的溶解性 實驗用品 聚甲基丙烯酸甲酯 三氯甲烷 試管 實驗步驟 取有機玻璃粉末0 5g放入試管中 加入10ml三氯甲烷 振蕩試管 觀察有機玻璃是否溶解 實驗現象 幾分鐘后有機玻璃溶于三氯甲烷 形成了無色液體 實驗結論 有機玻璃能溶于有機溶劑三氯甲烷 通過這個實驗 可以聯想起日常生活中許多現象 如將塑料尺子與橡皮放在一起 尺子的刻度變模糊了 甚至尺子的形狀發生了改變 這就是尺子的材料溶解的現象 探究活動 三 高分子化合物性質探究 實驗2 橡膠的溶解實驗目的 探究體形結構的有機高分子在有機溶劑中的溶解性 實驗用品 廢輪胎粉末 汽油 試管 實驗步驟 取廢輪胎粉末0 5g放入試管中 加入10ml汽油 振蕩試管 觀察輪胎粉末是否溶解及其他現象 實驗現象 幾分鐘后廢輪胎粉末只是有一定程度的脹大 但未溶解 實驗結論 橡膠不溶于有機溶劑汽油 探究活動 有機高分子化合物溶解性的小結 有機高分子化合物都不溶于水 線型結構的有機高分子能溶解在適當的有機溶劑中 但溶解過程比小分子緩慢 而體型結構的高分子在有機溶劑中也不易溶解 有的只是有一定程度的脹大 生活實例 市場上出售的香油等各種食用油 包裝瓶用塑料材質 瓶塞用塑料材質就是這個原理 農貿市場出售香油使用玻璃瓶 橡膠塞 仔細觀察 橡膠塞用一層塑料紙包裹 就是防止橡膠與油品接觸發生溶脹現象而不易打開或塞緊瓶塞 實驗3 塑料的熱塑性試驗實驗目的 探究塑料是否具有熱塑性 實驗用品 聚乙烯塑料碎片 試管 試管夾 酒精燈 火柴 實驗步驟 在一支試管中放入聚乙烯塑料碎片約3g 用酒精燈緩緩加熱 觀察塑料碎片軟化和熔化的情況 等熔化后立即停止加熱以防分解 等冷卻固化后再加熱 觀察現象 實驗現象 加熱后 聚乙烯塑料變軟熔為粘稠狀 流動的液體 該液體經冷卻后又變為固體 該固體再被加熱后又熔為粘稠 流動的液體 實驗結論 聚乙烯塑料有熱塑性 探究活動 實驗探究高分子材料在不同溫度下的性能 說明 線型結構的高分子具有熱塑性 根據這一性質制成的高分子材料具有良好的可塑性 能制成薄膜 拉成絲或壓制成各種形狀 用于工業 農業 日常生活等 有些體型高分子一經加工成型就不會受熱熔化 因而具有熱固性 合成高分子 按結構分類 線型 支鏈型 熱固型 熱塑型 加工成型后受熱不再熔化 可反復加工 多次使用 能溶解在適當的有機溶劑里 不易溶解 只有一定程度的脹大 網狀結構 體型 三 高分子合成材料 塑料 1 分類 熱塑性塑料 如聚乙烯高分子鏈間無永久性的化學交聯 只有微弱的分子間作用力以及由于鏈間糾纏所造成的暫時性物理交聯 此交聯會隨加工過程而有糾纏及去纏的現象 因此熱塑性塑料會隨加熱而有軟化變形乃至于流動的現象 隨溫度下降則有固化變硬的情形 為可逆過程 適用于高分子化合物 常見的熱固性塑料包括環氧樹脂 酚醛樹脂 聚酯樹脂 熱固性塑料 如酚醛樹脂塑料在加工過程中受熱發生聚合反應 透過交聯劑 或稱做架橋劑 的作用分子鏈間產生化學交聯 形成緊密的網狀結構 交聯反應本身是不可逆的化學反應 因此熱固性塑料在加工后并不會如熱塑性塑料會受熱軟化 若溫度過高則發生裂解而不會有軟化變形的現象 常見的塑料按受熱可分為 可反復加熱熔融加工 多次使用 線型結構 不能加熱熔融只能一次成型 體型結構 聚乙烯 酚醛樹脂 2 主要成分 塑料 主要成分是合成高分子化合物即合成樹脂適應各種要求 在高分子材料中摻入各種加工助劑 如聚氯乙烯 增塑劑 提高柔韌性 熱穩定劑 改進耐熱性 賦予各種顏色 著色劑等 常見塑料 聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 酚醛樹脂等 理解 樹脂是指未經加工處理的 沒有與各種添加劑混合的聚合物塑料 樹脂 添加劑樹脂的本性決定了塑料的主要基本性能 添加劑也起重要作用 塑料一般由合成樹脂及增塑劑 防老化劑 潤滑劑 色料等添加劑組成 它的主要成分是合成樹脂 3 常見塑料 例如 聚乙烯 高壓高溫引發劑 較低壓力催化劑 線型 支鏈型 少有或沒有 相對較長 相對較短 相對較小 相對較大 低密度 相對較低 相對較小 相對較小 相對較高 高密度 相對較大 相對較大 高或低密度的聚乙烯均可溶解于適當的有機溶劑中 低密度聚乙烯ldpe 高密度聚乙烯hdpe 食品包裝袋等薄膜制品 瓶 桶 板 管 棒材等 思考 高壓聚乙烯為什么比低壓聚乙烯的熔點低 密度低 為什么高分子化合物具有一定的彈性 影響高分子化合物熔點 密度的因素 高分子鏈越長 相對分子質量越大 分子間的作用力越大 熔點 密度越高高壓聚乙烯主鏈比低壓聚乙烯短 相對分子質量小 鏈與鏈之間越密 鏈之間的作用力越大 熔點 密度越高高壓聚乙烯主鏈帶有長短不一的支鏈 支鏈結構有礙碳碳單鍵的旋轉和鏈之間的接近 鏈之間的作用力比低壓聚乙烯低 熔點和密度也就較低 參看p106教材 高分子鏈之間的作用力與鏈的長短有關 熔沸點還與高分子鏈之間的疏密遠近有關 低壓聚乙烯比高壓聚乙烯鏈更長 而且支鏈少得多 低壓 高密度 高熔點 較硬 管材 桶 瓶 高壓 低密度 低沸點 較軟 塑料薄膜 食品包裝袋 塑料種類 幾種常見的塑料 聚乙烯 pe 產品 保鮮膜 吹塑成型的聚乙烯薄膜 無毒 化學穩定性好 適合做食品和藥物的包裝材料 單體 ch2 ch2 了解塑料產品 高壓聚乙烯做薄膜 不用加增塑劑 十分柔軟 聚乙烯制品 改進聚合反應的催化劑 得到超高相對分子質量 100萬 性能更為優越的聚乙烯 它具有高強度 高耐磨性 熔融溫度135 137 使用溫度100 以上 可用作防彈頭盔 防彈衣的材料 聚氯乙烯 pvc 化學穩定性好 耐酸堿腐蝕 使用溫度不宜超過60 在低溫下會變硬分為 軟質塑料和硬質塑料 單體 ch2 chcl 聚苯乙烯 單體 聚甲基丙烯酸甲酯 有機玻璃 單體 聚四氟乙烯 單體 cf2 cf2 人們給聚四氟乙烯冠以 塑料王 的美稱 一種特別的菜鍋 不粘鍋 易清潔的脫排油煙機 人們僅僅是在鍋的內表面和脫排油煙機的外表面多涂了一層氟樹脂 利用氟樹脂優異的熱性能 化學性能 易清潔性能和無毒性能 它還有最好的耐化學腐蝕和耐老化的性能 常見塑料聚合物的結構是 填表并書寫化學方程式 資料卡片 增塑劑的毒性p105 請閱讀教材 科學視野 可降解高分子材料 光降解 有一種方法是在高分子化合物的分子鏈的一定距離之間添加光敏基團 它們被曝曬在陽光下 光敏基團就吸收輻射而使高分子化合物在此斷裂 斷裂以后的碎片是比較容易被生物降解的 微生物降解 另一種方法是在高分子化合物中引入一些基團 使它適合某些微生物的口味 這些微生物能使高分子化合物的長鏈分子斷裂為小碎片 小碎片進一步降解就比較容易了 酚醛樹脂p108 烹飪器具的手柄 宇宙飛船的外殼 電器部件 主要用作絕緣 隔熱 難燃 隔音器材和復合器材 1 組成 用酚類 如苯酚 與醛類 如甲醛 在酸或堿的催化下相互縮合而成的高分子化合物 2 形成 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鄰 或對位 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高分子 4 酚醛樹脂 電木 思考與交流 為什么用堿性催化生成的酚醛樹脂能形成網狀結構 你能畫出酚醛樹脂的部分網狀結構嗎 羥甲基苯酚 酚醛樹脂局部結構 在堿催化下 等物質的量的苯酚與甲醛或過量的甲醛與苯酚反應 生成羥甲基苯酚 二羥甲基苯酚 三羥甲基苯酚等 然后加熱繼續反應 就可以生成網狀結構的酚醛樹脂 實驗5 1 酚醛樹脂的制備及性質 目的 通過甲醛和苯酚形成酚醛樹脂的過程 加深對縮聚反應的認識 用品 大試管 帶有長玻璃管 約30cm 的橡皮塞 試管夾 量筒 燒杯 石棉網 酒精燈 溫度計 蒸發皿 苯酚 甲醛 40 濃鹽酸 37 濃氨水 28 原理 酚醛樹脂用苯酚和甲醛為原料 在酸或堿的催化作用下縮聚而成 苯酚過量 在酸性催化劑作用下 縮聚成線型結構的熱塑性酚醛樹脂 甲醛過量 在堿性催化劑作用下 縮聚成體型結構的熱固性酚醛樹脂 操作 1 用鹽酸作為催化劑在一個大試管里加入苯酚2g 注入3ml甲醛溶液和3滴濃鹽酸混合后 用帶有玻璃管的橡皮塞塞好 放在沸水浴里加熱約15min 待反應物接近沸騰時 液體變成白色渾濁狀態 從水浴中取出試管 用玻璃棒攪拌反應物 稍冷 將試管中的混合物倒入蒸發皿中 傾去上層的水 下層就是縮聚成線型結構的熱塑性酚醛樹脂 米黃色中略帶粉色 它能溶于丙酮 乙醇等溶劑中 2 用濃氨水作催化劑在另一個試管里加入2 5g苯酚 注入3 4ml40 甲醛溶液 混勻后再加1ml濃氨水 振蕩混合 也用帶有玻璃管的橡皮塞塞好 水浴中加熱 裝置如圖5 1 約15min后 試管里逐漸出現白色的渾濁狀態 暫停加熱 待發生的氣泡稍少時 再繼續加熱 過一會兒 就變成黏稠的半流動性液體 將所得黏稠物倒入一瓷蒸發皿里 在50 溫度下烘1h后 再繼續在70 80 下烘8h 即能縮合成體型固體酚醛樹脂 淡黃色 它不溶于任何溶劑 圖5 1酚醛樹脂的制取 注意事項 清洗試管的方法是 倒掉試管上部的液體后 在試管底部剩下的酚醛樹脂中 加入約1ml的福爾馬林 再用玻棒刮擦 可使酚醛樹脂成團地拉出來 若是體型結構的酚醛樹脂 倒出后 試管壁上還會留下一些橙紅色的碎粒 同樣可用福爾馬林清洗 如果管壁尚有少量高聚物 則可用軟質紙卷成與管口粗細相仿的紙棒 伸入試管底部 沿管壁刮擦 此實驗需在通風良好的實驗室進行 樹脂及殘液需統一回收處理 酚醛樹脂的制取和性質 實驗5 1 沸水浴加熱15min 洗凈 烘干 淡粉紅色固體 軟化 熱塑性 不軟化 熱固性 溶解 不溶解 線性結構 網狀結構 淡黃色固體 怎樣清洗線型酚醛樹脂 福爾馬林溶液或乙醇清洗 酚醛樹脂的制備和注意事項 寫出線型酚醛樹脂的方程式 網狀酚醛樹脂是如何形成的 思考與交流 尿素是蛋白質的代謝產物 隨尿排出體外 尿素氮原子上的氫可以像苯環上的氫原子那樣與甲醛發生加成反應 并可縮聚成線型和網狀結構的脲醛樹脂 你能寫出它們的結構式嗎 p108 脲甲醛樹脂的線形結構 脲甲醛樹脂的網狀結構 酚醛樹脂 反應物 酚類 醛類 苯酚 甲醛 酚醛樹脂 電木 酸催化 線型 堿催化 網狀結構 體型 具熱塑性 能溶于一些有機溶劑中 具熱固性 不溶于任何溶劑 ch2 ch ch2 oh ht纖維由下列兩種單體反應生成 寫出該高分子的結構 電器 儀表和飛機等某些部件要用一種簡稱dap塑料 它的結構如下 則合成它的單體應該是什么 用有機高分子化合物制成的材料就是有機高分子材料 棉花 羊毛 天然橡膠等都屬于天然有機高分子材料 天然纖維 合成纖維 四 合成纖維 1 纖維分類 人造絲 人造棉 區別 纖維與纖維素一樣嗎 合成纖維包括聚酯 滌綸 聚酰胺 尼龍 聚烯烴 腈綸 維綸 丙綸 氯綸 世界上出現的第一種合成纖維是20世紀30年代美國杜邦公司科研小組研制出的尼龍66 nylon 聚酰胺66 它是由己二酸和己二胺縮聚而成的 寫出合成尼龍 66的化學方程式 hooc ch2 4cooh h2n ch2 6nh2 nho oc ch2 4co oh nh nh ch2 6hn h 己二酸和己二胺縮聚合成尼龍 66的化學方程式 2 合成纖維性能 合成纖維工業創立于20世紀40年代 由于其性能優異 原料來源豐富 價格便宜 用途廣泛 生產不受氣候等自然條件的限制 使其得到了非常迅速的發展 滌綸 錦綸 腈綸 丙綸 維綸和氯綸被稱為合成纖維的 六大綸它們具有強度高 彈性好 耐腐蝕 不縮水 質輕保暖等優點 衣物 工業 隔音 隔熱 絕緣 包裝材料漁業 漁網 纜繩 醫療 輸液管 縫合線 止血棉等 航空 降落傘 飛行服 太空服等 都離不開合成纖維 滌綸 尼龍 紡綸纖維織成的防彈衣腈綸 腈綸 錦綸 丙綸 維綸 氯綸 62 合成纖維的單體或聚合物是 填表并書寫化學方程式 思考 合成纖維和天然纖維比較有什么優點和不足 合成纖維中的維綸 聚乙烯醇 為什么吸濕性很好 合成纖維的強度高 彈性好 耐磨和耐化學腐蝕 做成的服裝挺括不皺 但它的吸濕性和透氣性較差 因此 合成纖維常常與棉纖維或羊毛纖維混合紡織 使衣服穿起來既舒適又挺括 性能互補 維綸 聚乙烯醇 具有較好的吸濕性 稱為人造棉花 是因為在其分子鏈上含有羥基的緣故 如果服裝面料是由一種纖維材料制成的 則用 純x 或 100 x 來表示 如 純棉 純毛 或 100 棉 100 毛 如果服裝是由兩種或兩種以上的纖維制成的 標簽上應注明每種纖維種類的含量 如 滌綸20 棉80 等 服裝標簽 hoch2ch2oh 對苯二甲酸和乙二醇縮聚合成滌綸的化學方程式 hoch2ch2oh 合成纖維中目前產量占第一位的是聚酯纖維 滌綸 化學名 聚對苯二甲酸乙二醇酯 n n 催化劑 橡膠的來源 森林中有一種高大的喬木 叫作 三葉樹 如果用小刀在它的樹皮上割開一個小口子 便會有牛奶似的樹汁流淌出來 這種樹汁 就是今天人們所熟悉的橡膠的最初來源 在印第安人的土語中 橡膠 就是 樹木的眼淚 的意思 小學生用的五顏六色的橡皮擦是一種硫化橡膠 現在使用的橡膠輪胎 包括大多數自行車輪胎 都是經過加硫磺 炭黑 纖維等一系列加工步驟后制成的 合成橡膠是以石油和煤為原料 采用高分子合成技術制造出來的 現在已發展了20多個大品種 人們常用型合成橡膠主要有丁苯橡膠 順丁橡膠 氯丁橡膠等 橡膠的發展 思考 橡膠分為哪兩類 天然橡膠的結構式是怎樣的 如何增加它的彈性和強度 五 合成橡膠 1 橡膠分類 橡膠 天然橡膠 合成橡膠 三葉樹膠 順 杜仲樹膠 反 丁苯橡膠 順丁橡膠 合成天然橡膠 氯丁橡膠 乙丙橡膠 硅橡膠 丁腈橡膠 合成橡膠于20世紀開始出現 40年代得到迅速發展 丁苯橡膠 氯丁橡膠 通用橡膠 硅橡膠 特種橡膠 一些合成橡膠產品 合成橡膠與天然橡膠相比 具有高彈性 絕緣性 耐油和耐高溫等性能 因而廣泛應用于工農業 國防 交通及日常生活中 合成橡膠的用途 橡膠是一類具有彈性的物質 當施以外力時形狀將發生改變 去除外力又恢復原來的形狀 共同點 各種高聚物分子中均存在不飽和鍵 2 性質 耐磨 耐寒 耐油 耐熱 耐燃 耐腐蝕性 耐老化等方面有著其獨特的優勢 橡膠的相對分子質量比塑料 合成纖維都要高 一般在105 106范圍內 丁苯橡膠是目前世界上產量最高的合成橡膠 它是由丁二烯和苯乙烯共聚而成的彈性體 請以丁二烯和苯乙烯為原料 寫出合成丁苯橡膠的方程式 合成橡膠 順丁橡膠 彈性高 耐磨 耐寒性好 可在寒冷地帶使用 主要用于制造輪胎 膠鞋 膠帶等 產量