最后更新: 2025-10-29 11:46 查看: 38 次纠错评论(0) 课件开VIP

聚合物、高分子、塑料、橡胶、纤维

在古代，人们使用的各种材料都是直接取自大自然的天然物质，或者把一些天然物质进行加工后制成的。随着生产领域的扩大，天然材料的品种和性能已经远远不能满足人类物质与文化生活需求的增长。 20 世纪以来，各种人工合成高分子材料应运而生，它们具有许多优于天然材料的性能。这些合成高分子的大量使用，改变了人类的生活方式，把人类物质文明的发展又向前推进了一大步。

## 聚合物的结构与性质

聚合物是由许多小分子单元重复连接而成的巨大分子，相对分子质量通常在 $10^4 \sim 10^6$ 。

同种聚合物分子的聚合度 $n$ 大小并不相同，例如聚乙烯中 $n$ 的范围大约是在 1000 至 30000 ，因此其中一个分子可能是
 ![图片](/uploads/2025-10/fcc98a.jpg)
 而另一个分子则可能是
  ![图片](/uploads/2025-10/21bd8f.jpg)

由此可见，聚合物实质上是由许多链节结构相同而聚合度不同的巨大分子所组成的混合物。

聚合物中巨大分子间的作用力很复杂，因此不同的聚合物具有不同的机械强度、硬度、弹性等性质。即使是同种单体形成的聚合物，由于结构差异，往往也呈现出不同的性质，可用于制造不同用途的物品。

#### 聚乙烯生产工艺的发展
1933年，英国的两位化学家在高压下意外合成了聚乙烯，这是一种白色蜡状粉末，具有极好的化学稳定性：防水、无异味、耐碱，还有出色的绝缘性。1939 年，第一个聚乙烯厂投入生产，产品被广泛用于各种军用设备。 20 世纪 40 年代后期，聚乙烯的生产工艺得到了很大的发展，通过使用高压管式反应器进行连续生产，聚乙烯产量与质量均得以迅速提升。这种用高压法生产的聚乙烯分子主链上具有许多支链，使得分子链无法整齐排布，因此密度较低，被称为低密度聚乙烯（LDPE）。低密度聚乙烯的熔点和机械强度较小，一般加工成塑料薄膜、电线护套等。1953年，德国化学家齐格勒（Karl Waldemar Ziegler，1898－1973）发现了一种新型催化

剂，能使乙烯在相对温和的条件下进行聚合。用这种方法得到的聚乙烯分子主链上基本没有支链，分子链排布规整，因此具有较高的密度，称为高密度聚乙烯 （HDPE）。高密度聚乙烯机械强度好，可以加工成瓶子、箱子、绳索等（图4．14）。

1957年，意大利化学家纳塔（Giulio Natta，1903－1979）实现了聚丙烯等其他聚合物的合成，开创了塑料的新天地。齐格勒和纳塔也因此共同获得了 1963 年的诺贝尔化学奖。

![图片](/uploads/2025-10/ab484b.jpg)
 
 ## 合成聚合物的方法
 
 19 世纪时，科学家们已经制造出少量高分子化合物，但由于受当时科技发展水平的限制，未能认识到聚合物的本质，无法进行大量生产。 20 世纪 30 年代，随着酚醛树脂等一批高分子化合物工业化生产的实现，人们对聚合物的组成结构与反应原理的了解逐渐深人，新的聚合物单体不断出现，具有工业化价值的高效催化聚合方法不断产生。目前根据过程的不同，聚合反应主要分为两类：加成聚合 （加聚）反应和缩合聚合（缩聚）反应。

1．加成聚合反应
由乙烯形成聚乙烯的反应属于加成聚合反应。在加聚反应过程中，单体分子没有失去任何原子，因此所得聚合物的链节原子组成与单体原子组成相同。常见的加聚反应产物除聚乙烯外，还有聚丙烯、聚氯乙烯   、聚苯乙烯等。

存在单双键交替结构的烯烃（如1,3—丁二烯）在发生加成反应时，除了两个双键各自进行加成外，在一定条件下两个碳碳双键还能一起断裂，又同时生成一个新的双键，这种特殊的加成方式叫做1,4—加成。例如：

![图片](/uploads/2025-10/706d49.jpg)
 
 相应地，1,3—丁二烯在聚合时，也会发生1,4—加聚反应，产物称为顺丁橡胶，是一种应用十分广泛的合成橡胶。

![图片](/uploads/2025-10/f5c53e.jpg)
 
 
 我们可以通过单体来推测加聚产物的结构，也可以通过加聚产物的链节推断形成该聚合物的单体。请思考并完成下表。
 
  ![图片](/uploads/2025-10/e7771d.jpg)
  
两种或两种以上单体共同参加聚合反应，所形成的聚合物称作共聚物。利用共聚反应可设计和制造出符合人们所要求性能的聚合物，大大扩充了高分子材料的品种和应用领域。例如由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯组成的三元共聚物简称ABS，在物理性能上具有刚、硬、韧的特征，是目前应用最广泛的一种工程塑料（图4.15）。
  
   ![图片](/uploads/2025-10/3afc7d.jpg)
   
 #### 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯的商品名称为“特氟龙”，这是一种以四氟乙烯为单体聚合而成的合成高分子材料。聚四氟乙烯不易受其他化学物质腐蚀，具有耐高温的特点，是很好的绝缘体。聚四氟乙烯也是摩擦系数最低的固体之一，用以作平底锅和其他炊具的不粘涂层。国家游泳中心（“水立方”）的外立面材料所用的就是乙烯—四氟乙烯共聚物（ETFE）（ 图 4.16）， 具有耐腐蚀性、保温性佳、自清洁能力强的特点。

![图片](/uploads/2025-10/fa3b14.jpg)
 
 2. 缩合聚合反应
缩聚反应与加聚反应不同，在生成聚合物的同时，一般伴随有小分子（如水、卤化氢、氨等）生成（图4.17）。如对苯二甲酸之间发生缩聚反应时，两种单体彼此发生酯化反应，在形成酯键的过程中释放出水分子

![图片](/uploads/2025-10/8b1887.jpg)

在缩聚反应过程中，由于生成了小分子，因此所得聚合物的链节原子组成与单体原子组成不同。此外，除了二元羧酸、二元醇外，常见能发生缩聚反应的有机物还有羟基酸、氨基酸等。

![图片](/uploads/2025-10/aca518.jpg)
 
 
 ## 合成高分子材料

通用的合成高分子材料包括塑料、橡胶、合成纤维、涂料、黏合剂等。随着科技的进步，许多具有特殊性能和用途的新型高分子材料不断问世，它们能满足光学、电学、化学、生物学、医学等方面的要求，称为功能高分子材料。

1．塑料
塑料被广泛用于取代木材、石材、皮革、金属、玻璃、陶瓷等传统材料。常见的塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯。

不少塑料受热时会软化、发生流动而变形，冷却后又会硬化并保持一定形状，这种现象可交替反复进行，这种性质被称为热塑性，大多数线形或支链型聚合物具有这种性能。有些高分子材料成型后内部分子链之间产生交联，形成三维的网状结构，当再次加热时就不能再变软流动，我们称这种性质为热固性，酚醛树脂等高分子具有这种性能（图 4．19）。

![图片](/uploads/2025-10/2ecdf7.jpg)

2．橡胶
按照制成方式的不同，橡胶可以分为天然橡胶和合成橡胶两类。

天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯，未经加工的生胶通常弹性、强度等性能较差。工业上用硫对生胶进行改良处理，这个过程称为＂硫化＂。硫化后线性结构的橡胶分子间发生交联，从而使橡胶的弹性、强度等诸多性能都得到增强（图 4.20 ）。

![图片](/uploads/2025-10/6cf09a.jpg)
 
 合成橡胶通过人工方法制得，主要品种有顺丁橡胶、合成天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶等。相较于天然橡胶，它们在耐磨性、耐热性、抗老化等方面有着独特的优势。
 
 3．合成纤维
合成纤维是一类重要的线型有机高分子化合物。常见的合成纤维包括尼龙（聚酰胺纤维）、涤纶（聚酯纤维）、氨纶（聚氨酯纤维）、腈纶（聚丙烯腈纤维）、丙纶（聚丙烯纤维）、维纶（聚乙烯醇缩醛纤维）等。

合成纤维具有强度高、抗腐蚀、质轻、耐用等优点，其产品随处可见。例如，用丙纶无纺布制作医用纱布、口罩、湿巾等，生活中使用的环保袋材质也多为丙纶 （图4．21）。由于合成纤维在透气性、吸湿性等方面不如天然纤维，为了改善面料性能，往往将两种或多种纤维混纺。例如，腈纶与羊毛混纺的面料蓬松柔软，兼有羊毛保暖透气和腈纶抗菌抗蛀的性能（图 4．22）。

![图片](/uploads/2025-10/04fe2a.jpg)
 
 4．功能高分子
功能高分子之所以具有特定的功能，是由于在高分子链中结合了特定的功能基团，或者与具有特定功能的其他材料进行了复合。例如，某些链节上具有单双键交替结构的高分子经过某些特定处理后，会产生一定的导电性，其中最具有代表性的就是导电率达到了金属水平的聚乙炔（图 4．23）。

![图片](/uploads/2025-10/16231c.jpg)
 
 
科学家利用这一特点，制造出了一系列导电高分子材料，并开发出越来越多的具有特殊性能的新产品（图 4.24 ）。

![图片](/uploads/2025-10/216961.jpg)

又如，在具有网状结构、不溶性的高分子化合物中引人某些活性基团，可以得到具有离子交换能力的树脂。这些活性基团能够俘获水中的正离子或负离子，同时释放出 $\mathrm{H}^{+}$或 $\mathrm{OH}^{-}$，借助这种离子交换过程，可以实现水的纯化 （图 4.25 ）。
 ![图片](/uploads/2025-10/7bd76f.jpg)

在医学上，将药物活性分子与高分子载体结合后，可以控制药物活性分子在人体内的释放浓度与速度，发挥更好的疗效（图 4．26）。

![图片](/uploads/2025-10/0a1807.jpg)

#### 材料化学
材料是人类社会前进的物质基础，材料的发展推动着人类社会的进步, 成为人类文明发展的里程碑。材料更是科技进步的核心，与能源、信息并列为现代科学的三大支柱。一个国家材料的品种和产量是直接衡量其科学技术、经济发展水平和人民生活水平的重要标志之一。
材料化学是从化学的角度研究材料的设计、制备、结构、性质和应用的一门学科，属于材料学与化学的交叉学科。材料化学最初源于陶瓷制造与冶金学，进入19世纪后，高分子化学的兴起为材料化学开辟了新的领域。橡胶、塑料、生物材料等革命性技术迅速发展，为现代工农业、交通运输、医疗卫生、军事技术，以及人们衣、食、住、行各方面，提供了多种性能优异的材料。随着科学技术的进步和经济的发展，具有高强度、高韧性、耐高温、耐极端条件等高性能的高分子材料发展十分迅速，为电子、航天工业等提供了必需的新材料。

## 塑料的回收与再利用

高分子材料的大量使用给人们的生活生产带来了便利，但由于有些塑料制品不易被生物降解，随意弃置会对生态环境造成污染，我们形象地称之为“白色污染”。

我们可以通过减少使用、重复利用以及分类回收等方式，降低塑料废弃物的产生。
另一种从源头上解决废弃塑料制品问题的方法是开发可降解塑料。用天然可再生资源制造出来的聚合物通常都是可降解和无毒的，例如聚乳酸可由玉米等粮食作物发酵制得乳酸进行缩聚得到，同时聚乳酸也可在自然界的微生物催化作用下降解。图4.27总结了聚乳酸的生产与消耗的循环过程。

![图片](/uploads/2025-10/27e28a.jpg)
 
  ![图片](/uploads/2025-10/32970b.jpg)
  
`例`
![图片](/uploads/2025-10/06a43f.jpg)

![图片](/uploads/2025-10/8cd71b.jpg)
 
 
  ![图片](/uploads/2025-10/13314b.jpg)

科数题库(单机版) 会议室预约系统(book)

今日还可看 0 篇未注册用户每天查看4篇，注册用户每天8篇，开通VIP会员无限制查看。

免费注册

《高等数学》难点解析

高数教程 泰勒公式切线与法线切平面与法平面驻点·拐点·极值点·零点间断点渐进线瑕积分欧拉方程伯努利方程 Abel 收敛定理偏导数的几何意义偏导数的几何意义梯度数量场与向量场多元函数极值拉格朗日算子通量与散度环流量与旋度格林公式高斯公式斯托克斯公式三大公式比较傅里叶级数极坐标微元点法式方程变上限定积分 X型计算面积 Y型计算面积微分的意义渐近线间断点 y''+py'+qy=f(x)方程高斯黎曼傅里叶变换(复数) 拉普拉斯变换(复数)

《线性代数》难点解析

线代教程 近世代数对数学的整体思考线性的意义矩阵乘法(列视角) 矩阵乘法(行视角) 矩阵左乘矩阵右乘逆矩阵求解方程组阶梯形矩阵的求法方程组解的判定四阶行列式的计算线性变换的意义线性空间向量组的等价线性空间的几何意义基础解系的求法施密特正交化特征值与特征向量的意义矩阵相似的几何意义矩阵可对角化的理解秩的意义(向量版) 秩的意义(方程版) 二次型的意义

《概率论与数理统计》难点解析

概率教程 置信区间与上a分位数概率中的“取”与“放” 贝叶斯公式全概率公式泊松分布指数分布伽玛分布二维密度图的意义卷积的意义相关系数的意义 k阶矩是与矩母函数卡方分布的作用单正态区间估计理解假设检验理解切比雪夫不等式中心极限定理

上一篇：糖类、氨基酸、多肽、蛋白质、核酸

下一篇：有机物合成

本文对您是否有用？有用 (0) 无用 (0)