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高分子化工的应用与发展:
19世纪以前人类主要是利用天然高分子化合物,如棉花、亚麻、羊毛、蚕丝纤维、玻璃、水泥、皮革、纸、天然橡胶、古塔波胶、巴拉塔树胶、虫胶等。
19世纪中期人类开始对天然高聚物开始进行改性,如橡胶硫化、纤维素硝化等。
20世纪初开始人工合成高分子化合物,如1907年建成的酚醛树脂生产装置、醋酸纤维溶液生产装置,及其以后相继建成的玻璃纸、尿醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂等装置。
目前高分子化工处于高速发展时期,无论从单体原料、高聚物性能、生产工艺等方面都有巨大突破,实现了生产技术现代化、产品多样化和新型化。
未来高分子化工将探索新的聚合技术和材料改性技术。
高分子化工包括高分子化合物聚合工艺和高分子材料加工工艺两部分。
高分子聚合工艺就是将基本有机合成工业生产的小分子化合物(单体),经过聚合反应(包括缩聚反应等)合成为高分子化合物的生产工艺。
目前工业生产方法主要有连锁聚合(本体聚合、乳液聚合、、悬浮聚合、溶液聚合等)和逐步聚合(熔融缩聚、溶液缩聚、固相缩聚、界面缩聚、乳液缩聚等)。
主要产品分为合成塑料、合成橡胶、合成纤维、涂料、黏合剂和离子交换树脂、高分子分离膜、高分子磁性材料、光功能高分子材料、高分子复合材料等。
高分子的结构特点:
高分子是由许许多多结构单元组成的,每一结构单元相当于一个小分子,相互间以化学键连接
高分子的分子量很大且有多分散性
高分子主链有一定的内旋转自由度,从而赋予主链一定的柔性,由于分子热运动,链的形状不断改变
结构单元间的Vandewalls力非常重要
交联可以使高分子的性能发生很大变化
高分子的聚集态有晶态和非晶态之分,晶态比小分子的有序度低,非晶态比小分子的有序度高
•高分子各结构层次之间既有区别又有联系
•高分子结构是包括各个层次的综合概念,高分子的性能也是各个层次结构对性能贡献的综合表现
•高分子结构层次繁多、复杂,给其性能调节和改善带来机会
–合成:
一次结构
–加工:
二、三次结构
–配混:
高次结构
碳链高分子
这类高聚物不易水解,易加工,易燃烧,易老化,耐热性较差。
杂链高分子
•这类聚合物是由缩聚反应或开环聚合而成的,因主链带极性,易水解,醇解或酸解
•优点:
耐热性好,强度高
•缺点:
易水解
•这类聚合物主要用作工程塑料
元素有机高分子
主链无C,但侧基含有机取代基
这类高聚物的特点是具有无机物的热稳定性,有机物的弹性和塑性。
但强度较低。
无机高分子
全部由非C原子构成
梯型聚合物
梯形聚合物的特点:
热稳定性好,因为受热时链不易被打断,即使几个链断了,只要不在同一个梯格中不会降低分子量。
支化
对聚合物性能的影响:
结晶性、柔顺性、硬度、密度、熔点等
短支链——规整性、结晶度、密度、熔点等
长支链——主要影响溶解性能和熔体性能
交联
交联:
不溶、不熔
一般使强度、热稳定性提高
热固性树脂、硫化橡胶均为交联高分子材料
橡胶的硫化
饱和烃类聚合物的交联
通过自由基(如:
辐射交联)
分子的立体构型不同,导致材料性能差异
生活中的高分子材料
生活中的高分子材料很多,如蚕丝、棉、麻、毛、玻璃、橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。
下面就以塑料、纤维素和橡胶举例说明。
(一)塑料
塑料是一种合成高分子材料,又可称为高分子或巨分子,也是一般所俗称的塑料或树脂,可以自由改变形体样式。
是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料,由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的,它的主要成分是合成树脂。
塑料主要有以下特性:
①大多数塑料质轻,化学性稳定,不会锈蚀;
②耐冲击性好;
③具有较好的透明性和耐磨耗性;
④绝缘性好,导热性低;
⑤一般成型性、着色性好,加工成本低;
⑥大部分塑料耐热性差,热膨胀率大,易燃烧;
⑦尺寸稳定性差,容易变形;
⑧多数塑料耐低温性差,低温下变脆;
⑨容易老化;
⑩某些塑料易溶于溶剂。
塑料的优点1、大部分塑料的抗腐蚀能力强,不与酸、碱反应。
2、塑料制造成本低。
3、耐用、防水、质轻。
4、容易被塑制成不同形状。
5、是良好的绝缘体。
6、塑料可以用于制备燃料油和燃料气,这样可以降低原油消耗。
塑料的缺点1、回收利用废弃塑料时,分类十分困难,而且经济上不合算。
2、塑料容易燃烧,燃烧时产生有毒气体。
3、塑料是由石油炼制的产品制成的,石油资源是有限的。
塑料的结构基本有两种类型:
第一种是线型结构,具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物;
第二种是体型结构,具有这种结构的高分子化合称为体型高分子化合物。
线型结构(包括支链结构)高聚物由于有独立的分子存在,故有弹性、可塑性,在溶剂中能溶解,加热能熔融,硬度和脆性较小的特点。
体型结构高聚物由于没有独立的大分子存在,故没有弹性和可塑性,不能溶解和熔融,只能溶胀,硬度和脆性较大。
塑料则两种结构的高分子都有,由线型高分子制成的是热塑性塑料,由体型高分子制成的是热固性塑料。
塑料的应用:
透明塑料制成整体薄板车顶。
薄板车顶的新概念基于透明灵活的聚碳酸酯或硅树脂材料,可以被永久性地塑造成单个的聚碳酸酯薄板,也可作为可折叠铰链和封条。
拜耳材料科技研发的原型总共配备了四个灵活的薄板部件,形成了四扇“顶窗”,每扇窗都可单独打开和关闭。
导轨用于连接薄板部件,形成一个牢固、透明的聚碳酸酯车顶外壳。
一个同样透明的管子沿车顶结构中央纵向放置,在“顶窗”打开后用来调节折叠薄板。
这样可以形成三维立体结构,组件比平坦的薄板更加牢固。
同时也大大降低了单个组件的数量。
(二)纤维素
纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。
不溶于水及一般有机溶剂。
是植物细胞壁的主要成分。
纤维素是世界上最丰富的天然有机物,占植物界碳含量的50%以上。
纤维素是自然界中存在量最大的一类有机化合物。
它是植物骨架和细胞的主要成分。
在棉花、亚麻和一般的木材中,含量都很高。
纤维素的结构:
纤维素是一种复杂的多糖,分子中含有约几千个单糖单元,即几千个(C6H10O5);
相对分子质量从几十万至百万;
属于天然有机高分子化合物;
纤维素结构与淀粉不同,故性质有差异。
纤维素的性能:
纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂,能溶于铜氨Cu(NH3)4(OH)2溶液和铜乙二胺[NH2CH2CH2NH2]Cu(OH)2溶液等。
水可使纤维素发生有限溶胀,某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区,产生无限溶胀,使纤维素溶解。
纤维素加热到约150℃时不发生显著变化,超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。
纤维素与较浓的无机酸起水解作用生成葡萄糖等,与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素,与强氧化剂作用生成氧化纤维素。
纤维素的用途:
棉麻纤维大量用于纺织工业;
木材、稻草、麦秸、蔗渣等用于造纸;
制造硝酸纤维:
火棉(含N量较高,制无烟火药)、胶棉(含N量较低,制赛璐珞和油漆);
制造醋酸纤维:
不易着火,用于制胶片;
制造粘胶纤维(NaOH、CS2处理后所得,长纤维称人造丝,短纤维称人造棉);
膳食纤维:
第七种营养成分,有利于消化。
(三)橡胶
橡胶是一类线型柔性高分子聚合物,橡胶是一种有弹性的碳氢化合物异戊二烯聚合,未经加工时以乳剂的形态存在。
橡胶乳剂可以从一些植物的树液中取得,也可以是人造的。
也是很普遍的高分子材料之一。
其分子链间次价力小,分子链柔性好,在外力作用下可产生较大形变,除去外力后能迅速恢复原状。
橡胶属于完全无定型聚合物,它的玻璃化转变温度(Tg)低,分子量往往很大,大于几十万。
由于橡胶的分子链可以交联,交联后的橡胶受外力作用发生变形时,具有迅速复原的能力,并具有良好的物理力学性能和化学稳定性。
所以橡胶是橡胶工业的基本原料,广泛用于制造轮胎、胶管、胶带、电缆及其他各种橡胶制品。
橡胶按原料分为天然橡胶和合成橡胶。
从橡胶的结构来看的话我们不难发现从线性结构来分析未硫化橡胶的普遍结构。
由于分子量很大,无外力作用下,呈细团状。
当外力作用,撤除外力,细团的纠缠度发生变化,分子链发生反弹,产生强烈的复原倾向,这便是橡胶高弹性的由来。
用型橡胶的综合性能较好,应用广泛。
主要有:
①天然橡胶。
从三叶橡胶树的乳胶制得,弹性好,强度高,综合性能好。
②异戊橡胶。
全名为顺-1,4-聚异戊二烯橡胶,由异戊二烯制得的高顺式合成橡胶,因其结构和性能与天然橡胶近似,故又称合成天然橡胶。
③丁苯橡胶。
简称SBR,其综合性能和化学稳定性好。
④顺丁橡胶。
与其他通用型橡胶比,硫化后的顺丁橡胶的耐寒性、耐磨性和弹性特别优异,动负荷下发热少,耐老化性能好,易与天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等并用。
随后我们介绍一下特种橡胶。
特种型橡胶指具有某些特殊性能的橡胶。
①氯丁橡胶。
简称CR,由氯丁二烯聚合制得。
具有良好的综合性能,耐油、耐燃、耐氧化和耐臭氧。
但其密度较大,常温下易结晶变硬,贮存性不好,耐寒性差。
②丁腈橡胶。
简称NBR,由丁二烯和丙烯腈共聚制得。
耐油、耐老化性能好,可在120℃的空气中或在150℃的油中长期使用。
此外,还具有耐水性、气密性及优良的粘结性能。
③硅橡胶。
主链由硅氧原子交替组成,在硅原子上带有有机基团。
耐高低温,耐臭氧,电绝缘性好。
④氟橡胶。
分子结构中含有氟原子的合成橡胶。
通常以共聚物中含氟单元的氟原子数目来表示,如氟橡胶23,是偏二氟乙烯同三氟氯乙烯的共聚物。
氟橡胶耐高温、耐油、耐化学腐蚀。
⑤聚硫橡胶。
由二卤代烷与碱金属或碱土金属的多硫化物缩聚而成。
有优异的耐油和耐溶剂性,但强度不高,耐老化性、加工性不好,有臭味,多与丁腈橡胶并用。
此外,还有聚氨酯橡胶、氯醇橡胶、丙烯酸酯橡胶等。
高分子材料的发展前景
作为新一代材料,它不仅具有传统材料优越的性能,更是弥补了许多传统型材料的不足。
目前,我们最为关注的就是环保问题了,虽然现在高分子材料的应用技术还不够成熟,还有许多问题亟待解决,但相信科学家们将会在不断研究过程中,通过制造新型绿色无污染的高分子材料并应用于实际生活中来解决环境问题已是毫无疑问的。
例如,目前已经制造的新型塑料袋,克服了传统塑料袋不易分解、容易造成土壤硬化等问题,而是易分解、对土壤无污染的,现在已经广泛应用于日常生活中了。
总之,高分子材料的发展前景是诱人的,值得我们这一代为之继续努力,不断去发掘、去钻研
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