有机高分子化合物及高分子材料.pptx

北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院第七章第七章 有机高分子化合物及高分子材料有机高分子化合物及高分子材料 Chapter 7 Organic Polymers and Polymeric Materials高分子材料高分子材料北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院7.1 有机高分子化合物的基本概念北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院高聚物高聚物链节相同而聚合度不同的混链节相同而聚合度不同的混合物合物特定结构单元多次重复，如特定结构单元多次重复，如:1.高聚物的组成高聚物的组成CH2CH2n nCH2CH2（）n n重复重复次得次得乙烯乙烯(链节链节)聚合度聚合度 聚乙烯聚乙烯(高聚物高聚物)北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院1 1、聚合度不同、聚合度不同混合物混合物 2 2、分子量只具有平均意义，、分子量只具有平均意义，常用数均摩尔常用数均摩尔质量表示。质量表示。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院2.高聚物分子的几何形状高聚物分子的几何形状线型线型线型线型（有支链）（有支链）体型体型(网状网状)北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院体型体型(网状网状)结构大分子被化学键交联起来，结构大分子被化学键交联起来，不易蜷曲。制品无弹性和塑性（热固性）。不易蜷曲。制品无弹性和塑性（热固性）。线型结构分子易蜷曲。制品有弹性线型结构分子易蜷曲。制品有弹性(热塑性热塑性)北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院3 高聚物的结构和性能高聚物的结构和性能高聚物的相对分子质量高聚物的相对分子质量很大很大无气态。无气态。高分子链中有许多高分子链中有许多C-C键，此单键可按键，此单键可按分子链的柔顺性。分子链的柔顺性。数可能数可能(构象构象)高高高分子的形状便有无高分子的形状便有无键角自由旋转。因此，键角自由旋转。因此，北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院高聚物高聚物的聚集态的聚集态有有高聚物整体无序，但在小区域内有序：高聚物整体无序，但在小区域内有序：晶态、非晶态、取晶态、非晶态、取向态。向态。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院高聚物中晶高聚物中晶区多称结晶度大。区多称结晶度大。“两相结构两相结构”模型：晶态高聚物中有模型：晶态高聚物中有链段链段的非晶区。的非晶区。排列整齐的晶区和链段卷曲而又互相缠绕排列整齐的晶区和链段卷曲而又互相缠绕高聚物的聚集态除晶态和非晶态外，还高聚物的聚集态除晶态和非晶态外，还有取向态结构。是有取向态结构。是高聚物高聚物沿拉伸方向发生沿拉伸方向发生有序的排列出现的。有序的排列出现的。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院4.高聚物的物理状态高聚物的物理状态 线性、非晶态高聚物恒压下的形变线性、非晶态高聚物恒压下的形变-温温Tg玻璃化温度玻璃化温度 Tf粘流化温度粘流化温度玻璃态玻璃态 高弹态高弹态 粘流态粘流态度曲线：度曲线：北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 分子动能大。大分子可运动，具有流分子动能大。大分子可运动，具有流粘流态粘流态：TTf 是高聚物的工艺状态；是高聚物的工艺状态；动性和可塑性，不会复原，属塑性变形。动性和可塑性，不会复原，属塑性变形。以温度为标，高聚物可分为三种以温度为标，高聚物可分为三种物理状态：物理状态：北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 分子动能不大，大分子不动，链段可分子动能不大，大分子不动，链段可物柔软，有弹性。是橡胶的使用状态。物柔软，有弹性。是橡胶的使用状态。去外力，分子复原。属高弹形变。高聚去外力，分子复原。属高弹形变。高聚动。受外力，大分子或蜷曲或伸展；除动。受外力，大分子或蜷曲或伸展；除高弹态高弹态：TfTTg 北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 温度低，动能小。大分子不能运动，只温度低，动能小。大分子不能运动，只玻璃态玻璃态：TTg 弹形变。是塑料的使用状态。弹形变。是塑料的使用状态。位置固定。受外力，只产生微小变形位置固定。受外力，只产生微小变形普普能振动；链段也不能运动。分子的形态和能振动；链段也不能运动。分子的形态和北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院5.高聚物的性能高聚物的性能基本性能基本性能：轻、弹、塑、绝：轻、弹、塑、绝缘、耐蚀。缘、耐蚀。机械性能：聚合度机械性能：聚合度n n大大，强度大。强度大。电性能电性能：无：无电子、离子，多是电子、离子，多是绝绝缘体。缘体。但极性基团在电场中会周期性取向，产生位但极性基团在电场中会周期性取向，产生位静电，因绝缘而不易消除。静电，因绝缘而不易消除。移电流，使其具有导电性。高聚物经摩擦而带移电流，使其具有导电性。高聚物经摩擦而带北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院溶解性溶解性：相似：相似相相溶溶溶胀溶胀溶剂分子进入高分溶剂分子进入高分子链，使链距子链，使链距溶解溶解溶胀到使高分子链彼此分离，分溶胀到使高分子链彼此分离，分其其溶解过程可分为溶胀溶解过程可分为溶胀、溶解两步：、溶解两步：增大，增大，体积增大。溶解前的膨胀；体积增大。溶解前的膨胀；子进入溶剂，形成溶液。子进入溶剂，形成溶液。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院高高 聚聚 物物 的的 老老 化化1.高聚物的老化高聚物的老化受内外因素影响，使受内外因素影响，使的现象。的现象。高聚物性能破坏，以至丧失使用价值高聚物性能破坏，以至丧失使用价值北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 外观变化外观变化粘、软、硬、脆、龟裂、变粘、软、硬、脆、龟裂、变2.老化的特征：老化的特征：物化性能物化性能相对分子质量及分布、溶解相对分子质量及分布、溶解形、失光、变色、剥落形、失光、变色、剥落 、斑点。、斑点。寒性的下降或丧失。寒性的下降或丧失。度、密度、透光率、透气性、耐热、耐度、密度、透光率、透气性、耐热、耐 机械性能机械性能拉伸强度、硬度、耐磨性的拉伸强度、硬度、耐磨性的下降。下降。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 电性能电性能绝缘性的破坏。绝缘性的破坏。上述变化并不同时出现。上述变化并不同时出现。老化老化是不可逆转的。是不可逆转的。3 老化的实质老化的实质高聚物的降解和交联。高聚物的降解和交联。降解降解 聚合度降低的过程。分为：聚合度降低的过程。分为：氧化降解氧化降解 在在O2或或O3作用下，生成作用下，生成过氧化物，再分解；过氧化物，再分解；北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 水解水解 在在H+或或OH-催化下，与水反应催化下，与水反应 热裂解热裂解 受热使主链断裂，或成单体，受热使主链断裂，或成单体，机械裂解机械裂解 由于机械力而使高聚物裂由于机械力而使高聚物裂而降解。而降解。代基成小分子。代基成小分子。或成小分子，也可能消去取或成小分子，也可能消去取 发生自由基反应。发生自由基反应。解。也可能形成自由基，解。也可能形成自由基，北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 热氧老化；热氧老化；4 老化的分类：老化的分类：5 防防老化的主要方法：老化的主要方法：防老剂：抗氧剂、光稳定剂、热稳定防老剂：抗氧剂、光稳定剂、热稳定 光光(紫外紫外)氧氧老化。老化。的的破坏作用。破坏作用。剂。能防止、抑制、延缓光、热、氧剂。能防止、抑制、延缓光、热、氧北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 物理防护：防护层。物理防护：防护层。改性：改变结构，提高耐老化性能。改性：改变结构，提高耐老化性能。高聚物：塑料、橡胶、纤维高聚物：塑料、橡胶、纤维PVC热收缩膜聚丙烯纤维硅橡胶绝缘子如如:共混、共聚、交联、增强。共混、共聚、交联、增强。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 塑塑 料料塑料塑料具有塑性的高聚物。具有塑性的高聚物。一、按加工工艺分为：一、按加工工艺分为：1 热塑性塑料热塑性塑料分子链属线型结构（包括含有支链的）分子链属线型结构（包括含有支链的）聚酰胺）、聚酯等。聚酰胺）、聚酯等。醛醛(POM)、氟塑料、氟塑料、ABS、尼龙（、尼龙（PA可以多次反复进行。例如聚乙烯、聚甲可以多次反复进行。例如聚乙烯、聚甲塑料加热后会软化，冷却后变硬，并且塑料加热后会软化，冷却后变硬，并且北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院线型结构高聚物，在固化剂的作用成线型结构高聚物，在固化剂的作用成2 热固性塑料热固性塑料会再软化。例如：酚醛树脂、环氧塑料等。会再软化。例如：酚醛树脂、环氧塑料等。型，后就转化为网状结构。冷却后就不型，后就转化为网状结构。冷却后就不二、按使用情况分为：二、按使用情况分为：1 通用塑料通用塑料指产量大，用途广，价格低，一般只能指产量大，用途广，价格低，一般只能作为非结构材料使用的一类塑料。作为非结构材料使用的一类塑料。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院通常指聚乙烯（通常指聚乙烯（PE）、聚丙烯（）、聚丙烯（PP）、）、全部塑料的大多数。全部塑料的大多数。酚醛塑料和氨基塑料等酚醛塑料和氨基塑料等6个品种，产量占个品种，产量占聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（）、聚苯乙烯（PS）、）、PPPS酚醛酚醛PEPVC氨基氨基北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院聚酯、聚苯醚、氟塑料、环氧树脂等。聚酯、聚苯醚、氟塑料、环氧树脂等。2 工程塑料工程塑料尼龙尼龙POM氟塑料换热器氟塑料换热器指机械性能较好，可以代替金属，可以指机械性能较好，可以代替金属，可以作为结构材料使用的一类塑料。例如聚酰作为结构材料使用的一类塑料。例如聚酰胺（尼龙）、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、胺（尼龙）、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院ABS（丙烯氰（丙烯氰-丁二烯丁二烯-苯乙烯共聚物）苯乙烯共聚物）特点特点：质硬，刚而韧。热塑质硬，刚而韧。热塑用途用途：汽车部件，电器零汽车部件，电器零结构结构：件，电器外壳，纺织器材。件，电器外壳，纺织器材。耐油，耐热。耐油，耐热。不透水，耐蚀，耐磨，不透水，耐蚀，耐磨，性塑料。无毒性塑料。无毒 无味，无味，x=y=z=2北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院部分部分ABS制品制品饰件机箱安全帽北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院聚聚 碳碳 酸酸 酯（酯（PC）特点：线型结构特点：线型结构,热塑性塑热塑性塑耐热耐寒性好，耐稀酸耐热耐寒性好，耐稀酸结构：结构：碱；碱；耐氧化剂。耐氧化剂。绝缘性能优异，不吸水绝缘性能优异，不吸水透光率高，冲击强度高，透光率高，冲击强度高，料。无毒，无味，无臭，料。无毒，无味，无臭，北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院用途：代替金属用途：代替金属 木材木材 玻璃；做电器部件、玻璃；做电器部件、人工内脏人工内脏。汽车部件；防护玻璃，安全帽，包装薄膜、汽车部件；防护玻璃，安全帽，包装薄膜、异型管 灯罩 多层装饰板北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 塑料的加工成型塑料的加工成型北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 压塑、热塑、压塑、热塑、注塑、挤塑、吹塑注塑、挤塑、吹塑北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院橡胶橡胶在室温下具有显著高弹性能的高聚物在室温下具有显著高弹性能的高聚物 天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯：橡橡 胶胶但是，天然橡胶产量很少。但是，天然橡胶产量很少。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 许多合成树脂的性能与橡胶相差甚远。许多合成树脂的性能与橡胶相差甚远。性能的树脂。性能的树脂。需要仿照天然橡胶的结构来合成具有橡胶需要仿照天然橡胶的结构来合成具有橡胶北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院顺顺 丁丁 橡橡 胶胶特点：弹性好，耐磨特点：弹性好，耐磨 耐寒，优于天然耐寒，优于天然橡橡应用：应用：85-90%用于制造轮胎，也用于三用于制造轮胎，也用于三结构结构：胶。抗张强度低，抗湿滑性不良。胶。抗张强度低，抗湿滑性不良。缘制品，胶鞋。缘制品，胶鞋。角皮带，减振器；耐热胶管，绝角皮带，减振器；耐热胶管，绝北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院顺丁橡胶制品顺丁橡胶制品:北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院硅硅 橡橡 胶胶特点：线型聚硅醚，具有良好柔顺性。特点：线型聚硅醚，具有良好柔顺性。防油、水，不易老化；电绝缘性好，防油、水，不易老化；电绝缘性好，用途：制耐高、低温制品，绝缘制品，医用途：制耐高、低温制品，绝缘制品，医结构：结构：无毒、无味、透气。耐候、防振。无毒、无味、透气。耐候、防振。稳定性、弹性好。耐高、低温。稳定性、弹性好。耐高、低温。疗卫生制品。疗卫生制品。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院硅橡胶仿真人耐热硅橡胶电缆北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 纤纤 维维细长柔韧的物质称纤维，如：细长柔韧的物质称纤维，如：结构结构特点是：特点是：中有极性基团，易形中有极性基团，易形成局部结晶区，保证成局部结晶区，保证纤维的强度；纤维的强度；分子中排列不整齐部分子中排列不整齐部分为无定型区。其链可分为无定型区。其链可运动，使纤维有弹性。运动，使纤维有弹性。线型结构，链直，排列整齐，支链少。分子线型结构，链直，排列整齐，支链少。分子绵、毛、丝、麻等。绵、毛、丝、麻等。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院聚酰胺纤维聚酰胺纤维（尼龙 锦纶 PA）特点：特点：“强而韧强而韧”，柔顺性，柔顺性用途：绳索，帘子线，渔用途：绳索，帘子线，渔结构：结构：纤维。纤维。好。耐磨性最好的好。耐磨性最好的带，降落伞，袜子。带，降落伞，袜子。网，飞行服，运输网，飞行服，运输尼龙尼龙6666北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院“尼龙绳尼龙绳”是这样得到的：是这样得到的：北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院尼龙纤维制品：尼龙纤维制品：尼龙布伸缩风管尼龙布伸缩风管热气球、吊装带热气球、吊装带热气球、吊装带热气球、吊装带伸缩编织网管伸缩编织网管尼龙纤维抛光轮尼龙纤维抛光轮北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院聚酯纤维（涤纶聚酯纤维（涤纶 的确良）的确良）特点：极性分子特点：极性分子,分子间力分子间力用途：衣料，薄膜，渔网，用途：衣料，薄膜，渔网，结构：结构：热性好耐水热性好耐水,耐磨。耐磨。差差“挺拔不皱挺拔不皱”，耐，耐大大,强度高，柔顺性强度高，柔顺性救生圈，绝缘材料。救生圈，绝缘材料。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院聚酯纤维过滤筒聚酯纤维过滤筒聚酯纤维吊装带聚酯纤维吊装带聚酯纤维聚酯纤维聚酯纤维吸音板聚酯纤维吸音板北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院增强材料增强材料基体材料基体材料竹子竹子木材木材=木质素木质素 +纤纤 维维骨骼骨骼 =骨骨 胶胶 +磷酸盐磷酸盐轮胎轮胎 =橡橡 胶胶 +链子线链子线混凝土混凝土 =水泥水泥 +砂砂 石石 常见的复合材料常见的复合材料北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院1 定义：由两种以上物理和化学性质不定义：由两种以上物理和化学性质不 复合材料复合材料2 组成：基体材料（金属或高聚物）；组成：基体材料（金属或高聚物）；3 类型：类型：纤维增强复合材料（增强材料是纤维增强复合材料（增强材料是材料是粒子材料是粒子)夹层复合材料。夹层复合材料。纤维）粒子改性复合材料纤维）粒子改性复合材料(增强增强增强材料（纤维、粒子）。增强材料（纤维、粒子）。多相固体材料。多相固体材料。同的物质组合起来得到的一种同的物质组合起来得到的一种北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 增强材料和增强作用增强材料和增强作用包括：玻璃纤维，陶瓷纤维，合成纤维，包括：玻璃纤维，陶瓷纤维，合成纤维，1.纤维增强材料纤维增强材料作用：承受载荷，传递和分散应力，提高作用：承受载荷，传递和分散应力，提高金属丝。金属丝。强度。强度。“玻璃钢玻璃钢”就是纤维增强复合材料：就是纤维增强复合材料：北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院组成：以树脂为基体（环氧树脂，酚醛组成：以树脂为基体（环氧树脂，酚醛玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料玻璃钢玻璃钢以玻璃纤维为增强材料。以玻璃纤维为增强材料。树脂，不饱和聚酯树脂，有机硅）。树脂，不饱和聚酯树脂，有机硅）。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院玻璃钢泵体的制作：玻璃钢泵体的制作：北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院包括：机械力（钉、钩、铆），包括：机械力（钉、钩、铆），3.复合材料界面结合力复合材料界面结合力包括：包括：SiO2、CaCO3、CaSO4 石棉、碳黑、石棉、碳黑、2.粒子增强材料粒子增强材料作用：阻止基体位错，提高强度，降低成作用：阻止基体位错，提高强度，降低成分子间力，氢键，化学键分子间力，氢键，化学键。陶土；陶土；本。本。北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院轮胎实际上是橡胶和纤维的复合材料：轮胎实际上是橡胶和纤维的复合材料：北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 人们向大自然学习了很多知识和技术，人们又在这种学习的基础上“举一反三”创造了更多的物质为人类服务。爱护、尊重自然，从自然学习本领，归根结底是为了人类自己。实验一、茶叶中提取咖啡因实验一、茶叶中提取咖啡因（升华法）（升华法）v咖啡因又叫咖啡碱,是一种生物碱,存在于茶叶、咖啡、可可等植物中。例如茶叶中含有 1%5%的咖啡因,同时还含有单宁酸、色素、纤维素等物质。v咖啡因是弱碱性化合物,可溶于氯仿、丙醇、乙醇和热水中北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院 咖啡因（1，3，7-三甲基-2，6-二氧嘌呤）北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院实验实验2 2、BaTiOBaTiO3 3纳米晶粉的溶胶纳米晶粉的溶胶-凝胶法制备凝胶法制备v钛酸钡(BaTiO3)具有良好的介电性，是电子陶瓷领域应用最广的材料之一。v钛酸钡主要用于电子陶瓷、PTC热敏电阻、电容器等多种电子元器件的配制北方工北方工业业大大学学机机电电学学院院