《聚合物链微观调控与聚环戊烯弹性复合材料的制备》复习课教学课件-2024-2025学年人教版（2019）高三一轮化学复习

聚环戊烯弹性复合材料的制备 聚合物链微观调控与聚环戊烯弹性复合材料的制备 1 学习目标 基于分子的结构和性质，研究遥爪聚环戊烯与其他橡胶和填料的高效复合，获得高性能弹性复合材料。建构结构观，微粒观，体会结构和性质的关系，发展宏观辨识与微观探析学科素养。 通过传统实验和手持技术的结合，建构实验观，能量观，发展学生的证据推理与模型认知素养。 运用知识判断、分析新情境下的问题，学习建立假设、形成观点以及寻找证据并根据证据进行推理的方法，同时在选择、解释和运用的过程中使原有知识结构化。 高中化学 2 01情景引入 优良的抗疲劳性能是保证飞机、车辆安全的关键 外贸出口新三样——电动汽车、锂电池、新能源电池 高中化学 3 01情景引入 三角胶形貌 Morphology Domain size Interface Bead Filler Hard domain, Resin/filler-rich Soft domain 炭黑 Resin-rubber double network Rubber network 金属-橡胶界面 Adhesion Peel off 填料及树脂富集的 硬分散相 Filler-filler interaction Filler-polymer interaction 橡胶-树脂 双交联体系 X-link density Rigid/flex networks Fillers 填料 Primary particles Surface chemistry aggregates 橡胶 交联体系 轮胎部件的抗疲劳性 高中化学 4 01情景引入 工程橡胶领域——填料增强 增加力学性能，降低生产成本 白炭黑（SiO2·nH2O，其中nH2O是以表面羟基的形式存在）提高抗湿滑性能和降低滚动阻力。 耐磨性 抗湿滑性 低滚动阻力 高中化学 5 【交流研讨1】极性无机填料与橡胶基体亲和性差，易形成聚集体，制备白炭黑/橡胶复合材料的关键是解决白炭黑在橡胶基体中的分散问题。能否对低分子量液体聚环戊烯进行调控提高填料与橡胶基体的结合力？ 02聚合物链微观调控 低分子量液体橡胶 油 替代芳香油的绿色轮胎 改善加工性能 （润滑、降低能耗…） 加入低分子量聚环戊烯（ ）改善加工性能 结构 高中化学 6 分子间作用力——氢键 【交流研讨2】水和乙醇的混合为何可以自发进行？ ΔG =ΔH-TΔS ∆S>0 ∆H<0 ∆G<0 【实验探究1】数字化实验：探究水和乙醇混合的热效应。 高中化学 7 实验步骤 预期现象 预测的依据 取少量碘晶体溶于水，均分为三份 溶液颜色为黄色 碘为非极性分子，水为极性分子，根据相似相溶原理，碘在水中的溶解度不大 向②、③号试管中各加约1mlCCl4，振荡试管，静置 分层： 上层溶液呈无色 下层溶液呈紫色 碘为非极性分子，水为极性分子，CCl4为非极性分子，根据相似相溶原理，碘更易溶于CCl4 再向③号试管中加入1ml饱和KI水溶液，振荡，静置 试管中水溶液的量增加， CCl4层不变，水层颜色变黄，CCl4层紫色变浅 水为极性分子，CCl4为非极性分子，水和CCl4不互溶，I3－易溶于水 溶解性 【实验探究2】传统实验：预测实验现象，应用影响物质在水中溶解度的影响因素解释问题？ “相似相溶”规律； 溶质与水之间能否形成氢键； 溶质能否与水发生化学反应。 必备知识 资料： I2 + I－ ⇌ I3－（黄色） 高中化学 8 溶解性 相似相溶 判断分子是否有极性的认知模型 共价键的极性 分子的空间结构 分子的正负电中心是否重合 分子是否有极性 决定 决定 高中化学 9 分析表中数据，解释溶解度变化规律 名称 甲醇 乙醇 1-丙醇 1-丁醇 1-戊醇 溶解度/g ∞ ∞ ∞ 0.11 0.030 随分子中的碳原子数增加，饱和一元醇在水中的溶解度逐渐减小。 某些物质在293 K,100 g水中的溶解度 C2H5OH中的—OH和H2O中的—OH相近，因而乙醇易溶于水。 戊醇(CH3CH2CH2CH2CH2OH)中烃基较大，其中的—OH跟水分子中的—OH相似性差异较大，因此它在水中溶解度明显减小。 溶解性 10 液体橡胶技术：遥爪聚合物 OH HO 提高加工性 促进填料与橡胶基体的结合 F Amine Hydroxyl … NH2 OH 02聚合物链微观调控——端羟基聚环戊烯 对低分子量液体聚环戊烯进行结构调控提高填料与橡胶基体的结合力 高中化学 11 不同末端功能基团的遥爪聚合物 ROMP反应制备遥爪聚合物 Grubbs R H. Catalyst Development and Mechanism. 2015. Grubbs R H.. Macromolecules, 2001, 34(25): 8610-8618. 遥爪聚合物的应用 合成嵌段共聚物 合成聚氨酯 反应注射成型（RIM）材料 橡胶纳米复合材料的制备 遥爪聚合物的分子量通常不高，由于其末端的的功能基团通常具有反应活性，所以常被用作合成复杂大分子的前驱体。例如，嵌段共聚物、多臂共聚物、交联聚合物和超高分子量聚合物等都可以使用遥爪聚合物制备。遥爪聚合物的合成仍然是目前高分子化学的一个重要研究内容。 【交流研讨3】羟基为何是分子的活性中心？羟基氢的活泼程度如何？ 02聚合物链微观调控——端羟基聚环戊烯 高中化学 12 羟基为何是分子的活性中心？ 元素 电负性 H 2.1 C 2.5 O 3.5 共价键 极性 C—H 弱 O—H 强 从化学键的极性角度分析 共价键的极性影响基团活性 H2O的表面静电势图 电子云 密度大 电子云 密度小 δ+ δ- 02聚合物链微观调控——端羟基聚环戊烯 高中化学 13 羟基氢的活泼程度影响因素？ 基团间的相互作用影响键的极性 2H2O ⇌ H3O++OH－ Kw=1×10-14 2C2H5OH ⇌ C2H5OH2++C2H5O－ K=1×10-30 室温 02聚合物链微观调控——端羟基聚环戊烯 高中化学 14 羟基氢的活泼程度如何？ 与羟基相连的基团影响其极性 H-O-Cl、Na-O-H、K-O-H R-O-H 02聚合物链微观调控——端羟基聚环戊烯 高中化学 15 必备知识 与羟基相连的基团影响其极性 诱导效应： 在分子中引进一个原子或原子团后，可使σ键电子沿着原子链向某一方向移动，使整个分子中的成键电子云密度向某一方向偏移，使分子发生极化的效应。 诱导效应比较，常以氢原子为标准。 吸电子基团：吸引电子能力（电负性较大）比氢原子强的原子或原子团。 （如：–NO2、–CN、–COOH、–COOR、–CHO 、 –X、 、–OCH3、–OH、 –C6H5 、 等） 推电子基团：比氢原子弱（如：烷基）(CH3)3C–＞(CH3)2C–＞CH3CH2–＞CH3–。 02聚合物链微观调控——端羟基聚环戊烯 高中化学 16 03聚环戊烯弹性复合材料的制备 隔离作用 白炭黑 端羟基聚环戊烯 NR 端羟基聚环戊烯促进白炭黑分散原理图 对低分子量聚环戊烯进行结构调控，提高填料与橡胶基体的结合力。 端羟基聚环戊烯与橡胶基体（天然橡胶）相容性良好。 端羟基聚环戊烯的末端-OH可与白炭黑表面的-OH形成氢键或化学键，减少白炭黑的自聚集现象，提高分散性。 端羟基聚环戊烯在有机相（天然橡胶）和无机相（白炭黑）两相的结合方面表现出良好的“桥梁”作用。 OH HO 真实问题转化为学科问题 高中化学 17 端乙酰氧基聚环戊烯 端羟基聚环戊烯 （ ） n 遥爪聚环戊烯的合成，选用Grubbs二代催化剂引发反应，顺-1，4-二乙酰氧基-2-丁烯为链转移剂（CTA），制备末端带有乙酰氧基基团的聚合物，然后通过末端功能基团脱保护，得到端羟基聚环戊烯。 03聚环戊烯弹性复合材料的制备 端羟基聚环戊烯的合成 精准控制分子量： 分子结构测定 高中化学 18 开炼 硫化 测试 密炼 正面显微镜:测量dc/dn 侧面超高速摄像头:实时监测裂纹尖端损伤区的“动态形态” 03聚环戊烯弹性复合材料的制备 DMA+300 测裂纹扩展速率 如何测试制备的弹性体（橡胶）的抗疲劳性？ 高中化学 19 端羟基聚环戊烯的加入降低了裂纹扩展速率，白炭黑的均匀分散，避免了应力集中，白炭黑与橡胶的结合力增强，使裂纹生长缺陷点减少，高分子量端羟基聚环戊烯由于羟基含量少效果不太好。 动态撕裂能（J/m2） 动态撕裂能（J/m2） 【交流研讨4】分析下图，你能得出什么结论？ NR+5-42000：天然橡:95份+5份分子量为42000的聚环戊烯与白炭黑共混 NR+5-35000：天然橡:95份+5份分子量为35000的端羟基聚环戊烯与白炭黑共混 03聚环戊烯弹性复合材料的制备 高中化学 20 制备了性能优异的聚环戊烯弹性复合材料，接下来可开发端羟基聚环戊烯制备聚氨酯、嵌段共聚物等更多应用。 03聚环戊烯弹性复合材料的制备 高中化学 优质型阻燃涂层解决方案最大的特点，是通过特殊设计的遥爪聚合物，该遥爪会像手一样紧紧抓住阻燃剂，通过化学机制使材料达成优质的阻燃功效，同时赋予涂层较好的透明性。该技术的应用也可有效防止燃烧过程中燃烧物滴落的风险。 03聚环戊烯弹性复合材料的制备 高中化学 22 04归纳总结 端羟基聚环戊烯提高填料与橡胶基体的结合力——真实问题转化为学科问题 “相似相溶”规律 能否形成氢键 能否发生化学反应 功能基团——活性中心 共价键的极性影响基团活性 基团间的相互作用影响键的极性 O—H … O N—H … N F—H … F 学科大概念 结构决定性质 性质决定用途 高中化学 23 05学习自评 评价内容 1.能基于分子的结构和性质，研究遥爪聚环戊烯与其他橡胶和填料的高效复合，设计制备高性能弹性复合材料。 2.建构了结构观，微粒观，体会到结构和性质的关系，发展了宏观辨识与微观探析学科素养。 3.通过传统实验和手持技术的结合，建构了实验观，能量观，发展了证据推理与模型认知素养。 4.能运用知识判断、分析新情境下的问题，同时在选择、解释和运用的过程中使原有知识结构化。 5.能通过图像等信息讨论物质结构对材料性能的影响。 对照本节课的学习内容，自我评价掌握程度，查缺补漏。 高中化学 24 06当堂评价 25 1.观察下列三个分子结构 （1）在有机物分子上用δ+和δ¯标出电子云密度较小及电子云密度较大的区域。 （2）将三种有机物分子按照沸点递增的顺序排列，并说明理由。 δ+ δ+ δ+ δ- δ- δ- a>b>c 高中化学 25 科技强国，未来有我 世界是你们的， 也是我们的， 但是归根结底是你们的！ 重温 1957年毛泽东主席在莫斯科对中国青年留学生们的寄语： 高中化学 26 $$