5.2高分子材料 课件 2024-2025学年高二化学人教版（2019）选择性必修3

第五章 合成高分子 第二节 高分子材料 学习目标 1、通过对通用高分子材料的学习，进一步巩固加聚反应和缩聚反应的认识思路，认识塑料、橡胶、合成纤维的组成和结构特点。 2、通过对比分析线型、支链和网状结构对材料性质的影响，了解高分子与有机小分子的主要不同之处。扩展并完善对有机化合物结构、性质和应用的认识。 3、通过不同条件下合成酚醛树脂的实验探究，进一步体会“化学反应是可以控制的”“条件不同产物不同”等化学观念。通过高分子材料吸水性能的对比实验，体会通过分析微观结构解释化学性质的思路，以及结构、性质和应用之间的关系。 4、体验功能导向的高分子材料合成的价值，了解新型高分子材料的优异性能及其在高新技术领域的应用。 高分子材料 人造草坪 聚酯纤维 吸水树脂 多彩的塑料制品 合成橡胶 高分子材料 按用途和 性能分类 通用高分子材料 功能高分子材料 塑料 合成纤维 合成橡胶 粘合剂 涂料 高分子分离膜 导电高分子 医用高分子 高吸水性树脂 高分子材料的分类 一、通用高分子材料一——塑料 1.成分： 树脂：未经加工处理的，没有与添加剂混合的聚合物 合成树脂 加工助剂 聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂、脲醛树脂等。 主要成分是合成树脂，还可加入具有特定作用的加工助剂 增塑剂 热稳定剂 着色剂 提高柔韧性 赋予各种颜色 提高耐热性 2.分类: 塑料 可以反复加热熔融加工 聚乙烯、聚氯乙烯等 不能加热熔融，只能一次成型 环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂等 热固性塑料 热塑性塑料具有长链状的线型结构。受热时，分子间作用力减弱，易滑动；冷却时，相互引力增强，会重新硬化。因此能反复加热软化和冷却硬化。 热固性塑料第一次加热时软化流动，到一定温度时链与链间会形成共价键，产生一些交联，形成体型网状结构，硬化定型。此后再次加热时不能软化。 热塑性塑料 线型结构 不带支链的 带支链的 体型(网状)结构 交联的 洗手液 思考：同样的聚乙烯原料，为什么合成的塑料性能不同？ 应用 性能 结构 决定 决定 工艺 控制 7 高压法聚乙烯 (低密度聚乙烯)LDPE 低压法聚乙烯 (高密度聚乙烯)HDPE 聚合反应条件 150MPa～300MPa,200℃左右，使用引发剂 0.1MPa～2MPa,60～100℃，使用催化剂 高分子链的结构 含有较多支链 支链较少 密度/(g⋅cm-3) 0.91～0.93 0.94～0.97 软化温度/℃ 105～120 120~140 主要性能 无毒、较柔软 无毒、较硬 主要用途 生产食品包装袋、薄膜、绝缘体等 生产瓶、桶、板、管等 3.聚乙烯 (1) 合成方法 为什么低密度聚乙烯比高密度聚乙烯的软化温度低，密度也低呢？ 思考与讨论 这是因为高分子链之间的作用力与链的长短有关，高分子链越长，高分子相对分子质量越大，高分子链之间的作用力越大。此外，还与高分子链之间的疏密远近有关。低密度聚乙烯的主链有较多长短不一的支链，支链结构有碍碳碳单键的旋转和链之间的接近，链之间的作用力就比高密度聚乙烯的小，软化温度和密度也就较低；相反，高密度聚乙烯的支链较少，链之间易于接近，相互作用力较大，软化温度和密度都较高。 网状结构 线型结构 线性结构的聚乙烯可以在一定条件下变为网状结构的聚乙烯，以增加强度 支链型结构 (2) 结构 (3) 性质 ①弹性 聚乙烯分子链上的碳碳单键可以发生旋转 导致 分子链只能呈不规则的卷曲状态 所以，一般的高分子材料都具有一定的弹性 外力作用 卷曲的高分子链可以被拉直或部分被拉直 除去外力 恢复卷曲状态 高分子链之间的作用力 链的长短 高分子链之间的疏密远近 高分子链越长，高分子相对分子质量越大，高分子链之间的作用力越大 支链较少，易于接近相互作用力大 低密度聚乙烯，相对分子质量小、支链多 高密度聚乙烯，相对分子质量大、支链少 低密度聚乙烯比高密度聚乙烯的软化温度低，密度也低 ②软化温度和密度 (4) 用途 ①低密度聚乙烯不用加入增塑剂就显得十分柔软。可做无毒的食品包装袋等薄膜制品 ②高密度聚乙烯较硬一些,可做瓶、桶、板、管与棒材等。 ③通过改进聚合反应的催化剂，现已得到超高相对分子质量的聚乙烯(相对分子质量大于106)。其具有高强度和高耐磨性，使用温度范围广，耐化学腐蚀。可用于制造防弹服、防弹头盔、绳缆等。 防弹服 防弹头盔 绳缆 【科学·技术·社会 】 聚氯乙烯薄膜能用于食品包装吗？ [ ]n n CH2 CH Cl 一定条件 CH2 CH Cl 聚氯乙烯本身较硬，需加入增塑剂，稳定剂等。室温下，增塑剂小分子会逐渐“逃逸”出来。，这些增塑剂小分子在室温下会逐渐“逃逸”出来，使柔软的塑料制品逐渐变硬；有的增塑剂还具有一定毒性。所以，不能用含增塑剂的聚氯乙烯薄膜生产食品包装材料。 COO(CH2)3CH3 COO(CH2)3CH3 COO(CH2)7CH3 COO(CH2)7CH3 邻苯二甲酸二丁酯 邻苯二甲酸二辛酯 增塑剂 [资料卡片] 高分子化合物的命名 (1)天然高分子：习惯使用专有名称，如淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等。 (2)合成高分子： 合成高分子 一种单体：在单体名称前加“聚”字，如聚乙烯、聚丙烯等 两种单体 ①在缩合产物或两种单体前加“聚”，如聚对 苯二甲酸乙二酯等 ②在两种单体名后加“树脂”，如酚醛树脂等, 树脂的含义是指未加工处理的聚合物。 (3)合成橡胶：通常在单体名称后加“橡胶”，如顺丁橡胶等。 (4)合成纤维的名称常用“纶”，如氯纶(聚氯乙烯纤维)、腈纶(聚丙烯腈纤维)等。 【资料卡片 】 高分子的命名 聚苯乙烯 聚异戊二烯（异戊橡胶） 聚甲基丙烯酸甲酯 （有机玻璃） 聚对苯二甲酸乙二酯纤维 酚醛树脂 [ ] —CH2-CH2-CH2-CH— CH3 — n 乙丙橡胶 【社会·科学·技术】 可降解高分子 微生物降解和光降解 图5-4 微生物降解塑料 “白色污染” H—O-CH-C—OH O [ ] n CH3 聚乳酸 废弃的塑料制品对环境造成的污染 可降解高分子 环氧乙烷与CO2反应生产聚合物 （1）概念：酚醛树脂是酚(如苯酚或甲苯酚等)与醛(甲醛)在酸或碱的催化下相互缩合而成的高分子。 【实验5-1】酚醛树脂的制备 实验操作     实验现象 实验结论 4.酚醛树脂 混合溶液变浑浊，生成黏稠粉红色物质 混合溶液变浑浊，生成黏稠淡黄色物质 苯酚与甲醛在酸或碱作用下均可发生缩聚反应生成树脂 （2）苯酚与甲醛在酸催化下 等物质的量的苯酚与甲醛反应，苯酚邻位或对位的H原子与甲醛的羰基加成生成羟甲基苯酚，然后羟甲基苯酚之间脱水缩合成线型结构高分子。 （3）碱性条件对酚醛树脂结构的影响 在碱催化下，苯酚与过量的甲醛反应，生成羟甲基苯酚的同时，还生成二羟甲基苯酚、三羟甲基苯酚等，继续反应生成网状结构的酚醛树脂，属于体型结构高分子。 2,4-二羟甲基苯酚 2,4,6-三羟甲基苯酚 羟甲基苯酚 （4）酚醛树脂的性质特点和用途 具有网状结构的高分子受热后不能软化或熔融，也不溶于一般溶剂。 酚醛树脂主要用作绝缘（开关、灯头）、隔热、阻燃、隔音器材和复合材料。可用于烹饪器具的手柄，一些电器与汽车的零部件，火箭发动机、返回式卫星和宇宙飞船外壳等的烧蚀材料。 图5-5 宇宙飞船返回舱烧蚀后的外壳 图5-6 使用酚醛树脂底板制成的集成电路板 分类 线型结构 支链型结构 网状结构 结构 线型结构示意图 支链型结构示意图 网状结构示意图 分子中的原子以共价键相互连接，构成一条很长的卷曲状态的“链” 分子链与分子链之间有许多共价键交联起来，形成三维空间网状结构 溶解性 能缓慢溶解于适当溶剂 很难溶解，但往往有一定程度的胀大 性能 具有热塑性，无固定熔点 具有热固性，受热不熔化 特性 强度大、可拉丝、吹薄膜、绝缘性好，具有热塑性 强度大、绝缘性好，具有热固性 常见物质 聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡胶 酚醛树脂、硫化橡胶 (1)通过以上学习，我们了解到合成高分子的结构大致可以分为三类：线型结构、支链型结构和网状结构，你能举例说明它们各自的特性吗？ 【思考与讨论】 思考交流 如何利用性质判断高分子材料是线型结构还是体型结构？ (1)根据溶解性判断： 能溶于适当溶剂的高分子材料一般为线型结构，如聚乙烯、聚氯乙烯等；在溶剂中难溶解的高分子材料一般为体型结构，如酚醛塑料等。 (2)根据热塑性、热固性判断： 具有热塑性，受热能熔化的高分子材料具有线型结构；具有热固性，受热不熔化的高分子材料具有体型结构。 判断高分子材料是线型结构还是体型结构，一般从以下两个角度判断： (2)尿素（H2NCONH2）可以与甲醛发生反应，最终缩聚成具有线型或网状结构的脲醛树脂。脲醛树脂可用于生产木材黏合剂、生活器具和电器开关。请写出尿素与甲醛反应得到线型聚合物的化学方程式。 1:2加成 HOCH2HNCONHCH2OH 分子间脱水 nH2NCONH2 + 2nHCHO 催化剂 n H OH CH2NHCONH O CH2 + (n-1) H2O 网状结构的脲醛树脂 线型结构里必须还存在能发生加聚或缩聚反应的官能团，如双键、羟基、氨基等，才有可能转变为网状结构。 课堂练习1：有甲、乙两种高聚物，甲能溶于有机溶剂，加热可熔融；乙不溶于任何溶剂，加热不会变软或熔融，则下列叙述中错误的是(　　) A．高聚物甲可能具有弹性，而高聚物乙没有弹性 B．高聚物甲可能是线型高分子化合物材料 C．高聚物甲一定是体型高分子化合物材料 D．高聚物乙一定是体型高分子化合物材料 C 课堂练习2：下列塑料的合成，所发生反应类型与另外三种不同的是 (　 　) A．聚乙烯塑料　　　B．聚氯乙烯塑料 C．酚醛塑料 D．聚苯乙烯塑料 C 课堂练习3：下列高分子经简单处理可以从线型结构变成网状结构的是(　　) A．①② B．③④ C．①④ D．②③ D 纤 维 化学纤维 再生纤维：利用天然高分子化合物，经过一系列的化学处理和机械加工而制得的纤维，也叫人造纤维。如粘胶纤维等 合成纤维：用石油、天然气、煤和农副产品等不含天然纤维的物质为原料加工制得单体，经聚合反应制成的纤维 天然纤维 植物纤维：如棉花、麻等(主要成分纤维素) 动物纤维：如羊毛、蚕丝等(主要成分蛋白质) “六大纶”：涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶 1.纤维的分类 二、通用高分子材料二——合成纤维 名称 结构简式 单体 涤纶(的确良) 锦纶 腈纶(人造毛)　　 维纶 丙纶 氯纶 CH2=CHOH CH2=CH—CH3 CH2=CH—Cl 2.常见的合成纤维——六纶 30 (1)聚酯纤维(涤纶) 合成纤维中目前产量最大的是聚酯纤维中的涤纶，它是聚对苯二甲酸乙二酯纤维的商品名称。其合成反应为： 涤纶性能：强度大，耐磨，易洗，快干，保形性好，但透气性和吸湿性差，可以与天然纤维混纺获得改进。 涤纶用途：是应用最广泛的合成纤维品种，大量用于服装与床上用品(如运动服、被套、睡袋等)、各种装饰布料、国防军工特殊织物(航天服、降落伞),以及工业用纤维制品(过滤材料绝缘材料、轮胎帘子线、传送带)等。 宇宙飞船降落伞 (2)聚酰胺纤维（商品名锦纶，俗称尼龙） 由二元或多元胺与二元或多元羧酸缩合而形成的高分子纤维称为聚酰胺纤维，聚己二酰己二胺纤维(又称锦纶66、尼龙66，前一个6代表二胺中碳原子数，后一个6代表二酸中碳原子数))的合成反应为： 锦纶66性能：不溶于普通溶剂，熔化温度高于260℃，拉制的纤维具有天然丝的外观 和光泽，耐磨性和强度较大。 锦纶66用途：生产丝袜、降落伞、渔网、轮胎帘子线等。 锦纶在发展：由6-氨基已酸合成的锦纶6、由癸二酸和癸二胺合成的锦纶1010等脂肪 族聚酰胺纤维(锦纶)，以及耐高温、高强度的芳香族聚酰胺纤维(芳纶) 优点： 强度高、弹性好、耐腐蚀、不缩水、保暖 缺点： 吸湿性和透气性明显不及天然纤维(维纶吸湿性较好，且有“人造棉花”的美称) 改性方法： 将天然纤维和合成纤维混合纺织得到的混纺纤维实现了优势互补，性能更加优良 3.合成纤维的性能 4.合成纤维应用 服装 航天服 降落伞 绝缘材料 隔音、隔热材料 止血棉 医用缝合线 渔网 麻绳 【科学·技术·社会 】 高强度芳纶纤维 芳香族聚酰胺纤维——聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，又称芳纶1414 + nH2N NH2 催化剂 n C C OH O O ] HN NH [ H +(2n-1)H2O C C OH O O nHO 它的强度高，密度却只有钢的1/5；其热稳定性 高，在500℃高温下不会熔化分解。可以制成防弹装甲、消防服、防切割耐热手套，以及交通工具的结构材料和阻燃内饰等。 图5-10 使用了芳纶纤维结构材料的轻型飞机 课堂练习4：某航天服的材料中含尼龙­1010，其结构简式为 下列有关尼龙­1010的说法正确的是(　 　) A．尼龙­1010是通过加聚反应制成的 B．尼龙­1010的单体是H2N(CH2)10NHCO(CH2)8COOH C．尼龙­1010是通过缩聚反应制成的 D．制作舱外航天服的材料要质轻，方便航天员在舱外行走 C 橡 胶 天然橡胶 合成橡胶 三叶树胶（顺式聚异戊二烯） 杜仲树胶（反式聚异戊二烯） 丁苯橡胶 顺丁橡胶 氯丁橡胶 聚硫橡胶:有耐油性 硅橡胶:有耐热耐寒性 2.性质：橡胶是一类具有弹性的物质。耐磨、耐寒、耐油、耐热、耐燃、耐腐蚀、耐老化等各有其优势。 1.分类 通用橡胶 特种橡胶 三、通用高分子材料三——合成橡胶 3.常见的橡胶 顺丁橡胶：是以1,3­丁二烯为原料，在催化剂作用下，通过加聚反应，得到以顺式结构为主的聚1,3­丁二烯。化学方程式为: 结构特点: 顺丁橡胶均呈线型结构，分子链较柔软，性能较差。而且分子中存在碳碳双键，易加成也易被氧化，直接加工成用品使用容易老化。 思考：请观察顺丁橡胶的结构特点，实验室中哪些试剂瓶的瓶塞不能选用橡胶塞？ 顺丁橡胶中存在碳碳双键，易发生加成反应和氧化反应，所以盛放溴水、酸性高锰酸钾溶液、浓硝酸、浓硫酸、汽油等的试剂瓶，不能用橡胶塞。 4.橡胶的硫化 将橡胶与硫等硫化剂混合后加热，硫化剂将聚合物中的碳碳双键打开，以二硫键 (—S—S—)等，把线型结构连接为网状结构，得到既有弹性又有强度的硫化橡胶。这一加工过程称为橡胶的硫化。 橡胶的硫化交联的程度不宜过大，否则会使橡胶失去弹性。 应用: 顺丁橡胶具有很好的弹性，耐磨、 耐寒性好，主要用于制造轮胎。 顺丁橡胶能否直接用于制造汽车轮胎？ 该聚合物呈线型结构，分子链较柔软，性能较差。 反式聚异戊二烯 天然橡胶是顺式聚异戊二烯，杜仲胶是反式聚异戊二烯，你能写出杜仲胶的结构简式吗? 异戊二烯 顺式聚异戊二烯 【科学·技术·社会 】 天然橡胶 图5-13 橡胶树采胶 课堂练习5：橡胶是一种重要的战略物资，一般分为天然橡胶和合成橡胶两类。丁苯橡胶是合成橡胶的一种，其结构简式为 下列说法正确的是(　　) D A.单体是CH2=CHCH2CH2CH=CH B.丁苯橡胶是由CH2=CHCH=CH2和 通过缩聚反应制得的 C．装液溴或溴水的试剂瓶可用丁苯橡胶作瓶塞 D．丁苯橡胶会老化 CH=CH2 四、功能高分子材料 高吸水性树脂 隐形眼镜 尿不湿 人造皮肤 人造心脏 人造膝关节 人造血管 离子交换树脂 1.定义：具有某些特殊化学、物理及医学功能的高分子材料 高吸水性树脂 高分子分离膜 形状记忆高分子 磁性高分子 高分子催化剂 医用高分子材料 高分子药物 功能 高分子材料 四、功能高分子材料 2.分类： 【思考与讨论】 ①改造纤维素或淀粉分子，接入强亲水基团； ②合成新的带有强亲水基的高分子。 纤维素分子链带有含有许多亲水基 （1）棉花、纸张吸水原因？ （2）获得高吸水性树脂的途径？ 淀粉 （纤维素） 丙烯酸钠 接枝共聚物 交联剂 网状淀粉-聚丙烯酸钠高吸水性树脂 线型 网状 ①改造纤维素或淀粉分子，接入强亲水基团 3. 高吸水性树脂 (1)合成方法 如： 改造后的树脂具有强大的吸水和保水能力，而且可生物降解 羟基、羧基、醛基、氨基等 ②合成新的带有强亲水基团的高分子 可吸收几百至几千倍于自身质量的水，同时保水能力强，还能耐一定的挤压作用。 CH2=CHCOOH→CH2=CHCOONa 丙烯酸钠 如： 交联剂 网状聚丙烯酸钠高吸水性树脂 交联剂 一定条件 网状结构 在干旱地区用于农业、林业抗旱保水，改良土壤，还可用于婴儿纸尿裤等。 (2)应用 导思 在橡胶工业中，天然橡胶与合成橡胶一般都要经过硫化工艺，将橡胶的线型结构转变为网状结构。在制备高吸水性树脂时也要加入少量交联剂，以得到具有网状结构的树脂。思考为什么要将橡胶和高吸水性树脂转变为网状结构？ (1)橡胶工业将线型结构连接成网状结构是为增加橡胶的强度。 (2)高吸水性树脂加交联剂将线型结构连接成网状结构，是为了使其既具有吸水性而又不溶于水，又耐挤压。 【思考与讨论】 【探究】高吸水性树脂的吸水性能 【探究】高吸水性树脂的吸水性能 比较高吸水性树脂与餐巾纸的吸水效率 吸水材料 高吸水性树脂（尿不湿） 一般吸水材料(脱脂棉） 吸水前质量m1/g 1.0000 1.0000 吸水现象 吸水后质量m2/g 71.00 30.52 吸水率 （m2-m1)/m1 7000% 2952% 呈凝胶状 吸水后变形程度小 具有较好的保水能力 保水能力较差 吸水性强 吸水性较差 讨论 ①为什么高吸水性树脂与一般吸水材料的吸水性能差别这么大？ 绝大多数高吸水性树脂的主链或侧链上含有羧基、羟基等强亲水性基团。 ②为什么高吸水性树脂能吸水而又不溶于水？ 高吸水性树脂分子中含有强吸水性基团和一定的网状结构(具有一定的交联度)。利用分子中大量的亲水基团与水分子之间产生氢键等作用吸收水分子，并且通过网状结构将水分子束缚在高分子网格中，形成溶胀的凝胶体。这种凝胶体的保水能力很强，在一定压力下也不易失水。 4. 高分子分离膜 (1)原理 分离膜一般只允许水及一些小分子物质通过，其余物质则被截留在膜的另一侧，形成浓缩液，达到对原液净化、分离和浓缩的目的。 (2)分类 ②根据分离膜材料：醋酸纤维、芳香族聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等。 ①根据膜孔大小：微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜等。 (3)应用 高分子分离膜已广泛用于海水淡化和饮用水的制取，以及果汁浓缩、乳制品加工、药物提纯、血液透析等领域。 饮用水的制取 血液透析 课堂练习6：下列关于功能高分子材料的说法中，不正确的是 ( )　 A. 离子交换树脂主要用于分离和提纯，如硬水的软化、回收工业废水中的金属等 B. 婴儿用的“尿不湿”的主要成分是具有强吸水性的树脂 C. 导电塑料应用于电子工业，可用来制造电子器件 D. 医用高分子材料制成的人工器官都受到人体的排斥作用，难以达到与生物体相容的程度 D 课堂练习7：科学家研制的一种使沙漠变绿洲的新技术,即在沙漠中喷洒一定量的聚丙烯酸酯( )与水的混合物,使其与沙粒结合,既能阻止地下的盐分上升,又能拦截、蓄积雨水。下列对聚丙烯酸酯的叙述中正确的是(　　) ①聚丙烯酸酯的单体的结构简式为CH2=CHCOOR ②聚丙烯酸酯没有固定的熔、沸点 ③聚丙烯酸酯在一定条件下能发生水解反应和加成反应 ④其聚合方式与酚醛树脂的聚合方式相同 ⑤聚丙烯酸酯具有很强的吸水性 A.只有③④ B.只有①② C.①②③⑤ D.①②③④ B $$