| | 网站首页 | 化学资讯 | 资源下载 | 化学图片 | 访客留言 | 本站帮助 | | |
|
|
 |
您现在的位置： 中学化学资源网 >> 化学资讯 >> 教学交流 >> 备课素材 >> 文章正文 |  用户登录  新用户注册 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 合成材料 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2006-12-11  |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
1.高分子化合物的相对分子质量 每一种小分子(或叫低分子)化合物都有它的固定不变的相对分子质量。但是，对高分子化合物来说，构成每一个高分子的结构单元的数目并不完全相同。这是因为形成高分子的过程比较复杂，聚合度常处于某一范围内。一种聚合物材料实际上是结构相同、组成相同、相对分子质量有差别的同系物的高分子混合物。所以研究一个高分子的相对分子质量并没有多大实际意义，只有研究一种聚合物的相对分子质量的平均值才有意义。聚合度(n)的范围比较宽，说明这种高分子的相对分子质量相差比较大，科学上称为多分散性。聚合度范围比较窄，说明这种高分子的相对分子质量比较单一。人工合成的高分子都有一定的分散性，只有少数天然的聚合物才以单分散体系存在。例如，酶蛋白、核酸等生物高分子的相对分子质量是单分散的，如水解蛋白酶之一的胰凝乳蛋白酶的相对分子质量都是25 000。 高分子随着相对分子质量的增大而出现了与小分子不同的性质和功能。表8-1列出了聚乙烯随聚合度的增大而性质改变的情况。 表 8-1 聚乙烯的相对分子质量与熔点、沸点的关系
从上表可以看出，随着乙烯聚合物相对分子质量的增大，由小分子变成高分子，在性质上出现了很大的变化。大量实验证明，高分子的相对分子质量足够大时才能显示出力学强度。 还应当指出，高分子的性质不但与相对分子质量大小有关，还与高分子的结构有密切的联系。对非极性聚合物来说，聚合度至少要在80以上，才能显示出力学强度；对于极性聚合物来说，聚合度可以低一些，但至少也应在40以上。例如，聚乙烯的相对分子质量在12 000以上才能成为塑料，聚酰胺的相对分子质量在10 000以上才能纺成纤维。 由此可见，高分子的性质与它们的相对分子质量和结构密切相关，同时也与这些合成材料的用途紧密地联系在一起。 2.高分子材料的老化和防老化 研究高分子材料的老化和防老化是一个很实际的问题，也是一个很复杂的问题。 高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受内外因素的综合作用，其性能逐渐变坏，以致最后丧失使用价值，这种现象就是老化。老化是一种不可逆的变化，它是高分子材料的通病。但是人们可以通过对高分子老化过程的研究，采取适当的防老化措施，提高材料的耐老化性能，延缓老化的速率，以达到延长使用寿命的目的。 (1)发生老化的原因主要是由于结构或组分内部具有易引起老化的弱点，如具有不饱和双键、支链、羰基、末端上的羟基，等等。外界或环境因素主要是阳光、氧气、臭氧、热、水、机械应力、高能辐射、电、工业气体(如CO2、NH3、HCl、SO2等)、海水、盐雾、霉菌、细菌、昆虫，等等。 从结构上的原因来说，聚乙烯比聚四氟乙烯容易老化，因为C—F键的键能比C—H键的键能大，它起着保护碳链的作用。聚丙烯不如聚乙烯耐老化，这是因为聚丙烯的碳链上有甲基，甲基碳原子上的氢原子比较容易脱去。由于聚酰胺链上有羰基，聚酯纤维中的酯键容易水解，因此也容易老化。又如，二烯烃聚合的橡胶中含C=C双键，容易发生热氧老化、光氧老化、臭氧老化。由于橡胶常在应力条件下使用，比较容易发生臭氧龟裂，因此臭氧老化是橡胶老化的主要原因。氯丁橡胶含有吸电子基的氯原子，因而较耐老化。 聚合物由于结构上的弱点而在一定的外界条件影响下发生的各种老化现象如前所述。有的聚合物没有上述情况也会发生老化，如受到辐射特别是高能辐射时，化学键会发生断裂，即使是近紫外光辐射也能足够打开一般的单键(C—H、O—H那样的强键除外)。 (2)防止老化的措施 从发生老化的原因来看，一个主要原因在于高分子结构本身。因此，改善高分子的结构以提高防老化的能力是很重要的。例如，橡胶在硫化以后，依然存在着不饱和双键，而橡胶制品在使用时又难于避免日光、氧气、臭氧等的侵蚀，所以，人们研究合成新的品种就应避免或大大减少橡胶的高分子链上的双键。当纳塔纳塔(Giulio Natta,1903—1979)，意大利人，主要贡献是研究乙烯和丙烯的催化聚合反应。1963年获诺贝尔化学奖。等人用络合催化剂定向聚合了聚乙烯以后，他们就预测可以用乙烯和丙烯两种单体经共聚制成弹性体。后来，果然合成了二元乙丙橡胶。乙丙橡胶区别于其他合成橡胶在结构上的一大特点就是主链中不含双键，完全饱和，因此它成为最耐臭氧、耐化学品、耐高温的耐老化橡胶。但是，乙丙橡胶也带来聚二烯橡胶所没有的缺点，如硫化速率慢，不易跟金属粘合等。于是，人们又研究在乙丙橡胶上接上易硫化的第三单体，以提高硫化速率。目前，乙丙橡胶已成为合成橡胶中有发展前途的一个品种。高分子科学和生产工艺的发展，将不断改进高聚物的性能，使它们延缓老化并延长使用寿命。 其次，防止老化是在合成材料加工过程中添加防老剂。如添加防止氧气或臭氧引起老化的抗氧剂，添加紫外光稳定剂、热稳定剂、防霉剂，等等。 再次，防止老化还可以用物理防护的方法，如涂漆、镀金属、浸涂防老剂等。 总之，对聚合物的老化和防老化的研究是高分子科学和技术的一个重大问题。在选择单体、改进加工聚合方法、添加防老剂、保护制品表面等方面，虽已取得显著成果，但仍需进行深入的研究。 我们在使用高分子材料制品时，也要注意保护，以延缓其老化。例如，湿的聚酯纤维衣服不宜在日光下曝晒，塑料雨伞、雨衣在使用后要擦干以防止因霉菌侵蚀而发霉，等等。但是，有些制品是难于避免这些外界因素的，如塑料地膜、塑料大棚上的薄膜、汽车轮胎、室外电缆包皮等都不能避免日晒雨淋以及氧气等的侵蚀。这就要依靠从高分子结构、加工等方面来提高质量以加强聚合物内部防老化的能力。 3.树脂和塑料有什么不同? 塑料是由树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的，它的主要成分是树脂。树脂就是指还没有跟各种添加剂混合的高聚物。有时这两个名词也常混用，因为有些塑料基本上是由合成树脂组成的，不含或少含添加剂，如有机玻璃、聚乙烯、聚苯乙烯等。塑料的基本性能主要决定于树脂的本性，但添加剂也起着重要作用。 4.塑料的分类 塑料的品种很多，教材中只是简单地分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。目前，塑料的分类还没有一个十分完善的方法，常见的分类方法见表8-2。 表 8-2 塑料的分类
工程塑料的综合性能较好，包括电绝缘性能、耐高温和低温性能、耐腐蚀性能、机械性能等。工程塑料主要是热塑性塑料中耐热性高和机械强度大的品种，热固性塑料中耐冲击和机械强度优良的也属于工程塑料系列。近年来又出现了工程塑料合金、增强工程塑料等许多新品种，这些都大大提高了工程塑料的综合性能，拓宽了其应用领域。聚醚酰亚胺是近年商品化的一种高性能工程塑料，它是在聚酰亚胺的分子链上引入了易加工的醚键后制成的。聚醚酰亚胺易于加工成型，热稳定性好，长期使用温度为170 ℃；机械强度很高，耐沸水性能极好，在沸水中10 000 h后，仍能保持85％的拉伸强度；它的电性能几乎不受频率和温度的影响，耐紫外光和耐辐射，广泛应用于电子、电气和宇航等方面。 5.尼龙(聚酰胺66)的发明 人们对尼龙并不陌生，尼龙制品在日常生活中比比皆是。它是美国杰出的科学家卡罗瑟斯(Carothers)及其领导下的一个科研小组研制出来的，是世界上出现的第一种合成纤维。尼龙的出现使纺织品的面貌焕然一新，它的合成是合成纤维工业的重大突破，同时也是高分子化学的一个重要里程碑。 1928年，美国最大的化学工业公司──杜邦公司成立了基础化学研究所，年仅32岁的卡罗瑟斯博士受聘担任该所的负责人。他主要从事聚合反应方面的研究。他首先研究双官能团分子的缩聚反应，通过二元醇和二元羧酸的酯化缩合，合成长链的、相对分子质量高的聚酯。在不到两年的时间内，卡罗瑟斯在制备线型聚合物特别是聚酯方面，取得了重要的进展，将聚合物的相对分子质量提高到10 000～25 000，他把相对分子质量高于10 000的聚合物称为高聚物(Superpolymer)。1930年，卡罗瑟斯的助手发现，二元醇和二元羧酸通过缩聚反应制取的高聚酯，其熔融物能像制棉花糖那样抽出丝来，而且这种纤维状的细丝即使冷却后还能继续拉伸，拉伸长度可达到原来的几倍，经过冷却拉伸后纤维的强度、弹性、透明度和光泽度都大大增加。这种聚酯的奇特性质使他们预感到可能具有重大的商业价值，有可能用熔融的聚合物来纺制纤维。然而，继续研究表明，从聚酯得到纤维只具有理论上的意义。因为高聚酯在100 ℃以下即熔化，特别易溶于各种有机溶剂，只是在水中还稍稳定些，因此不适合用于纺织。 随后卡罗瑟斯又对一系列的聚酯和聚酰胺类化合物进行了深入的研究。经过多方对比，选定他在1935年2月28日首次由己二胺和己二酸合成出的聚酰胺66(第一个6表示二胺中的碳原子数，第二个6表示二酸中的碳原子数)。这种聚酰胺不溶于普通溶剂，熔点为263 ℃，高于通常使用的熨烫温度，拉制的纤维具有丝的外观和光泽，在结构和性质上也接近天然丝，其耐磨性和强度超过当时任何一种纤维。从其性质和制造成本综合考虑，在已知聚酰胺中它是最佳选择。接着，杜邦公司又解决了生产聚酰胺66原料的工业来源问题，1938年10月27日正式宣布世界上第一种合成纤维诞生了，并将聚酰胺66这种合成纤维命名为尼龙(Nylon)。尼龙后来在英语中成了“从煤、空气、水或其他物质合成的，具有耐磨性和柔韧性、类似蛋白质化学结构的所有聚酰胺的总称”。 目前世界上尼龙纤维的年产量已达数百万吨，尼龙以其高强度、耐磨等独特优越的性能，在民用和工业方面得到了广泛的应用。 6.废弃塑料的资源化 利用回收的废塑料使之资源化的方法虽然很多，但主要有如下三种： (1)直接作为材料 这种方法常称为材料再循环(Material Recycle)。对于材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等废弃的热塑性塑料制品，可以在进行分类、清洗后再通过加热熔融，使其重新成为制品。然而收集到的废塑料制品，常常由于所用材料无法迅速辨认而给再利用带来困难。极性的聚氯乙烯与非极性的聚烯烃是不能很好混熔的，即或暂时熔在一起，也会很快破裂，而且即使是同一品种不同型号的塑料也不能发挥其应有特性，因而废塑料的分类成为再利用的一大障碍。 为了解决上述困难，一些国家已经开始在制品上印刷或模压所用材料种类的标志。表8-3是我国制定的塑料包装制品回收标志中的塑料名称、代码与对应的缩写代号，图81是塑料包装制品回收标志示例。 表 8-3 塑料名称、代码与对应的缩写代号
对于热固性塑料制品，由于它的不熔、不溶性，再利用的途径，主要是把它粉碎后加入粘合剂作为加热成型产品的填料。 (2)制单体和燃料油 这是一种化学再循环(Chemical Recycle)。把聚合体再转变成单体的操作被看成是一种绝对循环，但目前只有有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)的加热分解和聚酯的醇解比较容易实现。不过，由聚烯烃类制取乙烯、丙烯等单体的工艺也在研制中。 对于难制成单体的废塑料可以用来制造燃料油，其方法是将它放入外热式加热炉内，以分子筛等硅铝酸盐为催化剂，在加热到430 ℃～460 ℃时，即裂解成低分子的石油烃，再通过分馏便得到汽油、煤油、柴油等有用的液体燃料。但这时不应使用含氯、含氮类废塑料，否则会产生氯化氢、氢氰酸等有害气体，腐蚀设备和污染环境。 (3)制燃料气 这是一种热再循环(Thermal Recycle)，但严格地说它不是再循环，只是有效地利用了燃烧时产生的热能而已。所用的方法实际上是类似古老的烧木炭的热裂化工艺，通过内部直接加热的内热式反应器来制造燃料气体。热裂后得到的氢和C1～C4气体烃可直接供加热燃烧。 作为液体燃料的石油，如果先制成塑料，然后再燃烧废弃的塑料，不但可以降低原油消耗，而且从做功效率来看也是极有意义的。 7.膜分离技术 膜分离技术是适应当代新产业发展的一项高技术，被公认为目前最有发展前途的高技术之一。 膜分离的基本原理是利用天然或人工合成的、具有选择性透过的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集。分离膜多数是固体(目前大部分膜材料是有机高分子)，也可以是液体。它们共同之处是对被其分离的体系具有选择性透过的能力。 膜分离技术已广泛用在各个工业领域(见表8-4)，并已使海水淡化、烧碱生产、乳品加工等多种传统工业的生产面貌发生了根本性的变化。目前，膜分离技术已经形成了一个相当规模的工业技术体系。 表 8-4 膜分离的工业应用
(资料1摘编自《今日化学》，膜分离技术进展，郑领英) 8.医用高分子概况 生物医学高分子简称医用高分子，是一类令人瞩目的功能高分子材料。它已渗入到医学和生命科学的各个部门并应用于临床的诊断与治疗。特别是直接与体液接触的或可植入体内的所谓“生物材料”，它们必须无毒，有良好的生物相容性和稳定性，有足够的机械强度，而且易于加工、消毒。 医用高分子材料制品种类繁多。从天灵盖到脚趾骨，从内脏到皮肤，从血液到五官都已有人工的高分子代用品。与此同时，高分子药物及固定化酶、人工细胞、标记细胞、免疫吸附剂等也在迅速发展。 生物材料是指与体液接触的异体材料，除少数金属、陶瓷和碳素外，绝大部分是橡胶、纤维、模制塑料等合成高分子材料。以它们为原材料制出的人工脏器，即具有部分或全部代替人体某一器官功能的器件，有的只需在体内短期使用，如插入器件(导液管等)，有的则需在体内停留较长时间，甚至整个生命期。因此对这类材料有严格的要求：(1)必须无毒，而且是化学惰性的。(2)与人体组织和血液相容性要好，不引起刺激、炎症、致癌和过敏等反应。(3)有所需的物理性能(尺寸、强度、弹性、渗透性等)，并能在使用期间保持其不变。(4)容易制备、纯化、加工和消毒。 生物高分子材料可以粗略地分为三大类：软性即橡胶状聚合物，半结晶聚合物和其他有关聚合物(见表85、86、87)。医用硅橡胶是最早也是最成功的商品化医用高分子材料之一。 表 8-5 主要的软性生物高分子材料
表 8-6 主要的半结晶生物高分子材料
表 8-7 其他有关聚合物
上面三个表中列举的是有关主要材料的主干结构类别，事实上往往任何单一的聚合物都难以满足对生物材料的所有要求，因而又不得不采用共聚、接枝、交联以及表面化学修饰等多种手段(统称为改性)，以制成各种复合材料，使其性能尽可能适应使用的特殊需要。 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 文章录入：Leo 责任编辑：Leo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 【发表评论】【加入收藏】【告诉好友】【打印此文】【关闭窗口】 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 最新热点 | 最新推荐 | 相关文章 | ||
| 没有相关文章 |
 网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！） |
| | 设为首页 | 加入收藏 | 联系站长 | 友情链接 | 版权申明 | 管理登录 | | |
|
|
中学化学资源网™
版权所有 网站制作维护 广东省佛山市南海区桂城中学
或