高分子材料

引入

塑料、橡胶、纤维有什么区别?

为什么不同的高分子材料性能差异这么大?

高分子材料如何分类和应用?

如何解决高分子材料带来的环境问题?

高分子材料是现代社会的重要物质基础,从日常生活到航空航天,从医疗器械到电子产品,高分子材料无处不在。根据性能和用途,高分子材料主要分为塑料、橡胶、纤维三大类,以及功能高分子等新型材料。

理解高分子材料,关键在于理解结构与性能的关系,以及不同材料的特点和应用。

正文

定义

高分子材料是以高分子化合物为基础的材料,根据性能和用途主要分为塑料、橡胶、纤维三大类,以及功能高分子等新型材料。

三大合成材料

塑料

定义:

塑料是以合成树脂为主要成分,加入增塑剂、稳定剂、着色剂等助剂制成的材料。

特点:

• 在一定温度和压力下可塑制成型
• 密度小,质量轻
• 耐腐蚀
• 电绝缘性好
• 加工方便,成本低

分类:

类型	特点	代表材料
热塑性塑料	加热软化,冷却变硬,可反复加工	聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)
热固性塑料	加热固化后不能再软化,不可反复加工	酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂

常见塑料:

名称	结构简式	合成方法	主要用途
聚乙烯(PE)	$[-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CH}{}_2{}^{-}]{}_n$	乙烯加聚	塑料袋、薄膜、容器
聚丙烯(PP)	$[-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{CH}{}_3){}^{-}]{}_n$	丙烯加聚	编织袋、管材、家电外壳
聚氯乙烯(PVC)	$[-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CHCl}{}^{-}]{}_n$	氯乙烯加聚	管道、电线绝缘层、人造革
聚苯乙烯(PS)	$[-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5){}^{-}]{}_n$	苯乙烯加聚	泡沫塑料、包装材料
聚四氟乙烯(PTFE)	$[-\mathrm{CF}{}_2-\mathrm{CF}{}_2{}^{-}]{}_n$	四氟乙烯加聚	不粘锅涂层(特富龙)、密封材料
有机玻璃(PMMA)	$[-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{C}(\mathrm{CH}{}_3)(\mathrm{COOCH}{}_3){}^{-}]{}_n$	甲基丙烯酸甲酯加聚	透明材料、广告牌、灯具

塑料的改性:

• 共混:不同塑料混合,改善性能
• 共聚:不同单体共聚,综合优点
• 增强:加入玻璃纤维、碳纤维等,提高强度
• 填充:加入填料,降低成本

橡胶

定义:

橡胶是具有高弹性的高分子材料,能在外力作用下产生较大形变,外力撤除后能迅速恢复原状。

特点:

• 高弹性
• 耐磨
• 耐油
• 绝缘性好

分类:

天然橡胶:

• 来源:橡胶树乳液
• 主要成分:聚异戊二烯
• 结构:$[-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{C}(\mathrm{CH}{}_3)=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}{}_2{}^{-}]{}_n$
• 优点:弹性好,加工性能好
• 缺点:耐热性和耐油性较差

合成橡胶:

名称	单体	特点	用途
丁苯橡胶	丁二烯、苯乙烯	综合性能好	轮胎、胶鞋
顺丁橡胶	丁二烯	弹性好,耐寒	轮胎
氯丁橡胶	氯丁二烯	耐油、耐老化	电缆、胶管
丁腈橡胶	丁二烯、丙烯腈	耐油性好	油封、油管
硅橡胶	有机硅单体	耐高低温	密封圈、医用材料

硫化:

生橡胶加入硫磺加热,橡胶分子链间通过硫桥交联,形成体型结构,强度和弹性提高,这个过程叫硫化。

纤维

定义:

纤维是长度远大于直径的高分子材料,可纺织成纱线和织物。

特点:

• 拉伸强度高
• 耐磨
• 柔软

分类:

天然纤维:

• 植物纤维:棉(纤维素)、麻(纤维素)
• 动物纤维:羊毛(蛋白质)、蚕丝(蛋白质)

合成纤维:

名称	结构或单体	合成方法	特点	用途
涤纶(PET)	对苯二甲酸 + 乙二醇	缩聚	强度高,耐磨,快干	服装、工业用布
锦纶(尼龙)	己二酸 + 己二胺 或己内酰胺	缩聚	强度高,耐磨,弹性好	袜子、绳索、降落伞
腈纶	丙烯腈	加聚(共聚)	保暖性好,类似羊毛	毛线、毛毯
氨纶	聚氨酯	缩聚	弹性极好	弹力织物
维纶	聚乙烯醇	加聚后水解	吸湿性好,耐磨	渔网、帆布

纤维的鉴别:

• 燃烧法:观察燃烧现象和气味
  • 棉、麻:易燃,烧纸味,灰烬细软
  • 羊毛、蚕丝:不易燃,烧毛发味,灰烬黑色疙瘩
  • 涤纶、锦纶:先熔化后燃烧,有特殊气味

功能高分子

除了三大合成材料,高分子材料还发展出许多具有特殊功能的新型材料:

导电高分子

• 结构:含有共轭双键体系
• 代表:聚乙炔、聚苯胺
• 应用:电池、电子器件、防静电材料

高分子分离膜

• 功能:选择性透过某些物质
• 应用:海水淡化、血液透析、气体分离

医用高分子

• 生物相容性高分子:人工器官、药物载体
• 可降解高分子:手术缝合线、骨钉
• 隐形眼镜材料

吸水性高分子

• 代表:聚丙烯酸钠
• 功能:能吸收自身质量数百倍的水
• 应用:纸尿裤、农业保水剂

高分子液晶

• 特点:兼具液体流动性和晶体有序性
• 应用:液晶显示器、高强度纤维(凯夫拉)

高分子材料的性能

影响高分子性能的因素:

分子结构:

• 聚合度:越大,强度越高
• 支链度:支链多,结晶度低,柔软
• 交联度:交联度高,硬度大,不可塑

分子间作用力:

• 氢键、范德华力影响材料的熔点和溶解性

结晶度:

• 结晶度高:强度大,透明度低,密度大
• 结晶度低:柔软,透明,密度小

高分子材料与环境

问题:

• 难降解,造成白色污染
• 焚烧产生有毒气体(如 PVC 燃烧产生 HCl)
• 资源浪费

解决方案:

回收利用:

• 热塑性塑料可回收再加工
• 塑料分类回收标识(1-7 号)

可降解高分子:

• 光降解塑料:加入光敏剂,光照下分解
• 生物降解塑料:微生物可分解(如聚乳酸 PLA)
• 淀粉基塑料:部分可被微生物降解

减量化和替代:

• 减少使用一次性塑料制品
• 用纸制品、可降解材料替代

引出

为什么热塑性塑料可以回收,热固性塑料不能?

如何设计可降解高分子材料?

如何通过改变分子结构调控高分子性能?

未来高分子材料的发展方向是什么?

参考:合成高分子的基本方法