《應(yīng)用廣泛的高分子材料》講義

《應(yīng)用廣泛的高分子材料》講義一、教材版本與章節(jié)介紹咱們今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容來自高中人教版選修5的第五章第二節(jié)，這一章節(jié)主要圍繞應(yīng)用廣泛的高分子材料展開。在這個(gè)知識(shí)領(lǐng)域里，我們就像是探索者，去發(fā)現(xiàn)那些在我們生活中無處不在卻又常常被忽視的高分子材料的奧秘。二、高分子材料的基礎(chǔ)概念1、什么是高分子材料同學(xué)們，想象一下，有一些非常非常長的分子鏈，就像一條長長的珠鏈，珠子多得數(shù)不清，這些分子鏈構(gòu)成的材料就是高分子材料。比如說，我們常見的塑料，它就是由很多很多小分子通過一定的反應(yīng)連接起來，形成了這種長長的分子鏈。這些分子鏈的分子量很大，大到超乎你們的想象哦。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上來說，高分子材料是由許多相同的、簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價(jià)鍵重復(fù)連接而成的。這就好比是用同一種樂高積木，一塊接一塊地搭出一個(gè)超級(jí)大的樂高作品一樣。2、高分子材料與小分子的區(qū)別小分子呢，就像是一個(gè)個(gè)單獨(dú)的小珠子，它們的結(jié)構(gòu)簡單，分子量小。比如說水分子，就只有三個(gè)原子組成，分子量才18。而高分子材料的分子量可能是幾萬、幾十萬甚至幾百萬。這就好比是小珠子和超級(jí)長的珠鏈的區(qū)別呀。小分子的性質(zhì)往往比較單一，而高分子材料因?yàn)榉肿渔滈L，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以具有很多獨(dú)特的性質(zhì)。比如說，小分子物質(zhì)如水，它的狀態(tài)變化比較簡單，在常溫常壓下是液態(tài)，加熱到100℃就變成氣態(tài)了。而高分子材料可能有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)等不同的狀態(tài)，這是小分子所沒有的哦。三、常見的高分子材料類型及其應(yīng)用1、塑料聚乙烯（PE）聚乙烯可是我們生活中的?？汀Ｋ姆肿渔?zhǔn)怯梢蚁﹩误w聚合而成的。這種材料非常輕便，而且化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，不容易和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。低密度聚乙烯（LDPE）質(zhì)地柔軟，透明度高，常用于制作食品包裝袋。同學(xué)們想一想，你們?nèi)コ匈I零食的時(shí)候，那些花花綠綠的包裝袋很多就是低密度聚乙烯做的。它能夠很好地保護(hù)食品，防止外界的灰塵、水分等進(jìn)入。高密度聚乙烯（HDPE）呢，它比較硬，強(qiáng)度高。我們常見的水桶、垃圾桶等很多都是用高密度聚乙烯制造的。它能夠承受一定的壓力，不容易破裂。聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯也是一種很重要的塑料。不過，聚氯乙烯在加工過程中可能會(huì)加入一些助劑，其中有些助劑如果處理不好，可能會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康有一定影響。它有兩種不同的形態(tài)，軟質(zhì)聚氯乙烯和硬質(zhì)聚氯乙烯。軟質(zhì)聚氯乙烯可以用來制作電線的外皮，因?yàn)樗哂泻芎玫慕^緣性。硬質(zhì)聚氯乙烯則可以用來制作建筑材料，比如下水管等。同學(xué)們可以觀察一下家里的下水管，很多就是白色的聚氯乙烯管呢。聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯的特點(diǎn)是透明度非常高，而且很容易加工成型。它可以被制成各種各樣的形狀。我們常見的一次性泡沫餐具，很多就是聚苯乙烯做的。不過，由于泡沫餐具不容易降解，對(duì)環(huán)境有一定污染，現(xiàn)在很多地方都在限制使用。還有一些精美的文具、小擺件等也可能是聚苯乙烯制成的，因?yàn)樗梢宰龀龊芫碌脑煨汀?、纖維天然纖維天然纖維大家肯定都很熟悉，像棉花就是一種天然纖維。棉花纖維柔軟、透氣，非常適合做衣服。在炎熱的夏天，穿純棉的衣服會(huì)感覺很舒服，因?yàn)槊藁ɡw維之間有很多空隙，可以讓空氣流通，吸收皮膚上的汗液，讓我們感覺干爽。還有蠶絲，這可是一種很高級(jí)的天然纖維。蠶絲是由蠶寶寶吐出來的絲制成的，它的光澤度非常好，手感柔軟順滑，而且保暖性很強(qiáng)。那些高檔的絲綢制品，如絲綢睡衣、絲綢圍巾等，都是用蠶絲做的?；瘜W(xué)纖維化學(xué)纖維是通過化學(xué)方法合成的纖維。比如說聚酯纖維，它的耐磨性非常好，而且不容易起皺?，F(xiàn)在很多運(yùn)動(dòng)服裝都是用聚酯纖維做的，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)的時(shí)候，我們需要衣服能夠經(jīng)受住摩擦，而且保持良好的形狀。腈綸纖維呢，它的外觀和手感很像羊毛，所以又被稱為“人造羊毛”。它的保暖性不錯(cuò)，價(jià)格相對(duì)羊毛來說比較便宜，所以在一些毛衣、圍巾等制品中經(jīng)常會(huì)用到腈綸。3、橡膠天然橡膠天然橡膠是從橡膠樹中采集的乳膠經(jīng)過加工制成的。它具有很好的彈性和耐磨性。在汽車的輪胎制造中，天然橡膠是非常重要的原料。輪胎需要有很好的彈性來緩沖車輛行駛過程中的震動(dòng)，同時(shí)也要有足夠的耐磨性，以保證輪胎的使用壽命。合成橡膠合成橡膠是通過化學(xué)合成方法制造的橡膠。例如丁苯橡膠，它的性能和天然橡膠相似，而且在一些特殊性能方面可能會(huì)更好。在一些需要耐油、耐熱等特殊環(huán)境的橡膠制品中，合成橡膠就發(fā)揮了重要作用。比如在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的一些橡膠密封件，需要能夠耐受高溫和機(jī)油的侵蝕，合成橡膠就可以滿足這樣的要求。四、高分子材料的性能特點(diǎn)1、機(jī)械性能高分子材料的機(jī)械性能差異很大。像我們前面提到的塑料，有些塑料比較硬，如聚碳酸酯（PC），它的強(qiáng)度很高，可以用來制作眼鏡鏡片、光盤等。而有些塑料比較軟，如聚乙烯，它可以很容易地被彎曲和拉伸。對(duì)于纖維來說，它們的機(jī)械性能主要體現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度上。天然纖維如麻纖維，它的拉伸強(qiáng)度比較高，所以可以用來制作繩索等需要承受拉力的物品?；瘜W(xué)纖維中的碳纖維，它的拉伸強(qiáng)度更是驚人，在航空航天等高科技領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，用來制造飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等部件。2、熱性能不同的高分子材料有不同的耐熱性能。有些高分子材料在高溫下會(huì)變軟、變形，甚至分解。比如聚氯乙烯，它的耐熱性就不是很好，如果溫度過高，就會(huì)釋放出一些有害物質(zhì)。而一些特殊的高分子材料，如聚酰亞胺，它的耐熱性非常好，可以在幾百攝氏度的高溫下仍然保持良好的性能。這在一些高溫環(huán)境下的應(yīng)用中非常重要，比如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部部件中，就需要使用這種耐熱性能好的高分子材料。3、化學(xué)性能高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性也各不相同。像聚乙烯、聚丙烯等塑料，它們的化學(xué)穩(wěn)定性很好，不容易被酸、堿等化學(xué)物質(zhì)腐蝕。這就是為什么我們可以用塑料容器來盛裝一些化學(xué)試劑。但是，也有一些高分子材料，如聚酰胺（尼龍），它在酸性或堿性環(huán)境下可能會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，從而影響它的性能。五、高分子材料的合成與加工1、合成方法加聚反應(yīng)加聚反應(yīng)就像是一場分子的聚會(huì)。以乙烯合成聚乙烯為例，很多乙烯分子像小朋友手拉手一樣，在一定的條件下（如催化劑、加熱等），它們的雙鍵打開，然后相互連接起來，就形成了長長的聚乙烯分子鏈。這種反應(yīng)的特點(diǎn)是反應(yīng)速度快，而且產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)比較簡單，都是由相同的單體連接而成的?？s聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)就稍微復(fù)雜一些了。在縮聚反應(yīng)中，單體分子之間除了相互連接之外，還會(huì)產(chǎn)生一些小分子副產(chǎn)物，比如水。例如，由對(duì)苯二甲酸和乙二醇合成聚酯纖維的過程中，每兩個(gè)單體分子連接的時(shí)候會(huì)脫去一分子水。縮聚反應(yīng)得到的高分子材料結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些，而且可以通過選擇不同的單體來合成具有不同性能的高分子材料。2、加工方法注塑成型注塑成型就像是把高分子材料變成我們想要的形狀的魔法。把高分子材料加熱到熔融狀態(tài)，然后通過注射機(jī)把熔融的材料注入到預(yù)先設(shè)計(jì)好的模具中，冷卻后就得到了我們想要的塑料制品。比如說我們常見的塑料椅子、塑料玩具等很多都是通過注塑成型制作的。擠出成型擠出成型是把高分子材料通過一個(gè)特定的模具擠出，形成各種形狀的制品。像我們前面提到的聚氯乙烯管材，就是通過擠出成型制作的。高分子材料在擠出機(jī)中被加熱、熔融，然后在螺桿的推動(dòng)下通過模具，形成管狀的制品。六、高分子材料對(duì)環(huán)境的影響與可持續(xù)發(fā)展1、環(huán)境影響高分子材料在給我們的生活帶來極大便利的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境造成了一些問題。首先，很多高分子材料難以降解，尤其是一些傳統(tǒng)的塑料。像那些被丟棄在自然環(huán)境中的塑料垃圾，可能會(huì)在環(huán)境中存在幾十年甚至幾百年，對(duì)土壤、水體等造成污染。而且，在高分子材料的生產(chǎn)過程中，也可能會(huì)產(chǎn)生一些污染物，如廢氣、廢水等。這些污染物如果不加以處理，就會(huì)對(duì)環(huán)境和人類健康造成危害。2、可持續(xù)發(fā)展措施可降解高分子材料的研發(fā)現(xiàn)在科學(xué)家們正在努力研發(fā)可降解的高分子材料。比如聚乳酸（PLA），它是一種生物可降解的高分子材料。聚乳酸可以由玉米等生物質(zhì)原料發(fā)酵得到乳酸，然后通過化學(xué)合成制成聚乳酸。這種材料在自然環(huán)境中可以在微生物的作用下分解成二氧化碳和水，對(duì)環(huán)境的污染很小。高分子材料的回收利用回收利用高分子材料也是解決環(huán)境問題的一個(gè)重要途徑。對(duì)于塑料、纖維和橡膠等高分子材料，可以通過分類回收，然后進(jìn)行再加工，制成新的產(chǎn)品。例如，回收的塑料瓶可以被加工成纖維，用于制作衣服、地毯等。這樣既可以減少對(duì)環(huán)境的污染，又可以節(jié)約資源。七、課堂互動(dòng)與練習(xí)1、互動(dòng)環(huán)節(jié)同學(xué)們，現(xiàn)在我們來討論一下。你們在生活中還發(fā)現(xiàn)了哪些高分子材料的應(yīng)用呢？可以互相交流一下哦。（讓同學(xué)們自由討論幾分鐘，然后請(qǐng)幾位同學(xué)發(fā)言）好的，這位同學(xué)說他發(fā)現(xiàn)家里的保鮮膜是高分子材料，非常正確，保鮮膜很多是聚乙烯制成的。還有同學(xué)說汽車的座椅可能是高分子材料做的，也很對(duì)，有些汽車座椅的面料是合成纖維做的。2、練習(xí)題（1）下列哪種高分子材料常用于制作食品包裝袋？（）A.聚氯乙烯（PVC）B.低密度聚乙烯（LDPE）C.聚苯乙烯（PS）D.聚碳酸酯（PC）答案：B。因?yàn)榈兔芏染垡蚁┵|(zhì)地柔軟，透明度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適合制作食品包裝袋。聚氯乙烯在加工過程中可能有對(duì)健康有影響的助劑；聚苯乙烯常用于一次性泡沫餐具等；聚碳酸酯常用于制作眼鏡鏡片等。（2）天然橡膠的主要來源是什么？（）A.石油B.橡膠樹C.煤炭D.天然氣答案：B。天然橡膠是從橡膠樹中采集的乳膠經(jīng)過加工制成的。石油是合成高分子材料的重要原料；煤炭和天然氣與天然橡膠的來源無關(guān)。（3）請(qǐng)簡述加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)的區(qū)別。答案：加聚反應(yīng)是由單體分子通過加成的方式相互連接形成高分子材料，反應(yīng)過程中沒有小分子副產(chǎn)物生成；而縮聚反應(yīng)是單體分子在連接的過程中會(huì)產(chǎn)生小分子副產(chǎn)物，如在合成聚酯纖維時(shí)會(huì)產(chǎn)生水這種小分子副產(chǎn)物。八、課