大学基础化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页1第第7章章高分子化合物与材料高分子化合物与材料第1页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页24.4.了了解解几几个个主主要要高高分分子子材材料料和和复复合合材材料料性性能能及及其其应应用。用。1.1.了解高分子化合物基本概念、命名和分类。了解高分子化合物基本概念、命名和分类。2.2.了解高分子化合物基本结构与主要特征。了解高分子化合物基本结构与主要特征。3.3.了了解解高高分分子子化化合合物物合合成成反反应应及及改改性性、回回收收再再利利用用方法。方法。本章学习要求本章学习要求第2页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页37.2
2、7.2 高分子化合物基本结构和主要特征高分子化合物基本结构和主要特征 7.3 7.3 高分子化合物合成、改性与再利用高分子化合物合成、改性与再利用 7.1 7.1 高分子化合物概述高分子化合物概述7.4 7.4 日常生活中高分子材料日常生活中高分子材料7.5 7.5 材料未来与分子设计材料未来与分子设计目目 录录第3页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页4高分子化合物高分子化合物(高分子、高聚物或聚合物)分子比低分子化(高分子、高聚物或聚合物)分子比低分子化合物分子要大很多。通常低分子有机化合物相对分子质量在合物分子要大很多。通常低分子有机化合物相对分子质量在10001000以下,而
3、高分子化合物相对分子质量在以下,而高分子化合物相对分子质量在1 1万以上,有可达万以上,有可达上千万。上千万。1 1基本概念基本概念高分子化合物高分子化合物基本特征基本特征(同低分子化合物根本区分同低分子化合物根本区分):相对:相对分子质量大。分子质量大。7.1.1 7.1.1 高分子化合物基本概念和特点高分子化合物基本概念和特点7.1 7.1 高分子化合物概述高分子化合物概述第4页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页5高分子化合物相对分子质量即使很大,但其化学组成普通却比较高分子化合物相对分子质量即使很大,但其化学组成普通却比较简单。简单。例例 聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯结合而成:
4、聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯结合而成:单体单体聚合物聚合物聚合度聚合度链节链节*平均聚合度平均聚合度 n n 链节式量链节式量=高聚物平均相对分子质量高聚物平均相对分子质量简写:简写:链节链节单体单体聚合成高分子化合物低分子化合物聚合成高分子化合物低分子化合物链节链节组成高分子链重复结构单元组成高分子链重复结构单元聚合度聚合度高分子链所含链节数目高分子链所含链节数目第5页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页6(1)高分子化合物组成简单,相对分子质量大,含有)高分子化合物组成简单,相对分子质量大,含有“多分散多分散性性”。是多分子混合物。是多分子混合物。(2)高分子化合物可归纳为)高分子
5、化合物可归纳为线型线型和和体型体型两种结构。线型结构中两种结构。线型结构中包含链型和支链型。包含链型和支链型。(3 3)高分子化合物因为其相对分子质量很大,有很好)高分子化合物因为其相对分子质量很大,有很好机械强度机械强度,又因为其分子是由共价键结合而成,故有很好又因为其分子是由共价键结合而成,故有很好绝缘性绝缘性和和耐腐蚀耐腐蚀性性,因为其分子链很长,呈卷曲状,故有很好,因为其分子链很长,呈卷曲状,故有很好可塑性可塑性和和高弹性高弹性。(4 4)高高分分子子化化合合物物在在常常温温常常压压下下主主要要以以固固态态或或液液态态存存在在,几几乎乎无挥发性,无挥发性,溶解性溶解性也很差,有时只发生
6、也很差,有时只发生溶胀溶胀。2 2高分子化合物特点高分子化合物特点第6页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页71高分子化合物命名高分子化合物命名(1 1)按原料单体或聚合物结构特征命名)按原料单体或聚合物结构特征命名 在单体名称前面冠以在单体名称前面冠以“聚聚”字:字:聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙二酰己二胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。二酰己二胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。在单体名称后面加在单体名称后面加“树脂树脂”:酚醛树脂、环氧树脂等。酚醛树脂、环氧树脂等。7.1.2 高分子化合物命名和分类高分子化合物命名和分类(2)按商品名命名)按商品名命名*我我国国习习惯惯以以
7、“纶纶”作作为为合合成成纤纤维维商商品品名名后后缀缀,如如涤涤纶纶、氯氯纶纶、腈纶、锦纶、丙纶等。腈纶、锦纶、丙纶等。有机玻璃有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯。聚甲基丙烯酸甲酯。尼龙或锦纶尼龙或锦纶聚酰胺,如尼龙聚酰胺,如尼龙610610。为处理聚合物读写不便,常采取国际通用英文缩写符号,如为处理聚合物读写不便,常采取国际通用英文缩写符号,如PVC、ABS等。等。第7页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页8聚合物 单体 名称 商品名称 符号 名称 结构式 聚氯乙烯 氯纶 PVC 氯乙烯 聚丙烯 丙纶 PP丙烯 聚丙烯腈 腈纶 PAN丙烯腈 聚己内酰胺 锦纶6(或尼龙-6)PA6己内酰胺 表表
8、7.1 一些聚合物名称、商品名称、符号及单体一些聚合物名称、商品名称、符号及单体第8页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页9聚己二酰己二胺 锦纶66(尼龙66)PA66己二酸己二胺 聚对苯二甲酸乙二醇酯 涤纶 PET对苯二甲酸乙二醇 聚苯乙烯 聚苯乙烯树脂 PS苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 有机玻璃 PMMA甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 ABS树脂 ABS丙烯腈丁二烯 苯乙烯 第9页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页10(2)按主链结构分类按主链结构分类(1)按起源分类按起源分类 天然高分子和合成高分子。天然高分子和合成高分子。碳链聚合物碳链聚合物 主链完全由碳原
9、子组成。如聚乙烯:主链完全由碳原子组成。如聚乙烯:杂链聚合物杂链聚合物 主链除碳原子外,还含有氧、氮、硫等杂原子。主链除碳原子外,还含有氧、氮、硫等杂原子。如聚己二酰己二胺(尼龙如聚己二酰己二胺(尼龙-66):):2 2高分子化合物分类高分子化合物分类第10页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页11元元素素有有机机聚聚合合物物 主主链链由由硅硅、硼硼、铝铝与与氧氧、氮氮、硫硫、磷磷等等组组成成,侧侧链链是是有有机机基基团团。如如聚聚二甲基硅氧烷:二甲基硅氧烷:(3)按按性性能能和和用用途途分分类类 塑塑料料、纤纤维维、橡橡胶胶、涂涂料料、粘粘合合剂剂和和功效高分子六大类。功效高分子六
10、大类。(4)按按功功效效分分类类 通通用用高高分分子子、工工程程材材料料高高分分子子、功功效效高高分分子、仿生高分子等子、仿生高分子等 。元素无机聚合物元素无机聚合物 主链和侧链均由无机元素或主链和侧链均由无机元素或基团组成。如聚二氯磷腈:基团组成。如聚二氯磷腈:第11页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页12(2)体形结构高聚物体形结构高聚物 分子中无独立大分分子中无独立大分子存在,所以只有子存在,所以只有交聚度交聚度概念。概念。(1)线型结构高分子物质线型结构高分子物质 分子中有独立分子中有独立大分子存在,分子链中以单键相连相邻两大分子存在,分子链中以单键相连相邻两链节之间还能够
11、保持一定键角而旋转,所链节之间还能够保持一定键角而旋转,所以,一个分子链在无外力作用时会有众多以,一个分子链在无外力作用时会有众多分子空间形态,绝大部分为卷曲状。高分分子空间形态,绝大部分为卷曲状。高分子链这种强烈卷曲倾向称为(分子)链子链这种强烈卷曲倾向称为(分子)链柔柔顺性顺性,它对高聚物弹性和塑性等有主要影,它对高聚物弹性和塑性等有主要影响。响。键角固定高分子链键角固定高分子链节旋转示意图节旋转示意图1 1高聚物分子几何形状高聚物分子几何形状 7.2.1 7.2.1 高分子化合物基本结构高分子化合物基本结构7.2 7.2 高分子化合物基本结构和要重特征高分子化合物基本结构和要重特征第12
12、页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页13体型结构高聚物,因为分子链间有体型结构高聚物,因为分子链间有大量交联,分子链不可能产生有序大量交联,分子链不可能产生有序排列,因而都是非晶态。排列,因而都是非晶态。从结晶状态来看,线型结构高聚从结晶状态来看,线型结构高聚物分为物分为晶态高聚物晶态高聚物和和非晶态高聚非晶态高聚物物,或者二者共存。,或者二者共存。高聚物中结晶性区域称为结晶区,高聚物中结晶性区域称为结晶区,非结晶区域称非结晶区,结晶多非结晶区域称非结晶区,结晶多少称少称结晶度结晶度(高聚物含晶体结构(高聚物含晶体结构质量百分数)质量百分数)。2 2高聚物聚集态高聚物聚集态第13页
13、首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页14玻璃态玻璃态 分子链节或整个分子链无分子链节或整个分子链无法产生运动,高聚物展现如玻璃体法产生运动,高聚物展现如玻璃体状固态。比如常温下塑料。状固态。比如常温下塑料。高弹态高弹态 链节能够较自由地旋转,链节能够较自由地旋转,但整个分子链不能移动。比如常温但整个分子链不能移动。比如常温下橡胶。高弹态是高聚物所独有罕下橡胶。高弹态是高聚物所独有罕见一个物理形态,能产生很大形变,见一个物理形态,能产生很大形变,除去外力后能可逆恢复原状。除去外力后能可逆恢复原状。粘流态粘流态 高聚物分子链节能够自由地旋转,整个分子链也能自由高聚物分子链节能够自由地旋转
14、,整个分子链也能自由移动,从而成为能流动粘液,比液态低分子化合物粘度要大得多,移动,从而成为能流动粘液,比液态低分子化合物粘度要大得多,又称为塑性态。比如胶粘剂或涂料。又称为塑性态。比如胶粘剂或涂料。3线型非晶态高聚物物理形态线型非晶态高聚物物理形态第14页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页15玻璃化温度玻璃化温度 由高弹态向玻璃态转变温度,用由高弹态向玻璃态转变温度,用Tg 表示。表示。粘流化温度粘流化温度 由高弹态向粘流态转变温度,用由高弹态向粘流态转变温度,用Tf 表示。表示。塑料与纤维塑料与纤维:要求要求Tg 高,高,Tf 低(较耐热,加工成型温度不高)低(较耐热,加工成型
15、温度不高)橡胶:橡胶:要求要求Tg 低,低,Tf 高(耐寒又耐热)高(耐寒又耐热)一些非晶态高聚物一些非晶态高聚物Tg和和Tf值:值:聚氯乙烯聚氯乙烯 Tg=81 Tf=175聚苯乙烯聚苯乙烯 Tg=100 Tf=135聚丁二烯聚丁二烯(顺丁橡胶顺丁橡胶)Tg=-108 Tf 天然橡胶天然橡胶 Tg=-73 Tf=122第15页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页161 1弹性和塑性弹性和塑性 (1)弹性弹性 当高聚物当高聚物Tg TR(室温室温)TR,高聚物处于玻璃态,用做材料时,高聚物处于玻璃态,用做材料时可做塑料。可做塑料。7.2.2 高分子化合物结构与性能关系高分子化合物结构
16、与性能关系 玻璃化温度玻璃化温度Tg是高聚物链节开始旋转最低温度。它高低与分子是高聚物链节开始旋转最低温度。它高低与分子链柔顺性和分子链间作用力大小相关。链柔顺性和分子链间作用力大小相关。分子柔顺性越大,分子柔顺性越大,Tg越越低。低。体型高聚物分子链因为被化学键牢靠地交联,极难变形,所以,体型高聚物分子链因为被化学键牢靠地交联,极难变形,所以,当温度改变时不会出现粘流态,交联度大时也不会出现高弹态,当温度改变时不会出现粘流态,交联度大时也不会出现高弹态,而只呈玻璃态。而只呈玻璃态。第16页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页17主要指标有主要指标有机械强度机械强度、刚性刚性、冲出强
17、度冲出强度。主要影响原因有:。主要影响原因有:(1)平均相对分子质量平均相对分子质量(或平均聚合度)增大,有利于增加分(或平均聚合度)增大,有利于增加分子链间作用力,可使拉伸强度与冲击强度等有所提升。子链间作用力,可使拉伸强度与冲击强度等有所提升。(2)极性取代基极性取代基或链间能形成或链间能形成氢键氢键时,能增加分子链之间作用力时,能增加分子链之间作用力而提升其强度。而提升其强度。强度强度:天然橡胶(:天然橡胶(M r=20万)万)丁苯橡胶(丁苯橡胶(M r=45万)万)拉伸强度拉伸强度:聚氯乙烯聚氯乙烯(含极性基团含极性基团-Cl)聚乙烯聚乙烯 2 2机械性能机械性能第17页首页首页 上一
18、页上一页 下一页下一页 末页末页18(3)适度交联适度交联有利于增加分子链之间作用力。有利于增加分子链之间作用力。(4)在结晶区内分子链在结晶区内分子链排列紧密有序排列紧密有序,可使分子链之间作用力增,可使分子链之间作用力增大,机械强度也随之增高。大,机械强度也随之增高。(5)主链主链含苯环含苯环或侧链引入芳环、杂环取代基等高聚物,其强度或侧链引入芳环、杂环取代基等高聚物,其强度和刚性比含脂肪族主链高聚物要高。和刚性比含脂肪族主链高聚物要高。如聚乙烯交联后,冲击强度可提升如聚乙烯交联后,冲击强度可提升34倍。倍。机械强度机械强度:高结晶聚乙烯高结晶聚乙烯 低结晶聚乙烯低结晶聚乙烯强度强度:芳香
19、尼龙芳香尼龙(如芳纶如芳纶-1313)普通尼龙普通尼龙第18页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页19高分子化合物通常以高分子化合物通常以共价键共价键结合,普通不存在自由电子和离子,结合,普通不存在自由电子和离子,所以所以高聚物通常是很好绝缘体高聚物通常是很好绝缘体,可作为绝缘材料。,可作为绝缘材料。高聚物极性越小,其绝缘性越好。高聚物极性越小,其绝缘性越好。非极性高聚物非极性高聚物 分子链节结构对称高聚物,如聚乙烯,聚四氟分子链节结构对称高聚物,如聚乙烯,聚四氟乙烯等。乙烯等。极性高聚物极性高聚物 分子链节结构不对称高聚物,如聚氯乙烯,聚酰分子链节结构不对称高聚物,如聚氯乙烯,聚酰
20、胺等。胺等。例:例:试比较以下高聚物电绝缘性:试比较以下高聚物电绝缘性:聚四氟乙烯聚四氟乙烯 聚氯乙烯聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯3电绝缘性和抗静电性电绝缘性和抗静电性 第19页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页20电绝缘材料高聚物可分为:电绝缘材料高聚物可分为:(1)链节结构对称且无极性基团链节结构对称且无极性基团高聚物,如聚乙烯,聚四氟高聚物,如聚乙烯,聚四氟乙烯,对直流电和交流电都绝缘,可用作高频电绝缘材料。乙烯,对直流电和交流电都绝缘,可用作高频电绝缘材料。(2)无极性基团,但链节结构不对称高聚物无极性基团,但链节结构不对称高聚物,如聚苯乙烯,天,如聚苯乙烯,
21、天然橡胶等,可用做中频电绝缘材料。然橡胶等,可用做中频电绝缘材料。(3)链节结构不对称且有极性基团高聚物链节结构不对称且有极性基团高聚物,如聚氯乙烯,聚酰,如聚氯乙烯,聚酰胺,酚醛树指等,可用做低频或中频电绝缘材料。胺,酚醛树指等,可用做低频或中频电绝缘材料。第20页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页21分子极性可用相对介电常数分子极性可用相对介电常数衡量,通常非极性高聚物衡量,通常非极性高聚物2,弱,弱极性或中等极性高聚物极性或中等极性高聚物24,强极性高聚物,强极性高聚物4。高聚物 高聚物 聚四氟乙烯 2.0 聚氯乙烯 3.23.6 聚丙烯 2.2 聚甲基丙烯酸甲酯 3.33.
22、9 低密度聚乙烯 2.252.35 硅树脂 2.754.20 高密度聚乙烯 2.302.35 尼龙66 4.0 聚苯乙烯 2.453.10 酚醛树脂 5.0 6.5 表表7.2 7.2 常见高聚物相对介电常数常见高聚物相对介电常数第21页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页22静电现象静电现象 两种电性不一样物体相互接触或磨擦时,会有电两种电性不一样物体相互接触或磨擦时,会有电子转移而使一物种体带正电荷,另一个物体带负电荷现象。子转移而使一物种体带正电荷,另一个物体带负电荷现象。静电现象含有两面性,它应用于静电印刷、油漆喷涂和静电分静电现象含有两面性,它应用于静电印刷、油漆喷涂和静电
23、分离等。但静电往往是有害,比如腈纶纤维起毛球、吸灰尘;粉离等。但静电往往是有害,比如腈纶纤维起毛球、吸灰尘;粉料在干燥运转中会结块等。料在干燥运转中会结块等。惯用抗静电剂是一些惯用抗静电剂是一些表面活性剂表面活性剂,其主要作用是提升高聚物表,其主要作用是提升高聚物表面电导性,使之快速放电,预防电荷积累。面电导性,使之快速放电,预防电荷积累。另外,在高聚物中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等另外,在高聚物中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等也一样起到抗静电作用。也一样起到抗静电作用。第22页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页23高聚物溶解两个阶段:高聚物溶解两个阶段:溶胀溶胀
24、 溶剂分子渗透高聚物内部,使高分子链间产生松动,并溶剂分子渗透高聚物内部,使高分子链间产生松动,并经过溶剂化使高聚物膨胀成凝胶状。经过溶剂化使高聚物膨胀成凝胶状。溶解溶解 高分子链从凝胶表面分散进入溶剂中,溶解形成均一溶高分子链从凝胶表面分散进入溶剂中,溶解形成均一溶液。液。(1)溶解)溶解性性普通普通线型线型(包含带支链)高聚物,在适当溶剂中常能够溶解。(包含带支链)高聚物,在适当溶剂中常能够溶解。如聚苯乙烯(彩色玩具)可溶于苯或甲苯,有机玻璃(绘图直如聚苯乙烯(彩色玩具)可溶于苯或甲苯,有机玻璃(绘图直尺)可溶于氯仿或丙酮。尺)可溶于氯仿或丙酮。但但体型体型高聚时,通常只发生溶胀而不能溶解
25、。高聚时,通常只发生溶胀而不能溶解。4 4溶解性和保水性溶解性和保水性第23页首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页24溶剂选择标准是溶剂选择标准是“相同相溶相同相溶”,极性大高聚物选取极性大溶剂;,极性大高聚物选取极性大溶剂;极性小高聚物先用极性小溶剂。比如,未硫化天然橡胶是弱极性,极性小高聚物先用极性小溶剂。比如,未硫化天然橡胶是弱极性,可溶于汽油、苯、甲苯等非极性或弱极性溶剂中。可溶于汽油、苯、甲苯等非极性或弱极性溶剂中。高吸水性树脂高吸水性树脂含有羟基等含有羟基等强亲水基团强亲水基团,不溶于水,在水中只能溶,不溶于水,在水中只能溶胀,有惊人吸水能力。吸水后成凝胶状,在加压下,水
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