化學(xué)與社會市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、第五章 化學(xué)與新材料春夏秋冬穿什么？一日三餐吃什么？一家?guī)卓谧∈裁?？上學(xué)上班坐什么？第1頁第1頁什么是材料？ 材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其它產(chǎn)品那些物質(zhì)。 從物理化學(xué)屬性來分，可分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和不同類型材料所組成復(fù)合材料。 從用途來分，又分為電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。 當(dāng)前老式材料有幾十萬種，而新合成材料每年大約以5%速度在增長。第2頁第2頁材料：社會進(jìn)步標(biāo)志人類社會（標(biāo)志性材料）石器時(shí)代青銅器時(shí)代：煉銅及其合金（最早金屬材料）鐵器時(shí)代：把煉銅技術(shù)用于煉鐵，用鐵來制造農(nóng)具鋼鐵時(shí)代：18世紀(jì)蒸汽機(jī)創(chuàng)造引起了產(chǎn)業(yè)革

2、命，以鋼鐵為中心金屬材料舊石器時(shí)代：天然石、木、竹、骨等材料新石器時(shí)代：燒制陶瓷、瓷器高新技術(shù)材料：生物技術(shù)、能源技術(shù)、海洋技術(shù)、空間技術(shù)第3頁第3頁一、纖維素和人造纖維 植物性纖維，如棉和麻均為碳水化合物。它們都是由碳、氫、氧3種元素構(gòu)成。從分子結(jié)構(gòu)來看，碳水化合物是一類多羥基醛（酮）或水解后能產(chǎn)生多羥基有機(jī)化合物物質(zhì)。這種碳水化合物可分為單糖、低聚糖和多糖。高分子材料第4頁第4頁 單糖是最簡樸，不能再被水解碳水化合物。 如：（1）單糖和多糖第5頁第5頁 低聚糖是由幾種單糖分子縮水聚合而成。依據(jù)水解后能生成單糖數(shù)目可分為二糖、三糖。如蔗糖、麥芽糖是二糖。蔗糖水解后產(chǎn)物就是葡萄糖和果糖。第6頁

3、第6頁第7頁第7頁 纖維素與淀粉則是多糖代表物。 纖維素是自然界中分布最廣多糖。它基本結(jié)構(gòu)單元也是葡萄糖。分子質(zhì)量很高，約200萬。纖維素分子長鏈能依托數(shù)目眾多氫鍵結(jié)合起來而形成纖維束。幾種纖維束絞在一起形成繩束狀結(jié)構(gòu)在定向排布就形成肉眼可見纖維，因而，同樣是由葡萄糖構(gòu)成纖維素，比起淀粉來有高得多強(qiáng)度， 能夠支撐植物。 由于人消化系統(tǒng)中沒有水解纖維素酶， 因此人不能消化纖維素。 （2）纖維素第8頁第8頁纖維素第9頁第9頁 纖維素用濃硝酸和濃硫酸混合液處理后，就會得到硝酸纖維素酯，俗稱硝化纖維。依據(jù)硝化程度高低又分為無煙火藥，火棉膠（封裝瓶口用）和賽璐鉻制品（如乒乓球、攝影底片基等）原料。 因?yàn)?/p>

4、各種纖維素分子量大小不同，結(jié)構(gòu)上差異，尤其是纖維束形成過程各不相同，就決定了纖維強(qiáng)度和長短，以及它們能否被紡成織物。 第10頁第10頁 自然界纖維中，棉花和麻莖能夠被紡成織物直接為人類所利用。那么尚有大量纖維，如木材、蘆葦、甘蔗渣、麥桿、棉桿等能否也被利用來紡絲織布呢？化學(xué)處理可使其成為現(xiàn)實(shí)。將這些不能紡絲纖維素先后用二硫化碳(CS2)和氫氧化鈉(NaOH)處理，就會得到纖維素黃原酸鈉。除去雜質(zhì)后，將其溶解于稀堿液中就制成一個(gè)粘稠液體。通過特殊噴絲裝置將此粘液噴入硫酸(H2SO4)和硫酸鹽溶液中，這種粘膠狀酯就會分解還原到纖維素。這就是粘膠纖維素生產(chǎn)全過程。 （3）人造纖維第11頁第11頁人造

5、纖維可紡成長絲或切成短絲。長絲與蠶絲可混紡成各種綢緞；與棉紗混紡可制成線綈面料。短絲與棉花混紡就是人造棉。若把短絲切成像羊毛同樣長短， 即可制成人造毛面料。所謂人造纖維就是用化學(xué)處理辦法，使不能紡絲天然纖維變成可紡絲纖維。第12頁第12頁 含粘膠纖維植物都有織物柔軟、輕飄舒適、美觀、廉價(jià)等長處。共同缺點(diǎn)是縮水大、濕強(qiáng)度小、彈性差、不耐堿等。這是由于在粘膠纖維制造過程中，纖維素分子受到多次強(qiáng)烈化學(xué)作用，致使聚合度變低，分子排列疏松零亂，分子間隙大，水分子很容易鉆到空隙中使纖維膨松無力，強(qiáng)度下降。為了克服這些缺點(diǎn)，曾把合成高分子樹脂加入粘膠纖維中，制成一個(gè)高強(qiáng)度粘膠纖維，市場上稱為富強(qiáng)纖維（俗稱“

6、富纖”），它縮水率小，水中強(qiáng)度下降不多。 第13頁第13頁纖維素不溶于水，但可溶于銅氨溶液中（氫氧化銅氨溶液）以此制成粘膠液再噴絲制得人造纖維稱為銅氨纖維。它顏色潔白、光澤柔和、手感柔軟。濕纖維強(qiáng)度也比粘膠纖維略好，但由于生產(chǎn)過程中要消耗一定銅，成本較高，因此生產(chǎn)量較少。 另一個(gè)是以棉籽絨（極短纖維）為原料人造纖維，稱之為醋酸纖維。它是用醋酐(CH3CO)2O將纖維素酯化成纖維素三醋酸酯（1個(gè)纖維分子與3 個(gè)分子醋酸反應(yīng)生成酯），再部分分解為較低醋酸酯（如二醋酸酯），然后溶解于丙酮內(nèi)成為紡絲液，在細(xì)孔中壓出，經(jīng)熱空氣將丙酮揮發(fā)掉即成。 第14頁第14頁 合成纖維事實(shí)上是一個(gè)高分子化合物。高分子

7、化合物在人類生活中已不是陌生東西。生活中常見五光十色塑料，身上穿合成纖維衣服，以及合成橡膠等均是高分子化合物。上述織物雖稱人造纖維，但仍是利用自然界纖維材料，嚴(yán)格講應(yīng)當(dāng)是人造織物纖維，真正人造纖維應(yīng)當(dāng)是從非纖維材料出發(fā)所制成織物纖維。2合成纖維第15頁第15頁 從化學(xué)角度講，高分子化合物分子量要比普通化合物分子量大得多。要準(zhǔn)確地說達(dá)到多大才算是高分子并無多大意義。普通而言，假如分子量達(dá)到某種程度，使化合物物理和化學(xué)性質(zhì)，不會因?yàn)榉肿恿可杂胁煌l(fā)生改變話，那么該化合物就是高分子化合物了。 與天然高分子化合物（如纖維、淀粉）不同，合成高分子化合物都是用化學(xué)方法，是小分子聚合而成，因此也稱之為高聚

8、物。 第16頁第16頁它結(jié)構(gòu)式為： 它是由小分子化合物，氯乙烯(CH2=CHCl)，聚合而成。若把： 看作聚氯乙烯一個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，則聚氯乙烯可寫成：一個(gè)大分子鏈往往是有許多簡樸結(jié)構(gòu)單元，以共價(jià)鍵形式相連而成分子。以聚氯乙烯為例:第17頁第17頁 通常把構(gòu)成這種重復(fù)結(jié)構(gòu)單元低分子化合物稱為單體，大分子則稱為聚合物。 合成聚合物辦法有兩種類型：縮聚和加聚。 縮聚反應(yīng)類似于低分子有機(jī)化合物縮合反應(yīng)。比如酯化反應(yīng)：第18頁第18頁 2個(gè)小分子化合物縮去1個(gè)水分子，合并為1個(gè)較大分子，這種反應(yīng)不斷進(jìn)行，就可成為高聚物。比如二元羧酸和二元醇作用： 第19頁第19頁兩端羥基（OH）和羧基 進(jìn)一步縮合，這樣

9、聚合反應(yīng)就可連續(xù)不斷進(jìn)行。第一步反應(yīng)生成苯二甲酸單乙二酯能夠看作該聚合物單體。該聚合物結(jié)構(gòu)式可寫成： 第20頁第20頁 其中n為聚合度。 加聚反應(yīng)類似于低分子化合物中烯烴加成，如乙烯加氯：第21頁第21頁 假如烯烴分子雙鍵打開后，本身互相間發(fā)生加成反應(yīng)，這樣反應(yīng)就可連續(xù)不斷進(jìn)行。結(jié)果無數(shù)個(gè)乙烯小分子就變成了1個(gè)聚氯乙烯大分子，這種聚合反應(yīng)稱為加聚反應(yīng)。 合成纖維事實(shí)上就是用化學(xué)反應(yīng)辦法把小分子化合物聚合成為能夠紡紗布高聚物。下面簡介幾種最慣用合成纖維：（1）聚酯滌綸 滌綸又叫“確實(shí)良”，是國外商品名達(dá)格綸、帝特綸、特麗綸音譯。又由于初制產(chǎn)品為夏日穿薄型襯衣，故而得一俗名“確實(shí)涼”。 第22頁第

10、22頁它原料對苯二甲酸和乙二醇（HOCH2CH2OH）起源于石油工業(yè)甲苯和乙烯。 對苯二甲酸甲苯來自芳構(gòu)化工段經(jīng)催化劑（HM沸石分子篩）發(fā)生歧化反應(yīng)，生成苯和對、間、鄰二甲苯混合物。第23頁第23頁混二甲苯再經(jīng)異構(gòu)化制成對二甲苯：經(jīng)氧化后得對苯二甲酸：第24頁第24頁 乙烯(CH2=CH2)來自裂解工段，經(jīng)氧化后生成環(huán)氧乙烷再經(jīng)水解反應(yīng)， 即可得乙二醇（HOCH2CH2OH）。 用對苯二甲酸和乙二醇就可直接酯化，聚合而成滌綸。由于是酯化反應(yīng)縮合聚合而成，因此這種聚合物又稱為聚脂。 滌綸大分子鏈中因有剛性苯環(huán)及?；嬖冢狗肿渔溑帕姓麧嵕o密、結(jié)晶度也高、不易變形，因而滌綸含有高強(qiáng)度，耐磨性僅次于

11、尼龍，并且耐光、 第25頁第25頁耐蝕、耐蛀，尤其是易洗快干，挺括保型性好。綜合性能優(yōu)于尼龍，是優(yōu)良衣料，也大量用于輪胎簾子線、工業(yè)濾布、繩索等。 但其突出缺點(diǎn)是吸濕性差、導(dǎo)電性差。因此，不透氣，不宜做內(nèi)衣，也不易染色。同時(shí)衣物與其它物體摩擦而產(chǎn)生靜電，會把灰塵吸附在織物上而變臟，起毛球。改進(jìn)辦法是加入能在分子鏈中形成醚鍵第三組分，如對羥基苯甲酸進(jìn)行共縮聚，或是將滌綸與棉、麻、絲混織。 對羥基苯甲酸 第26頁第26頁滌綸樹脂除大量作纖維用外，由于它高強(qiáng)度和優(yōu)良電絕緣性、耐熱性，尚有相稱一部分制成滌綸薄膜和高強(qiáng)度聚酯漆而用于電子電氣工業(yè)。(2) 聚酰胺 尼龍 尼龍或耐綸是聚酰胺類纖維商品名“Ny

12、lon”譯音。它主要指聚己內(nèi)酰胺（尼龍-6）和聚己二酰己二胺（尼龍-66）。我國錦州化工廠最早大量生產(chǎn)，故我國統(tǒng)稱“錦綸”。而卡普綸則是前蘇聯(lián)同類商品名譯音。 ?；王０坊Y(jié)構(gòu)分別為：第27頁第27頁有機(jī)酸和有機(jī)胺反應(yīng)也是縮合反應(yīng)。如：第28頁第28頁假如一個(gè)二酸和一個(gè)二胺發(fā)生反應(yīng)： 由于兩端仍各有一個(gè)羧基和氨基，能夠繼續(xù)和另一個(gè)氨基和羧基發(fā)生在縮合反應(yīng)，如此不斷進(jìn)行下去，就形成了聚合反應(yīng)。尼龍-66就是由己二酸和己二胺聚合而成。 第29頁第29頁尼龍-6原料為己內(nèi)酰胺，其結(jié)構(gòu)式為：第30頁第30頁 純己內(nèi)酰胺不會自行聚合，但有少許水作催化劑時(shí)即成為氨基己酸 H2N(CH2)5COOH ，該分

13、子兩端各有一個(gè)氨基和一個(gè)羧基，若分別和另一個(gè)分子羧基和氨基發(fā)生縮合反應(yīng)話，那么同樣會形成聚合反應(yīng)，其產(chǎn)物就是尼龍-6。 尼龍?jiān)谌蠛铣衫w維（聚酰胺、聚酯、聚丙烯腈）中產(chǎn)量居于首位。尼龍-6單體己內(nèi)酰胺和尼龍-66單體己二胺、己二酸均可由苯酚或環(huán)己烷、甲苯等為原料制得。 為了控制分子質(zhì)量以適合紡絲要求，常加入一定量醋酸（單體重量0.07%- 0.14%）為穩(wěn)定劑。尼龍-66制造也合用熔融縮聚，但是先要將等摩爾兩種原料制成純度很高尼龍鹽，然后再縮聚。 第31頁第31頁 尼龍最大長處是強(qiáng)度大、彈性好、耐摩擦。其強(qiáng)度比棉花大23倍，耐磨是棉花10 倍，尼龍繩強(qiáng)度比同樣粗鋼絲繩還要大。另外它質(zhì)輕，比棉花

14、輕35%。耐腐蝕，不受蟲蛀。因此大量用來制造輪胎簾子線、降落傘、漁網(wǎng)、彈力襪、混紡衣料等。尼龍這些特性與大分子鏈上有大量酰胺基和亞甲基(-CH2-)相關(guān)。前者可形成諸多數(shù)目的分子鏈間氫鍵而大大加強(qiáng)了分子間作用力，確保了纖維強(qiáng)度；后者CC 單鍵可活動性則確保了纖維有一定彈性。第32頁第32頁 聚酰胺最大缺點(diǎn)是耐光性差，長期光照則發(fā)黃，強(qiáng)度下降，保型性也差，織物不如滌綸挺括。并且它表面光滑，有蠟狀手感。吸濕性不抱負(fù)，不宜做內(nèi)衣。 除尼龍-6和尼龍-66之外，當(dāng)前聚酰胺中尚有尼龍-9、尼龍-610、尼龍-1010等比較主要，并有一定產(chǎn)量。它們都含有質(zhì)輕、耐磨、強(qiáng)度好、耐油等長處。因此廣泛用于機(jī)械儀表

15、、汽車等工業(yè)，以代替有色金屬制造軸承、齒輪、泵葉及其它零件。 第33頁第33頁(3) 聚烯烴腈綸 腈綸是聚丙烯腈在我國商品名，國外則稱為“澳綸”、“開絲米綸”。是僅次于聚酯和聚酰胺合成纖維品種。它柔軟、輕盈、保暖，有些人造羊毛之稱。它雖比羊毛輕10%以上，但強(qiáng)度卻高達(dá)2倍多。腈綸不但不會發(fā)霉和被蟲蛀，并對日光抵抗性也比羊毛高1倍，比棉花大10倍。因此它尤其適合制造帳篷、炮衣、車蓬、幕布、窗簾等室外織物。用它制成毛線尤其是輕軟膨體絨線早就為人們所愛慕。第34頁第34頁 聚丙烯腈單體丙烯腈用下列辦法（丙烯氨氧化法）合成。 改進(jìn)腈綸方向是進(jìn)一步改進(jìn)它染色性、起毛球、回彈性和減少成本。現(xiàn)已采用共聚及混

16、合紡絲等辦法，如氯乙烯-丙烯腈共聚纖維，則即基本保持了腈綸特性，又大大減少了生產(chǎn)成本。第35頁第35頁維尼綸 維尼綸是1950年首先由日本櫻田一郎創(chuàng)造一個(gè)合成纖維品種。它化學(xué)成份是聚乙烯醇縮甲醛。維尼綸（Vinylene）是其商品名。這種纖維原料（乙烯、乙炔）易得，成本低廉，纖維性能極似棉花而強(qiáng)度比棉花還好，適合做各種衣料和各種工業(yè)用布。 第36頁第36頁乙烯法：維尼倫基本原料醋酸乙烯酯，主要有兩種合成辦法。乙炔法：第37頁第37頁 制造維尼綸工藝路線包括醋酸乙烯酯聚合、水解制聚乙烯醇和聚乙烯醇縮醛化等三步。 把聚乙烯醇水溶液進(jìn)行溶液紡絲，制成長絲或短纖維在進(jìn)行熱處理和縮醛化處理就得到維尼綸纖

17、維。經(jīng)縮醛化后纖維耐熱能力、收縮性都有改進(jìn)，大量用來與棉花混紡，制成各種衣料，即為市場上“維棉”。它突出長處是吸濕性好、價(jià)格低廉，主要缺點(diǎn)是彈性差、織物易皺。因有皮層結(jié)構(gòu)，故不易染成鮮艷顏色，熱水中收縮性也較大。第38頁第38頁 把聚乙烯醇與聚氯乙烯進(jìn)行接枝共聚，即可保持維尼綸強(qiáng)度高、吸濕性好等長處，又可保持氯綸熱塑性彈性好、耐燃等長處。尤其是纖維無皮層結(jié)構(gòu)，染色簡樸，可用各種染色辦法得到色彩鮮艷、牢度大織物。這就是近幾年發(fā)展起來新纖維品種-維氯綸。丙綸 丙綸是合成纖維后起之秀，自60 年代初工業(yè)化生產(chǎn)以來，發(fā)展速度快，由于其原料廉價(jià)易得，聚合和紡絲工藝簡樸，纖維以輕、牢、耐磨而著稱，引起人們

18、廣泛注重與歡迎。第39頁第39頁 可紡絲用聚丙烯樹脂是以三乙基鋁和四氯化鈦Al(C2H5)3 TiCl4為催化劑，是丙烯聚合得到立體等規(guī)性高聚物。它與無規(guī)矩丙烯相比，含有結(jié)晶度高、熔點(diǎn)高、易成纖、強(qiáng)度大等長處。聚丙烯樹脂普通以熔融紡絲。由于丙綸耐光性較差，紡絲中常加入熱穩(wěn)定劑（如二苯酮類）和光穩(wěn)定劑（如水楊酸酯類）。 聚丙烯纖維是合成纖維中最輕，它強(qiáng)度和耐磨性與聚酰胺相近，尚有不吸濕、絕緣等特點(diǎn)。當(dāng)前主要用于繩索、網(wǎng)具、濾布、編織繩和袋等。用它做軍用蚊帳只有100g - 150g 重,用丙綸做成消毒紗布不粘連傷口，且可直接高溫消毒。第40頁第40頁 丙綸主要缺點(diǎn)濕吸濕性、可染色性差，日曬老化現(xiàn)象較明顯，若在聚合體中加入添加劑（如有機(jī)金屬鹽類）或進(jìn)行化學(xué)處理或與第二組分（如聚甲基丙烯乙二酯）進(jìn)行接枝共聚，可得到改進(jìn)。氯綸 聚氯乙烯雖是塑料品種老大，但直至找到了溶液紡絲所需溶劑和改進(jìn)了纖維熱穩(wěn)定性后，才使氯綸纖維有了較大發(fā)展。由于原料豐富、工藝簡樸、成本低廉，又有特殊用途，因而它在合成纖維中含有一定地位。聚氯乙烯即使可采用混入增塑劑，