一、高分子材料

1.1 概念

  1. 高分子材料：以高分子化合物为主要成分，经过加工后能满足生产和生活需要的一类材料。
  2. 高分子材料的性质不仅取决于高分子本身的结构，也受加工助剂、加工方式和材料形态影响。
  3. 常见高分子材料包括塑料、合成纤维、合成橡胶、黏合剂、涂料和功能高分子材料等。

{此处插入高分子材料知识图谱，概括通用高分子材料和功能高分子材料的分类}

1.2 按用途和性能分类

  1. 通用高分子材料
    1. 塑料，如聚乙烯、酚醛树脂。
    2. 合成纤维，如聚酯纤维、聚酰胺纤维。
    3. 合成橡胶。
    4. 黏合剂、涂料等。
  2. 功能高分子材料
    1. 高吸水性树脂。
    2. 高分子分离膜。
    3. 导电高分子。
    4. 医用高分子。
    5. 高分子试剂、高分子催化剂、离子交换树脂等。

通用高分子材料和功能高分子材料的重要区别在于：

  1. 通用高分子材料主要满足一般力学性能、加工性能和生活生产用途。
  2. 功能高分子材料具有特殊的化学、物理或生物医学功能，常用于特定领域。

1.3 高分子的命名

  1. 合成高分子一般在单体名称前加“聚”字，例如聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈等。
  2. 由两种单体聚合形成的高分子有两种常见命名方式：
    1. 在缩合产物或两种单体名称前加“聚”，如聚对苯二甲酸乙二酯、聚己二酰己二胺。
    2. 在两种单体名称后加“树脂”，如酚醛树脂、脲醛树脂。
  3. 合成橡胶通常在单体名称后加“橡胶”，如乙丙橡胶、丁苯橡胶。
  4. 合成纤维的名称常用“纶”，如涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶等。

二、塑料

2.1 组成

  1. 塑料的主要成分是合成树脂。
  2. 合成树脂是未经加工处理的聚合物。
  3. 塑料通常是在合成树脂中加入各种加工助剂后制得的材料。
  4. 常见加工助剂包括增塑剂、稳定剂、着色剂、填料等。
  5. 塑料的基本性能主要取决于树脂的性质，但加工助剂也会显著影响材料性能。

2.2 分类

类型结构特点主要特征
热塑性塑料线型或支链型结构加热可熔融，可反复加工
热固性塑料体型或网状结构加热后不能软化或熔融，只能一次成型

理解时要注意：

  1. 热塑性塑料受热可软化，冷却后硬化，可以多次加工。
  2. 热固性塑料在加工时形成网状结构，受热不再熔化，不能反复加工。
  3. 线型结构和支链型结构通常有一定热塑性。
  4. 网状结构通常表现出热固性。

2.3 聚乙烯

聚乙烯由乙烯发生加聚反应生成：

\(\ce{n CH2=CH2 ->[cat.] [-CH2-CH2-]_{n}}\)

不同条件下制得的聚乙烯结构和性能不同。

比较项目高压法聚乙烯低压法聚乙烯
聚合反应条件约 \(150\ \mathrm{MPa}\) 到 \(300\ \mathrm{MPa}\)，约 \(200\ ^\circ\mathrm{C}\)，使用引发剂约 \(0.1\ \mathrm{MPa}\) 到 \(2\ \mathrm{MPa}\)，\(60\) 到 \(100\ ^\circ\mathrm{C}\)，使用催化剂
高分子链结构含有较多支链支链较少
链间疏密程度相对疏松相对紧密
相对分子质量相对小相对大
链间作用力相对较小相对较大
密度较低较高
软化温度较低较高
主要性能无毒、较柔软无毒、较硬
主要用途食品包装袋、薄膜、绝缘材料等瓶、桶、板、管等

{此处插入高压法聚乙烯与低压法聚乙烯对比局部图，重点观察支链多少、密度、软化温度和用途差异}

聚乙烯有一定弹性的原因可以概括为：

  1. 聚乙烯分子链中的碳碳单键可以旋转。
  2. 高分子链通常呈不规则卷曲状态。
  3. 外力作用下，卷曲的高分子链可以被拉直或部分拉直。
  4. 除去外力后，高分子链可恢复卷曲状态。

2.4 酚醛树脂

2.4.1 概念

  1. 酚醛树脂：酚类物质，如苯酚，与醛类物质，如甲醛，在酸或碱的催化下相互缩合形成的高分子。
  2. 酚醛树脂可用于制造电源开关、绝缘材料、隔热材料、阻燃材料、隔音材料和复合材料。
  3. 生活中常见的锅具手柄、部分电器零部件、汽车零部件、航天器外壳等材料都可能用到酚醛树脂或相关材料。

2.4.2 酚醛树脂的制备实验

酸催化和碱催化条件下，酚醛树脂的结构和性质不同。

催化条件实验现象结论
酸催化液体变浑浊，有黏稠物质生成；加入乙醇后不溶解；再加热时黏稠物质溶解生成线型结构的酚醛树脂，具有热塑性
碱催化液体变浑浊，有黄色黏稠物质生成；加入乙醇后不溶解；再加热时黏稠物质仍不溶解生成网状结构的酚醛树脂，具有热固性

实验理解：

  1. 酸催化下，等物质的量的苯酚与甲醛主要在邻位或对位反应，容易得到线型分子。
  2. 碱催化下，甲醛过量时，不仅可在邻位反应，也可在对位反应，继续缩合可得到网状结构。
  3. 线型酚醛树脂具有热塑性。
  4. 网状酚醛树脂具有热固性。

2.4.3 酚醛树脂的结构转化

苯酚先与甲醛反应生成羟甲基苯酚，再继续缩聚生成酚醛树脂。由于产物含苯环结构，线性结构简式不够直观，可先用文字和结构简式理解：

  1. 苯酚与甲醛反应，可在苯环邻位或对位引入 \(\ce{-CH2OH}\)。
  2. 羟甲基苯酚继续缩合，苯环之间可通过 \(\ce{-CH2-}\) 连接。
  3. 酸催化时倾向形成线型结构。
  4. 碱催化且甲醛过量时，继续形成二羟甲基苯酚、三羟甲基苯酚等，可进一步缩合为网状结构。

可概括为：

\(\ce{C6H5OH + HCHO ->[H+,\Delta] HO-C6H4-CH2OH}\)

\(\ce{n HO-C6H4-CH2OH ->[H+,\Delta] H[-C6H3(OH)-CH2-]_{n}OH + (n-1) H2O}\)

{此处插入酚醛树脂制备实验和结构局部图，重点观察酸催化形成线型结构、碱催化形成网状结构}

三、合成纤维

3.1 纤维的分类

  1. 天然纤维：如羊毛、棉花、蚕丝、麻等。
  2. 化学纤维
    1. 再生纤维：以秸秆、木材等为原料，如人造丝。
    2. 合成纤维：以石油、天然气、煤和农副产品等为原料。

合成纤维的常见种类：

  1. 涤纶。
  2. 锦纶。
  3. 腈纶。
  4. 丙纶。
  5. 维纶。
  6. 氯纶。

合成纤维的一般优点：

  1. 强度高。
  2. 弹性好。
  3. 耐腐蚀。
  4. 不缩水。
  5. 保暖性较好。

合成纤维的一般不足：

  1. 除维纶外，多数合成纤维的吸湿性不如天然纤维。
  2. 透气性常不如天然纤维。

合成纤维用途广泛，可用于工农业生产和高科技领域，如隔音、隔热、绝缘材料，渔网、缆绳，医疗缝合线、止血棉，航天服和降落伞等。

3.2 涤纶和锦纶

比较项目涤纶锦纶
类型聚酯纤维聚酰胺纤维
代表物聚对苯二甲酸乙二酯聚己二酰己二胺纤维
结构特征主链中含酯基，\(\ce{-COO-}\)主链中含酰胺键，\(\ce{-CONH-}\)
主要特点强度大，耐磨，易洗，快干，保形性好，但透气性和吸湿性差不溶于普通溶剂，熔化温度高于 \(260\ ^\circ\mathrm{C}\)，耐磨性和强度好
主要用途服装、床上用品、装饰布料、工业纤维制品等丝袜、降落伞、渔网、轮胎帘子线等

涤纶的合成可理解为对苯二甲酸与乙二醇发生缩聚：

\(\ce{n HOOC-C6H4-COOH + n HOCH2CH2OH ->[cat.,\Delta] H[-OOC-C6H4-COOCH2CH2-]_{n}OH + (2n-1) H2O}\)

锦纶 \(66\) 的合成可理解为己二酸与己二胺发生缩聚：

\(\ce{n HOOC(CH2)4COOH + n H2N(CH2)6NH2 ->[cat.,\Delta] H[-NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO-]_{n}OH + (2n-1) H2O}\)

{此处插入涤纶与锦纶对比局部图，重点观察聚酯纤维和聚酰胺纤维的制备原理、结构特征和用途}

3.3 高强度芳纶纤维

  1. 高强度芳纶纤维出现于 \(20\) 世纪 \(60\) 年代。
  2. 其分子链中含有苯环和酰胺键，结构刚性较强。
  3. 性质特点：
    1. 强度高。
    2. 密度低，约为钢的 \(\frac{1}{5}\)。
    3. 热稳定性高。
    4. 耐酸、耐碱、耐高温、耐磨。
  4. 用途：
    1. 制防弹装甲。
    2. 消防服。
    3. 防切割耐热手套。
    4. 交通工具结构材料和阻燃内饰等。

芳纶可由含芳香环的二胺和二羧酸缩聚得到。含苯环结构用普通结构简式不够直观，后期可按截图或 ChemDraw 补图。

{此处插入芳纶合成结构式局部图，重点观察苯环与酰胺键在主链中的连接}

四、合成橡胶

4.1 概念

  1. 合成橡胶：以石油、天然气为原料，以二烯烃和烯烃等为单体聚合而成的弹性高分子材料。
  2. 合成橡胶种类较多，性能各有特点。
  3. 常见合成橡胶包括顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶等。

4.2 顺丁橡胶

顺丁橡胶以 \(1,3\)-丁二烯为原料，在催化剂作用下发生加聚反应得到。

\(\ce{n CH2=CH-CH=CH2 ->[cat.] [-CH2-CH=CH-CH2-]_{n}}\)

  1. 顺丁橡胶的聚合物以顺式结构为主。
  2. 未硫化的顺丁橡胶呈线型结构，分子链较柔软，性能较差。
  3. 顺丁橡胶经硫化后，线型结构转化为网状结构。
  4. 硫化后的顺丁橡胶既有弹性，又有强度，耐磨、耐寒性较好，主要用于制造轮胎。

4.3 橡胶的硫化

橡胶硫化的本质：

  1. 将橡胶与硫等硫化剂混合后加热。
  2. 硫化剂使聚合物中的双键打开。
  3. 高分子链之间通过二硫键 \(\ce{-S-S-}\) 等发生交联。
  4. 线型结构转化为网状结构。
  5. 橡胶强度、弹性和稳定性增强。

需要注意：

  1. 硫化交联程度不能过大，否则橡胶会失去弹性。
  2. 未硫化橡胶易磨损，易溶于汽油、四氯化碳等有机溶剂，易发生加成反应，容易老化。
  3. 硫化后，高分子链之间形成交联，结构更稳定，不易溶于有机溶剂，不易老化。

{此处插入芳纶与橡胶硫化局部图，重点观察芳纶结构式、顺丁橡胶硫化形成网状结构和交联橡胶弹性示意图}

4.4 常见合成橡胶

名称单体结构或结构特征性能和用途
顺丁橡胶\(\ce{CH2=CH-CH=CH2}\)聚丁二烯顺式结构为主耐寒、耐磨性好，主要用于制造轮胎
丁苯橡胶\(\ce{CH2=CH-CH=CH2}\)、苯乙烯丁二烯和苯乙烯共聚耐磨、耐热、耐油、耐老化，可部分或全部代替天然橡胶，用于轮胎、胶带、胶管、胶鞋等
氯丁橡胶\(\ce{CH2=CCl-CH=CH2}\)氯丁二烯加聚耐燃、耐油，用于耐燃耐油橡胶制品
丁腈橡胶\(\ce{CH2=CH-CH=CH2}\)、\(\ce{CH2=CHCN}\)丁二烯和丙烯腈共聚耐油性优异，用于输油管、密封垫圈、化工容器衬里等
乙丙橡胶\(\ce{CH2=CH2}\)、\(\ce{CH2=CHCH3}\)乙烯和丙烯共聚耐老化、耐臭氧、弹性好，用于汽车零件、电气制品、建筑材料等
硅橡胶含 \(\ce{Si-O}\) 主链的硅氧烷单体主链含 \(\ce{-Si-O-}\)无毒、无味，耐高温、低温，用于垫圈、密封件、高温电线、人造心脏、人造血管等

{此处插入常见合成橡胶表局部图，重点观察各类橡胶的单体、结构简式、性能和用途}

五、功能高分子材料

5.1 概念

  1. 功能高分子材料：在天然或合成高分子的主链或支链上引入某种功能原子团，使其具有特殊功能的高分子材料。
  2. 功能高分子材料可满足化学、物理或医学等方面的特殊要求。
  3. 常见类别包括：
    1. 化学功能高分子，如高分子试剂、高分子催化剂、离子交换树脂等。
    2. 物理功能高分子，如发光高分子、导电高分子、高传热高分子、吸声高分子等。
    3. 生物或医用功能高分子，如高分子药物、软硬组织替代高分子等。
    4. 功能转换型高分子，如电致发光高分子、光致变色高分子、形状记忆树脂等。

5.2 高吸水性树脂

5.2.1 合成方法

高吸水性树脂的合成思路主要有两类：

  1. 对淀粉、纤维素等天然吸水材料进行改性，在其主链上接入带有强亲水基团的支链，以提高吸水能力。
  2. 用带有强亲水基团的烯类单体进行聚合，得到含亲水基团的高聚物。

5.2.2 性能和应用

  1. 高吸水性树脂可吸收几百倍甚至上千倍于自身质量的水。
  2. 吸水后保水能力强。
  3. 具有一定抗压能力。
  4. 常用于干旱地区农业、林业抗旱保水和改良土壤等。

5.3 高分子分离膜

5.3.1 分离原理

  1. 高分子分离膜一般只允许水或某些小分子物质通过。
  2. 不能通过的物质会被截留在膜的另一侧。
  3. 利用这种选择透过性，可以达到分离、浓缩和净化的目的。

5.3.2 分类

高分子分离膜按膜孔大小可分为：

  1. 微滤膜。
  2. 超滤膜。
  3. 纳滤膜。
  4. 反渗透膜。

5.3.3 材料和应用

  1. 常见分离膜材料主要是有机高分子材料，如醋酸纤维、芳香族聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等。
  2. 主要应用：
    1. 海水淡化。
    2. 饮用水制取。
    3. 果汁浓缩。
    4. 乳制品加工。
    5. 药物提纯。
    6. 血液透析等。

{此处插入功能高分子材料与分离膜局部图，重点观察高吸水性树脂、高分子分离膜及功能高分子的分类}

六、高分子材料的结构与性能

6.1 结构类型

高分子材料的结构常见为线型结构、支链型结构和网状结构。

基本结构类型结构特点性能举例
线型结构由许多链节相互连接成一条长链具有高弹性，在适当溶剂中能缓慢溶解，加热能熔融，硬度和脆度较小，常表现出热塑性低压聚乙烯
支链型结构与线型结构类似，但主链上存在支链熔点、密度通常比线型结构更低高压聚乙烯
网状结构多官能团单体相互作用，使主链之间以共价键连接，形成三维空间网络不能溶解和熔融，只能溶胀，硬度和脆度较大，不能反复熔化，常表现出热固性碱催化制备的酚醛树脂

6.2 性能规律

  1. 高分子链越规整，链间排列越紧密，密度、熔点和强度往往越高。
  2. 支链越多，链间堆积越疏松，密度和软化温度往往降低。
  3. 线型高分子通常可溶于适当溶剂，具有热塑性。
  4. 网状高分子很难溶解，受热不熔化，具有热固性。
  5. 交联能增强材料的强度和稳定性，但交联程度过高会降低弹性。

七、方法归纳

7.1 判断材料类型

  1. 看用途：
    1. 用于包装、容器、管材等，多考虑塑料。
    2. 用于服装、绳索、降落伞、缝合线等，多考虑纤维。
    3. 用于轮胎、胶带、密封件等，多考虑橡胶。
    4. 用于吸水、分离、导电、医用等特殊功能，多考虑功能高分子材料。
  2. 看结构：
    1. 线型或支链型，常与热塑性有关。
    2. 网状结构，常与热固性有关。
    3. 含酯基，常与聚酯、涤纶有关。
    4. 含酰胺键，常与聚酰胺、锦纶、芳纶有关。
    5. 含共轭二烯烃链节，常与合成橡胶有关。

7.2 重要对应关系

  1. 乙烯 → 聚乙烯 → 塑料。
  2. 苯酚 + 甲醛 → 酚醛树脂 → 热塑性或热固性塑料。
  3. 对苯二甲酸 + 乙二醇 → 涤纶。
  4. 己二酸 + 己二胺 → 锦纶 \(66\)。
  5. \(1,3\)-丁二烯 → 顺丁橡胶。
  6. 橡胶 + 硫 → 硫化橡胶。
  7. 亲水基团 + 高分子骨架 → 高吸水性树脂。
  8. 选择透过性高分子膜 → 分离、浓缩、净化。

7.3 易错点

  1. 树脂不等于塑料。树脂是未加工处理的聚合物，塑料通常是树脂与加工助剂形成的材料。
  2. 热塑性和热固性主要由结构决定，不是单纯由受热现象死记。
  3. 高压法聚乙烯支链较多、密度较低；低压法聚乙烯支链较少、密度较高。
  4. 酸催化酚醛树脂多形成线型结构，碱催化条件下易形成网状结构。
  5. 涤纶属于聚酯纤维，锦纶属于聚酰胺纤维。
  6. 橡胶硫化是高分子链之间发生交联，不是简单的物理混合。
  7. 功能高分子材料的关键在于特殊功能原子团或特殊结构带来的特定功能。