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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∈裁矗?上學(xué)上班坐什么？,什么是材料？,材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。 從物理化學(xué)屬性來分，可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和不同類型材料所組成的復(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。,目前傳統(tǒng)材料有幾十萬種，而新合成的材料每年大約以5%的速度在增加。,材料：社會進步的標(biāo)志,人類社會,（標(biāo)志性材料）,石器時代,青銅器時代：煉銅及其合金（最早的金屬材料）,鐵器時代：把煉銅技術(shù)用于煉鐵，用鐵來制造農(nóng)具,鋼鐵時代：18世紀(jì)蒸汽
2、機發(fā)明引起了產(chǎn)業(yè)革命，以鋼鐵為中心的金屬材料,舊石器時代：天然的石、木、竹、骨等材料 新石器時代：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),,,,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)成的。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)生多羥基有機化合物的物質(zhì)。這種碳水化合物可分為單糖、低聚糖和多糖。,高分子材料,單糖是最簡單，不能再被水解的碳水化合物。 如：,（1）單糖和多糖,低聚糖是由幾個單糖分子縮水聚合而成。根據(jù)水解后能生成單糖的數(shù)目可分為二糖、三糖。 如蔗糖、麥芽糖是二糖。 蔗糖水解后的產(chǎn)物就
3、是葡萄糖和果糖。,纖維素與淀粉則是多糖的代表物。 纖維素是自然界中分布最廣的多糖。它的基本結(jié)構(gòu)單元也是葡萄糖。分子質(zhì)量很高，約200萬。 纖維素分子的長鏈能依靠數(shù)目眾多的氫鍵結(jié)合起來而形成纖維束。幾個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的纖維，因而，同樣是由葡萄糖構(gòu)成的纖維素，比起淀粉來有高得多的強度， 可以支撐植物。 由于人的消化系統(tǒng)中沒有水解纖維素的酶， 所以人不能消化纖維素。,（2）纖維素,纖維素,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。根據(jù)硝化程度的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、照相底片基等）的原料。
4、 由于各種纖維素的分子量大小不同，結(jié)構(gòu)上的差異，特別是纖維束形成的過程各不相同，就決定了纖維的強度和長短，以及它們能否被紡成織物。,自然界的纖維中，棉花和麻莖可以被紡成織物直接為人類所利用。那么還有大量的纖維，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。將這些不能紡絲的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種粘稠的液體。通過特殊的噴絲裝置將此粘液噴入硫酸(H2SO4)和硫酸鹽的溶液中，這種粘膠狀的酯就會分解還原到纖維素。這就是粘膠纖維素生產(chǎn)的全過程。,（3）人造纖維,人
5、造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一樣長短， 即可制成人造毛面料。,所謂人造纖維就是用化學(xué)處理的方法，使不能紡絲的天然纖維變成可紡絲的纖維。,含粘膠纖維的植物均有織物柔軟、輕飄舒適、美觀、便宜等優(yōu)點。 共同的缺點是縮水大、濕強度小、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烈的化學(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，強度下降。 為了克服這些缺點，曾把合成高分子樹脂加入粘膠纖維中，制成一種高強度粘膠纖維，市場上稱為富強纖維（俗
6、稱“富纖”），它縮水率小，水中強度下降不多。,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的人造纖維稱為銅氨纖維。它顏色潔白、光澤柔和、手感柔軟。濕纖維強度也比粘膠纖維略好，但由于生產(chǎn)過程中要消耗一定的銅，成本較高，所以生產(chǎn)量較少。 另一種是以棉籽絨（極短纖維）為原料的人造纖維，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個纖維分子與3 個分子醋酸反應(yīng)生成的酯），再部分分解為較低的醋酸酯（如二醋酸酯），然后溶解于丙酮內(nèi)成為紡絲液，在細孔中壓出，經(jīng)熱空氣將丙酮揮發(fā)掉即成。,合成纖維實際上是一種高分子化合物。高分子化合物在人類的生
7、活中已不是陌生的東西。生活中常見的五光十色的塑料，身上穿的合成纖維衣服，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，但仍是利用自然界的纖維材料，嚴(yán)格講應(yīng)該是人造織物纖維，真正的人造纖維應(yīng)該是從非纖維材料出發(fā)所制成的織物纖維。,2合成纖維,從化學(xué)的角度講，高分子化合物的分子量要比一般的化合物分子量大得多。要準(zhǔn)確地說達到多大才算是高分子并無多大意義。一般而言，如果分子量達到某種程度，使化合物的物理和化學(xué)性質(zhì)，不會因為分子量稍有不同而發(fā)生變化的話，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，是小分子聚合而成的，所以也稱之為高
8、聚物。,它的結(jié)構(gòu)式為：,它是由小分子化合物，氯乙烯(CH2=CHCl)，聚合而成的。若把：,看作聚氯乙烯的一個重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，則聚氯乙烯可寫成：,一個大分子鏈往往是有許多簡單的結(jié)構(gòu)單元，以共價鍵形式相連而成的分子。以聚氯乙烯為例:,通常把構(gòu)成這種重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的低分子化合物稱為單體，大分子則稱為聚合物。 合成聚合物的方法有兩種類型：縮聚和加聚。 縮聚反應(yīng)類似于低分子有機化合物的縮合反應(yīng)。例如酯化反應(yīng)：,2個小分子化合物縮去1個水分子，合并為1個較大的分子，這種反應(yīng)不斷進行，就可成為高聚物。例如二元羧酸和二元醇的作用：,兩端的羥基（OH）和羧基,進一步縮合，這樣聚合反應(yīng)就可連續(xù)不斷進行。第一步
9、反應(yīng)生成的苯二甲酸單乙二酯可以看作該聚合物的單體。該聚合物的結(jié)構(gòu)式可寫成：,其中n為聚合度。 加聚反應(yīng)類似于低分子化合物中的烯烴加成，如乙烯加氯：,如果烯烴分子的雙鍵打開后，自身相互間發(fā)生加成反應(yīng)，這樣反應(yīng)就可連續(xù)不斷進行。結(jié)果無數(shù)個乙烯小分子就變成了1個聚氯乙烯大分子，這種聚合反應(yīng)稱為加聚反應(yīng)。 合成纖維實際上就是用化學(xué)反應(yīng)的方法把小分子化合物聚合成為可以紡紗布的高聚物。下面介紹幾種最常用的合成纖維： （1）聚酯滌綸 滌綸又叫“的確良”，是國外商品名達格綸、帝特綸、特麗綸的音譯。又因為初制產(chǎn)品為夏日穿的薄型襯衣，故而得一俗名“的確涼”。,它的原料對苯二甲酸和乙二醇（HOCH2C
10、H2OH）來源于石油工業(yè)的甲苯和乙烯。,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、鄰二甲苯的混合物。,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：,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，所以這種聚合物又稱為聚脂。 滌綸大分子鏈中因有剛性的苯環(huán)及酰基存在，使分子鏈排列整齊緊密、結(jié)晶度也高、不易變形，因而滌綸具有高強度，耐磨性僅次于尼龍，而且耐光、,耐蝕、耐蛀，特別是易洗快干，挺括保型
11、性好。綜合性能優(yōu)于尼龍，是優(yōu)良的衣料，也大量用于輪胎簾子線、工業(yè)濾布、繩索等。 但其突出缺點是吸濕性差、導(dǎo)電性差。因此，不透氣，不適宜做內(nèi)衣，也不易染色。同時衣物與其它物體摩擦而產(chǎn)生的靜電，會把灰塵吸附在織物上而變臟，起毛球。改進的辦法是加入能在分子鏈中形成醚鍵的第三組分，如對羥基苯甲酸進行共縮聚，或是將滌綸與棉、麻、絲混織。,對羥基苯甲酸,滌綸樹脂除大量作纖維用外，由于它的高強度和優(yōu)良電絕緣性、耐熱性，還有相當(dāng)一部分制成滌綸薄膜和高強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“Nylon”的譯音。它主要指聚己內(nèi)酰胺（尼龍-6）和聚己二酰己二胺（
12、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)同類商品名的譯音。 酰基和酰胺基的結(jié)構(gòu)分別為：,有機酸和有機胺的反應(yīng)也是縮合反應(yīng)。如：,如果一個二酸和一個二胺發(fā)生反應(yīng)：,由于兩端仍各有一個羧基和氨基，可以繼續(xù)和另一個氨基和羧基發(fā)生在縮合反應(yīng)，如此不斷進行下去，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的。,尼龍-6的原料為己內(nèi)酰胺，其結(jié)構(gòu)式為：,純己內(nèi)酰胺不會自行聚合，但有少量水作催化劑時即成為氨基己酸 H2N(CH2)5COOH ，該分子的兩端各有一個氨基和一個羧基，若分別和另一個分子的羧基和氨基發(fā)生縮合反應(yīng)的話，那么同樣會形成聚合反應(yīng)，其產(chǎn)物
13、就是尼龍-6。 尼龍在三大合成纖維（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（單體重量的0.07%- 0.14%）為穩(wěn)定劑。尼龍-66的制造也適用熔融縮聚，不過先要將等摩爾的兩種原料制成純度很高的尼龍鹽，然后再縮聚。,尼龍的最大優(yōu)點是強度大、彈性好、耐摩擦。其強度比棉花大23倍，耐磨是棉花的10 倍，尼龍繩強度比同樣粗的鋼絲繩還要大。另外它質(zhì)輕，比棉花輕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。尼龍的這些特性
14、與大分子鏈上有大量酰胺基和亞甲基(-CH2-)有關(guān)。前者可形成很多數(shù)目的分子鏈間氫鍵而大大加強了分子間作用力，保證了纖維的強度；后者CC 單鍵的可活動性則保證了纖維有一定彈性。,聚酰胺最大缺點是耐光性差，長期光照則發(fā)黃，強度下降，保型性也差，織物不如滌綸挺括。并且它的表面光滑，有蠟狀手感。吸濕性不理想，不適宜做內(nèi)衣。 除尼龍-6和尼龍-66之外，目前聚酰胺中還有尼龍-9、尼龍-610、尼龍-1010等比較重要，并有一定的產(chǎn)量。它們都具有質(zhì)輕、耐磨、強度好、耐油等優(yōu)點。因此廣泛用于機械儀表、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。,(3) 聚烯烴 腈綸 腈綸是聚丙烯腈
15、在我國的商品名，國外則稱為“澳綸”、“開絲米綸”。是僅次于聚酯和聚酰胺的合成纖維品種。它柔軟、輕盈、保暖，有人造羊毛之稱。它雖比羊毛輕10%以上，但強度卻高達2倍多。腈綸不但不會發(fā)霉和被蟲蛀，并對日光的抵抗性也比羊毛高1倍，比棉花大10倍。因此它特別適合制造帳篷、炮衣、車蓬、幕布、窗簾等室外織物。用它制成的毛線特別是輕軟的膨體絨線早就為人們所喜愛。,聚丙烯腈的單體丙烯腈用下列方法（丙烯氨氧化法）合成。,改進腈綸的方向是進一步改善它的染色性、起毛球、回彈性和降低成本?，F(xiàn)已采用共聚及混合紡絲等方法，如氯乙烯-丙烯腈共聚纖維，則即基本保持了腈綸特性，又大大降低了生產(chǎn)成本。,維尼綸 維尼綸是19
16、50年首先由日本櫻田一郎發(fā)明的一個合成纖維品種。它的化學(xué)成分是聚乙烯醇縮甲醛。維尼綸（Vinylene）是其商品名。這種纖維的原料（乙烯、乙炔）易得，成本低廉，纖維性能極似棉花而強度比棉花的還好，適合做各種衣料和各種工業(yè)用布。,,乙烯法：,維尼倫的基本原料醋酸乙烯酯，主要有兩種合成方法。,乙炔法：,制造維尼綸的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。 把聚乙烯醇的水溶液進行溶液紡絲，制成的長絲或短纖維在進行熱處理和縮醛化處理就得到維尼綸纖維。經(jīng)縮醛化后纖維的耐熱能力、收縮性均有改善，大量用來與棉花混紡，制成各種衣料，即為市場上的“維棉”。它的突出優(yōu)點是吸濕性好、價格
17、低廉，主要缺點是彈性差、織物易皺。因有皮層結(jié)構(gòu)，故不易染成鮮艷的顏色，熱水中收縮性也較大。,把聚乙烯醇與聚氯乙烯進行接枝共聚，即可保持維尼綸的強度高、吸濕性好等優(yōu)點，又可保持氯綸的熱塑性彈性好、耐燃等優(yōu)點。特別是纖維無皮層結(jié)構(gòu)，染色簡單，可用各種染色方法得到色彩鮮艷、牢度大的織物。這就是近幾年發(fā)展起來的新纖維品種---維氯綸。 丙綸 丙綸是合成纖維的后起之秀，自60 年代初工業(yè)化生產(chǎn)以來，發(fā)展速度快，由于其原料便宜易得，聚合和紡絲工藝簡單，纖維以輕、牢、耐磨而著稱，引起人們的廣泛重視與歡迎。,可紡絲用的聚丙烯樹脂是以三乙基鋁和四氯化鈦Al(C2H5)3 TiCl4為催化劑，是丙烯聚合得到的立
18、體等規(guī)性高聚物。它與無規(guī)矩丙烯相比，具有結(jié)晶度高、熔點高、易成纖、強度大等優(yōu)點。聚丙烯樹脂一般以熔融紡絲。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的，它的強度和耐磨性與聚酰胺相近，還有不吸濕、絕緣等特點。目前主要用于繩索、網(wǎng)具、濾布、編織繩和袋等。用它做的軍用蚊帳只有100g - 150g 重,用丙綸做成的消毒紗布不粘連傷口，且可直接高溫消毒。,丙綸的主要缺點濕吸濕性、可染色性差，日曬老化現(xiàn)象較顯著，若在聚合體中加入添加劑（如有機金屬鹽類）或進行化學(xué)處理或與第二組分（如聚甲基丙烯乙二酯）進行接枝共聚，可得到改善。 氯綸
19、 聚氯乙烯雖是塑料品種的老大，但直至找到了溶液紡絲所需的溶劑和改善了纖維的熱穩(wěn)定性后，才使氯綸纖維有了較大的發(fā)展。由于原料豐富、工藝簡單、成本低廉，又有特殊用途，因而它在合成纖維中具有一定的地位。聚氯乙烯雖然可采用混入增塑劑，進行熔融紡絲，但大多數(shù)還是用丙酮為溶劑，以溶液紡絲來制氯綸。,氯綸的突出優(yōu)點是難燃、保暖、耐曬、耐磨、耐蝕和耐蛀，彈性也很好，可以制造各種針織品、工作服、毛毯、濾布、繩絨、帳篷等，特別是由于它保暖性好，易生產(chǎn)和保持靜電，故用它做成的針織內(nèi)衣對風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎有一定療效。但由于染色性差，熱收縮大，限制了它的應(yīng)用。改善的辦法是與其它纖維品種共聚（如維氯綸）或與其它纖維（如粘膠）進行乳液混合紡絲。 天然織物常受自然條件限制，如土地、氣候等，因此產(chǎn)量也就受到限制。而合成纖維的生產(chǎn)則隨人類的需要而安排，使人類在衣著上更有主動性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相信合成纖維的性能將愈來愈好。,
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