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- 2021-05-12 发布
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第三节 功能高分子材料
一、功能高分子材料
1．新型有机高分子材料及其分类
(1)新型有机高分子材料：具有传统有机高分子材料所没有的特性的有机高分子材料，如具有光、电、磁等特殊功能的高分子材料、隐身材料、液晶高分子材料。
(2)功能高分子材料：是指既有传统高分子材料的机械性能，又有某些特殊功能的高分子材料，如高吸水性材料聚丙烯酸钠和导电高分子材料聚乙炔。
2．高吸水性树脂
制取高吸水性树脂的方法：
(1)对淀粉、纤维素等天然吸水材料进行改性，在它们的高分子链上再接上含强亲水性原子团的支链。以提高它们的吸水能力。例如，将淀粉与丙烯酸钠在引发剂的作用下共聚，生成以淀粉为主链的接枝共聚物，同时与交联剂反应，生成具有网状结构的淀粉——聚丙烯酸钠接枝共聚物高吸水性树脂。
(2)以带有强亲水性原子团的化合物，如丙烯酸CH2===CH—COOH等为单体，均聚或两种单体共聚得到亲水性高聚物。例如，丙烯酸单体用NaOH中和得到丙烯酸钠，加入少量交联剂，再在引发剂作用下发生聚合，得到具有网状结构的聚丙烯酸钠高吸水性树脂。
二、复合材料
1．复合材料的定义
复合材料是指由两种或两种以上材料组合在一起制成的一种新型材料。其中一种材料为基体，另一种材料为增强材料，如钢筋混凝土、轮胎(玻璃纤维织物为增强材料，橡胶为基体)就是复合材料。
2．复合材料具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优良性能，综合性能超过单一材料，能充分发挥每一种材料的长处，避免其弱点。
3．常见的复合材料
(1)复合材料的增强材料主要是增强纤维：硼纤维、碳纤维和石墨纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、芳纶纤维；基体材料主要是热固性树脂(酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂)、热塑性树脂(聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、热塑性聚酯树脂)、泡沫塑料、橡胶等。
(2)玻璃钢——以玻璃纤维为增强材料，以热固性树脂(酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂)为基体材料而制成的一种复合材料。它的密度比钢材、合金钢、铝合金小，只有1.5～2.0 g·cm－3，强度却超过了它们。具有变形小、耐腐蚀、不燃烧、电绝缘性能好等优点。玻璃钢可用做船体、汽车车身、航空器外壳、体育用品、日常生活用具等。
探究点 功能高分子材料
一、功能高分子材料
1．新型有机高分子材料与传统的三大合成材料的区别与联系：新型有机高分子材料与传统的三大合成材料在本质上并没有区别，它们只是相对而言。从组成元素看，都是由C、H、O、N、S等元素构成的；从合成反应看，都是由单体经加聚或缩聚反应形成的；从结构看，也都是分两种结构：线型结构、体型结构。它们的重要区别在于功能与性能上，与传统材料相比，新型有机高分子材料的性能更优异，往往具备传统材料所没有的特殊性能，可用于许多特殊领域。
2．功能高分子材料的品种和分类：
二、功能高分子材料和复合材料的比较
功能高分子材料
复合材料
概念
既有传统高分子的机械性能，又有一些特殊性能的高分子材料
两种或两种以上材料组合成的一种新型的材料。含有基体和增强剂两种材料
性能
高分子分离膜能让某些物质有选择地通过，而把另外一些物质分离掉。医用高分子材料具有优异的生物相容性、很高的机械性能
强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀
用途
高分子分离膜用于生活污水、工业废液的处理、海水淡化、食品工业。医用高分子材料可制成人造器官
用作宇航材料，用于汽车工业、机械工业、体育用品
发展
趋势
对重要的通用的有机高分子材料，不断提高其使用性能，扩大应用范围。与人类自身密切相关，具有特殊功能的材料的研究也在不断加强，并取得了一定的进展
三、常见功能高分子材料
【例】 下列材料中属于功能高分子材料的是( )
①有机玻璃 ②合成橡胶
③高分子分离膜 ④生物高分子材料
⑤隐身材料 ⑥液晶高分子材料
⑦光敏高分子材料 ⑧智能高分子材料
A．只有①③④⑥⑧ B．只有②④⑥⑦⑧
C．只有③④⑤⑥⑦⑧ D．全部都是
【思路分析】
我们容易混淆传统合成材料和功能高分子材料，将有机玻璃、塑料、合成橡胶、合成纤维等传统合成材料误认为是新型高分子材料。常见的功能高分子品种有：光敏高分子、导电高分子、高分子催化剂与试剂、交换型高分子、生物医药高分子、高分子吸附剂、高分子膜、高吸水性树脂等。
【解析】 有机玻璃属于传统合成材料中的塑料。塑料、合成橡胶、合成纤维属于三大传统合成材料，它们不属于新型有机高分子材料。
【答案】 C
下列关于新型有机高分子材料的说法中，不正确的是( D )
A．高分子分离膜应用于食品工业中，可用于浓缩天然果汁、乳制品加工和酿造业等
B．复合材料一般是以一种材料作为基体，另一种材料作为增强剂
C．导电塑料是应用于电子工业的一种新型有机高分子材料
D．合成高分子材料制成的人工器官一般都受到人体排斥作用，难以达到生物相容的程度
解析：本题考查新型有机高分子材料的用途。
1．下列说法错误的是( B )
A．玻璃钢是以玻璃纤维作为增强体、合成树脂做基体的复合材料
B．飞机机身的复合材料大多是以金属为增强体、纤维为基体的复合材料
C．制造网球拍用的复合材料是在合成树脂的基体中加入了碳纤维做增强体
D．航天飞机机身使用的隔热陶瓷瓦是由纤维和陶瓷复合而成的材料制成的
解析：飞机机身的复合材料大多是以纤维为增强体，金属为基体的复合材料，B项中将基体与增强体颠倒了。
2．下列说法中正确的是( D )
A．金属材料不能制成复合材料
B．酚醛树脂和聚氯乙烯都是热固性塑料
C．锦纶丝接近火焰时先蜷缩，燃烧时有烧焦毛发的臭味，灰烬为有光泽的硬块，能压成粉末
D．复合材料一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能，其综合性能超过了单一材料
解析：钢筋混凝土就是一种常见的复合材料，故A错；聚氯乙烯是线型结构，具有热塑性，故B错；锦纶丝属于合成纤维，燃烧时不具有天然蛋白质的烧焦毛发的臭味，且灰烬不易破碎，故C错。
3．下列各高分子材料的研究方向中，并不适合未来高分子材料发展的是( C )
A．使高分子材料具有仿生能力
B．使高分子材料向具有特殊物理、化学功能的“功能材料”发展
C．使高分子材料越来越牢固，越来越难分解
D．使农用薄膜能够选择性地透过种植某种植物所需要的特定波长的光
解析：使高分子材料越来越牢固是对的，但越来越难分解是错误的，应越来越易分解。
4．有关“尿不湿”的下列说法中，错误的是( D )
A．“尿不湿”之所以具有吸水性是因为添加了一种高吸水性树脂
B．高吸水性树脂是含有羧基(—COOH)、羟基(—OH)等强亲水基团并具有一定交联的网状高分子化合物
C．这种纸尿片吸收尿液以后，体积虽然膨胀，但挤不出液体来
D．尿液中的水分子与亲水性基团紧密结合，排列在网状高分子结构之外
解析：“尿不湿”
中添加的高吸水性树脂，是一种功能高分子材料，它可以用淀粉、纤维素等天然高分子化合物与丙烯酸、苯乙烯磺酸发生聚合反应制得。也可以用聚乙烯醇与丙烯酸盐反应制得。它是含有羧基(—COOH)、羟基(—OH)等强亲水性基团并具有一定交联的网状高分子化合物。尿液中的水分子与亲水基团紧密结合，并被包裹在网状高分子结构之中，而不是“排列在高分子结构之外”，故D项错误。
5．在某些塑料(如聚乙炔等)中加入强氧化剂或还原剂后，它们的导电性能大大提高。因为这些塑料具有金属的一般特性，所以人们称之为“人造金属”，下列对“人造金属”的说法正确的是( B )
A．“人造金属”和普通金属的制取方法不同，但原料相同
B．强氧化剂或还原剂是制取“人造金属”的重要材料
C．“人造金属”能够导电传热，所以有金属光泽
D．“人造金属”具有金属的一般特性，所以它们属于金属
解析：“人造金属”与普通金属的制取方法和原料均不相同。前者用塑料加入强氧化剂或还原剂，后者用金属化合物加入还原剂等方法制取。此外，“人造金属”尽管有金属的一般特性，但它属于高分子化合物中的塑料。
6．高分子材料发展的主要趋势是高性能化、功能化、复合化、精细化和智能化。下列材料不属于功能高分子材料的是( B )
A．用于生产光盘等产品的光敏高分子材料
B．用于制造CPU芯片的良好半导体材料单晶硅
C．能用于生产“尿不湿”的高吸水性树脂
D．能导电的掺杂聚乙炔
解析：B项中半导体材料单晶硅，属于传统的无机非金属材料。A项中光敏高分子材料、C项中高吸水性树脂、D项中导电高分子材料均属于功能高分子材料。
7．医用化学杂志曾报道，有一种功能高分子材料为聚乙交酯纤维材料C，用这种功能高分子材料制成的手术缝合线比天然高分子材料的肠线好。它的合成过程如下：
B是A合成C的中间体，它是由两分子A脱去两分子水形成的。
(1)写出由A合成C的化学方程式：
(2)写出由A制取B的化学方程式：
(3)医用高分子材料应具备哪些特性？
答案：优异的生物相容性，较少受到排斥，无毒性，具有很高的机械性能以及其他一些特殊性能。
解析：由题给条件可知，B分子为环酯且具有对称结构。采用平均拆分法，可得A的结构简式为。A生成C的反应为酯化原理的缩聚反应，
A→B为酯化反应，其化学方程式为：
8．碳纤维强化塑料是一种新型的高强度复合材料，其强度比钢铁材料大而密度比铝小。据报道，每架波音767飞机使用了1吨碳纤维材料，而一种新型的波音757飞机使用了9吨以上的碳纤维。制取碳纤维的一种方法是将聚丙烯腈纤维在稀有气体中进行高温处理而获得，这种碳纤维的结构可表示如下：
(1)构成这种碳纤维的元素是C、H、N，其原子个数比为3∶1∶1。
(2)用乙炔和HCN为原料合成这种碳纤维的流程可表示如下：
CH≡CHABC碳纤维
用化学方程式表示以下过程：
①CH≡CH和HCN反应CH≡CH＋HCNCH2===CH—CN；
②A―→B。
解析：碳纤维材料是一种重要的新型复合材料，题目已知给出制取这种碳纤维是将聚丙烯腈经高温处理而得，聚丙烯腈的结构为
，注意到题给碳纤维的结构，可以将聚丙烯腈结构写为，其中—CN的结构为—C≡N。这种变换写法是解答本题的关键一步，根据生产流程所示，聚丙烯腈经两步反应获得碳纤维，第一步高温处理，应是在上述结构的基础上将氰基—C≡N中的三键打开重新结合构成环状结构，即生成C，C在催化剂作用下脱氢，在C中环状结构的—CH2—与上各脱去一个氢原子而形成双键结构，形成碳纤维。显然，在—CH2—原子团上脱去一个氢原子后，还有一个氢原子，所以可知这种碳纤维由C、H、N三种元素构成，考查其中的一个基本结构单元，可看出C、H、N三种原子的个数比应为3∶1∶1。