有机合成材料教学课件

有机合成材料教学课件第一章有机合成材料概述有机合成材料是现代工业和日常生活中不可或缺的重要组成部分，本章将带领大家了解其基本概念、历史发展以及重要性什么是有机合成材料？有机合成材料是以碳元素为主要骨架构成的合成高分子材料，通过人工合成方法制备而成这类材料已经成为现代生活的基础组成部分这些材料广泛应用于我们日常生活的方方面面•各种塑料制品（包装、容器、电子外壳）•合成纤维（服装、家纺、工业用布）•涂料和胶粘剂（建筑、汽车、家具）•特种功能材料（电子、医疗、航空）有机化学的独特性碳元素的魅力四价键形成能力自缔合能力多重键形成碳原子具有形成四个共价键的能力，可碳原子独特的自缔合Catenation能碳可形成单键、双键和三键，这些不同与氢、氧、氮等多种元素结合，创造出力允许碳-碳键形成长链、环状或网状类型的化学键赋予材料独特的物理化学结构多样的分子这种四价键特性使碳结构，这是有机化合物多样性的基础，性质，如硬度、弹性、导电性等，极大成为构建复杂分子骨架的理想元素也是有机合成材料丰富性能的源泉拓展了有机合成材料的应用范围碳原子电子结构与键合上图展示了碳原子的电子结构和杂化轨道，说明了其如何形成四个方向均等的共价键碳原子通过sp³杂化形成正四面体构型，这种独特的空间构型赋予有机材料稳定性和多样性有机合成材料的分类热塑性塑料热固性塑料加热时软化，冷却后硬化，可反复加工成型的塑料一旦成型硬化后不能再熔化或重塑的材料•聚乙烯PE包装袋、容器•酚醛树脂电器绝缘部件•聚丙烯PP家用器具、汽车零件•环氧树脂粘合剂、复合材料•聚氯乙烯PVC管道、电线外皮•不饱和聚酯船体、浴缸•聚苯乙烯PS一次性餐具、保温材料•三聚氰胺树脂餐具、层压板弹性体复合材料具有橡胶弹性的高分子材料含有有机高分子基体的多相材料•硅橡胶医疗器械、密封件•纤维增强塑料体育器材、航空部件•聚氨酯弹性体鞋底、运动器材•颗粒填充复合材料建筑材料•丁苯橡胶轮胎、工业皮带关键功能基团与材料性能功能基团是决定有机合成材料化学性质和物理性能的关键结构单元，正确理解各类功能基团的特性对于材料设计至关重要羟基-OH羧基-COOH能形成氢键，增强分子间相互作用具有较强的极性和酸性•提高材料的亲水性和溶解性•增强材料的耐热性和机械强度•增加材料的极性和黏附性•提高材料与金属、陶瓷的黏合能力•应用聚乙烯醇PVA、聚醚多元醇•应用聚丙烯酸、不饱和聚酯树脂酯基-COO-胺基-NH₂赋予材料良好的加工性能具有强烈的亲核性和碱性•提供柔韧性和耐候性•提高材料的抗冲击性和耐磨性•改善材料的透明度和光泽度•增强材料与其他物质的反应活性•应用聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚碳酸酯PC•应用聚酰胺尼龙、环氧树脂固化剂有机合成材料的分子结构与性能关系分子结构类型分子量与聚合度线型结构分子链呈直线排列，如聚乙烯、聚丙烯分子量通常以数均分子量Mn和重均分子量Mw表示，聚合度指聚合物中重复单元的数量支链结构主链上带有侧链，如低密度聚乙烯LDPE交联结构分子链之间形成化学键连接，如酚醛树脂•高分子量提高强度和耐热性，但降低加工性网状结构分子链交联形成三维网络，如环氧树脂•低分子量改善流动性和加工性，但降低机械性能•分子量分布影响材料的均一性和性能稳定性结晶度与无定形区域取向与排列高结晶度增加硬度、密度和耐化学性，降低透明度分子链取向通过拉伸等加工方法使分子链沿特定方向排列低结晶度提高柔韧性、透明度和冲击强度各向异性不同方向上表现出不同的物理性能无定形区域提供弹性和可塑性，影响玻璃化转变温度线型与交联聚合物结构对比线型聚合物特点交联聚合物特点分子链之间通过次级键相互作用分子链之间通过共价键连接形成网络•加热时容易软化，冷却后恢复硬度•一旦形成不能熔化，加热会分解•可溶于特定溶剂，可反复加工•不溶于任何溶剂，不能重新加工•典型代表聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙•典型代表酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯合成方法总览加成聚合1又称链增长聚合，通过活性中心（自由基、离子等）引发单体分子逐个加成生长2缩聚聚合•典型反应乙烯→聚乙烯，苯乙烯→聚苯乙烯•特点反应迅速，无小分子副产物又称逐步聚合，两种或多种不同单体通过缩合反应逐步形成聚合物•催化剂过氧化物、Ziegler-Natta催化剂•典型反应己二酸+己二胺→尼龙66开环聚合3•特点反应缓慢，伴随小分子（如水）生成环状单体在催化剂作用下开环并相互连接形成线性聚合物•常见反应类型酯化、酰胺化、醚化•典型反应环氧乙烷→聚环氧乙烷•特点保留环状单体的官能团，高选择性4共聚合技术•应用聚内酯、尼龙

6、环氧树脂两种或多种不同单体共同参与聚合反应，形成性能优化的新型材料•类型无规共聚、交替共聚、嵌段共聚、接枝共聚•典型产品ABS树脂、SBR橡胶、EVA共聚物经典合成反应实例自由基聚合反应机理缩聚反应以聚乙烯合成为例，反应分为三个阶以尼龙66合成为例段己二酸+己二胺→聚酰胺66+水引发阶段过氧化物分解产生自由基R•HOOC-CH₂₄-COOH+H₂N-CH₂₆-NH₂→增长阶段R•+nCH₂=CH₂→R-CH₂-CH₂n•-[OC-CH₂₄-CO-NH-CH₂₆-NH]n-+nH₂O终止阶段两个活性链自由基相互结合或歧化反应需控制温度、压力和酸碱平衡，通常在250-280°C下进行反应条件120-300°C，1000-3000大气压重要科学家与历史突破弗里德里希·沃勒1800-1882赫尔曼·斯陶丁格1881-1965朱利奥·纳塔1903-19791828年，沃勒成功从无机物合成尿素，打提出了大分子概念，确立了高分子化学作与卡尔·齐格勒共同开发了齐格勒-纳塔催化破了有机物只能来源于生物体的观念，被视为独立学科1953年因在高分子领域的开剂，实现了聚烯烃的立构规整聚合，为现代为有机化学的开端这一突破为后来的有机创性研究获得诺贝尔化学奖，被誉为高分塑料工业的发展做出重大贡献，1963年获合成材料奠定了理论基础子化学之父诺贝尔化学奖现代绿色合成技术中国科学家的贡献•低能耗、低排放的合成路线•钱人元合成橡胶研究先驱•可再生资源替代石油基原料•冯新德功能高分子材料开发•催化效率提升和溶剂减量化•周其凤超分子聚合物研究•符合原子经济性原则的反应设计弗里德里希沃勒与尿素合成·历史性突破历史意义1828年，沃勒在实验室中将氰酸铵加沃勒的突破具有革命性意义热，意外得到了尿素晶体这一发现震•推翻了活力论，证明有机物可通过撼了当时的科学界，因为尿素被认为是化学方法合成只能由生物体产生的有机物•为后来的有机合成材料发展奠定了理NH₄OCN氰酸铵→NH₂CONH₂尿素论基础这个简单反应打破了有机物与无机物之•开启了人工合成有机化合物的新时代间的人为界限，开创了有机合成化学的新纪元有机合成材料的物理性能测试热性能测试机械性能测试化学稳定性与耐腐蚀性热变形温度HDT材料在特定载荷下开始拉伸强度材料在拉伸断裂前能承受的最大耐溶剂性材料在各种溶剂中的稳定性变形的温度应力耐酸碱性材料在酸碱环境中的稳定性玻璃化转变温度Tg材料从玻璃态转变为弹性模量材料抵抗弹性变形的能力，反映耐氧化性材料抵抗氧化降解的能力橡胶态的温度区间材料的刚性吸水率材料吸收水分的程度熔融温度Tm结晶型聚合物完全熔化的温断裂伸长率断裂前材料的最大伸长百分比耐候性材料在自然环境中抵抗老化的能力度热稳定性材料在高温下保持结构和性能的冲击强度材料抵抗突然冲击的能力能力硬度材料表面抵抗压痕的能力常用表征技术红外光谱核磁共振FTIR NMR基于分子振动吸收特定波长红外光的原理，用于鉴定材料中的化学键和官能团基于原子核在磁场中的共振现象，提供分子结构和动力学信息优势优势•快速、无损分析•提供详细的分子结构信息•可检测几乎所有有机官能团•可分析分子中原子的微环境•可用于定性和半定量分析•能确定聚合物的序列分布•适用于固体、液体和气体样品•可研究分子运动和相互作用差示扫描量热法射线衍射DSC XXRD测量材料在加热或冷却过程中吸收或释放的热量，确定相变温度和热力学参数利用X射线与晶体原子相互作用产生的衍射现象研究材料的晶体结构应用应用•测定玻璃化转变温度Tg•确定聚合物的结晶结构•测定熔融温度Tm和结晶温度Tc•测量结晶度和晶粒尺寸•评估材料的结晶度•分析聚合物的取向程度•研究材料的热稳定性光谱图示例FTIR特征吸收峰解析在材料分析中的应用FTIR3300-3500cm⁻¹O-H和N-H伸缩振动•鉴定未知聚合物的化学组成2800-3000cm⁻¹C-H伸缩振动•检测聚合物中的添加剂和杂质1680-1750cm⁻¹C=O伸缩振动•监测聚合反应的进程1500-1600cm⁻¹芳香环C=C伸缩振动•评估材料的老化和降解程度1000-1300cm⁻¹C-O伸缩振动•分析共聚物的组成和序列分布650-900cm⁻¹芳香环C-H面外弯曲振动•研究聚合物的立构规整性有机合成材料的应用案例聚乙烯在包装行业的应用聚酰胺尼龙的多元应用有机硅材料的创新应用聚乙烯PE是产量最大的塑料，分为HDPE、尼龙是一类重要的工程塑料和合成纤维材料有机硅材料结合了无机和有机材料的优点LDPE和LLDPE等多种类型•纺织品服装、地毯、户外装备•电子封装密封胶、灌封胶•食品包装膜和袋•工程塑料齿轮、轴承、紧固件•医疗器械导管、假体、药物输送系统•饮料瓶和容器•汽车零部件进气歧管、燃油管•个人护理化妆品、护肤品•购物袋和垃圾袋•电子电器连接器、开关外壳•建筑材料密封剂、涂料•农用膜和保鲜膜优势高强度、耐磨损、自润滑、尺寸稳定优势重量轻、成本低、防水、易加工新兴有机合成材料趋势生物基可降解高分子功能化智能材料从可再生资源中提取或合成的环保型聚合物能够对外部刺激做出响应的高级材料聚乳酸PLA源自玉米淀粉，用于包装、医疗器械自修复聚合物能自动修复损伤的材料聚羟基脂肪酸酯PHA微生物发酵产物，可完全生物降解形状记忆聚合物能记忆并恢复原始形状纤维素衍生物源自植物纤维，应用于薄膜、纤维温敏/pH敏聚合物对温度/pH变化敏感壳聚糖衍生物源自甲壳类动物，用于生物医学材料电致变色聚合物电刺激下改变颜色光响应聚合物光照下改变物理化学性质优势环境友好、降低碳足迹、适应循环经济纳米复合材料在聚合物基体中添加纳米级填料的高性能复合材料碳纳米管复合材料提高强度和导电性石墨烯增强聚合物改善机械和热学性能纳米黏土复合材料增强阻隔性和阻燃性环保与可持续发展视角传统合成材料的环境挑战绿色合成路线与循环技术•石油资源依赖性和有限性•生物质基原料替代石油基原料•生产过程的高能耗和碳排放•水相反应和超临界CO₂作为绿色溶剂•难降解塑料造成的环境污染•高效催化降低能耗和废物产生•微塑料问题及其生态风险•可回收设计促进材料循环利用•废弃物管理和处置困难•生物降解材料开发与应用政策推动与产业转型•中国禁塑令推动替代材料发展•欧盟循环经济行动计划•碳交易机制促进低碳生产•扩大生产者责任制EPR推广•绿色设计标准和认证体系建立生物降解塑料分解过程降解机制与过程影响降解速率的因素初始阶段材料表面被水分浸润，分子材料结构结晶度、交联度、分子量量开始降低环境条件温度、湿度、pH值、氧气含生物接触微生物附着在材料表面并分量泌酶微生物种群不同微生物对不同材料的酶解作用酶催化聚合物链断裂成低分降解能力子量片段材料表面积表面积越大，降解越快微生物吸收小分子被微生物吸收并代添加剂某些添加剂可加速或抑制降解谢完全矿化最终转化为CO₂、水和生物质合成材料的安全与健康影响挥发性有机物VOCs问题毒理学研究与评估许多合成材料会释放对健康有害的VOCs，特别是在生产过程和使用评估合成材料对人体健康的潜在风险是产品开发的关键环节初期•急性毒性测试评估短期高剂量接触影响•常见VOCs甲醛、苯、甲苯、二甲苯•慢性毒性研究评估长期低剂量接触影响•潜在健康风险呼吸道刺激、头痛、过敏•致癌性和生殖毒性评估•长期接触可能导致更严重的健康问题•皮肤刺激性和致敏性测试•控制措施低VOC配方、适当通风、老化处理•迁移试验评估有害物质的迁移量实验室安全操作规范个人防护化学品管理废弃物处理•实验服、护目镜和手套的正确使用•遵循化学品安全技术说明书MSDS指导•按类别分类收集实验废弃物•特殊操作如有机溶剂需使用呼吸防护•正确标签和储存化学品•危险废物的特殊处理程序•避免实验区饮食和存放个人物品•兼容性考虑，避免危险物质混合教学互动分子模型构建利用分子模型套件理解结构与性能通过构建三维分子模型，学生可以直观理解分子结构与材料性能的关系常见分子模型套件组成•不同颜色的原子球（代表C、H、O、N等元素）•不同长度和弹性的连接杆（代表单键、双键、三键）•特殊连接件（代表特定结构如苯环）教学目标

1.构建常见单体分子结构（如乙烯、苯乙烯）

2.演示聚合反应过程和聚合物形成

3.比较不同结构（线型、支链、交联）的空间特点

4.理解立体化学对材料性能的影响小组合作设计新型有机合成材料将学生分成小组，完成以下任务

1.基于所学知识，选择合适的单体和合成路线

2.设计具有特定功能的新材料（如高强度、导电、生物相容）

3.使用分子模型构建设计的材料结构

4.预测材料性能并讨论潜在应用

5.考虑材料的环境影响和可持续性典型实验演示聚合反应的现场演示材料性能测试实验流程尼龙绳索实验热变形温度HDT测定在己二酰氯和己二胺溶液界面处形成尼龙实验步骤膜，通过连续拉出形成尼龙绳

1.准备标准尺寸的试样条实验步骤

2.将试样置于恒定负载下

1.在烧杯中加入己二胺水溶液

3.以恒定速率升高温度

2.小心在水溶液上层加入己二酰氯的有机

4.记录试样发生规定变形时的温度溶液

5.分析不同材料的热变形温度差异

3.在界面处形成尼龙膜拉伸强度测试

4.用镊子夹住界面膜并向上拉出实验步骤

5.观察连续形成的尼龙纤维

1.制备哑铃型标准试样现象解释两种单体在界面处发生缩聚反应，形成聚酰胺尼龙

2.将试样固定在拉力机上

3.以恒定速率拉伸直至断裂

4.记录应力-应变曲线课堂讨论题目如何设计高性能且环保的有机合成材料？新材料研发中遇到的主要挑战有哪些？讨论要点讨论要点•生物基原料的选择与可行性•性能与成本的平衡•结构设计如何兼顾性能和可降解性•实验室到工业化的放大难题•添加剂对环保性和性能的影响•新材料的安全性评估与监管•生命周期评估方法•市场接受度和消费者教育•成本和可规模化生产考量•知识产权保护与竞争实例探讨案例分析

1.聚乳酸PLA的改性策略

1.石墨烯材料的商业化瓶颈

2.纤维素基复合材料的应用前景

2.可降解塑料替代传统塑料的障碍

3.可循环利用的热塑性弹性体设计

3.高性能复合材料在航空领域的应用挑战辩论题目传统塑料应该被完全禁止使用吗？案例分析某知名公司如何通过材料创新获得竞争优势？支持方论点环境污染严重、微塑料危害、石油资源有限反对方论点某些领域难以替代、综合成本高、现有回收体系复习与知识点总结合成方法与应用领域结构与性能的内在联系•加成聚合、缩聚反应、开环聚合的特点有机合成材料的定义与分类•分子量和分子量分布对力学性能的影响和适用范围•基于碳元素的合成高分子材料•结晶度与材料刚性、透明度的关系•催化剂在聚合反应中的关键作用•热塑性塑料、热固性塑料、弹性体和复•功能基团对材料化学性质的决定作用•包装、建筑、交通、电子、医疗等主要合材料应用领域•分子链取向与材料各向异性的关系•按照分子结构分为线型、支链、交联和•交联度与材料热稳定性、溶解性的关系•新型材料的发展趋势生物基、智能响网状结构应、纳米复合•按照单体来源分为石油基和生物基材料•绿色合成与可持续发展策略以上知识点相互关联，形成有机合成材料学科的知识体系理解这些核心概念对于掌握本课程内容、开展材料设计和解决实际问题至关重要课后延伸阅读推荐经典教材最新科研论文•《高分子化学》，潘祖仁著，化学工业出版社•《可降解聚酯的最新研究进展》，高分子学报，2023年第1期•《有机高分子材料》，张红东、李明著，科学出版社•《碳纳米管增强聚合物复合材料的力学性能研究》，复合材料学报，2023年第2期•《聚合物物理》，何曼君著，复旦大学出版社•《生物基聚合物在医疗领域的应用》，高分子材料科学与工程，2022年第12期•《Principles ofPolymerization》，Odian著，Wiley出版社•《Advances insustainable polymers》，Nature ReviewsMaterials，2022•《Polymer Scienceand Technology》，Joel R.Fried著，Prentice Hall出版社•《Recent progressin self-healing polymers》，Advanced Materials，2023行业报告在线学习资源•《中国合成材料产业发展报告》，中国石油和化学工业联合会，2023年•中国大学MOOC《高分子材料与工程导论》•《全球生物降解塑料市场分析》，前瞻产业研究院，2023年•学堂在线《高分子物理》•《新材料产业十四五发展规划》，工业和信息化部，2021年•Coursera《Organic MaterialsChemistry》•《Global PolymerIndustry Outlook》，Deloitte，2023•MIT OpenCourseWare《Polymer Engineering》•《Circular Economyfor Plastics》，Ellen MacArthurFoundation，2022材料科学网https://www.materialstoday.com/未来展望人工智能辅助材料设计绿色合成技术的商业化前景跨学科融合推动材料创新AI和机器学习算法正在革命性地改变材料发现环保压力和政策推动下，绿色合成技术正从实材料科学与其他学科的边界日益模糊，跨学科和设计流程验室走向工业化融合创造新机遇•通过分子动力学模拟预测材料性能•生物质转化技术取得突破性进展•材料科学+生物学仿生材料、组织工程•大数据分析加速筛选候选材料•CO₂捕获和转化为聚合物原料•材料科学+信息技术智能材料、可穿戴设备•自动化实验系统提高研发效率•水相和固相聚合技术减少有机溶剂使用•材料科学+能源技术新型储能材料、太阳•深度学习优化分子结构和配方•光催化和电催化实现温和条件下合成能转换预计到2030年，AI辅助设计将缩短新材料研发•微反应器和连续流技术提高能源效率•材料科学+医学精准药物递送、诊断材料周期50%以上•材料科学+环境科学污染物吸附材料、水处理膜未来材料科技概念智能材料应用场景关键技术突破自修复材料手机屏幕检测到裂痕后自分子尺度设计精确控制分子结构和排动修复列形状记忆聚合物可根据温度变化自动多功能集成在单一材料中结合多种功调整形状的医疗设备能智能响应表面根据环境条件改变疏水/刺激响应机制对光、热、电、磁等多亲水性的建筑外墙种刺激做出精确响应可编程材料能根据外部信号重新排列自组装技术材料能自发形成预定的复结构的软机器人杂结构界面工程精确控制材料表面与环境的相互作用致谢与参考文献主要参考教材与文献

1.潘祖仁.《高分子化学》.北京:化学工业出版社,

2020.

2.何曼君,陈维孝,董西侠.《高分子物理》.上海:复旦大学出版社,

2019.

3.王佛松.《高分子材料加工原理》.北京:化学工业出版社,

2018.

4.张红东,李明.《有机高分子材料》.北京:科学出版社,

2021.

5.Odian,G.Principles ofPolymerization.4th Edition.Wiley-Interscience,

2004.

6.Fried,J.R.Polymer Scienceand Technology.3rd Edition.Prentice Hall,

2014.

7.Wang,Y.,et al.Advances insustainable polymersfrom renewableresources.Progress inPolymer Science,2022,127:

101522.

8.Zhang,X.,et al.Self-healing polymersand composites:fabrication,characterization,and applications.Advanced Materials,2021,337:

2006723.感谢特别感谢以下机构和平台对本课程教学资源开发的支持•国家自然科学基金委员会•教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会•中国化工学会高分子学科委员会•中国大学MOOC平台•化学实验教学示范中心结束语有机合成材料连接科学与生活期待你们成为未来材料领域的领军人才！在这门课程中，我们探索了有机合成材料的奇妙世界，从基础概念到前希望通过本课程的学习，你们不仅掌握了知识，更培养了发现问题、分沿应用这些材料不仅是我们日常生活的基础，也是解决人类面临的重析问题和解决问题的能力未来的材料科学需要你们这样兼具创新思维大挑战的关键和实践能力的人才有机合成材料学科是化学、物理和工程的完美融合，它既需要严谨的科学思维，也需要创新的工程设计能力。