最新大学化学-第8章-化学与材料(天津大学)报告课件PPT.ppt 114页

'大学化学-第8章-化学与材料(天津大学)报告 基本要求1、掌握各区元素原子的结构特征，并能从原子的电子层结构了解常用工程材料在元素周期系中的分布2、了解近年来的新型材料(高分子材料,陶瓷材料,纳米材料,复合材料,液晶材料)的组成与性能 8.1常用工程材料在周期系中的分布8.2几种新型材料8.2.1金属材料8.2.2高分子材料8.2.3陶瓷材料8.2.4复合材料8.2.5液晶材料 Li--密度最小的金属,0.5gml-1He----熔点最低的单质Cr----硬度最大的金属(9)W----熔点最高的金属(3410℃)Hg---熔点最低的金属 1金属的性质物理性质：①光泽：金属晶体大多呈银白色，Au—黄色，Bi—淡红，Cu—紫红色；4②密度：按5g.cm-3为标准,分为轻金属重金属；8.2金属材料 ③熔点：金属熔点差别很大。如：Hg、W；⑤磁性：分铁磁材料(Fe、Co、Ni)；顺磁材料(Mn、Cr、Mo、W）；逆磁材料(Cu、Sn、Pb、Zn）；⑥延、展性：即机械加工性能良好；⑦热胀冷缩(但Sb、Bi相反)。5④导电、导热：金属越纯，导电、热性越好; 2几种新型金属材料轻质合金—以轻金属为主要成分的合金。铝合金：密度小，强度高。“硬铝”耐蚀，可用于车，不用于船。钛合金：密度不大，强度很高，抗蚀性好，耐高、低温（-200-500℃），用于飞机。34 硬质合金—以硬质化合物为硬质相，以合金为黏结相的复合材料（TiN、AlN、TiC、WC、SiC）具有高硬度、耐磨、强度、韧性。—具有“记忆”自己形状特性的合金。如Ti-Ni（各50%）合金，在温度T发生晶格转变：菱形晶格立方晶格晶格的变化，改变了合金形状。35记忆合金 贮氢合金—两种特定金属的合金:一种可大量吸收H2的金属（如RE），一种不吸收氢的金属制成的合金。36使氢可在其中“移动”。是理想的氢能源材料。 贮氢合金要求:贮氢量大；金属氢化物容易形成，稍加热又容易分解；室温下吸、放氢的速度快；使用寿命长；成本低。 目前正在研究的贮氢合金主要有三大系列：镁系贮氢合金：MgH2,Mg2Ni稀土系贮氢合金：LaNi5,MnNiMn,MnNiAl钛系贮氢合金：TiH4,TiMn1.5. 8.3陶瓷材料(Ceramics) OxidesAl2O3(alumina)ZrO2(zirconia)BeO(beryllia)NonoxidescarbidesSiCboridesB4C,BNnitridesSi3N4silicidesCompositescombinationofoxidesandnon-oxides.EachoneoftheseclassescanhaveuniquematerialpropertiesTypesofCeramics 一、几种新型陶瓷材料1、 光导纤维从高纯的二氧化硅或石英玻璃的熔融体中，拉出直径约为100μm的细丝，称为石英玻璃纤维。（玻璃可以透光，但在传播过程中光损耗较大，而用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维。） 皮料—低折射率的玻璃；43光纤的组成：芯料—高折射率，高透光度，不析晶的玻璃； 多组分玻璃光纤；复合材料光纤；石英光纤（高纯度或掺杂）。光在芯料和皮料界面上全反射，入射光封闭在芯料内，经过无数次全反射，锯齿状传播。44通信原理：光纤材料： 光缆结构图 利用光导纤维可以进行光纤通讯，用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需要任何中继站。光损耗较大光导纤维可以在短距离使用，特别适合做人体内窥镜，如：胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等。 2、超导陶瓷1911年荷兰物理学家Onnes发现汞（水银）在4.2K附近电阻突然下降为零.超导电性：零电阻现象超导临界温度：电阻突然消失的温度超导体：在一定温度下具有超导电性的物体 superconductors(超导体)–noresistancetoflowofelectricitysuperconductingbehaviorstartsbelowthesuperconductingtransitiontemp,TcHg(l)–4.2K SuperconductingTransitionTemperaturesNotallmetalshavesuperconductingproperties.Al,Ti,ZnGa,Zr,Mo,Tc,Ru,Cd,In,SnLa,Hf,Ta,WRe,Os,Ir,Hg,Tl,Pb,Th,PaandUcansuperconductatatmosphericpressure.MetalTemp(K)Aluminum1.175Gallium1.10Tin3.72Mercury4.15Lanthanum(La)4.9Lead7.2 metalshighestTcis23K(Nb-Gecompound)1987年赵宗贤等ceramicYBa2Cu3O7Tcis95K.1993年中-瑞合作Hg-Ba-Cu-O(Tc=133.5K)Wantroomtemp(298K)77K(liquidnitrogen) 应用：1） 用超导材料输电2） 超导发电机3） 磁力悬浮高速列车4） 可控热核聚变 Meissnereffect–magnetslevitate(float)oversuperconductors 3、纳米陶瓷从陶瓷材料的发展史上看，经历了三次飞跃从陶器到瓷器-----第一次飞跃从传统陶瓷到精细陶瓷---第二次飞跃从精细陶瓷到纳米陶瓷---第三次飞跃（超韧性陶瓷）纳米材料：粒径为1-100纳米，纳米材料具有表面效应、界面效应、量子尺寸效应。但目前为止，这些效应无法检测。 棉、麻、丝、毛、角、胶、塑料、橡胶、纤维┄它们是人们越来越熟悉的有机高分子材料。无论是天然的或合成的这类材料，在人们的生活和工程技术中都占有越来越重要的地位。18.4高分子材料 高分子化合物：由一种或几种低分子化合物聚合而成的相对分子量较高的化合物（也称高聚物）单体链节聚合度 Polymers(聚合物)moleculesofveryhighmolecularmasscomposedofastringofmonomers(单体),whicharemoleculeswithlowmolecularmasspolymersalso:macromolecules(高分子)joiningtogetherprocess:polymerization(聚合反应)2typesofpolymerizationreactions:additionpolymerization（加聚反应）condensationpolymerization（缩聚反应） 单体：形成高聚物的低分子量化合物。链节：高分子化合物中重复的结构单元。聚合度：高分子化合物化学式中链节的个数。 1高分子化合物的组成：特定结构单元多次重复而成:聚合度—CH2—CH2—2相对分子质量:⑴高分子化合物的相对分子质量应为：M=链节化学式量×n但，同种高聚物，其聚合度并不相同。3聚乙烯链节n因此，每一个大分子的相对分子质量都不相同。 ⑵高聚物的相对分子质量只有平均意义。⑶由于聚合度不同引起的高聚物相对分子质量各不相同的现象—高聚物相对分子质量的多分散性⑷高聚物—链节相同而聚合度不同的混合物。4 3高分子化合物的几何形状线型结构分子易蜷曲，制品有弹性(热塑性)；大分子被化学键交联起来，不易蜷曲，制品无弹性和塑性（热固性）。5体型(网状)结构（cross-linking(交联)） 4高分子化合物的制备加聚反应（Additionpolymerization）由一种或几种有不饱和键的单体通过加成反应结合成高分子化合物的反应。如：6Ethylene乙烯Polyethylene聚乙烯 AdditionPolymersPolyethylene(PE)(HDPEandLDPE)Polypropylene(PP)Polystyrene(PS)Polyvinylchloride(PVC) 特点：1）参与加聚反应的单体具有不饱和键;2）没有小分子物质产生，高聚物化学组成与单体相同;3） 加聚反应快，副产物较少.加聚反应可分为：均聚，共聚（又分接枝、镶嵌共聚）。 缩聚反应CondensationPolymerization7具有两个或两个以上官能团的一种或几种单体缩合成高聚物，同时析出低子物质（如：水、氨、醇、卤化物等）的反应。amineNH2carboxylicacidCOOH CondensationPolymersPolyurethane(PU)Polyethyleneterephthalate(PETE,PET)Nylon6,6 特点：1）单体必须含有两个或两个以上的官能团；2）有小分子副产物生成，高聚物化学组成与单体不同。缩聚反应可分为：（按产物）体型缩聚，线型缩聚；（按单体）均缩，混缩，共缩。 plastics(塑料)–materialsthatcanbeformedintoshapesbyapplicationofheatandpressurethermoplastics(热塑性的)–canbereshapedbyheatandpressurethermosetting(热固性的)–cannotbereshapedbyheatandpressure 5高聚物的结构和性能高聚物的结构特点高聚物的相对分子质量很大，所以，分子间力很强。因此，高聚物无气态，机械强度较高。9高分子链中有许多C-C键，此单键可按键角自由旋转。 因此，高分子的形状便有无数可能（构象）——高分子链的柔顺性。高聚物的聚集态有：①晶态—大分子排列有序；10②非晶态—大分子排列无序； 高聚物整体无序，但在小区域内有不同状态：晶区和非晶区。11一个大分子可穿过几个不同的区域。高聚物中晶区多称结晶度大，力学性能强。 12玻璃态：TT>Tg，分子动能不大，大分子不动，链段可动。受外力，大分子或蜷曲或伸展；除去外力，分子复原，属高弹形变。高聚物柔软，有弹性。是橡胶的使用状态.分子动能大。大分子可运动，具有流动性和可塑性，不会复原。是高聚物的工艺状态；13粘流态：T>Tf， ⑴玻璃态（对塑料）、高弹态（对橡胶）是使用状态，粘流态是工艺状态。⑵塑料的Tg应高于室温。Tg是塑料使用的最高温度；橡胶的Tg应低于室温。Tg是橡胶使用的最低温度。⑶为便于加工，Tf应低些。如塑料，Tf-Tg差应小;为利于使用，Tf应高些。如橡胶。14讨论 讨论题：以下三种温度-形变曲线，各对应于何种高分子材料？①对应于塑料。使用状态是玻璃态，处于室温；Tg-Tf差值小；②对应于橡胶。使用状态是高弹态，处于室温；Tg-Tf差值大；15讨论： ③对应于纤维。使用状态是玻璃态，处于室温；Tg-Tf差值较大。高聚物的性能基本性能：质轻，有弹性，塑性，绝缘，耐腐蚀。机械性能：聚合度n大，分子间力大，强度大（结晶度，极性基团都能增强分子间力）。16 高聚物无电子、离子，多是绝缘体。但极性基团在电场中会周期性取向，产生位移电流，使其具有导电性。高聚物经摩擦而带静电，因绝缘而不易消除。符合“相似相溶”原理，但不同于低分子，其溶解过程分为：17电性能：溶解性： ①溶胀—溶剂分子进入高分子链，使链距增大，体积增大；18②溶解—溶胀到使高分子链彼此分离，分子进入溶剂。体型高分子只溶胀不溶解。 ②特点：“强而韧”，耐磨性最好的纤维。柔顺性好。③用途：绳索，帘子线，渔网，飞行服，运输带，降落伞，袜子。37①结构：聚酰胺纤维（尼龙锦纶PA） 8.5复合材料1定义：由两种以上物理和化学性质不同的物质组合起来得到的一种多相固体材料。（combinationoftwoormorematerialstoobtainnewmaterialthathaspropertiesfrombothcomponents）2组成：基体材料Matrix（金属或高聚物）；增强材料Reinforcements（纤维、粒子）。40Composites 3类型：纤维（fiber）增强复合材料（增强材料是纤维）strengthofthecompositedependsontheamount,arrangementandtypeoffiberreinforcementinthematrix.粒子（particulate）改性复合材料(增强材料是粒子)夹层(laminate)复合材料（芯、面料间以胶粘剂adhesive结合）41 包括：玻璃纤维，陶瓷纤维，合成纤维，金属丝包括：SiO2、CaCO3、CaSO4、石棉、碳黑、陶土；42纤维增强材料粒子增强材料作用：承受载荷，传递和分散应力，提高强度。作用：阻止基体位错，提高强度，降低成本。 包括：机械力（钉、钩、铆），分子间力，氢键，化学键。复合材料的应用⑴组成：以树脂为基体（环氧树脂，酚醛树脂，不饱和聚酯树脂，有机硅）。以玻璃纤维为增强材料。43复合材料界面结合力1玻璃纤维增强塑料——玻璃钢 ⑵特点：质轻，耐热，耐蚀，耐老化，绝缘，加工性好。刚度不及金属。⑴组成：以树脂（环氧酚醛F-4）为基体，以碳纤维（有机纤维，绝氧碳化）为增强材料。44⑶应用：车体，船体，罐，管，泵，塔，零部件。碳纤维增强塑料 ⑵特点：质轻、耐热、导热、强度高。⑴母材：铜、钢、不锈钢。⑵被复材料：Al、Cu、Ag、Au、Zn、Sn、Ni等。⑶方法：电镀，热镀，浸镀，喷涂，冷压，热压。45以物理、化学方法将不同金属组合在一起的材料。金属包层复合材料⑶应用：航天器等高技术领域。 Almostanythingthatcanbemadewithtraditionalmaterialssuchasmetals,canbemanufacturedfromcomposites.BenefitsofcompositeHighStrengthLightweight–higheststrengthtoweightratioknowntoman.Corrosion(腐蚀)ResistanceDesignFlexibilityDurabledisadvantage:oftenmoreexpensivethanconventionalmaterials. 液晶:既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性的一类物质。8.6液晶如：胆甾醇苯酸脂加热熔化：137℃167℃固态混浊液态清澈状态（各向异性）（各向异性介晶态）（各向同性） Crystalcloudyliquidclearintermediateliquid-crystallinephasepartiallyordered–propertiesbetweensolidandliquid 液晶的分子结构：具有液晶特性的有机物，一般具有细长棒状结构，同时大多数是2个或3个苯环直线状结合的对位取代化合物。 longrigid,rodlikemolecules A,B----亚甲胺基X,Y-----烷基偶氮基烷氧基氧化偶氮基酸基脂基氰基 液晶的分类液晶是各种特定分子排列的聚集体，一般可以分为三类：近晶相液晶：分子排列方向一致且呈层状结构向列相液晶：仅排列方向一致胆甾相液晶：呈螺旋结构 nematic向列型液晶smectic近晶型液晶层列型液晶twistednematic Cholestericliquidcrystal胆甾醇型液晶 液晶的特性与用途液晶是一类具有各向异性的流体，其结构会随外场（电、热、磁、力等）的变化而变化，从而导致其各向异性性质的变化。其中，光电效应是液晶材料最有用的性质之一，所谓的光电效应是指在电场的作用下，液晶分子的排列方式发生改变，从而使液晶分子的光学性质发生改变的效应。液晶显示器的工作原理就是基于此效应。 Whenavoltageisappliedacrosstheelectrodes,theliquidcrystalmoleculesrealignparalleltotheelectricfield.Thisdistortsthehelicalstructure. LiquidCrystalDisplaysLightismadeupoffluctuatingperpendicular(正交)waves,electric(E)andmagneticfields(B). PolarizedLight(偏振光)Ordinarywhitelightismadeupofwavesthatfluctuateatallpossibleangles.Planepolarized(平面偏振光)lightcontainswavesthatonlyfluctuateinonespecificplane. PolarizedLight(偏振光)Apolarizer(偏光镜)isamaterialthatallowsonlylightwithaspecificangleofvibrationtopassthrough. LiquidCrystalDisplaytwistednematic1Verticalpolarizer2Glasswithelectrode3Twistednematicliquidcrystals4Glasswithelectrode5horizontalpolarizer6Reflectivesurface(InabacklitLCD,thislayerisreplacedwithalightsource.) Ifnoliquidcrystalthelightpassingthroughthefirstfilterwouldbeblockedbythesecondpolarizer.Theelectrodesaretreatedinawaythatcausestheliquidcrystalstoaligninaparticulardirection,inatwistorhelixstructure 一、实验目的掌握多抗制备的原理和过程熟悉常用的佐剂掌握福氏完全佐剂的作用机理和制备方法掌握研磨法和注射器法制备免疫乳剂，掌握制备成功的判别标准掌握动物的免疫方法 二、实验原理抗体：介导体液免疫的重要效应分子，是B细胞接受抗原激活后增殖分化为浆细胞所合成分泌的一类能与相应抗原特异性结合的、具有免疫功能的球蛋白。单克隆抗体：抗原通常是由多个抗原决定簇组成的，由一种抗原决定簇激活具有相应抗原受体的B细胞产生的针对这一抗原决定簇的抗体，称为··· 天然抗原分子中常含有多种不同抗原特异性的抗原表位，以该抗原物质刺激机体免疫系统，体内多个B细胞克隆被激活，产生的抗体中含有针对多种不同抗原表位的免疫球蛋白，称为多克隆抗体。多克隆抗体 多克隆抗体制备的意义免疫血清：将抗原注入机体所产生的抗体是针对多种抗原决定簇的混合抗体，含有这种特异性抗体的血清。免疫血清作用：对传染病的诊断、预防和治疗有重要意义，而且对器官移植，肿瘤以及某些科研工作也有重要意义。 多克隆抗体优缺点：优点：作用全面，具有中和抗原，免疫调理，介导补体介导的细胞毒作用，ADCC等作用，来源广泛，制备容易。缺点：特异性不高，易发生交叉反应，从而应用受限。 三、实验试剂与材料动物：健康家兔抗原：生化大实验中制备的LDL佐剂：弗氏佐剂注射器、研钵等 动物的选择动物的选择常根据抗体的用途和量来决定，也与抗原的性质有关如要获得大剂量的抗体，则采用大动物；如要获得直接标记诊断用的抗体，则直接采用本动物；如要获得间接的标记诊断用抗体，则必须用异源动物制备抗体 动物的选择如果难以获得的抗原，且抗体的需要量少，则可以采用纯系小鼠制备免疫用的动物最好选择适龄的健康雄性动物，免疫时应同时选用数只动物进行免疫一般实验室采用的抗体，多用兔子和羊； 抗原就其化学成分而言，有蛋白质抗原、类脂抗原、多糖类抗原和核酸抗原等.根据物理性状可分为颗粒型抗原和可溶性抗原。就抗原性而言，有完全抗原和不完全抗原。为了获得较好的抗血清，最好是选用蛋白质抗原 不同的抗原，其免疫原性的强弱均不相同，这种免疫原性的强弱取决于抗原的分子量、化学活性基团、立体结构、物理形状和弥散速度等本次实验采用抗原是生科大实验制备的LDL（至少有2mg，如量不够则用牛血清白蛋白），用生理盐水溶解。 抗原剂量的选择抗原的免疫剂量依照给予抗原的种类，免疫次数，注射途径，以及受体动物的种类，免疫周期及所要求的抗体特性等而不同。剂量过低，不能形成足够强的免疫刺激剂量过高，有可能造成耐受在一定范围内，抗体效价随注射抗原的剂量而增高。 抗原剂量的选择小鼠首次抗原剂量为：50-400μg/次大鼠为100-1000μg/次兔子为200-1000μg/次加强免疫的剂量为首次剂量的1/5-2/5 佐剂概念：预先与抗原同时注入体内，可增强机体对该抗原的免疫应答或改变免疫应答类型的非特异性免疫增强性物质。种类：一种本身具有免疫原性，如百日咳杆菌、抗酸杆菌（结核分枝杆菌）以及革兰阴性杆菌等；另一种本身无免疫原性，如氢氧化铝、磷酸钙、矿物油乳剂、表面活性剂等。目前应用最多的是弗氏佐剂。 佐剂佐剂的条件作为一种良好的佐剂，必须具备下列条件：（1）增加抗原的表面积，并改变抗原的活性基团构型，从而增强抗原的免疫原性；（2）佐剂与抗原混合能延长抗原在局部组织的存留时间，减低抗原的分解速度，使抗原缓慢释放至淋巴系统中，持续刺激机体产生高滴度的抗体；（3）佐剂可以直接或间接激活免疫活性细胞并使之增生，从而增强了体液免疫、细胞免疫和非特异性免疫功能；（4）良好的佐剂应具有无毒性或副作用低的特点。 佐剂主要作用机制：①改变抗原物理性状，延缓抗原的降解和排除，延长抗原在体内滞留的时间②刺激单核-巨噬细胞系统，增强其对抗原的处理和提呈能力③刺激淋巴细胞的增殖分化，从而增强和扩大免疫应答的能力 佐剂主要用途：①增强特异性免疫应答，用于预防接种及制备动物免疫血清②作为非特异性免疫增强剂，用于抗肿瘤与抗感染的辅助治疗 弗氏佐剂动物实验中最常用的佐剂：①弗氏不完全佐剂(incompleteFreund"sadjuvantIFA)羊毛脂1份+石蜡油5份，混合，高压灭菌后保存。用时加热融化，冷却至50℃左右，加抗原进行乳化处理。②弗氏完全佐剂(completeFreund"sadjuvant,CFA)弗氏不完全佐剂10ml+卡介苗10mg～200mg卡介苗可100℃10min灭活处理。 四、步骤和方法颗粒性抗原多克隆抗体的制备——伤害杆菌O抗血清的制备（介绍）1、伤害杆菌O抗原的制备：接种37℃18-24h洗下菌苔（用NS）100℃1h过滤4000r/min,20min得到原液稀释109/ml应用液 颗粒性抗原多克隆抗体的制备——伤害杆菌O抗血清的制备（介绍）2、免疫方法：选择体重2-3kg的健康家兔，将已经稀释好的抗原按下列剂量及程序做皮内注射。第一天注射1ml，第8天注射1ml，第15天注射2ml，末次注射后7天颈动脉放血，测效价。 可溶性抗原多克隆抗体的制备第一次免疫（基础免疫）第一次加强免疫第二次加强免疫效价测定2-4周2-3周7天 第一次免疫（基础免疫）免疫乳剂的制备①研磨法:取1.2ml佐剂加入到无菌的研钵中，缓慢加入1ml抗原+0.2ml卡介苗混合液，每加一滴研磨至小滴消失，边加边往同一个方向研磨，抗原全部加入后继续研磨至乳白色粘稠的油包水乳剂。 ①研磨法本法适于制备大量的佐剂抗原，缺点是研钵壁上粘附大量乳剂，抗原损失较大。注意事项：⑴每加一滴应研磨至小滴消失，滴加速度要慢⑵边加边往同一方向研磨，否则不易制成乳白色粘稠的油包水乳剂，免疫效果就差。 免疫乳剂的制备②注射器法：取1.2ml佐剂+1ml抗原+0.2ml卡介苗混合液，用两个注射器用皮管对接，使佐剂和抗原往返推拉，直至乳化完全。适用于制备少量的抗原乳剂。本法优点是容易做到无菌操作，抗原损失少。 免疫乳剂制备成功的判别标准油包水状态鉴定方法是将乳化剂滴入4℃左右冷水中，若保持完整不分散，成滴状浮于水面，即乳化完全，为合格的油包水剂。 免疫将制成的乳剂吸入注射器，在兔子背部及颈部皮下注射8-10点，每点约0.2ml每隔14天用初次用量的2/5的抗原于不完全抗原中，在皮下多点注射加强免疫,每点0.2ml,共加强2次。第二次加强免疫开始,在免疫后第7天用免疫双扩散法检查抗体效价。 思考题佐剂的种类有哪些？佐剂的作用原理是什么？有何用途弗氏佐剂中弗氏完全佐剂和弗氏不完全佐剂有何区别？抗原的免疫原性与哪些因素有关？ 第一次加强免疫实验目的1.掌握多克隆抗体的应答特点2.理解加强免疫的作用和必要性3.加强动物技能 实验原理体液免疫的一般规律在抗原诱导下，浆细胞产生的抗体经淋巴液和血液流向全身，血液中抗体的浓度随应答时间的持续而增高。在初次接受抗原刺激中，机体发生初次应答，再次接受相同抗原刺激，机体产生二次应答或称回忆应答。 初次应答和再次应答的特点和比较初次应答再次应答潜伏期长,5-10天短,2-5天,约为初次应答的一半抗体类型低亲和力的IgM类抗体为主高亲和力的IgG类抗体为主抗体浓度低高持续时间较短长 加强免疫的作用和必要性再次应答，增加抗体量增强抗体的亲和力 材料和试剂试剂：LDL抗原溶液，佐剂材料：注射器，研钵，消毒棉球 实验步骤免疫乳剂的制备（注射器法和研钵法任选）取抗原溶液（基础免疫的2/5）+弗氏不完全佐剂制备成油包水状态.免疫将制成的乳剂吸入注射器，在兔子背部及颈部皮下注射，每点约0.2ml. 第二次加强免疫实验原理及方法同第一次加强免疫'