前途光明的功能高分子材料.ppt

鲨鱼皮泳衣 轻便赛车 波音757 AV8B 鹞式飞机 内容概要 功能高分子材料简介 几种类型的高分子材料 导电高分子 可降解高分子 高分子吸附剂 高分子功能膜 生物医用高分子 什么是功能高分子? 一般说来，利用其力学性能的高分 子，称为一般高分子，如聚乙烯、聚 苯乙烯、聚氯乙烯等；而利用力学性 能以外性能的高分子，叫做功能高分 子。功能高分子（FP,Functional Polymer）一般带有官能团，化学结构 较复杂，因此，难以按化学结构来分 类，一般按照其功能来分类。 按照功能来分类: 1.化学功能 离子交换树脂、螯合树脂、感光性树脂、氧 化还原树脂、高分子试剂、高分子催化剂、 高分子增感剂、分解性高分子等 2.物理功能 导电性高分子（包括电子型导电高分子、高分子 固态离子导体、高分子半导体）、高介电性高分 子（包括高分子驻极体、高分子压电体）、高分 子光电导体、高分子光生伏打材料、高分子显示 材料、高分子光致变色材料等； 3.复合功能 高分子、高分子吸附剂、高分子絮凝剂、高分子 表面活性剂、高分子染料、高分子稳定剂、高分 子相溶剂、高分子功能膜和高分子功能电极等 4.生物、医用功能 抗血栓、控制药物释放和生物活性等 按照功能特性通常可分成以下几类： （1）分离材料和化学功能材料 （2）电磁功能高分子材料 （3）光功能高分子材料 （4）生物医用高分子材料 从制造和结构的角度考虑： 结构型功能高分子 复合型功能高分子 种 类类 功 能 特 性 应应 用 示 例 1.分离材料和化学功能高分子材料 高分子分离膜和气液交换膜 传质作用 化工、制药、海水淡化、冶金 离子交换树脂和交换膜 离子交换作用 化工、制药、水净化 高分子催化剂和高分子固定酶 催化作用 化工、食品加工、生物工程 高分子试剂 反应性 农药、医用、环保 贮氢材料 吸着作用 化工、能源 高吸水性材料 吸着作用 农业、纸制品 2.电电磁功能高分子材料 导电高分子材料 导电性 防静电材料、屏蔽材料、固体电 解质材料、面状发热体 高分子半导体 导电性 电子技术和电子器件 光导电材料 光电效应 电子照相、光电池、传感器 压电高分子 力电效应 开关材料、仪器仪表测量材料 机器人触感材料 高分子磁性体 导磁作用 塑料磁石、磁性橡胶、中子吸收 微型电机 磁性记录材料 磁性转换 磁带、磁盘 电致变色材料 光电效应 显示、记录 种 类类 功 能 特 性 应应 用 示 例 3.光功能高分子材料 光致变变色、显显示和发发光材料 光色、光电电效应应 自动调节动调节 光线线明暗 的太阳镜镜和窗玻璃 等、显显示、记录记录 液晶高分子 偏光效应应 显显示、连连接器 荧荧光高分子材料 光化学作用 情报处报处 理、荧荧光染料 光降解高分子材料 光化学 环环境保护护 光盘盘基板材料 光学原理 高密度记录记录 和贮贮存信息 4.生物医用高分子材料 人工器官材料 仿人体功能与替代 人体脏脏器 修补补作用 药药物高分子 药药理作用 治疗动疗动 脉硬化、抗血栓 降解性缝缝合材料 化学降解 非永久性外科材料 导电高分子材料 2000年10月10日，瑞典皇家科学院宣布 了2000年诺贝尔化学奖获得者，美国加利福 尼亚大学的物理学家艾伦.J.黑格教授、美国 宾夕法尼亚大学的化学家艾伦.G.马克迪亚 米德教授和日本筑波大学的化学家白川英树 教授，因为他们发现了导电塑料。 掺杂聚乙炔 几种导电高分子的掺杂情况 复合型导电高分子材料是以有机高分子材料为基体,加 入一定数量的导电物质(如炭黑、石墨、碳纤维、金属粉、 金属纤维、金属氧化物等)组合而成。该类材料兼有高分子 材料的易加工特性和金属的导电性。与金属相比较,导电性 复合材料具有加工性好、工艺简单、耐腐蚀、电阻率可调 范围大、价格低等优点。 复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种: 一种是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子 进行共混； 另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中。 炭黑是天然的导电材料,其体积电阻率约为0.1 100cm-1。它不仅原料易得,导电性持久稳定,而且可以 大幅度调整复合材料的电阻率(1108cm-1)。由炭黑填 充制成的复合型导电高分子是目前用途最广、用量最大 的一种导电高分子材料。 金属纤维的填充量对导电性能的影响规律与炭黑填 充的情形相类似。但由于纤维状填料的接触几率更大,因 此在填充量很少的情况下便可获得较高的导电率。 结构型导电高分子是指高分子材料本身或经少量掺 杂后具有导电性的高分子物质,一般由电子高度离域的共 轭聚合物经过适当电子给体或受体掺杂后制得。 离子型导电高分子通常又叫高分子固体电解质，其导电 时的载流子主要是离子。 电子型导电高分子指的是以共轭高分子为主体的导电高 分子材料,导电时的载流子是电子(或空穴)，这类材料是 目前世界上导电高分子材料研究开发的重点。 导电高分子是由含电子的共轭高聚物通过化学或电 化学掺杂使其由绝缘体转变为导体。 （1）通过控制掺杂度，导电高分子的室温电导率可在绝缘体-半导体- 金属态范围内变化。目前最高的室温电导率可达105S/cm，它可与铜的 电导率相比，而重量仅为铜的1/12； （2）导电高分子可拉伸取向。沿拉伸方向电导率随拉伸度而增加， 而垂直拉伸方向的电导率基本不变，呈现强的电导各向异性； （3）尽管导电高分子的室温电导率可达金属态，但它的电导率-温度 依赖性不呈现金属特性，而服从半导体特性； （4）导电高分子的载流子既不同于金属的自由电子，也不同于半导 体的电子或空穴，而是用孤子、极化子和双极化子概念描述。 与金属和半导体相比较，导电高分子的电学性能具有如下特点： 对于导电高分子来说，掺杂的概念不同于常见的无机 半导体。以单晶硅为例，每个硅原子有四个价电子，若晶 格中有一个硅原子被一个仅具有三个价电子的硼原子取代 后，由于硼原子是缺电子的，无论硅与硼之间是否发生电 子转移，在晶格中都有一个正的“空穴”，这即所谓p掺 杂；反之，若晶格中有一个硅原子被一个具有五个价电子 的磷原子取代后，该格点上就比别的格点多出一个电子， 这即所谓n掺杂。 导电高分子的掺杂则是通过氧化还原反应实现的。掺 杂的方式主要有两种： 化学掺杂法，即通过加入第二种不同氧化态的物质，使 之与聚合物接触并反应； 电化学掺杂法，即聚合物作为电极，掺杂剂作为电解质 ，在通电条件下使聚合物链发生氧化还原反应而直接改变 其荷电状态。 前者简单易行，有利于了解掺杂前后聚合物结构与性 能的变化；后者时间短，效率高，易于得到导电聚合物薄 膜。除此之外，还有诸如酸碱化学掺杂、光掺杂、电荷注 入掺杂等方法。 掺杂对于电子导电聚合物导电能力的改变具有非常重要 的意义，其导电性能往往会增加几个数量级。掺杂过程中， 掺杂剂分子插入聚合物分子链中，通过两者之间氧化还原反 应完成电子转移过程 p型掺杂剂在掺杂反应中作为电子的接受体。 卤素：Cl2,Br2,I2,IBr等； 路易斯酸：PF5,AsF5,BF3,SbF5等； 质子酸：HF,HCl,HNO3,ClSO3H等； 过渡金属卤化物：NbF5,TaF5,MoF5,ZrCl4，TeI4等； 过渡金属化合物：四氰基乙烯（TCNE）, 四氰基对苯醌二甲烷（TCNQ ），四氯对苯醌、二氯二氰代苯醌（DDQ）等。 n型掺杂剂在掺杂反应中作为电子的给予体。 常见的有碱金属：Li,Na,K等；在电化学掺杂中常用R4N+， R4P+(R=CH3，C6H5等) p型掺杂是由于导电高分子的部分氧化，即： x 聚合物 (聚合物+y)x + (xy)e- n型掺杂则是由于导电高分子的部分还原，即： x聚合物+ (xy)e- (聚合物-y)x 上述过程可通过电化学或化学方法完成。为了维持 电中性，p型掺杂和n型掺杂都必须提供一个对离子，如 (聚合物+y)x + （xy）A- (聚合物+y)A-yx (聚合物-y)x + （xy）M+ M+y(聚合物-y) x 导电高分子具有下列特点: (1)与金属相比,重量轻; (2)成型性好,用浇铸、模压等比较简易的方法就能使其纤 维化、薄膜化，制成涂料,以及得到人们所需要的其他形 状，而且易于加工成轻质的大面积的可挠性薄膜,以其大 的面积/厚度比来补偿它的电导率较低的不足； (3)易于合成和进行分子设计、材料设计,从而能较好地满 足科学技术对这类功能材料提出的各种要求； (4)原料来源广 v电磁波屏蔽 随着各种商用和家用电子产品数量的迅速增加,电磁 波干扰已成为一种新的社会公害，对电子仪器、设备进 行电磁波屏蔽是极为重要的。直接使用混有导电高分子 材料的塑料做外壳,因其成形与屏蔽一体，较其他方法, 如使用太重又不方便的金属板作外壳、在塑料外壳上涂 一层金属或含有碳粉、碳纤维的导电涂料、通过电镀金 属将外壳覆盖等等更为方便。 v电子元件(二极管、晶体管、场效应晶体管等) 导电高分子材料在掺杂状态具有半导体或金属的电导 性,去掺杂时表现为绝缘体或半导体,而原来禁带宽度较 大的仍为绝缘体,所以可以利用这些性质来制作各种类型 的元件成为二极管、晶体管及场效应晶体管等具有非线 性电流-电压特性的电子元件。 v微波吸收材料 由于可以对导电高分子的厚度、密度和导电性进行 调整,从而可以调整微波反射系数、吸收系数,其吸收系 数可达105cm-1。导电高分子作为微波吸收材料,其薄膜 重量轻、柔性好,可作任何设备(包括飞机)的蒙皮。 v隐身材料 所谓隐身材料是指能够减少军事目标的雷达特征、 红外特征、光电特征及目视特征的材料的总称。由于雷 达是军事目标侦查的主要手段,所以雷达波吸收材料的研 制是关键。自从导电聚合物的出现,其作为新型的雷达波 吸收材料成为研究的热点。美国、日本、法国、印度及 中国相继开展了导电聚合物雷达波吸收材料的研制,尤其 是美国空军投资开发的高聚物雷达波吸收材料，为隐身 战斗机和侦察机制造“灵巧蒙皮”的设想和计划奠定了 基础，进一步刺激了导电聚合物雷达隐身技术的发展。 可降解高分子材料 可降解高分子材料是指在使用后的特定环 境条件下,在一些环境因素如光、氧、风、 水、微生物、昆虫以及机械力等的作用下, 使其化学结构在较短时间内发生明显变化, 从而引起物性下降,最终成为可被环境所消 纳的高分子材料。 降解高分子 生物降解 淀粉添加剂 天然大分子 合成聚合物 光降解 添加光敏剂型 化学合成 氧化降解 复合降解 光生物双降解 (1)生物降解高分子 生物降解高分子材料是指在自然界微生物或人体及 动物体内的组织细胞、酶和体液的作用下,可使其化学结 构发生变化,致使分子量下降及性能发生变化的高分子材 料。 添加型淀粉塑料和橡胶，其生产方法是将淀粉以非偶 联方式与现行塑料(PE、PP、PS和PVC等)共混，淀粉含量 一般为7%-15%。美国的Goodyear公司宣布试销含有部分 淀粉填料的轮胎,该填料可以降低轮胎的滚动阻力和重量,还 有利于环境保护。 但是添加型淀粉塑料和橡胶的主要成分仍是石油基类聚 合物(PE、PP、PS、PVC等),很快降解的部分主要是淀粉,剩 余的树脂降解仍需几百年。严格地讲,添加淀粉的可降解塑 料不具备降解机理和功能，所以该类产品已不再受欢迎。 热塑性淀粉材料是完全生物可降解材料，意大利研制 出一种淀粉含量为70%的可降解材料，所使用的树脂是无 毒的,分子量在500050000，它与淀粉直接交联或产生间 接物理作用，从而形成一连续相。此种合金有良好的成型 性、二次加工性、力学性能和优良的生物降解性能，缺点 是有亲水性，不宜用于食品包装而且价格较高。 德国的Battele研究所开发出了淀粉含量为90%的降解 塑料,可作为包装材料使用,以聚氯乙烯为取代目标。美国开 发了一种热塑性淀粉材料，是以变性淀粉为主，且配有少 量其它生物降解性添加剂的天然聚合物材料,淀粉含量高达 90%100%，材料的性能类似于聚苯乙烯，可完全生物降 解，且降解可控，产品广泛用于医用器材、包装材料。 化学合成型生物降解高分子：该类生物降解高分子 材料多是在分子结构中引入酯基结构的聚酯。工业化的 有聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)。PLA在医学领域内被 认为是最重要的可完全生物降解的高分子。由于制备工 艺、成本的限制,该类材料的研究起步较晚,但越来越受到 重视。由于可完全降解,所以应用前景较好,但是降解机理 仍不完全清楚。 微生物合成高分子材料是由生物通过各种碳源发酵制 得的一类高分子材料，主要包括微生物聚酯、聚乳酸及微 生物多糖，此种产品的特点是能完全生物降解。 研究发现，有许多可用于合成微生物聚酯的细菌，一 般发酵底物是C1-C5的化合物。聚-羟基丁酸酯(PHB)是 细菌与藻类的贮存产物，70年代由英国ICI公司开发成功 并进行生产，可以完全生物降解,但力学和热学性能不佳 。为了改善这一点，另一家公司开发了-羟基丁酸与-羟 基戊酸(HV)的共聚物，得到了性能良好，可完全生物降解 的高分子材料。0.025mm厚的PHB或PHB-HV膜在海水 中6周已穿孔,堆肥7周可降解70%80%。PHB-HV可以 制成瓶、膜和纤维,应用广泛。 (2)光降解高分子 在制备塑料时,通过向塑料基体中加入光敏剂,使其 在光照条件下可诱发光降解反应，此类塑料称为光降解 塑料。 光降解引发剂有很多种,包括过渡金属的各种化合 物,如:卤化物、乙酰基丙酮酸盐、二硫代氨基甲酸盐、 脂肪酸盐、羟基化合物、多核芳香族化合物、酯以及其 它一些聚合物。 不同寿命的降解高分子材料还可以通过改变Ni,Co等 稳定二硫代氨基甲酸盐和Fe,Cu等二硫代氨基甲酸盐的比 例得到。此外联二茂铁也可以引发光降解反应,其降解速 度与光敏剂含量有关。在自然条件下测试出光敏剂含量 与降解速度的曲线，就可以根据该材料的使用期限选择 适当的用量。 除了以上光降解高分子外,还有一类重要的合成光降解 高分子，即通过共聚反应将羰基型感光基团引入高分子链 而赋予其光降解特性。光降解活性的控制则是通过改变羰 基基团含量来实现。已经工业化的此类合成光降解高分子 有乙烯-乙烯酮共聚物和乙烯-CO共聚物。 (3)光和生物双降解高分子 光-生物双降解高分子材料，具有光、生物双降解功能 ,它将光敏剂体系的光降解机理与淀粉的生物降解机理结合 起来,一方面可以加速降解,另一方面可以利用光敏剂体系 可调的特性达到人为控制降解的目的。 光降解和生物降解的结合不仅提高了材料降解的可控性 ，而且还克服了单纯光降解材料在阳光不足或非光照条件下 难降解以及单纯淀粉塑料在非微生物环境条件下难降解的问 题。 生物降解高分子材料的一大应用领域是在农业上。在 适当的条件下，可生物降解高分子材料经有机降解成为混 合肥料,或与有机废物混合堆肥。特别是用甲壳素/壳聚糖制 备的生物降解高分子材料或含有甲壳素/壳聚糖的生物降解 高分子材料,其降解产物不但有利于植物生长,还可改良土壤 环境。 降解高分子当前存在的问题主要是价格昂贵,难以推广 利用。淀粉填充型塑料降而不解,生物降解塑料的用后处理 需要全面的堆肥建设。另外,降解塑料自身技术如更合理的 工艺配方、准确的降解时控性、用后快速降解性、彻底降 解性以及边角料的回收利用技术等还有待进一步提高和完 善。 高分子吸附剂 吸附剂的分类： (1)非离子型高分子吸附剂 非离子型吸附树脂主要是指在分子结构中不包 含离子性基团，主要依靠分子间范德华力进行吸附的 高分子树脂。它主要用在色谱分离中作为载体和固定 相、环境保护中作为污染物富集材料、动植物中有效 成分的分离提取与纯化过程中。非离子型高分子吸附 剂品种较多，根据极性大小，可以分成非极性、弱极 性、中等极性和强极性四种。按照聚合物骨架类型， 可分成聚苯乙烯型、聚丙烯酸型等。 (2)金属阳离子配位型吸附剂 金属阳离子配位型吸附剂又称为高分子螯合剂，是一 类重要的功能高分子。其特征是高分子骨架上连接有能够 对金属离子进行配位的螯合功能基，对多种金属离子具有 选择性螯合作用，因此这类吸附树脂能够浓缩和富集各种 金属离子。 作为吸附剂使用的高分子螯合剂主要有两类：一类是 合成型高分子螯合树脂；另一类是天然高分子螯合剂。 具有螯合功能的高分子需要满足两方面的要求： 首先是要含有配位基团，其次是配位基团在高分子骨 架上排布合理，以保证螯合过程对空间构型的要求。 螯合基团是一类含有多个配位原子的功能基团，目前 最常见的配位原子是具有给电子性质的第五族到第七族元 素，主要是O、N、S、P、As、Se等。 (3)离子型吸附树脂 这种高分子材料的骨架中含有某些酸性或碱性基团， 在溶液中解离后分别能够与阳离子或阴离子通过静电引力 结合生成盐，其中最常见的是离子交换树脂。离子型吸附 树脂主要有两部分结构：一部分是高分子骨架，其作用是 担载离子交换基团以及为离子交换过程提供必要的空间和 动力学条件；另一部分是离子交换基团，它是离子交换能 力和吸附选择性的决定因素。根据聚合物骨架上所带离子 交换基团的性质不同，可以分成强酸型、弱酸型、强碱型 、弱碱型、酸碱两性和氧化还原几种。另外一种使用更为 广泛的分法是根据树脂所交换离子的荷电特征分成阳离子 型和阴离子型。 离子型吸附树脂的主要功能之一是对相应的离子进行 离子交换，交换次序取决于离子交换基团与被交换离子的 亲和能力的差异，而这些差异又取决于多种因素，例如离 子半径、价态、软硬度、化学组成和立体结构等等。 一般来说，由于使用目的和条件的不同，对离子型吸 附树脂有不同的具体要求：a.良好的稳定性；b.良好的耐 溶剂性质；c.良好的机械性能；d.具有一定的离子交换容 量；e.对特定离子应具有选择性吸附能力；f.具有较大的比 表面积、适宜的孔径和孔隙率。 吸水性高分子吸附剂： 高吸水性树脂的研究始于60年代，世界上最早开 发的一种高吸水性树脂是淀粉-丙烯氰接枝共聚水解产 物，即在淀粉上接枝丙烯氰然后水解而成。 按原料组成分： 改性的天然高分子（包括淀粉类和纤维素类） 全人工合成的高分子（包括聚丙烯酸系树脂、聚丙 烯氰系树脂、聚乙烯醇系树脂、聚环氧乙烷系树脂 等） 通常情况下，纤维素类高吸水性树脂的吸水能力比 淀粉类树脂低，但是吸水速度快是其特点之一，在 一些特殊情况下却是淀粉类树脂所不能取代的。 高吸水性树脂的结构特征： a.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基， 能够与水分子形成氢键； b.树脂具有交联结构； c.聚合物内部具有较高的离子浓度； d.聚合物具有较高的分子量 吸油性高分子： 高吸油性树脂是一种新型的功能高分子材料,对于 不同种类的油，少则可吸自重的几倍,多则近百倍,吸油 量大、吸油速度快且保油能力强，在工业的废液处理 以及环境保护方面具有广泛的用途。另外可作橡胶改 性剂、油雾过滤材料、芳香剂和杀虫剂的基材、纸张 添加剂等。 高吸油性树脂的结构特征： 高分子之间形成一种三维的交联网状结构， 材料内部具有一定微孔结构。由于分子内亲油基 的链段和油分子的溶剂化作用，高吸油性树脂发 生膨润。基于交联的存在，该树脂不溶于油中。 由此可见,交联度和亲油性基团与高吸油性树脂的 性能有密切关系。 当将高吸油性树脂投入油中时,刚开始是分子 扩散控制,当一定量的油分子进入后，油分子和高 分子链段发生溶剂化作用，此时由于油分子进入得 还比较少，尚不足以使高分子链段伸展开，实际上 仍然卷曲缠结着，因此仍然是分子扩散控制；当油 分子进入足够多，溶剂化作用也足够强了，链段伸 展开来，网络中只有共价键交联的交联点存在，这 时才开始是由热力学推动力推动(即由热力学不平 衡态向平衡态方向进行)。当高分子充分溶胀，从 高分子弹性力学模型可知，高分子链伸展到一定程 度会慢慢回缩,即存在弹性回缩力，最终达到热力 学平衡态。 吸附性高分子材料主要是指那些对某些特定离子 或分子有选择性亲和作用的高分子材料，从外观形态 上看，主要有微孔型、大孔型、米花型和大网状树脂 几种。 吸附树脂的吸附性不仅受到结构和形态等内在 因素的影响，还与使用环境关系密切： (1)温度因素 (2)树脂周围的介质 流动相的流速、溶液黏度和被吸附物质的扩散系数等 水处处理水的软化，脱碱；水的脱盐；高纯水制 备 糖及多元醇的处处理 葡萄糖脱色精制，蔗糖、甜菜糖浆的软 化、脱色精制；甘油纯化 工业废业废 水处处理含铬、汞、铜废水处理；含金、银废 水处理及回收 原子能工业业铀、钍的提炼；反应堆用水的净化；放 射性废水的处理 催化剂剂蔗糖的转化；酯化反应；水解反应；烷 基化反应；缩合反应 制药药工业业抗菌素的分离提炼精制；生化药物的分 离精制；氨基酸、蛋白质的分离；生物 碱的分离；药物添加剂 在农业方面，由于具有惊人的吸水能力，常常作为农用 保水剂，施用于土壤中时吸收的水分可以被植物吸收利 用，并能在作物根系周围形成一个局部湿润的环境，对 作物来说相当于一个微型水源。在沙漠和荒漠中进行绿 化，高吸水性树脂能够发挥非常重要的作用。 水果、蔬菜在一般条件下难以保鲜，用高吸水性树 脂开发出一种可调节水分的包装薄膜，用于包装果蔬， 可在一定程度上调节局部体系的气氛、湿度，从而控制 水果、蔬菜的呼吸代谢。 建筑方面，将高吸水性树脂与其他高分子材料混合后， 可以加工成止水带，在土建工程中是理想的止水材料。利 用吸水膨胀性能，添加到其他建筑材料中，可以作为水密 封材料，用于堵漏。 卫生用品制造方面是应用最早，也是现在使用量最多的 领域之一。采用高吸水性树脂可以将妇女卫生经做的更薄 ，保水效果更好，提高运动自由度和着装感；做成纸尿裤 ，由于锁住水分，感觉更舒适。 在医疗方面，吸水树脂凝胶可抑制血浆蛋白质和血小板 的粘着，因而可作抗血栓材料。另外用高吸水性树脂制成 的人工肾过滤材料，可以调节血液中的水分含量。 三废处理 由于高吸油性树脂的密度低,可以浮在水面上,因而 处理水面浮油效果非常好,特别是对海洋石油以及运输 泄漏非常有效。当和其它材料组合形成的复合材料,如 用无纺布包覆粒状固体(形状可调节),可以替代传统的 吸油垫,如聚丙烯垫、聚苯乙烯垫等。也有直接应用树 脂粒子的悬浮液,粒状固体水浆(浓度50%60%),从油 水混合体系中分离除去油,将工业污水经过处理后再排 放到江湖中。 芳香剂、杀虫剂、诱鱼剂基材 将吸收了如芳香剂的高吸油性树脂放在空气中,树脂 中的有机液由于在树脂与周围环境之间存在着浓度梯度, 会缓慢地释放出来。如,日本触媒制造的外观透明的片状 固体材料的高吸油性树脂,可用作芳香剂或杀虫剂的载体 基材。 作为合成树脂的改性添加剂 作为储油设备密封材料的添加改性剂,将高吸油性树 脂和纤维基材以及合成橡胶粘合剂等混合制成各种形状 的密封材料,具有极好的油封性能,且当油溶胀后,强度损 失很小，其中高吸油性树脂占5%30%(质量)。 高分子功能膜 高分子功能膜的分类 按构成膜的材料分天然高分子膜、有机合成高 分子膜 按膜的结构分 (a)对称膜疏松的多孔膜和致密的无孔膜 (b)非对称膜多孔膜、叠合膜和复合膜 (c)离子交换膜 按分离过程推动力分压力差膜、浓度差膜、 温度差膜和电位差膜 (4)按膜材料的宏观外形结构分 (a)管状膜：容易清洗，适用于分离浓度很高或者污物较 多的场合，但是使用密度较小，在一定使用体积下，有 效分离面积最小。 (b)中空纤维膜：主要应用于血液透析设备和人工肾脏 的制备，缺点就是容易在使用中受到污染，一旦污染较 难清洗。 (c)平面型分离膜：容易制作，使用方便，成本低廉；包 括无支撑型、支撑型和增强型三类。 被分离材料能够从膜的一侧克服膜材料的阻碍穿过分 离膜，需要有特定的内在因素与合适的外在条件。从目前 掌握的材料看，膜分离作用有两种形式：即过筛作用和溶 解扩散作用。 过筛作用类似于物理过筛过程，与常见的筛网材料 相比，膜的孔径要小的多。被分离物能否通过筛网取决 于物质粒径尺寸和网孔的大小。 溶解扩散作用是指当膜材料对某些物质具有一定溶解 能力时，在外力作用下被溶解物质能够在膜中扩散运动， 从膜的一侧扩散到另一侧，再离开膜。这种作用形式在用 密度膜对气体进行分离和用反渗透膜对溶质与溶液进行分 离的过程中起主要作用。 膜制备材料： 天然高分子材料类主要包括改性纤维素及其衍生物类 ，原料易得，成膜性能好，化学性质稳定，多用于透析、 微滤、超滤、反渗透、膜蒸发和膜电泳等场合。近年来， 甲壳素类海藻酸钠类成为了新的分离膜制备材料。 聚烯烃类包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酰胺等。主要 用于制备微滤、超滤、密度膜等。 聚酰胺类尼龙66，机械强度高，化学稳定性好，高温 性能优良。 聚砜类 含氟高分子材料 有机硅聚合物类 高分子电解质类 (1)反渗透膜 反渗透膜主要是不对称膜、复合膜和中空纤 维膜。不对称膜的表面活性层上的微孔很小（约 2nm），大孔支撑层为海绵状结构；复合膜由超 薄膜和多孔支撑层等组成。超薄膜很薄，只有 0.4m，有利于降低流动阻力，提高透水速率； 中空纤维反渗透膜的直径极小，壁厚与直径之比 比较大，因而不需支持就能承受较高的外压。 反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、聚酰 胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚等。醋酸纤维素 膜透水量大，脱盐率高，价格便宜，应用普遍 。芳香聚酰胺膜具有优越的机械强度，化学性 能稳定，耐压实，能在pH值4-10的范围内使用 。聚苯并咪唑反渗透膜则能耐高温，吸水性好 ，适用于在较高温度下的作业。 反渗透装置已成功地应用于海水脱盐，并达 到饮用级的质量。海水淡化的原理是利用只允许 溶剂透过，不允许溶质透过的半透膜，将海水与 淡水分隔开的。用RO(Reverse Osmosis )进行海 水淡化时，因其含盐量较高，除特殊高脱盐率膜 以外，一般均须采用二级RO淡化。但是海水脱 盐成本较高，目前主要用于特别缺水的中东产油 国。 (2)超滤膜 超滤膜是指具有从1-20nm细孔的多孔质膜，它几乎可以 完全将含于溶液中的病毒、高分子胶体等微粒子截留分离。 超滤膜的分离性能就是用它所截留物质的分子量大小来定义 的。 超滤所用的膜为不对称膜，它的特点是膜断面形态的 不对称性。它是由表面活性层与大孔支撑层两层组成，表 面活性层很薄，厚度0.1-1.5m，膜的分离性质主要取决于 这一层。支撑层的厚度为50-250m，起支撑作用，它决定 膜的机械强度，呈多孔状。 超滤膜分离技术主要用于分离溶液中的大 分子、胶体微粒。通过膜的筛分作用将溶液中 大于膜孔的大分子溶质截留，是溶质分子与小 分子溶剂分离的膜过程 。 (3)微滤膜 微滤膜是指孔径范围为0.01-10m的多孔质分离膜， 它可以把细菌、胶体以及气溶胶等微小粒子从流体中比较 彻底地分离除去。流体中含有粒子的浓度不同，微滤膜的 使用方式也不同。当浓度较低时，常常使用一次性滤膜； 当浓度较高时，需要选择可以反复使用的膜。 (4)气体分离膜 气体分离中常用的高分子膜，是非对称的或复合膜， 其膜表层为致密高分子层，即非多孔高分子膜。这种膜材 料需要具有优良的渗透性。 膜反应器和膜催化： 膜过程初期的应用往往只利用一种膜分离过 程以解决实际问题。利用多种膜过程联合解决实 际问题称为集成膜过程。膜过程和其他化工过程 的联合叫杂化膜过程，它代表了膜过程发展的新 趋势。 膜反应器是膜和化学反应或生物反应相结合 的系统或设备，在反应系统中引入膜技术，可以 实现强化反应过程的目标。 (1)产物原位分离膜反应技术适用于可逆反应、串 联反应和产物抑制体系，以提高反应效率。 (2)反应物控制输入膜反应技术对于高浓度反应物 会加速副反应速度或影响产物品质的体系，控制 输入膜反应技术可以有效的降低反应物中B的浓度 ，达到提高反应选择性的目的。 (3)多相膜反应和萃取膜反应 亲水的含有脂肪酶的酶膜将反应器分隔为两部分。酶 的一边流过溶于有机相的L、D酯混合物，另一边流过水相 吹扫流。L-酯通过相间分配传递进入酶膜，被脂肪酶水解 为水溶性产物L-酸。而D-酯因脂肪酶的高水解选择性而不 参与反应，也不溶于水相，将随着底物流离开反应器，从 而将消旋的L、D酯拆分。 (5)催化膜 在膜反应器中，利用膜的载体功能将催化剂 固定在膜的表面或膜内来制备催化膜。有些膜材 料本身就具有催化活性。在反应涉及加氢、脱氢 、氧化以及与氧的生成有关的体系时，则常采用 金属膜、固体电解质膜，这些膜具有选择性透过 氢和氧的能力。 隔膜催化技术有效性的主要特征是生产率和 选择率。生产率是由通过隔膜以及隔膜表面上反 应物和生成物的分离率来决定的。 (1)环境保护废水处理各种工业废水用膜法 处理时，可收到回收有用物质和使排放污水达标 的双重作用。 UF（超滤）和RO膜可用于电影照 相工业中废显影液的回用、纺织工业中纤维用乳 化油剂的回收、聚乙烯醇退浆水处理及印染废水 中染料的回用、汽车工业中电泳漆的回收、电镀 工业含铬废水处理、造纸工业黑液处理、石油工 业含油废水处理等。城市污水的三级处理采用水 池曝晒、生物反应器和微滤。 (2)食品工业和医药工业 工业发达导致的水质下降使人们对饮用水 的要求愈来愈高，家用净水器(超滤加活性炭吸 附)有着广阔的市场。瓶装饮用水已从矿泉水扩 大到蒸馏水、太空水(均系经RO过滤的纯水)。 软饮料装瓶前大都已经微滤除菌，生啤酒(扎啤 )和低度酒(如干葡萄酒等)经微滤除菌可延长其 保质期。 果汁的浓缩(尤其是我国的一些名贵水果品 种)和茗茶汁的浓缩是食品工业的重要方面。美 国南卡罗来纳洲农业实验站已开始用金属膜直接 超滤苹果浆。将苹果破碎后，在50的温度下用 果胶酶和纤维素酶处理2小时，不经榨汁，再以 21-70个大气压力送入直径为3.12cm的金属管状 膜内进行超滤。这样既节省了榨汁工序，又能得 到85%的清汁和86%的芳香物。 (3)水资源再利用 随着生活水平的提高，人均耗水量也不断上 升，所有大城市几乎都面临水荒问题。除节约用 水之外，水资源的再利用也是重要措施。RO（ 逆渗透）海水脱盐制水在1988年全球的总能力已 超1000万m3/d。苦咸水的淡化以低压逆渗透和 EDR法为主。工业用水和生活用水的再利用也可 通过UF（超滤）、NF（纳滤）来解决。日本大 型高层建筑均配备水再利用的装置。夹带固体杂 质较多的还需要有沉降絮凝等辅助设备。 日本医学家将蚕丝溶解、干燥制成一种超纯丝素膜 ,附上与抗原反应的单克隆抗体后,即可用来诊断癌症。 美国波音公司最近发明一种能将阳光聚集并转换为电能 蓄贮使用的新型薄膜电池。这种薄膜电池分两层,第一 层材料由砷化镓和锑化镓组成；第二层材料是铜铟二硒 化合物。在模拟太空环境下工作时,它几乎把37%的太阳 能转换成电能。东京工业大学最近开发出仅有一个分子 厚的塑料薄膜，这种薄膜是用聚酰亚胺树脂制成的,为 目前世界上最薄的膜。它可用作砷化镓半导体的绝缘膜 和液晶显示器的基盘膜等。 生物、医用高分子 医用高分子材料是一类可对有机体 组织进行修复、替代与再生的具有特殊 功能的合成高分子材料,可以通过聚合等 方法进行制备,是生物医用材料的重要组 成之一。 “医用级”标准： (a)长期植入体内具有稳定的物化性能，又有稳定 的弹性、几何尺寸和机械强度，耐磨、耐曲挠； 短期植入的材料要可生物降解； (b)材料本身无毒、无热源、无过敏反应、不致 畸，不致癌、不干扰机体免疫系统、不破坏血 液有形成分、不影响体液电解质平衡等。 应应用领领域 应应用目的 实实 例 长期和短期 治疗 1.受损组织 的修 复和替代 2.辅助或暂时替 代受损器官的生 理功能 3.一次性医疗用 品 人工血管、人工皮肤、人工软 骨、美容填充 人工心肺系统、人工心脏、 人造血、人工肾、人工胰腺 注射器、输液管、导管、缝 合线、医用粘合剂等 药物制剂药物控制释放部位控制；定位释放；时间 控制；恒速释放（缓释药 物 ）；反馈控制；脉冲释放 诊断控制临床检测新技术快速响应、高灵敏度、高精确 度的检测试剂 与工具，包括 试剂盒、生物传感器等 生物工程1.体外组织培养 2.血液成分分离 细胞培养基、细胞融合添加 剂、生物杂化人工器官、血 浆分离、病毒和细菌的清除 生物活性高分子 从广义上讲生物活性高分子是指能对生物体 起产生、增强或控制某种特定生物活性作用的化 学体系中用到的高分子物质，也就是说生物活性 高分子能在与其他分子或与某些活性部位直接或 间接地相互作用时诱导产生生物学响应。 人工关节 理想的人工关节材料有聚乙