功能高分子材料

1、第三节第三节 功能高分子材料功能高分子材料时代周刊时代周刊评出评出2020世纪最伟大的世纪最伟大的100100项发明，其中项发明，其中“尿不湿尿不湿”榜上有名榜上有名 为什么为什么“尿不湿尿不湿” ” 能评为能评为2020世纪最伟大的世纪最伟大的100100项项发明呢发明呢? ?最初是为谁专门设计的呢？最初是为谁专门设计的呢？ 美国在上世纪六十年代初，航天事业崛起，如何解决美国在上世纪六十年代初，航天事业崛起，如何解决宇航员的排尿问题迫在眉睫，华人宇航员的排尿问题迫在眉睫，华人唐鑫源唐鑫源成为成为“尿不湿尿不湿”的发明人，后来他被誉为美国的发明人，后来他被誉为美国“太空服之父太空服之父”。“神

2、舟神舟”系列上天的航天员都使用了系列上天的航天员都使用了“尿不湿尿不湿” ” 航天员专用航天员专用“尿不湿尿不湿”1 1克能吸收约克能吸收约10001000克水克水 ，吸水性远强于一般婴儿使用的吸水性远强于一般婴儿使用的“尿不湿尿不湿” ” “尿不湿尿不湿”是航天产品是航天产品“下凡下凡”的成功典范！现的成功典范！现在不仅是婴幼儿使用，还有供特殊成人使用的，在不仅是婴幼儿使用，还有供特殊成人使用的，更有趣的是有些宠物也系上了更有趣的是有些宠物也系上了“尿不湿尿不湿”出门溜出门溜达，以保护公共卫生。达，以保护公共卫生。 资料显示：资料显示：19871987年年，英国，英国一次性尿布销一次性尿布销

3、售利润达售利润达2 2亿英亿英镑。设想一下镑。设想一下我们中国这样我们中国这样一个人口大国，一个人口大国，利润有多么惊利润有多么惊人！人！ 前前后后 “ “尿不湿尿不湿”起作用的物质是一种起作用的物质是一种功能高分子功能高分子材料，材料，具有具有很强的吸水能力很强的吸水能力。它所用的材料是高吸水性树。它所用的材料是高吸水性树脂（常用网状结构的聚丙烯酸钠脂（常用网状结构的聚丙烯酸钠 ）（课本）（课本P114P114）聚丙烯酸钠如何合成？聚丙烯酸钠如何合成？思考：如何思考：如何以带有强亲水性原子团的化合物以带有强亲水性原子团的化合物CHCH2 2=CHCOOH=CHCOOH制得网状聚丙烯酸钠？制得

4、网状聚丙烯酸钠？CHCH2 2=CHCOOH CH=CHCOOH CH2 2=CHCOONa =CHCOONa 加加交联剂交联剂得网状结构得网状结构 高吸水性树脂高吸水性树脂加交联剂的目的加交联剂的目的是变线型结是变线型结构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，耐挤压。耐挤压。前前后后高吸水性树脂的结构特征：高吸水性树脂的结构特征： a.a.分子中具有强亲水性基团，如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羟基、羧基，能够与水分子形成氢键；键； b.b.树脂具有树脂具有交联结构交联结构； c.c.聚合物内部具有较高的离子浓聚合物内部具

5、有较高的离子浓度；度； d.d.聚合物具有较高的分子量。聚合物具有较高的分子量。吸水性高分吸水性高分子制子制法：法：（1）对天然吸水性高分子材料（淀粉、纤维）对天然吸水性高分子材料（淀粉、纤维素）进行改性，形成接枝共聚物素）进行改性，形成接枝共聚物(如与丙烯酸如与丙烯酸钠共聚钠共聚)（2）以带有强亲水基的化合物为单体，均聚）以带有强亲水基的化合物为单体，均聚或共聚得到亲水性高聚物或共聚得到亲水性高聚物如聚丙烯酸钠如聚丙烯酸钠（同时加入交联剂）（同时加入交联剂） 。 纤维素的结构简式纤维素的结构简式 传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性？传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性？ 发现其每个链节

6、上都有发现其每个链节上都有OHOH，它是一种亲水基，它是一种亲水基 在橡胶工业中，制造橡胶要经过硫化工艺，将顺在橡胶工业中，制造橡胶要经过硫化工艺，将顺丁橡胶的线型结构连接成网状结构。在制备高吸丁橡胶的线型结构连接成网状结构。在制备高吸水性树脂时也要加入交连剂，以得到具有网状结水性树脂时也要加入交连剂，以得到具有网状结构的树脂。构的树脂。请你想一想，为什么都要做成网状结请你想一想，为什么都要做成网状结构呢？目的是否相同？构呢？目的是否相同？橡胶工业将线型结构连接成网状结构橡胶工业将线型结构连接成网状结构是为增加是为增加 橡胶的强度；橡胶的强度；高吸水性树脂将线型结构连接成网状结构高吸水性树脂将

7、线型结构连接成网状结构是使是使 它既吸水又不溶于水。它既吸水又不溶于水。【学与问学与问】如无土栽培、改良土壤、改造沙漠等。如无土栽培、改良土壤、改造沙漠等。强吸水能力的功能高分子材料除了用于强吸水能力的功能高分子材料除了用于 “ “尿不尿不湿湿”，还有哪些用途？，还有哪些用途？ P114P114 保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害，保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害，反复吸水、释水反复吸水、释水 “ “微型水库微型水库”。同时，它还能吸收肥料、。同时，它还能吸收肥料、农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。高吸水性

8、树脂广泛用于农业、林业、园艺、建筑等。农业、林业、园艺、建筑等。 上世纪上世纪7070年代发展起来的亲水隐形眼镜具有年代发展起来的亲水隐形眼镜具有特点：特点：吸收相当于自重吸收相当于自重80%80%水，才变得柔软、透水，才变得柔软、透气、舒适、戴时长气、舒适、戴时长 制备隐形眼镜所用的原料主要是制备隐形眼镜所用的原料主要是丙烯酸羟乙酯丙烯酸羟乙酯（CHCH2 2=CHCOOCH=CHCOOCH2 2CHCH2 2OHOH） 具有新型骨架结构的高分子材料和在天具有新型骨架结构的高分子材料和在天然或合成高分子的主链或支链上引入某种然或合成高分子的主链或支链上引入某种功能的官能团，使其显示出功能的官

9、能团，使其显示出在光、电、磁、在光、电、磁、声、热、化学、生物、医学等方面的特殊声、热、化学、生物、医学等方面的特殊功能功能的高分子。的高分子。1.1.化学功能化学功能离子交换树脂离子交换树脂、高分子试剂高分子试剂、高分子催化剂高分子催化剂、分解性高分子等。分解性高分子等。2.2.物理功能物理功能 导电性高分子导电性高分子、高分子光电导体、高分子显示、高分子光电导体、高分子显示材料、高分子光致变色材料等。材料、高分子光致变色材料等。 3.3.复合功能复合功能 高分子功能膜、高分子功能膜、高分子吸附剂、高分子表面活高分子吸附剂、高分子表面活性剂、高分子染料、高分子稳定剂等。性剂、高分子染料、高分

10、子稳定剂等。4.4.生物、医用功能生物、医用功能 抗血栓、控制药物释放和抗血栓、控制药物释放和生物活性生物活性等等 。 （按照功能来分类）（按照功能来分类）化学功能n吸水性高分子吸水性高分子n离子交换树脂离子交换树脂n高分子催化剂高分子催化剂离子交换树脂是离子交换树脂是带有官能团带有官能团( (有交换离子的活性有交换离子的活性基团基团) )、具有网状结构、不溶性的高分子化合物、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。是。是最早工业化的功能高分子材料，通常是球形颗粒物。最早工业化的功能高分子材料，通常是球形颗粒物。 经过各种官能化的树脂（聚苯乙烯），含有经过各种官能化的树脂（聚苯乙烯），含有H H+

11、 +离离子结构，能交换各种阳离子的称为子结构，能交换各种阳离子的称为阳离子交换树脂阳离子交换树脂，含有含有OHOH离子结构能交换各种阴离子的称为离子结构能交换各种阴离子的称为阴离子交阴离子交换树脂换树脂。 它们主要用于它们主要用于水的处理水的处理。离子交换膜还可以用于。离子交换膜还可以用于饮用水处理、饮用水处理、海水淡化海水淡化、废水处理、牛奶和酱油的脱、废水处理、牛奶和酱油的脱盐、酸的回收以及作为电解隔膜和盐、酸的回收以及作为电解隔膜和电池隔膜电池隔膜。酶属于高分子催化剂。酶属于高分子催化剂。 人工合成的方法模拟酶，将人工合成的方法模拟酶，将金属化合物结合在金属化合物结合在高分子配体上，开发

12、高活性、高选择性的高效催化高分子配体上，开发高活性、高选择性的高效催化剂剂，这种，这种高分子催化剂称为高分子金属催化剂高分子催化剂称为高分子金属催化剂。 已有的研究工作表明，高分子金属催化剂对已有的研究工作表明，高分子金属催化剂对加加氢反应、氧化反应、硅氢加成反应、羰基化反应、氢反应、氧化反应、硅氢加成反应、羰基化反应、异构化反应、聚合反应异构化反应、聚合反应等具有很高的催化活性和选等具有很高的催化活性和选择性，而且易与反应物分离，可回收重复使用。择性，而且易与反应物分离，可回收重复使用。 物理功能n高分子分离膜 能从海水中分离出淡水的逆渗透膜已达大规模使能从海水中分离出淡水的逆渗透膜已达大规

13、模使用阶段用阶段, ,它是一种半透膜它是一种半透膜, ,只让水分子通过只让水分子通过, ,而含盐的低而含盐的低分子溶质几乎不能通过分子溶质几乎不能通过, ,施加一定的压力后施加一定的压力后, ,就能使水就能使水加速挤出加速挤出. .采用不同结构的逆渗透膜就可获得采用不同结构的逆渗透膜就可获得工业锅炉工业锅炉水、饮料水、无菌水、去离子水、洗涤半导体的超纯水、饮料水、无菌水、去离子水、洗涤半导体的超纯水等水等. .在非洲一些缺水地区已建不少在非洲一些缺水地区已建不少海水淡化海水淡化装置装置. .一一种种PECPEC1000的海水淡化装置对海水如加压的海水淡化装置对海水如加压40407070kg/c

14、mkg/cm2 2, ,就可以得到就可以得到16162020的淡水的淡水. .沙特阿拉伯的基塔自来沙特阿拉伯的基塔自来水厂水厂, ,是世界上最大海水淡化厂是世界上最大海水淡化厂, ,日供淡水日供淡水1.21.2万万吨吨, ,主主要使用要使用醋酸纤维素醋酸纤维素分离膜装置。分离膜装置。 高分子分离膜的材料主要有高分子分离膜的材料主要有醋酸纤维素、聚酰醋酸纤维素、聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚等。醋酸纤维素膜透等。醋酸纤维素膜透水量大，脱盐率高，价格便宜，应用普遍。水量大，脱盐率高，价格便宜，应用普遍。海水淡海水淡化化的原理是利用只允许溶剂透过，不允许溶质透过的原理是利用

15、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。的半透膜，将海水与淡水分隔开的。 分离膜具有神奇的魔术师般的本领分离膜具有神奇的魔术师般的本领, ,从下面的实从下面的实验中不难领会验中不难领会. . 将一瓶含酒精将一瓶含酒精4.54.5的普通啤酒用水稀释成两瓶的普通啤酒用水稀释成两瓶, ,然后倒入玻璃容器内，只要将这种溶液通过薄薄的然后倒入玻璃容器内，只要将这种溶液通过薄薄的一层分离膜，就能够在几分钟内提取出酒精浓度达一层分离膜，就能够在几分钟内提取出酒精浓度达9393的乙醇。这种乙醇用一根火柴就能点燃。的乙醇。这种乙醇用一根火柴就能点燃。 这个实验中在分离膜的表面施加了高频电场

16、这个实验中在分离膜的表面施加了高频电场, ,促促使乙醇溶解、扩散、和水分离使乙醇溶解、扩散、和水分离, ,所耗电能仅为蒸馏法所耗电能仅为蒸馏法的十分之一。而在过去要从液体中分离另一种液体的十分之一。而在过去要从液体中分离另一种液体, ,只能使用蒸馏法。只能使用蒸馏法。复合功能n高分子吸附剂n导电高分子材料 吸附性高分子材料主要是指那些吸附性高分子材料主要是指那些对某些特定离子对某些特定离子或分子或分子有选择性亲和作用有选择性亲和作用的高分子材料的高分子材料。 吸附树脂的吸附性不仅受到结构和形态等内在因素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：温度因素，树脂周的

17、影响，还与使用环境关系密切：温度因素，树脂周围的介质。围的介质。 一般可分为一般可分为吸水性高分子吸水性高分子和和吸油性高分子吸油性高分子。具有优异的具有优异的_，较少受到，较少受到_，可以，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。满足人工器官对材料的苛刻要求。如：人造心脏、人造关节、人造鼻等。如：人造心脏、人造关节、人造鼻等。一些有关人工器官的图片一些有关人工器官的图片人造人造关节关节 人工人工心脏瓣膜心脏瓣膜 人造人造皮肤、血管皮肤、血管人造人造心脏心脏 人造人造肾脏、膀胱肾脏、膀胱 人造人造膝关节膝关节生物相容性生物相容性排斥排斥人造关节人造关节人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜一张柔软的纸，白中透出微

18、黄，这一张柔软的纸，白中透出微黄，这张不起眼的张不起眼的“白纸白纸”就是填补国就是填补国内空白的高科技内空白的高科技“人造皮肤人造皮肤”。这种这种“人造皮肤人造皮肤”能帮助伤口尽能帮助伤口尽快恢复。比如烧烫伤，把水泡的快恢复。比如烧烫伤，把水泡的水放出，用药清洗后，将水放出，用药清洗后，将“人造人造皮肤皮肤”敷贴在伤口上，很快敷贴在伤口上，很快“人人造皮肤造皮肤”就和人的身体长在一起，就和人的身体长在一起，成了真的皮肤。成了真的皮肤。 人造皮肤人造皮肤人造血管人造血管人造心脏人造心脏人造肾脏人造肾脏人工膀胱人工膀胱人造膝关节人造膝关节二、复合材料二、复合材料1复合材料涵义：复合材料涵义：指两种

19、或两种以上材料组合成的一种新型指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。其中一种做为材料。其中一种做为_，另外材料做为，另外材料做为_。具有具有_等等优异性能，在综合性能上超过了单一材料。优异性能，在综合性能上超过了单一材料。2复合材料的性能：复合材料的性能：P115基体基体增强剂增强剂强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀复合材料玻璃钢复合材料玻璃钢玻玻 璃璃 钢钢 游游 艇艇玻璃钢冷却塔玻璃钢冷却塔玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工业包括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要作用业包括神州五号载人飞

20、船等高端技术领域发挥重要作用碳纤维是一种碳纤维是一种纤维状碳材料纤维状碳材料。它是一种。它是一种强度比强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成，而碳纤维零件都在一定压强下强热炭化而成，而碳纤维零件都是把碳纤维经过高温高压制做而成的。是把碳纤维经过高温高压制做而成的。 碳纤维复合材料，它具