东华大学应用化学《功能高分子及应用》课程作业(1)

1、作业：1. 什么是功能高分子材料？ 答：利用高分子材料的某些特殊功能，如离子交换、吸附、渗透、粘度、导电、发光、对环境因素（光、电、磁、热、pH值）的敏感性、催化活性等，这些结构上差异很大的高分子材料统称为功能高分子材料。2. 什么是离子交换树脂？它的基本特性是什么？ 答：离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状交联聚合物。它的两个基本特征是：骨架或载体是交联聚合物；聚合物上所带的功能基可离子化。3. 按合成方法分类，离子交换树脂可分为缩聚型和加聚型，请问什么是缩聚型离子交换树脂和加聚型离子交换树脂？并各举一实例。 答：缩聚型指离子交换树脂或其前体是通过单体逐步缩合聚合形成的，同时副产简单

2、的小分子 如水等。例子：甲醛与苯酚或芳香胺的缩聚物 加聚型指离子交换树脂或其前体是通过含烯基的单体与含双烯基或多烯基的交联剂通过自由基共聚合形成的。例子：苯乙烯与二乙烯基苯的共聚物4. 按孔结构分类，离子交换树脂可分为凝胶型离子交换树脂和大孔型离子交换树脂。请问什么是凝胶型离子交换树脂和大孔型离子交换树脂？该两类离子交换树脂的优缺点各是什么？ 答：凝胶型离子交换树脂一般是指在合成离子交换树脂或其前体的聚合过程中，聚合相除单体和引发剂外不含有不参与聚合的其它物质，所得的离子交换树脂在干态和溶胀态都是透明的。在溶胀态下存在聚合物链间的凝胶孔，小分子可以在凝胶孔内扩散。 优点：体积交换容量大，生产工

3、艺简单、成本低 缺点：耐渗透强度差、抗有机污染差 大孔型离子交换树脂是指在合成离子交换树脂或其前体的聚合过程中，聚合相除单体和引发剂外还存在不参与聚合、与单体互溶的所谓致孔剂，所得的离子交换树脂内存在海绵状的多孔结构，是不透明的。 优点：耐渗透强度高、抗有机污染、可交换分子量较大的离子。 缺点：体积交换容量小，生产工艺复杂，成本高，再生费用高。5. 我国的前石油化学工业部在1977年7月1日制定了离子交换树脂产品分类，命名及型号的部颁标准。该标准根据离子交换树脂功能基的性质，将其分为七类，请问有哪7类，并举例对应的功能基。答：该标准根据离子交换树脂功能基的性质，将其分为强酸、弱酸、强碱、弱碱、

4、螯合、两性及氧化还原七类。 6. 离子交换树脂是如何命名的？ 答：离子交换树脂的全名由分类名称、骨架（或基团）名称和基本名称排列组成。其基本名称为离子交换树脂；凡分类中属酸性的，在基本名称前加“阳”字；凡分类中属碱性的，在基本名称前加“阴”字。如区别离子交换树脂产品中，同一类中的不同品种，在全名前必须加型号。 离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成：第一位数字代表产品的分类；第二位数字代表骨架结构；第三位数字为顺序号，用于区别基团、交联剂的不同。 关于离子交换树脂的产品的分类代号，0、1、2、3、4、5、6分别代表强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性、螯合性、两性、氧化还原。 关于离子交换树脂骨架分

5、类代号哦，0、1、2、3、4、5、6分别代表苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系、乙烯吡啶系、醛系、氯乙烯系。7. 请分别举例一种苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂、丙烯酸系弱碱性阴离子交换树脂、苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂，用化学结构式表示。 答：苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂： 丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂： 苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂：8. 苯乙烯系离子交换树脂是如何合成的？有何优点？其反应物料中除苯乙烯外还有二乙烯基苯、引发剂和分散剂，请问常用的引发剂有哪些？常用的分散剂有哪些？并说明分散剂有何作用？二乙烯基的加入，对所合成得到的苯乙烯系离子交换剂共聚物珠体有何作用？ 答：苯乙烯系离子交换树脂

6、是苯乙烯和二乙烯基苯（DVB）在水相中进行悬浮共聚合得到共聚物主体，然而向共聚体中引入可离子化的基团而合成的。 优点：苯乙烯单体相对便宜，并可大量得到；共聚物具有优良的物理强度，并且不易因氧化或高温而降解；聚合物的芳香环易与许多试剂反应引入功能基。 常用的分散剂有：天然高分子或其衍生物，如明胶、淀粉和甲基纤维素等。亲水性合成有机高分子，如聚乙烯醇、含羟基聚合物等。难溶性无机物，如碳酸钙，磷酸钙，滑石粉，硅藻土，膨润土等。 水相中的分散剂或悬浮稳定剂有两种作用：降低水相的表面张力，在搅拌作用下单体更易分散或较小的液滴；分散剂吸附在所形成的液珠的表面起保护作用，避免液珠在彼此碰撞时合并或粘结。 二

7、乙烯基的加入，使得所合成得到的苯乙烯系离子交换剂共聚物珠体能够在聚合过程中获得最佳尺寸和最大的均一性。9. 利用苯乙烯、二乙烯基苯为主原料，请分别用化学反应方程式来表述制备苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂和苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂的过程。 答：苯乙烯系强酸性阳离子要换树脂的合成： 苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂的合成：10. 请分别写出从苯乙烯出发制备苯乙烯系弱酸性阳离子交换的化学反应方程式、从丙烯酸甲酯和二乙烯基苯出发制备丙烯酸系弱酸性阴离子交换树脂的化学反应方程式？ 答：苯乙烯系弱酸性阳离子交换树脂的合成 丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂的合成11. 在丙烯酸甲酯与二乙烯基苯的自由基共聚中，二乙

8、烯基苯的竟聚率比丙烯酸甲酯的大很多，因此形成的共聚物的交联结构很不均匀。为了克服交联结构的不均匀性，常采用互贯聚合或使用第二交联剂的方法，请问常用的第二交联剂有哪些（用分子结构式表示）？答：第二交联剂有：双甲基丙烯酸乙二醇（EGDH）、甲基丙烯酸烯丙基酯（AMA）、衣康酸双烯丙基酯（DHI）和三聚异氰酸三烯丙基酯（TAIC）等。 12. 离子交换树脂的粒度可以用粒径、有效粒径和均一系数来表征，请问什么是有效粒径和均一系数？答：有效粒径：保留90%树脂样品（湿态）的筛孔孔径，以mm表示； 均一系数：保留40%树脂样品（湿态）的筛孔孔径与有效粒径的比值。13. 离子交换树脂的密度可以用四种密度来表

9、示，请问哪四种密度，其定义各是什么？答：（1）表现密度a：干态树脂的质量与树脂颗粒本身的体积之比。一般用汞比重法测定。 （2）骨架密度T：干态树脂骨架本身的密度。用比重瓶法测定。 （3）湿真密度dT：湿态树脂的质量与树脂颗粒本身的体积之比。用密度计法测定。 （4）湿视密度db：湿态树脂的质量与树脂本身与其间的空隙所占据的体积之比。测试方法与湿真密度的相似。14. 什么是离子交换树脂的交换容量？依据测定条件可得到哪些交换容量？答：离子树脂的交换容量：离子交换树脂的交换容量是指单位质量或单位体积树脂在一定条件下表现出的可进行的离子交换的离子基团的量。依测定条件不同，可得到全交换容量、强型交换容量、

10、强型交换容量和工作交换容量（模拟实际应用条件测得的柱交换容量）等。15. 离子交换树脂的机械强度的表示方法有哪些？答：树脂机械强度表示方法有耐压强度、滚磨强度和渗磨强度。16. 什么是离子交换树脂的耐压强度？答：耐压强度是给一粒树脂施加由小到大的压力，直至破碎，能耐受的最大压力而不破碎即为耐压强度，一般取多粒树脂的耐压强度的平均值。17. 什么是离子交换树脂的比表面积、孔容、孔度、孔径？它们的测试方法分别有哪些？答：比表面积S：主要指单位质量大孔树脂的内表面积， (m2/g)。（1-1000m2/g）常用测定方法是采用BET模型的低温氮吸附脱附等温线法。 孔容VP：单位质量树脂的孔体积，（mL

11、/g）。 孔度P：树脂的孔容占树脂总体积的百分比。 孔径：把树脂内的孔穴近似看作圆柱形时的直径。18. 离子交换树脂的孔径分布测定方法有哪些？答：树脂的孔径分布测定方法Autosorb-1的自动气体吸附仪法、压汞仪法、X射线小角散射法、热孔计法和反相体积排阻色谱法等。19. 请阐述离子交换树脂的作用原理，并写出常用的离子交换反应方程式。答：离子交换树脂的作用原理：离子交换树脂的功能基是可离子化的基团，与溶液中的离子可以进行可逆的交换，在一定的条件下树脂上的离子可以交换成另一种离子；在另一条件下，可以发生逆向交换，使树脂是可以再生而重复使用的。 常用的离子交换反应有下列几种类型（R代表聚合物骨架

12、） 中性盐分解反应：中和反应： 复分解反应：20. 离子交换树脂的主要应用有哪些？答：水处理（软化、脱盐和废水处理）、食品工业、催化剂、制药工业、稀土元素分离、湿法冶金、碘的提取精制、金属离子痕量分析、化学品纯化等。21. 请论述强酸性H-Na离子交换软化和脱碱系统的作用原理，并写出化学反应方程式。答：原理：含盐原水经过H型强酸性离子交换树脂时：22. 使用离子交换树脂作为酸碱催化剂有哪些优缺点？答：优点： 避免了无机强酸、强碱对设备的腐蚀； 催化反应完成后，通过简单的过滤即可将树脂与产物分离，避免了麻烦的从产物中除去无机酸、碱的过程； 避免废酸碱对环境的污染； H型强酸性阳离子交换树脂作为催

13、化剂时，避免了使用浓硫酸时的强氧化性、脱水性和磺化性引起的不必要的副反应；由于离子交换树脂的高分子效应，通过调整树脂的结构，有时树脂催化的选择性和产率会更高。 缺点：树脂的热稳定性较低，限制了其高温下的应用；价格较昂贵，一次性投资较大。23. 什么是吸附树脂？按其化学结构可分为哪几类？答：吸附树脂是指一类多孔性的、高度交联的高分子共聚物。 吸附树脂按其化学结构可分为4类：非极性吸附树脂、中极性吸附树脂、极性吸附树脂、强极性吸附树脂。24. 吸附树脂的内部结构如何？答：吸附树脂是具有多孔结构，其内部是由无数个微球堆集、连结在一起，构成外观上也成球形的树脂。25. 吸附树脂的合成方法有悬浮聚合和后

14、交联法等，后交联中又有自身后交联法和双官能交联剂后交联法。请问常用的双官能团交联剂有哪些？并写出其化学结构式。欲得到高比表面积的吸附树脂宜采用哪种合成方法？答：常用的双官能团交联剂：二氯甲基联苯、二氯甲基苯、含双酰氯的芳香族化合物等。 欲得到高比表面积的吸附树脂采用后交联法。26. 什么是吸附树脂的吸附等温线？答：吸附剂的吸附量与被吸附物质的压力或在溶液中的浓度有关，另外还会受温度的影响。将在恒温下测得的吸附量与压力或浓度的关系画成曲线，这便是吸附等温线。27. 吸附树脂具有吸附选择性，但具有一些普遍存在原则，具体有哪些？答：（1）水溶性不大的有机化合物易被吸附，且在水中的溶解度越小越易被吸附

15、； （2）无机化合物酸、碱、盐不能被吸附树脂吸附； （3）在水中难溶的有机物一般易溶于有机溶剂，吸附树脂不能从有机溶剂中吸附这些有机物，如溶于水中的苯酚可被吸附，但将苯酚溶于乙醇或丙酮中就不能被吸附，只有当苯酚的浓度很大时，才可能有少量苯酚被吸附； （4）当吸附树脂与有机物能形成氢键时，可增加吸附量和吸附选择性，并且还可以从非极性溶剂中进行吸附。28. 吸附树脂的主要应用有哪些？答：吸附树脂的主要应用有：在天然食品添加剂提取中的应用、在药物提取纯化中的应用、在环境保护中的应用、在血液净化方面的应用。29. 离子交换纤维与离子交换树脂相比具有哪些优点？答：与离子交换树脂相比，具有如下优点：由于纤

16、维的直径远小于离子交换树脂的直径（纤维直径一般10m以下，而颗粒状树脂一般30m以上），纤维材料的比表面积显著大于颗粒树脂（纤维的比表面积约为10-25/g，普通凝胶型颗粒树脂约为0.1/g），因此离子交换纤维的交换吸附速度要比相应的粒状树脂快好几倍，洗脱速度也显著大于树脂；纤维材料本身有一定的弹性，而且纤维直径的均匀性相对于树脂颗粒来说好很多，因此在以分离柱的形式使用时装柱密度（流通阻力）很容易控制，流通阻力较少而且不会出现材料密化而引起柱堵塞，甚至可以将柱倒过来；分离系数高；由于离子交换纤维可以制成线、无纺布、各种纺织物等多种形式，因此，应用灵活。这为工程设备结构的合理选型创造了条件，更容

17、易实现交换分离装置的小型化及连续化。30. 离子交换纤维的制备方法主要有哪三种？答：有机纤维直接功能化法、有机纤维接枝功能化法、共混物或共聚物成纤功能化法。31. 离子交换纤维可以分为阳离子、阴离子和两性纤维。请问阳离子交换纤维包括哪些类型？阴离子交换纤维、两性离子交换纤维又包括哪些类型？答：阳离子交换纤维包括强酸性（磺酸型）、中强酸型（磷酸型）和弱酸型（羧酸型）； 阴离子交换纤维包括强碱型（季铵盐型）和弱碱型（伯、仲、叔氨基吡啶基、咪唑基等）； 两性纤维主要有：弱酸弱碱型（羧酸-吡啶型、羧基-咪唑啉基）、强酸弱碱型（磺酸-吡啶型）。32. 什么叫直接功能化法？哪些基体纤维可以直接功能化？并写

18、出基体纤维直接功能化的化学反应方程式（例举两种纤维即可）。答：直接功能化法：利用有机纤维上本身存在的易反应基团直接或经过简单预处理后与含离子交换功能团的小分子进行反应，从而得到离子交换纤维。 有纤维素纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维。 举例：纤维素纤维直接功能化： 聚乙烯醇纤维直接功能化：33. 有机纤维的直接功能化是制备离子交换纤维的重要途径之一。但这种制备方法也存在一些限制因素。请问：主要有哪些限制因素？答：（1）反应性基团的功能化转化率的限制； （2）由于直接功能化反应明显改变（破坏）了原纤维的骨架结构，所以随着功能化转化率的提高，一般会使纤维的机械力学性能明显下降，这也是

19、反应性基团功能转化率受到限制的一个原因； （3）能用的纤维原料品种有很大的限制。34. 什么是功能转化率？答：功能转化率（%）=已反应掉的反应性基团的量/原有反应性基团的总量*100%35. 纤维素纤维直接功能化后，水溶性增加，纤维素聚集态结构受到不同程度破坏，为了提高纤维的物理机械性能，应如何处理？答：加入一定量双环氧化合物进行交联。36. 什么是接枝共聚功能化法？哪些基体纤维可以进行接枝共聚功能化？并写出基体纤维接枝共聚功能化的化学反应方程式（请例举两种基体纤维）。答：接枝共聚功能化法是以天然或合成有机纤维为基体（骨架），通过化学与物理方法引发大分子自由基与含有离子交换基团的烯类单体接枝共

20、聚，或与含有反应性基团的烯类单体接枝共聚，然后进一步功能化的方法。 基体纤维：纤维素纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、涤纶、氯纶等。举例：纤维素纤维直接化学引发接枝丙烯酸和甲基丙烯酸37. 在接枝共聚功能化法制备离子交换纤维中，可以采用化学引发方法，也可以采用物理引发方法引发大分子自由基。为了减少均聚物的生成，在化学引发方法中一般采用什么具体的工艺方法？在物理引发方法中又采用什么具体的工艺方法？答：化学引发：通常采用氧化还原引发体系。先用引发剂溶液浸渍处理纤维，一定时间后倾去浸泡液，必要时还可以用水洗去残留引发剂，然后再加入反应单体及有关溶剂，助溶剂进行接枝反应。（均聚物较少）物理引

21、发：采用预辐照工艺进行。预先将原纤维单独进行辐照，使纤维上产生自由基，俗称陷阱自由基（在无氧条件下），一般的预辐照都是在空气中进行的，因此，陷阱自由基会与氧结合产生过氧化物或过氧化氢。当含有过氧化物或过氧化氢的纤维与烯类单体一起加热时，过氧化基团将分解而产生大分子自由基而引发烯类单体接枝共聚。38. 什么是接枝率？什么是接枝效率？答：39. 在接枝共聚功能化法制备离子交换纤维时，在接枝反应体系中，一般必须加入一定量的双官能度烯类单体作为交联剂，为什么？答：双官能度交联剂的加入一方面可减小离子交换纤维的溶胀性，提高纤维的机械强度和稳定性，另一方面也因其凝胶化作用而有利于提高纤维的接枝率，从而提高

22、交换量。40. 在接枝共聚功能化法制备离子交换纤维时，为了提高接枝效率，减少均聚物的生成，可以采用哪些措施？答：措施：a 采用预辐照引发方法； b 采用二步法化学引发； c 在反应体系中加入少量铜粉、铜丝等作为阻聚剂； d 采用气相接枝（如丙烯酸气体在聚丙烯表面气相接枝）； e 选择合适的溶剂； f 控制单体加入的浓度、接枝反应温度及时间。往往单体浓度过大，温度过高或反应时间太长，虽然接枝率比较高，但有利于均聚物的生成，接枝效率下降。41. 简述利用射线预辐照引发PP纤维接枝共聚制备强酸弱碱两性离子交换纤维。答：强酸弱碱两性离子交换纤维是通过射线预辐照PP纤维引发苯乙烯和乙烯基吡啶的接枝共聚，

23、然后进一步磺化而制得。42. 什么是共混或共聚成纤功能化法？答：所谓成纤法就是采用带有离子交换基团的高聚物（或单体）与成纤高聚物（或单体）共混（或共聚），经溶液或熔融纺丝而制得离子交换纤维。或者共混物（或共聚物）的单体之一带有可反应的基团，成纤后再进一步功能化。43. 离子交换纤维与球形离子交换树脂相比具有更高的交换反应速度，这是什么原因？答： 交换中扩散的推动力是浓度梯度，对于离子交换纤维而言，内扩散系数D值在10-9 10-8cm2/s数量级，这与一般的离子交换树脂的相近，但离子交换纤维趋近于交换平衡只有约50s，而树脂趋近于交换平衡的时间在1000s以上，其主要原因是离子交换纤维的交换层厚度小，按照纤维交换动力学模型计算，纤维表面交换层厚度平均为4.6m，而纤维直径为36m，粒内扩散发生相当于厚度为4.6m的平面内，可近似看作为一维扩散，而球形树脂却不同，其半径分布为0.1-0.5mm，