物理功能高分子材料

1、2017功能高分子材料功能高分子材料高分子材料与工程1403班 第二组2017目录目录CONTENTS0102液晶功能高分子材料导电功能高分子材料03感光功能高分子材料什么是功能高分子？一般来说，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。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。 按功能来分类：化学功能、生物功能、其他功能。 导电功能高分子材料 物理功能 ： 液晶功能高分子材料 感光功能高分子材料 导电高分子材料 1、基本概念 高分子材料长期以来被作为优良的电绝缘体

2、，直至1977年，美国科学家黑格（ A. J. Heeger ）、麦克迪尔米德（ A. G. MacDiarmid）和日本白川英树等人才发现用具有金属导电的性质。这是第一个导电的高分子材料，从此有机高分子不能作为导电材料的概念被彻底改变。 上述三位科学家因此获得2000年诺贝尔化学奖。 所谓的导电高分子是既具有聚合物的特征，又具有导体的性质的一类高分子材料。通常导电高分子的结构特征是由和与链非键合的共同组成。即在导电高分子结构中，除了具有高分子链外，还含有由“掺杂”而引入的一价对阴离子（p型掺杂）或对阳离子（n型掺杂）。 导电高分子具有的特殊的结构和优异的物理化学性能使它在能源、光电子器件、信

3、息、传感器、分子导线和分子器件、电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术方面有着广泛、诱人的应用前景。 2、材料导电性及其表征 材料的导电性是由于物质内部存在的带电粒子的移动引起的。因此，这些材料内部可自由移动的带电粒子可以是正、负离子，也可以是电子或空穴，统称为载流子载流子。载流子在外加电场作用下沿电场方向运动，就形成电流。可见，材料导电性的好坏，与物质所含的载流子数目及其运动速度有关。 材料的导电率是一个跨度很大的指标。从最好的绝缘体到导电性非常好的超导体，导电率可相差40个数量级以上。根据材料的导电率大小，通常可分为绝缘体、半导体、导体和超导体四大类。这是一种很粗略的划分，并无十分确定的界线。 分类

4、 高分子导电材料通常分为结构型（本征型）和复合型两大类： 。是指高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。根据电导率的大小又可分为高分子半导体、高分子金属和高分子超导体。按照导电机理可分为电子导电高分子材料和离子导电高分子材料。电子导电高分子材料的结构特点是具有，在热或光的作用下通过而进行导电，电导率一般在半导体的范围。根据导电载流子的不同，结构性导电高分子有两种导电形式：和。大多数情况下，高分子的导电是由两种导电方式共同引起的。采用掺杂技术可使这类材料的导电性能大大提高。如在聚乙炔中掺杂少量碘，电导率可提高12个数量级，成为“高分子金属”。经掺杂后的聚氮化硫，在超低温下可转变成高

5、分子超导体。结构型高分子导电材料用于试制轻质塑料蓄电池、太阳能电池、传感器件、微波吸收材料以及试制半导体元器件等。但目前这类材料由于还存在稳定性差(特别是掺杂后的材料在空气中的氧化稳定性差)以及加工成型性、机械性能方面的问题，尚未进入实用阶段。 。是以普通的为主要基质（成型物质），并在其中掺入较大量的配置而成的。主要品种有导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜等。其性能与导电填料的种类、用量、粒度和状态以及它们在高分子材料中的分散状态有很大的关系。 高分子基料的作用是将导电颗粒牢固地粘结在一起，使导电高分子具有稳定的导电性，同时还赋予材料加工性。主要的基料有聚乙

6、烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、有机硅树脂等。此外，丁基橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶和天然橡胶也常用作导电橡胶的基质。 导电填料在复合型导电高分子中起提供载流子的作用。常用的导电填料有炭黑、金属粉、金属箔片、金属纤维、碳纤维等。 通常需对填料颗粒进行表面处理。如采用表面活性剂、偶联剂、氧化还原剂对填料颗粒进行处理后，分散性可大大增加。 超导高分子 3超导高分子超导高分子 超导体是导体在一定条件下，处于无电阻状态的一种形式。 优点：由于超导态时没有电阻，电流流经导体时不发生热能损耗，因此在电力远距离输送、制造超导磁体等高精尖技术

7、应用方面有重要意义。 缺点：目前只有在超低温度下或超高电压下才能转变为超导体，因此在技术上和经济上都是不利作为电力和电器工业材料的。 超导金属中，超导临界温度最高的是铌（Nb），Tc=9.2k. 特征特征：电阻值为0:； 超导体内部磁场为0； 超导现象只有在临界温度下才会出现； 超导现象存在临界磁场，磁场强度超过临界值，超导现象消失。导电高分子的应用 1.电磁波屏蔽与隐身材料 利用混有导电填料的导电塑料作为外壳，或在外壳上涂一层金属或含有碳粉、碳纤维的导电材料都能达到有效的电磁屏蔽，甚至能实现成型与屏蔽一体完成。隐身材料就是利用导电聚合物有绝缘体变为半导体再变为导体的形态变化，可以使巡航导弹在

8、飞行过程中隐形，在接近目标后绝缘起爆，这些在军事上有重要意义。 2抗静电材料 利用到导电高分子的半导性质，与高分子母体结合制成表面吸附或填充型等形式的抗静电材料。应用于各领域，如集成电路、电子元件的包装材料；通信设备、工厂、医院手术室、制药厂、火药厂及其它净化室的服装和抗静电的电影胶片等，还可广泛应用于电压高缆的半导电屏蔽层结构泡沫化工仪表等。 3电子元件 导电高分子材料在掺杂状态具有半导体或金属的导电性，在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，所以利用这些性质来制作各类型的结元件，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。现在已经成功研制出商业

9、化产品的导电高分子电容器，例如，电解电容器和双电荷层电容器。导电高分子的应用 4.微波吸收材料与自控温发热材料 导电高分子作为微波吸收材料，其薄膜重量轻、柔性好，可做任何设备（包括飞机）的蒙皮，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和吸收系数。 材料的电阻值随温度升高而急剧增大的现象称为PTC特性。一些具有这种特性的导电材料被用于制作温度补偿和测量，过热以及电流保护元件等。在应用方面如电视机屏幕的消磁系统、电热地毯及座垫的应用。 5.二次电池及传感器 二次电池是利用伴随着电化学掺杂、去掺杂而产生的化学势的变化而工作。导电高分子特别是聚苯胺，由于具有可逆的电化

10、学氧化还原性能而适宜做电极材料，可制成反复充电的二次电池。 导电高分子随着微量掺杂 而发生各种性质的变化，可用在制作有效掺杂物质的传感器方面。如气体传感器、检测PH值得传感器、温度传感器等。如只有在加压时才出现导电性的橡胶，可用作压敏性传感器，被广泛应用于防爆开关、音量可变元件、高级自动把柄、医用电极、加热元件等方面。 导电高分子的应用 6.金属防腐与防污 导电高分子聚苯胺和聚吡咯等在钢铁或铝表面形成致密均匀的薄膜，通过电化学防腐与隔离环境 中的氧和水分的化学防腐共同作用，可有效地防止各种合金钢和合金铝的腐蚀，用于火箭、船舶、石油管道、污水管道中。 导电高分子材料还可以制成其他与我们生活密切相

11、关的实用化产品，如可根据外界条件变化调节居室环境的智能窗户、发光交通标志和太阳能电池等，使人们生活的环境更加舒适。液晶高分子材料 一、液晶的基本概念与分类 1、液晶及液晶高分子的概念 某些物质受热熔融或被溶解后，虽然失去了固态物质的大部分特性外观呈液态物质的流动性，但仍然保留着晶态物质分子的有序排列，从而在物理性质上表现为各向异性，形成一种兼有晶体和液体部分性质的过渡中间相态，这种中间相态称为液晶态，处于这种状态下的物质称为液晶。 主要特征：分子呈有序排列，具有一定的流动性。 液晶高分子，也叫液晶聚合物，英文是Liquid Crystal Polymer ，缩写为LCP，是一种新型的高分子材料

12、，在一定的加热状态下一般会变成液晶的形式，所以因此而得名。分类 2、液晶的分类 按照形成条件不同，液晶可主要分为热致性和溶致性两大类： （1）热致性液晶：依靠温度的变化，在某一温度范围形成的液晶态物质。 （2）溶致性液晶：依靠溶剂的溶解分散，在一定浓度范围形成的液晶态物质。 除此之外在外力场作用下也能形成液晶（压致型、流致型）。 按照排列形式和有序性的不同可分为三种结构类型：近晶型、向列型和胆甾型。 （1）近晶型液晶：近晶型液晶是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。在这类液晶中棒状分子互相平行排列成层状结构。分子的长轴垂直于层片平面。在层内，分子排列保持着大量二维固体有序性，但是这些层片又不是

13、严格刚性的，分子可以在本层内活动，但不能来往于各层之间，结果这类柔性的二维分子薄片之间可以相互滑动，而垂直于层片方向的流动则要困难。因此，近晶型液晶的粘度具有各向异性。 （2）向列型液晶：这类液晶，棒状分子之间只是互相平行排列。但是他们的重心排列则是无序的，在外力作用下发生流动，很容易沿流动方向取向，并且互相穿越。向列型液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有近晶型液晶中那种层状结构。此外与近晶型液晶相比，向列型液晶的粘度小，富于流动性。产生这种流动性的原因主要是由于向列型液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。 （3）胆甾型液晶：胆甾型液晶和近晶型液晶一样具有层状结构但层内

14、的分子排列却与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的。这类液晶比较突出的特点是各层的分子轴方向与邻接层的分子轴方向都略有偏移，液晶整体形成螺旋结构，螺距的长度与可见光波长数量级相同。胆甾型液晶的旋光性、选择性光散射和圆偏振光二色性等光学性质，就是由这种特殊的螺旋结构引起的。胆甾型液晶的光学性质与近晶型和向列型液晶有所不同，具有负的双折射性质。 按致晶单元与高分子的连接方式可分为主链型液晶和侧链型液晶。 （P272表） 按形成高分子形成的单体结构，可分为两亲型和非两亲型： （1）两亲型单体：兼具亲水和亲油（亲有机溶剂）作用的高分子。 （2）非两亲型单体：单体是一些几何形状不对称的刚性或半刚性

15、的棒状或盘状高分子。高分子性能影响因素 内因 1.分子结构 分子种必须有刚性结构，可以保持晶体的有序度 2.分子组成 分子中刚性部分越好，那么越容易使液晶分子排列整齐 3.分子间力 分子间力增大，更容易形成稳定的液晶态内因 对于热致性高分子液晶，对相态和在性能影响最大的因素是分子构型和分子间力。分子间力大和分子规整度高虽然有利于液晶形成，但是相转变温度也会因为分子间力的提高而提高，使液晶形成温度提高，不利于液晶的加工和使用。 对于溶致性高分子液晶由于是在溶液中形成的，所以不存在上述问题，致晶单元形状与液晶形态的形成有密切关系。致晶单元呈棒状，有利于生成向列型或近晶型液晶；致晶单元呈片型或盘状，

16、易形成胆甾醇型或盘型液晶。 致晶单元是导致液晶形成的刚性结构部分 外因 1.环境温度 对于热致性液晶，足够高的温度能够给分子提供足够的热动能，是使相转变过程发生的必要条件。因此，控制温度是形成液晶态和确定具体晶结构的主要手段。 2.溶剂 溶剂与液晶分子之间的作用起非常重要的作用，溶剂的结构和极性决定了与液晶分子间亲和力的大小，进而影响液晶分子在溶剂中的构想，能直接影响液晶相的形态和稳定性。控制高分子液晶溶液的浓度是控制溶液型高分子液晶相结构的主要手段。 高分子液晶的合成 主链型溶致性高分子液晶的结构特征是致晶单元位于高分子骨架的主链上。而形成溶致性高分子液晶的分子结构必须符合两个条件：分子应具

17、有足够的刚性；分子必须有相当的溶解性。 目前，这类高分子液晶主要有芳香族聚酰胺、聚酰胺酰肼、纤维素类等品种。 （1）芳香族聚酰胺 这类高分子液晶是最早开发成功并付诸于应用的一类高分子液晶材料，有较多品种，其中最重要的是聚对苯酰胺和局对苯二甲线对苯二胺 （2）芳香族聚氨酰胺酰肼 可用于制备高强度模量的纤维 （3）纤维素液晶 当纤维素中葡萄糖单元上的羟基被羟丙基取代后，呈现出很大的刚性。羟丙基纤维素溶液当达到一定浓度时，就显示出液晶性。高分子液晶的发展和应用 1.铁电性高分子液晶 1975年，Meyer等人从理论和实践证明了手性近晶型液晶（SC*）具有铁电性，这一发现的提高了高分子液晶的响应速度由

18、毫秒级提高到微秒级，基本上解决了液晶作为图像显示材料的显示速度问题液晶显示材料的发展有了一个突破性的进展。 1984年，Shibaev等人首先报道了铁电高分子液晶的研制成功。目前开发成功的主要有侧链型，主链型和主侧链混合型等，但一般主要是指侧链型。 2.树枝状高分子液晶 具有无链缠结，低粘度，高反应活性，高混合性，高溶解性含有大量的末端基和较大的表面基的特点。 目前树枝状高分子已达到纳米尺寸，故有望进行功能性液晶高分子材料的“纳米构筑”和“分子工程” 3.高分子液晶LB膜 LB技术是分子组装的一种重要手段。其原理是利用两亲性分子的亲水基团和疏水基团在水亚相上的亲水能力不同，在一定表面压力下，两

19、亲性分子可以在水亚相上规整排列。 将LB技术引入到高分子液晶体系，得到的高分子液晶LB膜有不同于普通LB膜的特殊性能。有取向记忆功能，超薄性和功能性，使其在波导领域有应用的可能。 4.分子间氢键作用液晶 在这种体系熔融时，虽然靠范德华力维持的三维有序性被破坏，但是体系中仍然存在由分子间氢键形成的有序超分子集聚体。 这种分子间氢键作用液晶，有别于传统的主链型，侧链型高分子液晶，有人将其称为第三类高分子液晶，第三类高分子液晶的发现加深了人们对液晶态结构的本质认识。 5.交联型高分子液晶包括热固型高分子液晶和高分子液晶弹性体两种，前者深度交联，后者轻度交联，二者都有液晶性和有序性。热固型高分子液晶代

20、表液晶环氧树脂，与普通环氧树脂相比，其耐热性，耐水性和抗冲击性都大大改善高分子液晶弹性体兼有弹性，有序性和流动性，是一种新型的超分子体系。压电性和取向稳定性，可能在光线开关和波导等领域有诱人应用前景。将具有非线性光学特征的生色基团引入高分子液晶弹性体中，利用高分子液晶弹性体在应力场，电场，磁场等作用下的取向特性，有望制得具有非中心对称结构的取向液晶弹性体，在非线性光学领域有重要的应用。人工合成的高分子液晶问世至今仅70年左右，因此是一类非常年轻的材料，应用尚处于不断开发中。感光高分子（photosensitive polymer） 1、定义 指在吸收了光能后，能在分子内或者分子间产生化学、物理

21、变化的一类功能高分子材料。 P281举例 1.光敏涂料：也叫紫外线光固化涂料。在紫外线的照射下，吸收一定量的光能， 使其分子中的电子被激发产生游离基，在游离基的引发下聚合产生有立体结构的高聚物。 2.光导材料：把电磁辐射（紫外线、红外光、可见光）转化为电流的物质。 3.光稳定剂：一种助剂。能够屏蔽或吸收紫外线，阻止和延迟光老化的过程。即使在光的照射下，也能延长高分子聚合物制品的使用寿命。2、分类 （1）按输出功能 光导电材料、光电转换材料、光能储存材料、光记录材料、光致变色材料、光致抗蚀材料。 （2）按光反应的类型 光交联型、光聚合型、光氧化还原型、光二聚型、光分解型等。 （3）按感光基团的种

22、类 重氮型、叠氮型、肉桂酰型、丙烯酸酯型等。 （4）按物理变化 光致不溶型、光致溶化性、光降解型、光导电型、光致变色型等。 （5）按骨架聚合物种类分类 PVA系、聚酯系、尼龙系、丙烯酸酯系、环氧系、聚氨酯系等。 （6）按聚合物的形态和组成 感光性化合物与高分子型、带感光基团的聚合物型、光聚合型等。光致诱蚀： 当高分子材料受光照辐射后，感光部分发生光分解反应，从而变为可溶性。光致抗蚀： 是指高分子材料经过光照后，分子结构从线型可溶性转变为网状不可溶性，从而产生了对溶剂的抗蚀能力。 光刻胶，又称光致抗蚀剂，有感光树脂、增感剂、溶剂三种成分组成的对光敏感度混合的液体。经光照后固化使材料物理性能（亲和性、溶解性）变化明显，经适当溶剂处理，溶去可溶部分，即得所需图像2.1感光高分子的分类 1.根据光反应的类型 光交联型， 光聚合型，光分解型