功能高分子-chapter1

1、功能高分子功能高分子杨杨 武武 利利 复旦大学高分子科学系复旦大学高分子科学系第一章第一章 引言引言1.1 材料的重要性材料的重要性人类一切活动的物质基础，人类一切活动的物质基础，三大材料三大材料人类文明的发展标志人类文明的发展标志石器时代，青铜时代，铁器时代，石器时代，青铜时代，铁器时代，高分子时代，新石器时代高分子时代，新石器时代(精细陶瓷精细陶瓷)新技术革命新技术革命 三大方面：电子工业，生物工程，新材料开发三大方面：电子工业，生物工程，新材料开发新材料是新技术发展的基础，先行官。新材料是新技术发展的基础，先行官。例：例：i). 硅单晶材料硅单晶材料 ii). 超导材料，超导材料，191

2、1，超导理论，超导理论各国对新材料开发的重视各国对新材料开发的重视美、法、日等国美、法、日等国当今新材料开发的特征之一当今新材料开发的特征之一 材料的功能化材料的功能化1.2. 高分子发展历史的简要回顾高分子发展历史的简要回顾 19世纪中叶世纪中叶20世纪初，世纪初， 纤维素塑料，酚醛树脂，纤维素塑料，酚醛树脂，PVAc 20s，高分子概念的提出，高分子概念的提出(Staudinger) 纤维素分子量的测定：端基法，渗透压法，粘度法纤维素分子量的测定：端基法，渗透压法，粘度法30s，Nylon-66(1934, Carothers), PS(1931), PVC(1931).40s，二次大战，

3、二次大战，SBR50s，Z-Ncat60s，耐高温高分子，耐高温高分子406070809050Polymer chemistryPolymer physicsPolymer engineeringFunctional polymerChemistry Life sciencesEngineeringPhysics 50s80spolymer70s，高分子工业的低谷时期，高分子工业的低谷时期 PVC工厂关门工厂关门 石油危机，价格暴涨。油田高分子兴起石油危机，价格暴涨。油田高分子兴起80s90s，时代特征，时代特征能源能源5%石油用作高分石油用作高分子工业原料子工业原料天然高分子的深度天然高分子

4、的深度开发，微生物植物开发，微生物植物光合作用制备高分光合作用制备高分子子(PHB) 材料材料轻量化，节能，轻量化，节能，高性能，特种高性能，特种功能，功能，功能高分子功能高分子 环保与保健环保与保健可持续发展战略，可持续发展战略，绿色化学绿色化学生物降解高分子生物降解高分子 医用高分子医用高分子可见高分子化学的发展方向与上述的三个时代特征都可见高分子化学的发展方向与上述的三个时代特征都是密切相关。是密切相关。聚合反应的优化：聚合反应的优化： 可控可控(立构、立构、MW、MWD)，高效，高效Cat，高反应速率。，高反应速率。聚合产物的优化：聚合产物的优化： 接枝、嵌段、共混、复合、有机接枝、嵌

5、段、共混、复合、有机/无机杂化。无机杂化。活性阴离子，活性阳离子，活性卡宾聚合活性阴离子，活性阳离子，活性卡宾聚合(ROMP)活性配位聚合，活性配位聚合，80s，Kaminsky Cat(茂金属茂金属Cat) 90s，Brookhart Cat(非茂金属非茂金属Cat)活性自由基聚合活性自由基聚合 (ATRP，RAFT) 基团转移聚合基团转移聚合(GTP)21世纪，时代特征同世纪，时代特征同80s，更强调环境与健康。，更强调环境与健康。 医用高分子医用高分子绿色化学绿色化学绿色反应，绿色技术绿色反应，绿色技术绿色材料绿色材料 合成生物活性物质合成生物活性物质生命化学反应，功能的研究，化学生物学

6、生命化学反应，功能的研究，化学生物学 功能高分子功能高分子 医用高分子医用高分子新的药物新的药物 生物工程材料生物工程材料组织工程材料组织工程材料 软材料软材料(智能水凝胶智能水凝胶)纳米材料。纳米材料。EMEH和生命科学相结合和生命科学相结合材料科学的发展材料科学的发展1.3. 定义，分类定义，分类 (一一)定义定义Speciality polymer，强调特种性能，强调特种性能 耐高温，高强度，高绝缘，等等。耐高温，高强度，高绝缘，等等。Fine polymer， 精细，产量小，价格高精细，产量小，价格高Functional polymer，Cf. High performance pol

7、ymer 在合成或天然高分子原有机械性能的基础上，再赋予在合成或天然高分子原有机械性能的基础上，再赋予通用性能以外的特殊的物理、化学、生物等性能的高分子。通用性能以外的特殊的物理、化学、生物等性能的高分子。 对外来的对外来的(诸如光、电、压力、化学等等诸如光、电、压力、化学等等)刺激刺激(Stimuli)能作出选择性和特征性的积极反应能作出选择性和特征性的积极反应(active-reaction responses)的高分子。的高分子。 (二二)分类分类 (今天的情况今天的情况)1. 高分子分离功能材料高分子分离功能材料 离子交换树脂，高分子膜，离子交换树脂，高分子膜，2. 光功能高分子光功能

8、高分子 光致抗蚀剂，光能转换高分子，高分子光敏剂，光致抗蚀剂，光能转换高分子，高分子光敏剂， 稳定剂，光降解高分子，高分子导光纤维，等等。稳定剂，光降解高分子，高分子导光纤维，等等。3. 电磁功能高分子电磁功能高分子 导电高分子，光导导电高分子，光导(电电)高分子，超导高分子，高分子，超导高分子， 高分子磁性体，高分子驻电体，隐形材料。高分子磁性体，高分子驻电体，隐形材料。4. 催化功能高分子催化功能高分子 高分子试剂，高分子载体，模板聚合，高分子试剂，高分子载体，模板聚合， 固定化酶，高分子金属催化剂，模拟酶。固定化酶，高分子金属催化剂，模拟酶。5. 生物功能高分子生物功能高分子 医用高分子

9、：体内、体外；人工脏器等等医用高分子：体内、体外；人工脏器等等 药用高分子：药物的高分子化；高分子药物。药用高分子：药物的高分子化；高分子药物。 生物降解高分子，仿生高分子，人造血液生物降解高分子，仿生高分子，人造血液6. 其他其他 高分子液晶，高吸水性树脂，高分子絮凝剂，高分子液晶，高吸水性树脂，高分子絮凝剂， 减阻高分子，智能水凝胶，等等。减阻高分子，智能水凝胶，等等。(电子聚合物电子聚合物)化学刺激引起化学变化化学刺激引起化学变化高分子试剂高分子试剂高分子固相合成高分子固相合成模拟酶模拟酶固定酶固定酶高分子催化剂高分子催化剂功能高分子功能高分子物理刺激引起化学变化物理刺激引起化学变化换能

10、材料信息转化材料换能材料信息转化材料射线射线化学能转换化学能转换力力化学能转换化学能转换光光化学能转换热化学能转换热敏性高分子敏性高分子光敏性高分子光敏性高分子化学变化反应性化学变化反应性高分子材料高分子材料应性材料应性材料生物体适生物体适分离材料分离材料物质移动物质移动物理变化物理变化功能性高分子材料功能性高分子材料医用高分子医用高分子人工脏器，医用材料人工脏器，医用材料医疗诊断材料医疗诊断材料医用高分子医用高分子医药医药 农药农药药物控释体系药物控释体系应用技术应用技术信息高分子的合和信息高分子的合和仿生模拟仿生模拟生物大分子生物大分子 DNARNA蛋白质蛋白质多糖等多糖等 光电磁功能材料

11、光电磁功能材料非线性光学材料非线性光学材料高分子液晶显示材料高分子液晶显示材料电致发光材料电致发光材料光电转换高分子光电转换高分子导光高分子导光高分子高分子磁性材料高分子磁性材料性、热电性材料性、热电性材料)介电高分子介电高分子(压电压电超导高分子超导高分子导电高分子导电高分子半导体高分子半导体高分子热力学功能热力学功能材料材料应力感应材料应力感应材料导热高分子导热高分子环境感应性环境感应性高分子高分子智能水凝胶智能水凝胶高吸水性树脂高吸水性树脂功功 能能 高高 分分 子子 分分 类类90s 高分子纳米高分子纳米材料材料能动输送性能动输送性 仿生膜仿生膜选择透过性选择透过性 分离膜分离膜选择吸

12、收性选择吸收性吸附剂吸附剂凝聚剂凝聚剂离子交换性离子交换性 离子交换离子交换 树脂树脂 分子识别性分子识别性 分子筛分子筛离子交换纤维离子交换纤维 活性炭活性炭纤维纤维1.4 意义和发展前景意义和发展前景21世纪是生命科学的世纪世纪是生命科学的世纪生物高分子：生物高分子：多糖、蛋白质、核酸、类脂物。多糖、蛋白质、核酸、类脂物。结构材料：结构材料：纤维素、肽聚糖、角朊、骨胶原、生物膜。纤维素、肽聚糖、角朊、骨胶原、生物膜。功能材料功能材料：贮存营养贮存营养 糖元、淀粉、蛋白质、甘油三酸脂。糖元、淀粉、蛋白质、甘油三酸脂。信息存储与感知：信息存储与感知： DNA，m-RNA，t-RNA, etc.

13、呈现功能呈现功能 ： 酶，抗体、血红朊、激素、核糖体、生物膜。酶，抗体、血红朊、激素、核糖体、生物膜。功能器官：功能器官：眼、耳、鼻、肠胃、肝、肾、细胞膜眼、耳、鼻、肠胃、肝、肾、细胞膜、神经、脑。神经、脑。(都是缩聚高分子！都是缩聚高分子！)光致抗蚀剂对电子工业发展的作用光致抗蚀剂对电子工业发展的作用光刻胶的水平和电子工业发展的关系光刻胶的水平和电子工业发展的关系106105104103102196065707580851K(15 )4K10K(10 )64K(5 )256K(1- 2 )16M(0.25 )64M256M今后今后50年有关功能高分子发展的一些目标课题年有关功能高分子发展的一

14、些目标课题(部分部分)目标课题目标课题 预计实现年份预计实现年份 目标课题目标课题 预计实现年份预计实现年份多米诺型高分子的合成多米诺型高分子的合成高生理活性的合成激素高生理活性的合成激素和基因和基因 (cf. 克隆技术？克隆技术？)高抗血栓性的材料高抗血栓性的材料人造肌肉人造肌肉新的聚合物药物新的聚合物药物导热性高分子绝缘材料导热性高分子绝缘材料超导高分子超导高分子高分子仿生感觉元件高分子仿生感觉元件高分子太阳能电池高分子太阳能电池浓缩海水中铀的高分子浓缩海水中铀的高分子吸附剂吸附剂1995202019952031199020002000204019952015199520202000204

15、0199520251995201519902000自身修复高分子自身修复高分子高分子识别力的人工酶高分子识别力的人工酶可任意调节药物释放的高分子可任意调节药物释放的高分子人工神经人工神经植入型人工肾植入型人工肾高导电性高分子高导电性高分子高分子强磁性体高分子强磁性体分子水平高密度存储元件分子水平高密度存储元件分子筛功能的高分子膜分子筛功能的高分子膜高效气体交换膜高效气体交换膜(水中呼吸器、人工鳃水中呼吸器、人工鳃)20002040199520151990200020102040199020001993200520002040200020401995200519952010 80s以来，功能高分

16、子是高分子科学研究中最活跃的领域。以来，功能高分子是高分子科学研究中最活跃的领域。 功能高分子材料是各种功能材料中领域最为宽广，功能高分子材料是各种功能材料中领域最为宽广， 发展潜力最大。发展潜力最大。 仿生是功能高分子发展的重要方向。仿生是功能高分子发展的重要方向。 功能高分子的发展将会给人类的生产、生活活动带来巨大变革功能高分子的发展将会给人类的生产、生活活动带来巨大变革 (低材耗、低能耗、高性能、保护自然生态环境，等等低材耗、低能耗、高性能、保护自然生态环境，等等)21世纪的发展世纪的发展分子电子器件分子电子器件 (纳米科技和纳米材料纳米科技和纳米材料) 分子功能材料分子功能材料(磁电、

17、光电、热电磁电、光电、热电) LB膜组装技术膜组装技术 (分子电阻、分子整流、分子二极管、分子开关，等等分子电阻、分子整流、分子二极管、分子开关，等等)仿生技术仿生技术 大脑：大脑： 10131015 bits/5050 cm2 41091011 bits/cm2 现今集成电路水平：现今集成电路水平： 1 chip (55) mm2 线宽：线宽：0.2 4107 bits/cm2随着纳米科技的发展，分子电子器件得以实现的话，那么储存密随着纳米科技的发展，分子电子器件得以实现的话，那么储存密度达到大脑水平是可能的，不是太遥远的事！度达到大脑水平是可能的，不是太遥远的事！高分子工业的大品种：高分子

18、工业的大品种： 热塑性塑料：热塑性塑料： PE, PP, PVC, PS热固性塑料：热固性塑料：酚醛，酚醛， 环氧，环氧， 氨基，氨基， 不饱和树脂不饱和树脂合成纤维：合成纤维：PET, Nylon, PAN, PVA (占纤维总量的占纤维总量的50)合成橡胶：合成橡胶：SBR, SBR, 顺丁，氯丁，丁腈顺丁，氯丁，丁腈 ，丁基，乙丙，丁基，乙丙 (占橡胶总量的占橡胶总量的66%)产量产量(1995)世界世界 中国中国1.19亿吨亿吨0.18亿吨亿吨0.1亿吨亿吨0.04亿吨亿吨0.02亿吨亿吨0.0043亿吨亿吨高分子材料大品种的优化，精细化，功能化。高附加价值化：高分子材料大品种的优化，

19、精细化，功能化。高附加价值化：中国石化总公司，世界排名第三中国石化总公司，世界排名第三 (第一，英，第一，英，Shell, 第二，美，第二，美，Exxon) 1995，利税，利税300亿亿(其中利润其中利润 100亿亿) 2006，利税，利税1390亿亿(其中利润其中利润 670亿亿)世界塑料产量世界塑料产量 1995年年 1.2亿吨亿吨 2000年年 1.5亿吨亿吨四大材料之比：四大材料之比： 1950年年 1970年年 1990年年塑料塑料钢铁钢铁木材木材水泥水泥1126700891208819173310通用高分子通用高分子 工程高分子工程高分子 功能高分子功能高分子产量产量(吨吨)价格比价格比1081106141051021031.5. 功能高分子的制备功能高分子的制备1.5.1. 功能基的引入功能基的引入 1. 含功能基单体的聚合含功能基单体的聚合CH2CHCH2ClCH2CRCOOCH2CHOCH2OHCOHOCH2CHOOOOOCH2CHC CH2CH3OHOHNNNNNN 2. 大分子的化学反应大分子的化学反应常用高分子骨架：常用高分子骨架： PS (