第三节新型有机高分子材料

1、2004-06-01第一版，2010-03-09第二版第三节功能高分子材料第三节功能高分子材料学习目标学习目标1 1了解功能高分子材料、复合材料的结构特点和重要性能和了解功能高分子材料、复合材料的结构特点和重要性能和用途。掌握合成功能高分子的原理。用途。掌握合成功能高分子的原理。2 2了解新型有机高分子材料的发展趋势。了解新型有机高分子材料的发展趋势。学习重点：学习重点：功能高分子材料的代表物的结构特点和重要性能功能高分子材料的代表物的结构特点和重要性能材料材料当今社会的当今社会的三大支柱产业：三大支柱产业：材料、能源、信息材料、能源、信息探寻功能高分子材料时应考虑的问题：探寻功能高分子材料时

2、应考虑的问题：1 1）具有什么样的主链？）具有什么样的主链？单体单体2 2）具有什么样的功能基？）具有什么样的功能基？官能团官能团3 3）不断修正。）不断修正。 我们世界上每年合成的近百万个新化合物中约我们世界上每年合成的近百万个新化合物中约70%70%以上是功以上是功能高分子化合物。能高分子化合物。一、认识功能高分子材料一、认识功能高分子材料功能高分子材料功能高分子材料: : 在高分子链上接上带有具有某种功能的官能团使其在物理、在高分子链上接上带有具有某种功能的官能团使其在物理、化学、生物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料。化学、生物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料。是一类是一类既有传

3、统高分子材料的机械性能，又具有特定功能的高分子材既有传统高分子材料的机械性能，又具有特定功能的高分子材料料, ,分为分为结构型功能高分子材料和复合型功能高分子材料结构型功能高分子材料和复合型功能高分子材料. .如导电高分子、高分子半导体。光导电高分子、如导电高分子、高分子半导体。光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等液晶高分子和信息高分子材料等如反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离如反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜。鳌合高分子、高分子催化剂、高分子试剂膜。鳌合高分子、高分子催化剂、高分子试剂及

4、人工脏器等。及人工脏器等。如生物高分子模拟酶如生物高分子模拟酶高分子药物、人工骨材料高分子药物、人工骨材料物理功能高物理功能高分子材料分子材料化学功能高化学功能高分子材料分子材料生物功能高分子材料生物功能高分子材料医用高分子材料医用高分子材料1 1、结构型功能高分子材料的涵义、结构型功能高分子材料的涵义: :是通过分子设计制得的是通过分子设计制得的一类功能高分子材料一类功能高分子材料, ,即在即在天然天然或或合成合成高分子的主链或支链上引高分子的主链或支链上引入某种功能的官能团，使其显示出在入某种功能的官能团，使其显示出在光、电、磁、声、热、化光、电、磁、声、热、化学、生物、医学学、生物、医学

5、等方面的特殊功能的高分子。例如等方面的特殊功能的高分子。例如: :婴儿用的尿婴儿用的尿不湿既有吸水功能不湿既有吸水功能, ,又有保水功能又有保水功能. .2、复合型功能高分子材料的涵义复合型功能高分子材料的涵义: :是以普通高分子材料为是以普通高分子材料为基体基体或或载体载体, ,与与特定功能特定功能( (如导电、导磁如导电、导磁) )的材料进行的材料进行复合复合而制得的一而制得的一类特殊功能的高分子材料类特殊功能的高分子材料. .如宇航员所穿的衣服中用了一百三十如宇航员所穿的衣服中用了一百三十多种新型材料多种新型材料. .用有高吸水性的高分子材料制作的，可吸收自重几百倍的水，用有高吸水性的高

6、分子材料制作的，可吸收自重几百倍的水，但仍保持干爽。但仍保持干爽。成分：聚乙烯醇、聚丙烯酸盐交联可得。成分：聚乙烯醇、聚丙烯酸盐交联可得。启示启示 食品保鲜、人造皮肤、防止土壤沙漠化。食品保鲜、人造皮肤、防止土壤沙漠化。方法一：对淀粉、纤维素方法一：对淀粉、纤维素等天然吸水材料进行改性，在它们的等天然吸水材料进行改性，在它们的高分子链上接上含高分子链上接上含强亲水性原子团强亲水性原子团的支链，以提高它们的吸水的支链，以提高它们的吸水能力能力. .例如例如: :将将淀粉淀粉与与CHCH2 2CHCHCOONaCOONa在引发剂作用在引发剂作用共聚共聚，生成以淀粉，生成以淀粉为主链的接枝共聚物，同

7、时与为主链的接枝共聚物，同时与交联剂交联剂反应，生成具有网状结构反应，生成具有网状结构的淀粉的淀粉聚丙烯酸钠接枝共聚物高吸水性树脂聚丙烯酸钠接枝共聚物高吸水性树脂. .尿不湿的研制尿不湿的研制方法二：以带有方法二：以带有强亲水性原子团强亲水性原子团的化合物，如丙烯酸的化合物，如丙烯酸CHCH2 2CHCHCOOHCOOH、 CHCH2 2=CHCOONa=CHCOONa、 CHCH2 2CHOHCHOH为单体为单体，同种单体均聚，同种单体均聚, ,两两种或者两种以上的单体共聚得到种或者两种以上的单体共聚得到亲水性高聚物亲水性高聚物。 如果你是设计师如果你是设计师, ,请根据方法二请根据方法二,

8、 ,设计合成尿不湿的流程图设计合成尿不湿的流程图( (重重点是化学反应原理点是化学反应原理).).备选原料备选原料: : CHCH2 2CHCOOH, NaOHCHCOOH, NaOH CH CH2 2CHOH, CHOH, 催化剂催化剂【分组活动【分组活动 】: :尿不湿合成流程示意图尿不湿合成流程示意图: :合成高吸水性树脂合成高吸水性树脂在纸浆或者无纺布涂上高在纸浆或者无纺布涂上高吸水性树脂吸水性树脂包装、检验包装、检验无菌消毒无菌消毒压片、定型压片、定型CHCH2 2=CH -COH=CH -COHO O催化剂催化剂+NaOH+NaOHCHCH2 2=CH -CONa=CH -CONa

9、O O+H+H2 2O OCHCH2 2-CH -CH -n nCOONaCOONan n同时要加入少量二同时要加入少量二烯作交联剂烯作交联剂练习一练习一写出下列聚合反应方程式：写出下列聚合反应方程式：丙烯酸与氢氧化钠制备聚丙烯酸钠丙烯酸与氢氧化钠制备聚丙烯酸钠CHCH2 2=CH - CONa=CH - CONaO O高吸水性树脂高吸水性树脂1 1）对天然吸水性高分子材料进行改性，形成接枝共聚物）对天然吸水性高分子材料进行改性，形成接枝共聚物与与丙烯酸钠共聚丙烯酸钠共聚2 2）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）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聚物如

10、聚丙烯酸钠；（同时加入交联剂）如聚丙烯酸钠；（同时加入交联剂）n CHn CH2 2=CH-CH=CH=CH-CH=CH2 2催化剂催化剂1 2 3 41 2 3 41 41 42 32 3 硫化剂的作用是打开顺式聚硫化剂的作用是打开顺式聚1 1，3-3-丁二烯的双键，以丁二烯的双键，以-S-S-S-S-键将顺丁橡胶的线型结构连接为网状结构，得到既有弹性又有键将顺丁橡胶的线型结构连接为网状结构，得到既有弹性又有强度的橡胶。强度的橡胶。 高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结构为体型结构，高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，耐挤压。使其既有吸水性而又不溶于

11、水，耐挤压。学与问（学与问（P.114)P.114) 为什么要做成网状结构？目的是否相同？为什么要做成网状结构？目的是否相同？C=CC=CCHCH2 2CHCH2 2H HH Hn n之后要加入少量交联剂之后要加入少量交联剂硫化剂硫化剂二、常见的功能高分子的分类二、常见的功能高分子的分类光敏高分子光敏高分子导电高分子导电高分子高分子催化剂与试剂高分子催化剂与试剂微生物降解高分子微生物降解高分子生物医药高分子生物医药高分子高分子吸附剂高分子吸附剂高分子膜高分子膜高吸水性树脂高吸水性树脂交换型高分子交换型高分子1 1、旱地种植、改良土壤、改造沙漠、尿不湿等。、旱地种植、改良土壤、改造沙漠、尿不湿等

12、。2 2、液晶高分子、医用高分子、高分子涂料、导电高分子等、液晶高分子、医用高分子、高分子涂料、导电高分子等功能高分子材料的应用：功能高分子材料的应用：（1 1）高分子分离膜：）高分子分离膜：这是具有特殊这是具有特殊_功能的高分子材料制成的薄膜，它的特点功能的高分子材料制成的薄膜，它的特点是能让某些物质是能让某些物质_通过，而把另外一些物质分离掉，应通过，而把另外一些物质分离掉，应用于物质分离用于物质分离 。分离分离有选择地有选择地“2004海水淡化及利用技术国际研讨会海水淡化及利用技术国际研讨会” 在天津圆满闭幕在天津圆满闭幕. 能从海水中分离出淡水的逆渗透膜已达到大规模使用的阶段，能从海水

13、中分离出淡水的逆渗透膜已达到大规模使用的阶段，它也是一种半透膜，只让水分子通过，而使含盐的低分子溶质几它也是一种半透膜，只让水分子通过，而使含盐的低分子溶质几乎不能通过，施加一定的压力后，就能使水加速挤出。采用不同乎不能通过，施加一定的压力后，就能使水加速挤出。采用不同结构的逆渗透膜就可以获得工业锅炉水、饮料水、无菌水、去离结构的逆渗透膜就可以获得工业锅炉水、饮料水、无菌水、去离子水、洗涤半导体的超纯水等。在非洲一些缺水地区建立起不少子水、洗涤半导体的超纯水等。在非洲一些缺水地区建立起不少海水淡化装置。一种海水淡化装置。一种PEC1000PEC1000的海水淡化装置对海水如加压的海水淡化装置对

14、海水如加压 40407070公斤公斤/ /平方厘米，就可以得到平方厘米，就可以得到16162020的淡水。建于沙的淡水。建于沙特阿拉伯的基塔自来水厂，是世界上最大的海水淡化厂，日供应特阿拉伯的基塔自来水厂，是世界上最大的海水淡化厂，日供应淡水淡水1200012000吨，主要使用醋酸纤维素分离膜装置。吨，主要使用醋酸纤维素分离膜装置。实验探究：实验探究：分离膜具有神奇的魔术师般的本领，从下面的实验中不难分离膜具有神奇的魔术师般的本领，从下面的实验中不难领会。将一瓶含酒精领会。将一瓶含酒精4.54.5的普通啤酒用水稀释成两瓶，然后倒入玻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

15、过薄薄的一层分离膜，就能够在几分钟璃容器内，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，促使乙醇溶解、扩散、这个实验中在分离膜的表面施加了高频电场，促使乙醇溶解、扩散、和水分离，所耗电能仅为蒸馏法的十分之一。在过去要从液体中分离和水分离，所耗电能仅为蒸馏法的十分之一。在过去要从液体中分离另一种液体，只能使用蒸馏法。另一种液体，只能使用蒸馏法。夜光表夜光表中的发中的发光元件光元件【分组活动】请把下面的功能高分子化合物所构成的物质【分组

16、活动】请把下面的功能高分子化合物所构成的物质归类归类: :光敏高分子材料光敏高分子材料, ,高吸水性树脂高吸水性树脂, ,导电高分子材料导电高分子材料. .隐形眼镜隐形眼镜: :见见光发生化学光发生化学反应反应. .视频器的感光镜头视频器的感光镜头光固化涂料光固化涂料照相机中的感光元件照相机中的感光元件18881888年，奥地利科学家年，奥地利科学家FReinitzerFReinitzer发现了液晶。发现了液晶。2020世纪世纪7070年代初，年代初，HelfrichHelfrich和和SchadtSchadt利用液晶的电光效应和集成电路相结合，将其制成显示器件，实现了利用液晶的电光效应和集成

17、电路相结合，将其制成显示器件，实现了液晶材料的产业化。这种液晶材料称为扭曲向列相液晶显示（液晶材料的产业化。这种液晶材料称为扭曲向列相液晶显示（NT-LCDNT-LCD）材料，）材料，其产品主要应用在电子表和计算器上。其产品主要应用在电子表和计算器上。8080年代中期，开发成功超扭曲向列相液年代中期，开发成功超扭曲向列相液晶显示（晶显示（STN-LCDSTN-LCD）材料，其产品主要应用在）材料，其产品主要应用在BPBP机、移动电话和笔记本电脑上。机、移动电话和笔记本电脑上。酯类和联苯类液晶化合物是酯类和联苯类液晶化合物是STN-LCDSTN-LCD用混晶材料的主要成分，国内各科研机构用混晶材

18、料的主要成分，国内各科研机构已开发了近千种，其中已有已开发了近千种，其中已有100100种以上应用于混晶配方。种以上应用于混晶配方。* * * *（请你想一想）角膜接触镜，俗称隐形眼镜。目前大量使用（请你想一想）角膜接触镜，俗称隐形眼镜。目前大量使用的软质隐形眼镜，它常用以下哪种材料制成的（的软质隐形眼镜，它常用以下哪种材料制成的（ ）（A A）有机玻璃）有机玻璃 （B B）硅氧烷和丙烯酸酯的共聚物）硅氧烷和丙烯酸酯的共聚物（C C）聚氯乙烯）聚氯乙烯 （D D）聚甲基丙烯酸羟乙酯）聚甲基丙烯酸羟乙酯D D卫生巾卫生巾高效抗旱剂高效抗旱剂保保湿湿滋滋润润霜霜电热恒温地毯电热恒温地毯导导电电胶胶

19、带带导导电电膏膏药药光敏高分子材料：光敏高分子材料：夜光表中的发光元夜光表中的发光元件，隐形眼镜，光固化涂料，视频器件，隐形眼镜，光固化涂料，视频器的感光镜头的感光镜头, ,照相机中的感光元件照相机中的感光元件. .高吸水性树脂高吸水性树脂: :保湿滋润霜保湿滋润霜, ,卫生巾卫生巾, ,做面巾纸的树脂做面巾纸的树脂, ,高效抗旱剂高效抗旱剂. .导电高分子材料：导电高分子材料：导电胶带，电热恒导电胶带，电热恒温地毯，导电膏药温地毯，导电膏药. .生物相容性生物相容性排斥排斥具有优异的具有优异的_ _ ，较少受到，较少受到_ _ ，可以满足人工器，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。官对材料的苛

20、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。（2 2）医用高分子材料）医用高分子材料人造关节人造关节人造血管的发现：人造血管的发现：两年前，美国生物医药专家两年前，美国生物医药专家 从家猪体内提取从家猪体内提取的细胞制成了一条完整的血管，之后的细胞制成了一条完整的血管，之后 ，将每条新制的血管放在，将每条新制的血管放在称作生物反应器的培养皿中，在反应器上安装一个微型泵并把称作生物反应器的培养皿中，在反应器上安装一个微型泵并把它与新制成的人造血管相连。微型泵可以像人的心脏一样有规它与新制成的人造血管相连。微型泵可以像人的心脏一样有规律地跳动。在这种环境中培养几个星

21、期后，得到一条血管，人律地跳动。在这种环境中培养几个星期后，得到一条血管，人工合成的血管可以像真的血管一样工作。研究人员将这种人造工合成的血管可以像真的血管一样工作。研究人员将这种人造血管移植到家猪大腿主动脉上，在几周内该血管一直保持开放血管移植到家猪大腿主动脉上，在几周内该血管一直保持开放并且未发生血液凝结。并且未发生血液凝结。 拓宽拓宽 人体器官商店人体器官商店十年后的某一天，一位老人被告之他的心脏正在急速衰竭，十年后的某一天，一位老人被告之他的心脏正在急速衰竭，需要更换左心室。主治医师将他健康的心脏细胞组织切片送到需要更换左心室。主治医师将他健康的心脏细胞组织切片送到一家组织实验室，即人

22、造器官工厂。研究人员利用组织切片和一家组织实验室，即人造器官工厂。研究人员利用组织切片和特殊聚合物制造出代用的左心室。三个月后，代用左心室被冷特殊聚合物制造出代用的左心室。三个月后，代用左心室被冷冻、包装并送往医院。医生将代用品换到老人的心脏内。由于冻、包装并送往医院。医生将代用品换到老人的心脏内。由于代用品相当于老人自己的器官，手术之后自然不会发生任何排代用品相当于老人自己的器官，手术之后自然不会发生任何排斥反应，老人的生命因此而得到延续。斥反应，老人的生命因此而得到延续。人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜 一张柔软的纸，白一张柔软的纸，白中透出微黄，这张不中透出微黄，这张不起眼的起眼的“白纸白纸”就

23、是就是填补国内空白的高科填补国内空白的高科技技“人造皮肤人造皮肤”。这。这种种“人造皮肤人造皮肤”能帮能帮助伤口尽快恢复。比助伤口尽快恢复。比如烧烫伤，把水泡的如烧烫伤，把水泡的水放出，用药清洗后，水放出，用药清洗后，将将“人造皮肤人造皮肤”敷贴敷贴在伤口上，很快在伤口上，很快“人人造皮肤造皮肤”就和人的身就和人的身体长在一起，成了真体长在一起，成了真的皮肤。的皮肤。 人造皮肤人造皮肤人造心脏人造心脏人造肾脏人造肾脏人造膝关节人造膝关节二、复合材料二、复合材料1 1复合材料涵义复合材料涵义：指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。其中一种做为指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。其中一种

24、做为_，另外材料做为，另外材料做为_。具有具有_等优异性能，在综合性等优异性能，在综合性能上超过了单一材料。能上超过了单一材料。2 2复合材料的性能：复合材料的性能：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璃钢产品在化工、石油、玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航建筑、体育、国防、航空航天工业包括神州五号载人飞天工业包括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要船等高端技术领域发挥重要作用作用复合材料玻璃钢复合材料玻璃钢 碳纤维复合材料，它具有强度高、耐疲劳、重量轻碳纤维复合材料，它具有强度高、耐疲劳、重量轻等优点，

25、主要以聚丙烯腈为原料，也可用人造丝、石油沥等优点，主要以聚丙烯腈为原料，也可用人造丝、石油沥青或煤沥青为原料。青或煤沥青为原料。复合材料复合材料碳纤维碳纤维复合材料复合材料隐形飞机上的特殊材料隐形飞机上的特殊材料B2B2飞机的整个机身，飞机的整个机身，除主梁和发动机机舱使用的是钦复合材除主梁和发动机机舱使用的是钦复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成，不易反射料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成，不易反射雷达波。雷达波。并且，这些不同的复合材料部件不是靠铆钉拼合，而并且，这些不同的复合材料部件不是靠铆钉拼合，而是经高压压铸而成。另外，矾翼的前缘还全部包覆上了一层特是经高压压

26、铸而成。另外，矾翼的前缘还全部包覆上了一层特制的吸波材料制的吸波材料(RAM)(RAM)。位于机翼前部、内装雷达扫瞄天线阵列的。位于机翼前部、内装雷达扫瞄天线阵列的两个方形突出部件，也采用了特殊的吸波材料。此外，两个方形突出部件，也采用了特殊的吸波材料。此外，B2AB2A的的整个机体都喷涂上了特制的吸波油漆，这在很大程度上降低了整个机体都喷涂上了特制的吸波油漆，这在很大程度上降低了敌方探测雷达的回波。敌方探测雷达的回波。三、有机高分子材料的发展趋势三、有机高分子材料的发展趋势1 1旧材料改进推广：旧材料改进推广：对重要的通用有机高分子材料继续进行对重要的通用有机高分子材料继续进行改进和推广，使

27、他们的性能不断提高，应用范围不断扩大。如改进和推广，使他们的性能不断提高，应用范围不断扩大。如新型导电和电磁屏蔽材料。新型导电和电磁屏蔽材料。2 2研制新材料：研制新材料：与人类自身密切相关、具有特殊功能的材料与人类自身密切相关、具有特殊功能的材料的研究也在不断加强，并且取得了一定的进展，如仿生高分子的研究也在不断加强，并且取得了一定的进展，如仿生高分子材料、高分子智能材料、超导材料、光电转换材料、生物材料、材料、高分子智能材料、超导材料、光电转换材料、生物材料、光解水催化剂、热电膜、传感膜等。光解水催化剂、热电膜、传感膜等。 总的来说，复合化、设计化、智能化、仿生化、轻量化、高总的来说，复合

28、化、设计化、智能化、仿生化、轻量化、高性能化、高功能化性能化、高功能化, ,以及纳米材料等是有机高分子材料的发展方向。以及纳米材料等是有机高分子材料的发展方向。典型例题典型例题例例1 1：下列：下列不属于不属于新型有机高分子材料的是：新型有机高分子材料的是： （ ）A A高分子分离膜高分子分离膜B B液晶高分子材料液晶高分子材料C C生物高分子材料生物高分子材料D D有机玻璃有机玻璃选题目的：复习新型有机高分子材料的知识。选题目的：复习新型有机高分子材料的知识。思路分析思路分析: :有机玻璃是传统三大合成材料中的塑料，它不属有机玻璃是传统三大合成材料中的塑料，它不属于新型有机高分子材料。于新型

29、有机高分子材料。D D例例2 2、随着有机高分子材料的研究不断的加强和深入，使一些重、随着有机高分子材料的研究不断的加强和深入，使一些重要的通用高分子材料的应用范围不断扩大，下列应用范围是通用要的通用高分子材料的应用范围不断扩大，下列应用范围是通用高分子材料的最新研究成果的是高分子材料的最新研究成果的是（A A）新型导电材料（）新型导电材料（B B）仿生高分子材料）仿生高分子材料（C C）高分子智能材料（）高分子智能材料（D D）电磁屏蔽材料）电磁屏蔽材料选题目的：考察高分子材料的相关概念。选题目的：考察高分子材料的相关概念。思路分析：随着社会的进步，科学技术的发展，高分子材料思路分析：随着社

30、会的进步，科学技术的发展，高分子材料的作用越来越重用。特别是在尖端技术领域，对合成材料提出了的作用越来越重用。特别是在尖端技术领域，对合成材料提出了更高的要求，尤其是在具有特殊性质的功能性材料和多种功能集更高的要求，尤其是在具有特殊性质的功能性材料和多种功能集一身的复合材料。一身的复合材料。解答：解答：A A、D D。启示：高分子材料的研究方面是一方面对重要的通用有机高启示：高分子材料的研究方面是一方面对重要的通用有机高分子材料继续改进和推广。另一方面研究与人类自身密切相关，分子材料继续改进和推广。另一方面研究与人类自身密切相关，具有特殊功能材具有特殊功能材D D A A 课堂练习课堂练习1 1 、下列物质中下列物质中, ,不属于功能高分子材料的是不属于功能高分子材料的是:( ):( )A A高分子分离膜高分子分离膜B B高吸水性树脂高吸水性树脂C C液晶高分子材料液晶高分子材料D D普通塑料普通塑料2 2、科学家研制的一种使沙漠变绿洲的新技术，即在沙漠中喷洒科学家