第12章功能高分子

1、 第十章第十章 功能高分子功能高分子 鲨鱼皮泳衣鲨鱼皮泳衣 轻便赛车轻便赛车波音波音757AV8B鹞式飞机鹞式飞机 偏光显微镜下的高分子液晶偏光显微镜下的高分子液晶电致发光高分子电致发光高分子内容概要内容概要功能高分子材料简介功能高分子材料简介几种类型的高分子材料几种类型的高分子材料导电高分子导电高分子可降解高分子可降解高分子高分子吸附剂高分子吸附剂高分子功能膜高分子功能膜生物医用高分子生物医用高分子什么是功能高分子什么是功能高分子? 一般说来，利用其力学性能的高分子，称为一一般说来，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；而般高分子，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙

2、烯等；而利用力学性能以外性能的高分子，叫做功能高分子。利用力学性能以外性能的高分子，叫做功能高分子。功能高分子（功能高分子（FP,Functional Polymer）一般带有官一般带有官能团，化学结构较复杂，因此，难以按化学结构来能团，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。分类，一般按照其功能来分类。按照功能来分类按照功能来分类:1.化学功能化学功能离子交换树脂、螯合树脂、感光性树脂、氧离子交换树脂、螯合树脂、感光性树脂、氧化还原树脂、高分子试剂、高分子催化剂、化还原树脂、高分子试剂、高分子催化剂、高分子增感剂、分解性高分子等高分子增感剂、分解性高分子等 2.物理

3、功能物理功能导电性高分子（包括电子型导电高分子、高分子导电性高分子（包括电子型导电高分子、高分子固态离子导体、高分子半导体）、高介电性高分固态离子导体、高分子半导体）、高介电性高分子（包括高分子驻极体、高分子压电体）、高分子（包括高分子驻极体、高分子压电体）、高分子光电导体、高分子光生伏打材料、高分子显示子光电导体、高分子光生伏打材料、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.复合功能复合功能高分子、高分子吸附剂、高分子絮凝剂、高分子高分子、高分子吸附剂、高分子絮凝剂、高分子表面活性剂、高分子染料、高分子稳定剂、高分表面活性剂、高分子染料、高分子稳定剂、高分子相溶

4、剂、高分子功能膜和高分子功能电极等子相溶剂、高分子功能膜和高分子功能电极等 4.生物、医用功能生物、医用功能抗血栓、控制药物释放和生物活性等抗血栓、控制药物释放和生物活性等 按照功能特性通常可分成以下几类：按照功能特性通常可分成以下几类：（1 1）分离材料和化学功能材料）分离材料和化学功能材料（2 2）电磁功能高分子材料）电磁功能高分子材料（3 3）光功能高分子材料）光功能高分子材料（4 4）生物医用高分子材料）生物医用高分子材料 从制造和结构的角度考虑：从制造和结构的角度考虑： 结构型功能高分子结构型功能高分子 复合型功能高分子复合型功能高分子 种种 类类 功功 能能 特特 性性 应应 用用

5、 示示 例例1.1.分离材料和化学功能高分子材料分离材料和化学功能高分子材料高分子分离膜和气液交换膜 传质作用 化工、制药、海水淡化、冶金离子交换树脂和交换膜 离子交换作用 化工、制药、水净化高分子催化剂和高分子固定酶 催化作用 化工、食品加工、生物工程高分子试剂 反应性 农药、医用、环保贮氢材料 吸着作用 化工、能源高吸水性材料 吸着作用 农业、纸制品2.2.电磁功能高分子材料电磁功能高分子材料导电高分子材料 导电性 防静电材料、屏蔽材料、固体电 解质材料、面状发热体高分子半导体 导电性 电子技术和电子器件光导电材料 光电效应 电子照相、光电池、传感器压电高分子 力电效应 开关材料、仪器仪表

6、测量材料 机器人触感材料高分子磁性体 导磁作用 塑料磁石、磁性橡胶、中子吸收 微型电机磁性记录材料 磁性转换 磁带、磁盘电致变色材料 光电效应 显示、记录 种种 类类 功功 能能 特特 性性 应应 用用 示示 例例3.3.光功能高分子材料光功能高分子材料光致变色、显示和发光材料光致变色、显示和发光材料 光色、光电效应光色、光电效应 自动调节光线明暗自动调节光线明暗 的太阳镜和窗玻璃的太阳镜和窗玻璃 等、显示、记录等、显示、记录液晶高分子液晶高分子 偏光效应偏光效应 显示、连接器显示、连接器荧光高分子材料荧光高分子材料 光化学作用光化学作用 情报处理、荧光染料情报处理、荧光染料光降解高分子材料光

7、降解高分子材料 光化学光化学 环境保护环境保护光盘基板材料光盘基板材料 光学原理光学原理 高密度记录和贮存信息高密度记录和贮存信息4.4.生物医用高分子材料生物医用高分子材料人工器官材料人工器官材料 仿人体功能与替代仿人体功能与替代 人体脏器人体脏器 修补作用修补作用药物高分子药物高分子 药理作用药理作用 治疗动脉硬化、抗血栓治疗动脉硬化、抗血栓降解性缝合材料降解性缝合材料 化学降解化学降解 非永久性外科材料非永久性外科材料 功能高分子功能高分子:具有特殊的物理或化学性能的高分子，如吸附性能、具有特殊的物理或化学性能的高分子，如吸附性能、反应性能、光性能、电性能、磁性能等。反应性能、光性能、电

8、性能、磁性能等。10.1 吸附分离功能高分子吸附分离功能高分子 吸附：吸附：液体或气体中的某些分子通过各种亲和作用结合于固液体或气体中的某些分子通过各种亲和作用结合于固体材料上。体材料上。 应用：应用：利用吸附的选择性，可实现复杂物质体系的分离与各利用吸附的选择性，可实现复杂物质体系的分离与各种成分的富集与纯化及检测。种成分的富集与纯化及检测。 吸附分离功能高分子吸附分离功能高分子：对某些特定离子或分子具有选择性吸附：对某些特定离子或分子具有选择性吸附作用的高分子。作用的高分子。吸附分离功能高分子分类：吸附分离功能高分子分类： 按吸附机理按吸附机理: :化学吸附、物理吸附和亲和吸附高分子；化学

9、吸附、物理吸附和亲和吸附高分子； 按其形态按其形态: :无定形、珠状、纤维状；无定形、珠状、纤维状； 按其孔结构按其孔结构: :微孔型微孔型( (凝胶型凝胶型) )、中孔型、大孔型等。、中孔型、大孔型等。 10.1.1 吸附分离功能高分子骨架结构的合成吸附分离功能高分子骨架结构的合成 为了保证吸附树脂在使用时不被溶解，其骨架结构通常需有一为了保证吸附树脂在使用时不被溶解，其骨架结构通常需有一定程度的交联，常常是由单乙烯基单体和多乙烯基交联单体共聚定程度的交联，常常是由单乙烯基单体和多乙烯基交联单体共聚而成的交联结构，可以有无定形、珠状和纤维状三种基本形态，而成的交联结构，可以有无定形、珠状和纤

10、维状三种基本形态，其中珠状材料应用最为广泛。其中珠状材料应用最为广泛。 成珠技术成珠技术: : 悬浮聚合悬浮聚合 501500m沉淀聚合沉淀聚合微米级微米级乳液聚合乳液聚合0.050.7m其中以悬浮聚合的应用最为广泛。其中以悬浮聚合的应用最为广泛。 无无致孔剂存在下致孔剂存在下，悬浮聚合所得的交联聚合物小球为悬浮聚合所得的交联聚合物小球为凝胶型凝胶型（微孔型微孔型），凝胶型交联小球在干态时孔隙非常小，只有在添加），凝胶型交联小球在干态时孔隙非常小，只有在添加良溶剂后才会重构一定的孔隙。因此，凝胶型交联小球常常必须良溶剂后才会重构一定的孔隙。因此，凝胶型交联小球常常必须在良溶剂中使用。在良溶剂中

11、使用。 致孔技术致孔技术: : (I)惰性稀释剂致孔惰性稀释剂致孔(II)线形高分子致孔线形高分子致孔 如果在聚合反应过程中加入致孔剂，则可得到大孔型交联小如果在聚合反应过程中加入致孔剂，则可得到大孔型交联小球，其多孔结构是永久的，在气相和不良溶剂中也可使用，并且球，其多孔结构是永久的，在气相和不良溶剂中也可使用，并且大孔型交联小球比凝胶型交联小球吸附能力更强，在进行化学改大孔型交联小球比凝胶型交联小球吸附能力更强，在进行化学改性时，更容易获得高的功能基引入率。性时，更容易获得高的功能基引入率。 10.1.2 化学吸附功能高分子化学吸附功能高分子（1）离子交换树脂）离子交换树脂 离子交换树脂：

12、通过离子键与各种阳离子或阴离子产生吸附作离子交换树脂：通过离子键与各种阳离子或阴离子产生吸附作用，对相应的离子进行离子交换。用，对相应的离子进行离子交换。 强酸型阳离子交换树脂强酸型阳离子交换树脂弱酸型阳离子交换树脂弱酸型阳离子交换树脂强碱型阴离子交换树脂强碱型阴离子交换树脂弱碱型阴离子交换树脂弱碱型阴离子交换树脂 离子交换树脂的分类离子交换树脂的分类: : 强酸型阳离子交换树脂强酸型阳离子交换树脂 最具代表性的是聚苯乙烯磺酸树脂最具代表性的是聚苯乙烯磺酸树脂 弱酸型阳离子交换树脂弱酸型阳离子交换树脂 最具代表性的是聚（甲基）丙烯酸型最具代表性的是聚（甲基）丙烯酸型 的离子交换树脂的离子交换树

13、脂 强碱型阴离子交换树脂强碱型阴离子交换树脂 常用的是对聚苯乙烯交联小球先后经常用的是对聚苯乙烯交联小球先后经 氯甲基化和季铵化改性后得到氯甲基化和季铵化改性后得到 弱碱型阴离子交换树脂弱碱型阴离子交换树脂 其离子交换功能团为伯胺基、仲胺基其离子交换功能团为伯胺基、仲胺基 或叔胺基或叔胺基离子交换树脂的应用离子交换树脂的应用 (I) 清除离子清除离子: 如阳离子交换树脂用于清除水溶液中的阳离子，如阳离子交换树脂用于清除水溶液中的阳离子，阴离子交换树脂用于清除水溶液中的阴离子，将阳离子交换树脂阴离子交换树脂用于清除水溶液中的阴离子，将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂分别装柱串联使用或混合装柱，可消

14、除水中的与阴离子交换树脂分别装柱串联使用或混合装柱，可消除水中的阴离子和阳离子，用于制备去离子水、废水处理等。阴离子和阳离子，用于制备去离子水、废水处理等。 (II) 离子交换离子交换: 利用其离子交换的可逆性，用于离子交换反应，利用其离子交换的可逆性，用于离子交换反应，最成功的应用是离子交换色谱，可以用来分离由多种离子组成的最成功的应用是离子交换色谱，可以用来分离由多种离子组成的混合物。混合物。 (III) 酸、碱催化反应酸、碱催化反应: 如质子型的阳离子交换树脂可作为非常如质子型的阳离子交换树脂可作为非常有效的高分子酸催化剂，氢氧根型阴离子交换树脂则是一种性能有效的高分子酸催化剂，氢氧根型

15、阴离子交换树脂则是一种性能良好的高分子碱性催化剂。良好的高分子碱性催化剂。 （2）高分子螯合树脂高分子螯合树脂 高分子螯合树脂的特征是在高分子骨架上连接有对金属离子高分子螯合树脂的特征是在高分子骨架上连接有对金属离子具有配位功能的螯合基团。具有配位功能的螯合基团。 如如-二酮螯合树脂二酮螯合树脂, ,可以由甲基丙烯酰丙酮的聚合反应而得，可以由甲基丙烯酰丙酮的聚合反应而得，也可由聚乙烯醇与乙烯酮等反应而得：也可由聚乙烯醇与乙烯酮等反应而得： 冠醚类螯合树脂中的冠醚结构可以在主链上，也可在侧基上，冠醚类螯合树脂中的冠醚结构可以在主链上，也可在侧基上，其中以侧链形式较多，如：其中以侧链形式较多，如：

16、 螯合树脂螯合树脂应用应用: :通过选择性螯合作用而实现对各种金属离子的通过选择性螯合作用而实现对各种金属离子的浓缩和富集，可广泛地应用于分析检测、污染治理、环境保护和浓缩和富集，可广泛地应用于分析检测、污染治理、环境保护和工业生产。工业生产。 10.1.3 物理吸附功能高分子物理吸附功能高分子 物理吸附功能高分子：物理吸附功能高分子：主要是一些非离子吸附树脂，根据其极主要是一些非离子吸附树脂，根据其极性大小可分为非极性、中极性和强极性三类。性大小可分为非极性、中极性和强极性三类。 非极性吸附树脂非极性吸附树脂: :主要是交联聚苯乙烯大孔树脂，可通过范主要是交联聚苯乙烯大孔树脂，可通过范德华力

17、吸附具有一定疏水性的物质。德华力吸附具有一定疏水性的物质。 中极性吸附树脂中极性吸附树脂：主要是交联聚丙烯酸酯类及其与苯乙烯的：主要是交联聚丙烯酸酯类及其与苯乙烯的共聚物。其吸附作用除范德华力外，氢键也起一定的作用。共聚物。其吸附作用除范德华力外，氢键也起一定的作用。 强极性吸附树脂强极性吸附树脂：聚丙烯酸酯树脂利用水解反应释放出强极：聚丙烯酸酯树脂利用水解反应释放出强极性的羧基，其吸附作用主要通过氢键和偶极作用进行。性的羧基，其吸附作用主要通过氢键和偶极作用进行。10.2 高分子试剂与高分子催化剂高分子试剂与高分子催化剂 10.2.1 概述概述 将具有反应活性或催化活性的功能基通过适当的方法

18、引入高将具有反应活性或催化活性的功能基通过适当的方法引入高分子骨架就可得到分子骨架就可得到高分子试剂高分子试剂或或高分子催化剂高分子催化剂。 活性功能基的引入可有三种基本方法：活性功能基的引入可有三种基本方法： （I）含功能基单体的聚合）含功能基单体的聚合; （II）对聚合物载体进行功能化改性）对聚合物载体进行功能化改性; (III) 前两种方法的结合，即通过含功能基单体的聚合引入前两种方法的结合，即通过含功能基单体的聚合引入 某种功能基，再通过化学改性将之转化为另一种功能基。某种功能基，再通过化学改性将之转化为另一种功能基。10.2.2 高分子试剂与高分子催化剂的优越性高分子试剂与高分子催化

19、剂的优越性 （1）稳定性和安全性：）稳定性和安全性： 高分子骨架的引入对功能基具有一定的屏蔽作用，可大大提高分子骨架的引入对功能基具有一定的屏蔽作用，可大大提高其稳定性；其次高分子化后可大大减小试剂的挥发性，提高高其稳定性；其次高分子化后可大大减小试剂的挥发性，提高安全性。安全性。 （2）易回收、再生和重复使用）易回收、再生和重复使用: 可降低成本和减少环境污染。可降低成本和减少环境污染。 （3）化学反应的选择性更高）化学反应的选择性更高: 利用高分子载体的空间立体效应，可实现立体选择合成及利用高分子载体的空间立体效应，可实现立体选择合成及分离。分离。 （4）后处理较简单：后处理较简单： 在反

20、应完成后可方便地借助固在反应完成后可方便地借助固- -液分离方法将高分子试剂或液分离方法将高分子试剂或高分子催化剂与反应体系中其他组分相互分离。高分子催化剂与反应体系中其他组分相互分离。 （5）可使用过量试剂使反应完全，同时不会使后处理变复杂。）可使用过量试剂使反应完全，同时不会使后处理变复杂。（6）可应用于组合化学合成，实现化学反应的自动化）可应用于组合化学合成，实现化学反应的自动化。10.2.3 高分子试剂高分子试剂 高分子氧化还原试剂高分子氧化还原试剂 高分子氧化剂高分子氧化剂 高分子还原剂高分子还原剂 高分子卤化试剂高分子卤化试剂 高分子亲核取代试剂高分子亲核取代试剂 10.2.4 高

21、分子催化剂高分子催化剂 强酸型阳离子交换树脂催化剂强酸型阳离子交换树脂催化剂 高分子负载高分子负载Lewis酸酸强碱型阴离子交换树脂催化剂强碱型阴离子交换树脂催化剂 高分子相转移催化剂高分子相转移催化剂 高分子超强酸高分子超强酸 10.3 高分子分离功能膜高分子分离功能膜 当膜处在某两相之间时，由于膜两侧存在的压力差、浓度差当膜处在某两相之间时，由于膜两侧存在的压力差、浓度差以及电位差等，驱使液态或气态的分子或离子等可从膜的一侧渗以及电位差等，驱使液态或气态的分子或离子等可从膜的一侧渗透到另一侧。透到另一侧。 在渗透过程中，由于渗透物的大小、形状、化学性质、电荷在渗透过程中，由于渗透物的大小、

22、形状、化学性质、电荷等不同，其渗透速率也不同，即膜对渗透物具有选择性，因此可等不同，其渗透速率也不同，即膜对渗透物具有选择性，因此可利用膜的这种渗透选择性来分离不同的化合物，具有这种分离功利用膜的这种渗透选择性来分离不同的化合物，具有这种分离功能的高分子膜称能的高分子膜称高分子分离功能膜高分子分离功能膜。 膜的渗透性膜的渗透性：渗透物在膜中的渗透速率。：渗透物在膜中的渗透速率。 10.3.1 高分子分离功能膜分类高分子分离功能膜分类 按被分离物质的不同按被分离物质的不同： （a）气体分离膜）气体分离膜 （b）液体分离膜）液体分离膜 （c）固体分离膜）固体分离膜 （d）离子分离膜）离子分离膜 （

23、e）微生物分离膜）微生物分离膜 按膜的孔径或被分离物的体积大小按膜的孔径或被分离物的体积大小： （a）5000nm以上，微粒过滤膜。以上，微粒过滤膜。 （b）1005000nm，微滤膜，可分离血细胞、乳胶等。，微滤膜，可分离血细胞、乳胶等。 （c）2100nm，超滤膜，可用于分离蛋白质等。，超滤膜，可用于分离蛋白质等。 （d） 10，纳滤膜，可用于分离游离酸和糖等。，纳滤膜，可用于分离游离酸和糖等。 （e） ，反渗透膜（超细滤膜），可分离，反渗透膜（超细滤膜），可分离 NaCl等。等。 按膜的结构主要分为按膜的结构主要分为： （a）致密膜）致密膜 ： 紧密无孔的膜，可由聚合物熔融挤出成膜或由聚

24、合物溶紧密无孔的膜，可由聚合物熔融挤出成膜或由聚合物溶 液浇铸成膜。液浇铸成膜。 （b）多孔膜）多孔膜 ： 有无规分布且相互连接的多孔结构。有无规分布且相互连接的多孔结构。 可由烧结法可由烧结法 、拉伸、拉伸 法法 、径迹蚀刻、径迹蚀刻 等方法获得。等方法获得。10.3.2 高分子分离膜的分离机理高分子分离膜的分离机理 高分子分离膜主要有三种基本的分离机理：高分子分离膜主要有三种基本的分离机理：（1）筛分效应分离机理）筛分效应分离机理 多孔膜的分离机理是筛分机理，即在膜渗透过程中，只有体多孔膜的分离机理是筛分机理，即在膜渗透过程中，只有体积小于膜孔的分子能够由膜孔通过，并且体积较小的渗透物比体

25、积小于膜孔的分子能够由膜孔通过，并且体积较小的渗透物比体积较大的渗透物渗透速率更快。积较大的渗透物渗透速率更快。 （2）溶解扩散效应分离机理）溶解扩散效应分离机理 致密膜的一个重要性能是如果被分离物在膜中的溶解性差别显致密膜的一个重要性能是如果被分离物在膜中的溶解性差别显著时，即使其分子大小相近也能有效地分离。著时，即使其分子大小相近也能有效地分离。 其分离机理是溶解其分离机理是溶解-扩散机理：首先，渗透分子溶解在膜的表面，扩散机理：首先，渗透分子溶解在膜的表面，然后扩散穿过分离膜，出现在膜的另一面。然后扩散穿过分离膜，出现在膜的另一面。 其中溶解性取决于膜与渗透物的亲和性；而扩散性则取决于膜

26、其中溶解性取决于膜与渗透物的亲和性；而扩散性则取决于膜聚合物的化学结构及其分子链运动。聚合物的化学结构及其分子链运动。（3）电化学效应分离机理）电化学效应分离机理在微孔分离膜上接枝离子基团便可得到离子交换分离膜。在微孔分离膜上接枝离子基团便可得到离子交换分离膜。离子交换分离膜的分离机理除筛分效应外，主要是离子交换分离膜的分离机理除筛分效应外，主要是电化学效电化学效应分离机理应分离机理:吸附分离膜上固定离子基团的反离子，而排斥固定离子基团吸附分离膜上固定离子基团的反离子，而排斥固定离子基团的同离子。的同离子。10.3.3 膜分离技术膜分离技术 （1）透析）透析 其原理是溶质在浓度差的驱动下从浓度

27、高的一侧通过分离膜渗其原理是溶质在浓度差的驱动下从浓度高的一侧通过分离膜渗透到浓度低的另一侧，通过下游侧的溶液流动完成分离过程。透到浓度低的另一侧，通过下游侧的溶液流动完成分离过程。 （2）电渗析）电渗析 在电场的作用下，离子通过离子选择性分离膜分别向与之对应在电场的作用下，离子通过离子选择性分离膜分别向与之对应的电极迁移，使不同离子相互分离的过程。的电极迁移，使不同离子相互分离的过程。 （3）全蒸发）全蒸发 原理是将待分离的混合物放于膜的一侧，其中高挥发性的有机原理是将待分离的混合物放于膜的一侧，其中高挥发性的有机溶剂以蒸汽的形式渗透分离膜，在膜的另一侧收集。其驱动力是溶剂以蒸汽的形式渗透分

28、离膜，在膜的另一侧收集。其驱动力是渗透物蒸发所引起的蒸汽压差。渗透物蒸发所引起的蒸汽压差。 （4）微滤、超滤、纳滤和超细滤）微滤、超滤、纳滤和超细滤 都是以压力差为驱动力，促使被分离物从压力高的一侧向压力都是以压力差为驱动力，促使被分离物从压力高的一侧向压力低的一侧移动，利用筛分原理进行的连续膜分离过程。低的一侧移动，利用筛分原理进行的连续膜分离过程。 (a) 微滤微滤:清除溶液中的微生物以及悬浮微粒清除溶液中的微生物以及悬浮微粒(0.1-10um)。 应用应用: 除菌除菌(饮用水处理等）、果汁澄清、溶液澄清等。饮用水处理等）、果汁澄清、溶液澄清等。 (b) 超滤超滤:清除液体中的胶体级微粒以

29、及大分子溶质清除液体中的胶体级微粒以及大分子溶质(2100nm)。 应用应用：合成和生物来源的大分子溶液中溶质的分离、分子：合成和生物来源的大分子溶液中溶质的分离、分子 量分量分布较宽的大分子溶液进行分级处理、从食品工业废弃的乳清中回收布较宽的大分子溶液进行分级处理、从食品工业废弃的乳清中回收蛋白质等。蛋白质等。 纳滤纳滤:主要用来处理一些中等分子量溶质主要用来处理一些中等分子量溶质(0.5 5nm)。 应用应用：生活和生产用水的纯化和软化处理、化学工业中的催化：生活和生产用水的纯化和软化处理、化学工业中的催化剂回收、药物的纯化与浓缩、活性多肽的回收与浓度、溶剂回收剂回收、药物的纯化与浓缩、活

30、性多肽的回收与浓度、溶剂回收等。等。 超细滤（反渗透）超细滤（反渗透）:高压下使被分离物从膜的高浓度一侧向低浓高压下使被分离物从膜的高浓度一侧向低浓 度一侧渗透。度一侧渗透。 应用应用：于海水的脱盐、高硬水的软化、高纯水的制备等。：于海水的脱盐、高硬水的软化、高纯水的制备等。 10.4 10.4 生物医用高分子材料生物医用高分子材料10.4.1 10.4.1 生物医用高分子材料的范畴及其基本要求生物医用高分子材料的范畴及其基本要求 生物医用材料：生物医用材料：以医疗为目的、用于与组织接触以形成功能的以医疗为目的、用于与组织接触以形成功能的无生命的材料。被广泛地用来取代和无生命的材料。被广泛地用

31、来取代和/ /或恢复那些受创伤或退化的或恢复那些受创伤或退化的组织或器官的功能，从而提高病人的生活质量。组织或器官的功能，从而提高病人的生活质量。 生物医用材料必须满足以下的基本要求：生物医用材料必须满足以下的基本要求： （1）无急性毒性、致敏、致炎、致癌和其他不良反应；）无急性毒性、致敏、致炎、致癌和其他不良反应；（2）具有良好的耐腐蚀性能以及相应的生物力学性能和良）具有良好的耐腐蚀性能以及相应的生物力学性能和良好的加工性能。好的加工性能。 （3）体内使用的医用材料，还必须具有良好的组织相容性、）体内使用的医用材料，还必须具有良好的组织相容性、血液适应性和适宜的耐生物降解性。血液适应性和适宜

32、的耐生物降解性。 适当的生物降解性可从两方面来看：适当的生物降解性可从两方面来看： 对于一些长期植入人体内的医用高分子材料要求具有很好的对于一些长期植入人体内的医用高分子材料要求具有很好的耐生物降解性，不致因发生生物降解而需定期更换。耐生物降解性，不致因发生生物降解而需定期更换。 而有些高分子材料植入人体内后，只需在一定时期内发挥作而有些高分子材料植入人体内后，只需在一定时期内发挥作用，在完成其功能后必须从体内去除，如外科手术的缝合线、医用，在完成其功能后必须从体内去除，如外科手术的缝合线、医用胶粘剂和接骨材料等。用胶粘剂和接骨材料等。 生物医用材料主要有生物医用材料主要有金属、陶瓷和高分子材

33、料金属、陶瓷和高分子材料。 高分子材料的优点：高分子材料的优点：组成、性能和形状（固体、纤维、织物、组成、性能和形状（固体、纤维、织物、膜和凝胶）上具有多变性，易于加工成复杂的形状和结构，并且膜和凝胶）上具有多变性，易于加工成复杂的形状和结构，并且易于与其他材料复合以克服单一材料的许多不足，因此聚合物材易于与其他材料复合以克服单一材料的许多不足，因此聚合物材料几乎遍布了生物医学的各个领域。料几乎遍布了生物医学的各个领域。 常用生物医用高分子材料常用生物医用高分子材料：聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、：聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、硅橡胶、聚砜、聚乳聚甲基丙烯酸甲

34、酯、聚对苯二甲酸乙二酯、硅橡胶、聚砜、聚乳酸、聚羟基乙酸等。酸、聚羟基乙酸等。 10.4.2 修复性医用高分子修复性医用高分子 人体组织通常可分为人体组织通常可分为软组织软组织（如皮肤、血管、软骨、韧带等）（如皮肤、血管、软骨、韧带等）和和硬组织硬组织（如骨、牙等）两大类，相应地高分子医用材料在组织（如骨、牙等）两大类，相应地高分子医用材料在组织修复上的应用也可分为软组织修复材料和硬组织修复材料。修复上的应用也可分为软组织修复材料和硬组织修复材料。（1）软组织修复材料）软组织修复材料 可应用于软组织修复的高分子材料是一些生物惰性的生物相可应用于软组织修复的高分子材料是一些生物惰性的生物相容性高

35、分子材料，常用的有聚对苯二甲酸乙二酯、聚四氟乙烯、容性高分子材料，常用的有聚对苯二甲酸乙二酯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚氨酯和硅橡胶、异丁烯聚丙烯、聚氨酯和硅橡胶、异丁烯/聚苯乙烯嵌段共聚物等。聚苯乙烯嵌段共聚物等。 填充材料填充材料 用来弥补一些容貌缺陷、萎缩或者发育不完全，使之符合审用来弥补一些容貌缺陷、萎缩或者发育不完全，使之符合审美要求的医用材料。常用的高分子材料有硅橡胶、聚乙烯和聚四美要求的医用材料。常用的高分子材料有硅橡胶、聚乙烯和聚四氟乙烯。氟乙烯。 血管移植材料血管移植材料 必须具有血液相容性，且其机械性能与疲劳性能也必须与主必须具有血液相容性，且其机械性能与疲劳性能也必须与主体血

36、管相近。体血管相近。聚酯布用于大直径人造血管（聚酯布用于大直径人造血管（1238mm），聚四氟乙烯用），聚四氟乙烯用于中等直径（于中等直径（6-12mm）血管。）血管。 导液管导液管 用于插入人体深处输入液体（如养分、生理盐水、药物、血用于插入人体深处输入液体（如养分、生理盐水、药物、血液等）或通过血管插入心脏进行有关检查的导管。制造材料必须液等）或通过血管插入心脏进行有关检查的导管。制造材料必须是血液相容、不凝血、不感染的材料。是血液相容、不凝血、不感染的材料。PUPU等由于良好的挠曲性和等由于良好的挠曲性和易于加工成不同的大小和长度，是应用广泛的导液管材料。易于加工成不同的大小和长度，是应

37、用广泛的导液管材料。 伤口包扎材料伤口包扎材料 烧伤包敷：烧伤包敷： 一些生物降解性高分子如骨胶、壳多糖、一些生物降解性高分子如骨胶、壳多糖、聚聚乳酸等乳酸等 高分子绷带：高分子绷带： 纱布浸渍聚氨酯预聚体制成纱布浸渍聚氨酯预聚体制成 外科缝合线：外科缝合线： 聚乳酸及其共聚物聚乳酸及其共聚物 医用胶粘剂：医用胶粘剂：-腈基丙烯酸丁酯单体（腈基丙烯酸丁酯单体（504胶）胶） 骨固定材料骨固定材料 理想的骨固定材料是一些生物降解性高分子复合材料，随理想的骨固定材料是一些生物降解性高分子复合材料，随着骨折的愈合，夹板材料也逐渐地被人体分解吸收，在骨折愈着骨折的愈合，夹板材料也逐渐地被人体分解吸收，

38、在骨折愈合后，不需要象金属材料或非再吸收性材料一样需要进行二次合后，不需要象金属材料或非再吸收性材料一样需要进行二次手术。手术。 人工骨人工骨 人工骨以置换病人体内无法愈合的伤骨，特别是关节。人工骨以置换病人体内无法愈合的伤骨，特别是关节。人工骨将长久地留在人体内代替骨的功能，对材料的机械性人工骨将长久地留在人体内代替骨的功能，对材料的机械性能要求很高，用于制备人工骨的主要是一些高分子复合材料，能要求很高，用于制备人工骨的主要是一些高分子复合材料，如陶瓷如陶瓷/ /超高分子量聚乙烯。超高分子量聚乙烯。(2) 硬组织修复材料硬组织修复材料 骨水泥骨水泥 固定人工骨等人造修补件与骨之间的连接。丙烯

39、酸双组分固定人工骨等人造修补件与骨之间的连接。丙烯酸双组分粘结剂骨水泥使用最广泛，其中的固体粉末组分的主要成分为粘结剂骨水泥使用最广泛，其中的固体粉末组分的主要成分为甲基丙烯酸甲酯类聚合物、引发剂（如甲基丙烯酸甲酯类聚合物、引发剂（如BPO），液体组分的主），液体组分的主要成分为甲基丙烯酸甲酯单体、少量的引发促进剂（如要成分为甲基丙烯酸甲酯单体、少量的引发促进剂（如N,N-二二甲基甲苯胺，与甲基甲苯胺，与BPO组成氧化还原引发体系）等组成。组成氧化还原引发体系）等组成。 使用时将两组分混合均匀后，注入修补部位原位聚合固化，使用时将两组分混合均匀后，注入修补部位原位聚合固化，形成功能。形成功能。

40、 牙科修复材料牙科修复材料 如牙冠填充和制备假牙。丙烯酸酯树脂是较早使用的牙冠填如牙冠填充和制备假牙。丙烯酸酯树脂是较早使用的牙冠填充高分子材料，但其机械强度较差，使用寿命较短，因此现在充高分子材料，但其机械强度较差，使用寿命较短，因此现在多已被一些牙科复合树脂所取代。牙科复合树脂主要组分包括多已被一些牙科复合树脂所取代。牙科复合树脂主要组分包括基体树脂、填料、降粘单体、引发剂和稳定剂。基体树脂主要基体树脂、填料、降粘单体、引发剂和稳定剂。基体树脂主要有双酚有双酚A与甲基丙烯酸缩水甘油酯的反应产物或聚氨酯双甲基与甲基丙烯酸缩水甘油酯的反应产物或聚氨酯双甲基丙烯酸树脂；填料包括石英、钡玻璃和硅胶

41、，降粘单体如三甘丙烯酸树脂；填料包括石英、钡玻璃和硅胶，降粘单体如三甘醇双甲基丙烯酸酯，其作用是降低复合树脂粘度，以使树脂能醇双甲基丙烯酸酯，其作用是降低复合树脂粘度，以使树脂能够完全填满牙洞；引发剂如够完全填满牙洞；引发剂如BPO或如安息香烷基醚。或如安息香烷基醚。 组织工程支撑材料以多孔固体支撑材料应用最广泛。用于组织组织工程支撑材料以多孔固体支撑材料应用最广泛。用于组织工程多孔固体支撑材料的高分子主要是一些线形脂肪族聚酯，包工程多孔固体支撑材料的高分子主要是一些线形脂肪族聚酯，包括有聚羟基乙酸（括有聚羟基乙酸（ PGA ）、聚乳酸（）、聚乳酸（ PLA ）、羟基乙酸和乳酸）、羟基乙酸和乳

42、酸的共聚物。的共聚物。（3）组织工程材料）组织工程材料 组织工程中的一个重要领域是以高分子材料作为支撑材料，组织工程中的一个重要领域是以高分子材料作为支撑材料，在其上移植器官或组织的生长细胞，使之形成自然组织，用来修在其上移植器官或组织的生长细胞，使之形成自然组织，用来修复、维持或提高组织功能的一种外科替代疗法。复、维持或提高组织功能的一种外科替代疗法。 10.4.3 高分子药物高分子药物 高分子材料在药物中的应用主要有三方面：高分子材料在药物中的应用主要有三方面： (a) 高分子载体药物控制释放体系高分子载体药物控制释放体系 (b) 小分子药物高分子化小分子药物高分子化 (c) 高分子药物高

43、分子药物 其中以高分子载体药物控制释放体系应用最为广泛。其中以高分子载体药物控制释放体系应用最为广泛。 （1）高分子载体缓释药物）高分子载体缓释药物 血液中药物浓度血液中药物浓度 时间时间中毒浓度中毒浓度有效浓度有效浓度药物释放机理：药物释放机理： (a) 通过可溶性高分子载体的缓慢溶解释放药物通过可溶性高分子载体的缓慢溶解释放药物 由于高子化合物的溶解是一个缓慢的过程，因此将药物由于高子化合物的溶解是一个缓慢的过程，因此将药物 与水溶性高分子载体混合均匀后制成片剂或微粒，利用高分与水溶性高分子载体混合均匀后制成片剂或微粒，利用高分 子载体溶解慢的特性，使药物缓慢释放。子载体溶解慢的特性，使药

44、物缓慢释放。 (b) 通过高分子载体的生物降解释放药物通过高分子载体的生物降解释放药物 通过高分子载体的生物降解速度来调节药物的释放速度。通过高分子载体的生物降解速度来调节药物的释放速度。 (c) 在压力、温度、在压力、温度、pH 及酶的作用下通过高分子微胶囊的半透及酶的作用下通过高分子微胶囊的半透 性膜缓慢释放。性膜缓慢释放。 （2）高分子靶向药物）高分子靶向药物 简单的高分子靶向药物是将药物用高分子载体包裹，利用高简单的高分子靶向药物是将药物用高分子载体包裹，利用高分子载体在不同环境下溶解性的不同，使之选择性地在目标部位分子载体在不同环境下溶解性的不同，使之选择性地在目标部位溶解释放药物。

45、溶解释放药物。 例如胃液是酸性的（例如胃液是酸性的（pH 12），肠液是微碱性的），肠液是微碱性的(pH 78)，若选用一些含羧基的水凝胶作载体，在胃酸环境下，由于羧基之若选用一些含羧基的水凝胶作载体，在胃酸环境下，由于羧基之间的氢键作用，水凝胶的结构紧密，溶胀度小，其包裹的药物难间的氢键作用，水凝胶的结构紧密，溶胀度小，其包裹的药物难释放；而在肠的微碱性环境下，羧基被离子化，水凝胶溶胀大，释放；而在肠的微碱性环境下，羧基被离子化，水凝胶溶胀大，药物被释放，从而实现对肠的定向给药。药物被释放，从而实现对肠的定向给药。 10.5 导电高分子导电高分子 广义上的导电高分子材料可分为两大类：广义上的

46、导电高分子材料可分为两大类： 一类是由绝缘高分子与导电材料（如金属粉、炭黑等）共混一类是由绝缘高分子与导电材料（如金属粉、炭黑等）共混而成的而成的复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料，该类导电高分子材料的导电性能，该类导电高分子材料的导电性能主要由其中的导电填料所决定，其中的高分子主要提供可加工性主要由其中的导电填料所决定，其中的高分子主要提供可加工性能。能。 另一类是高分子本身的结构拥有可流动的载流子，即高分子另一类是高分子本身的结构拥有可流动的载流子，即高分子本身具有导电性，其导电性能主要取决于高分子本身的结构，常本身具有导电性，其导电性能主要取决于高分子本身的结构，常称为称为“本征导

47、电高分子本征导电高分子”（intrinsically conducting polymer, ICP）或或“合成金属合成金属”。 所有导电高分子都是共轭高分子，其分子结构都是含有所有导电高分子都是共轭高分子，其分子结构都是含有-共共轭结构或同时含有轭结构或同时含有-共轭和共轭和p -共轭结构。典型的导电高分子有共轭结构。典型的导电高分子有以下几类：以下几类： 导电高分子的应用导电高分子的应用 (1) 发光二极管发光二极管 共轭高分子可光致发光和电致发光。其光致发光机理如下共轭高分子可光致发光和电致发光。其光致发光机理如下: 共轭高分子的电致发光机理与之类似。共轭高分子的电致发光机理与之类似。

48、（2）导电性应用）导电性应用透明导体透明导体反复充放电的二次电池的电极材料反复充放电的二次电池的电极材料聚合物电容器聚合物电容器（3）电磁屏蔽与隐身）电磁屏蔽与隐身（4）抗抗静电静电 导电高分子可以以掺杂的形式应用，也可以以不掺杂的形式导电高分子可以以掺杂的形式应用，也可以以不掺杂的形式应用。不掺杂导电高分子最重要应用之一是电致发光二极管。掺杂应用。不掺杂导电高分子最重要应用之一是电致发光二极管。掺杂导电高分子的应用又可分为两类，一类是作为有机导体制备导电薄导电高分子的应用又可分为两类，一类是作为有机导体制备导电薄膜、导电纤维、防静电涂料、透明电极和雷达吸收材料等；另一类膜、导电纤维、防静电涂

49、料、透明电极和雷达吸收材料等；另一类的应用是利用聚合物在掺杂过程中物理性质的变化，如光电仪、化的应用是利用聚合物在掺杂过程中物理性质的变化，如光电仪、化学与电化学传感器（如电子鼻）等。学与电化学传感器（如电子鼻）等。 10.6 液晶高分子液晶的发现液晶的发现奥地利植物学家莱尼茨尔测定有机物的熔点时，发现奥地利植物学家莱尼茨尔测定有机物的熔点时，发现某些有机物（某些有机物（胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂）熔化后会）熔化后会经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有继续加热到某一温度才会变而美丽的珍珠光泽，只

50、有继续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体。第二年，德国物理学家莱曼使用成透明清亮的液体。第二年，德国物理学家莱曼使用他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这光显微镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将其命名为各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将其命名为“液态晶体液态晶体”，这就是，这就是“液晶液晶”名称的由来。名称的由来。液晶液晶Liquidcrystals(LC

51、s)液晶是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的相态，液晶是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的相态，它既具有晶态的各向异性，又具有液态的流动性它既具有晶态的各向异性，又具有液态的流动性液晶高分子液晶高分子定义：定义：Polymersthatcanexhibitliquidcrystallinity某些液晶分子可连接成大分子，或者可通过官能团的化学反某些液晶分子可连接成大分子，或者可通过官能团的化学反应连接到高分子骨架上。这些高分子化的液晶在一定条件下应连接到高分子骨架上。这些高分子化的液晶在一定条件下仍可能保持液晶的特征，就形成高分子液晶。仍可能保持液晶的特征，就形成高分子液晶。显示出一般液晶

52、分子的特点显示出一般液晶分子的特点有聚合物的多性能以及多用途有聚合物的多性能以及多用途结构复杂结构复杂构成：构成：致晶单元致晶单元+高分子链高分子链致晶单元致晶单元(mesogens)(rod-like,disk-likeelements)mustbeincorporatedintopolymerchains与小分子液晶相比，液晶高分子具有下列特殊性：与小分子液晶相比，液晶高分子具有下列特殊性：1）热稳定性大幅度提高；）热稳定性大幅度提高；2）热致性高分子液晶有较大的相区间温度；）热致性高分子液晶有较大的相区间温度；3）粘度大，流动行为与一般溶液显著不同）粘度大，流动行为与一般溶液显著不同高分

53、子液晶的特点：高分子液晶的特点：从结构上分析，除致晶单元、取代基、端基的影响外，高分子链从结构上分析，除致晶单元、取代基、端基的影响外，高分子链的性质、连接基团的性质均对高分子液晶的相行为产生影响的性质、连接基团的性质均对高分子液晶的相行为产生影响液晶高分子的分类液晶高分子的分类u 根据高分子链中致晶单元的排列形式和有序性的不同，高分根据高分子链中致晶单元的排列形式和有序性的不同，高分 子液晶可分为：子液晶可分为：近晶型近晶型、向列型向列型和和胆甾型胆甾型。至今为止大部分。至今为止大部分高分子液晶属于高分子液晶属于向列型液晶向列型液晶。u 主链型液晶大多数为高强度、高模量材料主链型液晶大多数为

54、高强度、高模量材料u侧链型液晶大多数为功能性材料侧链型液晶大多数为功能性材料溶致性液晶和热致性液晶溶致性液晶和热致性液晶热致性液晶（热致性液晶（ThermotropicLC）固体固体液晶液晶各向同性液体各向同性液体热热冷冷热热冷冷溶致型液晶（溶致型液晶（LyotropicLC）固体固体液晶液晶各向同性液体各向同性液体+溶剂溶剂+溶剂溶剂-溶剂溶剂-溶剂溶剂 对于溶致性液晶，溶剂与高分子液晶分子之间的作用对于溶致性液晶，溶剂与高分子液晶分子之间的作用起非常重要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溶剂的结构和极性决定了与液晶分子间的亲和力的大小，进而影响液晶分子在溶液中的构象，间的亲和力的大小，进而影响液晶分子在溶液中的构象，能直接影响液晶的形态和稳定性。能直接影响液晶的形态和稳定性。控制高分子液晶溶液的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浓度是控制溶液型高分子液晶相结构的主要手段。热致性高分子液晶热致性高分子液晶主链型热致性高分子液晶中，最典型最重要的主链型热致性高分子液晶中，最典型最重要的代表是聚酯液晶。代表是聚酯液晶。1963年，卡布伦敦公司（年，卡布伦敦公司（Carbo