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文档简介
1、会计学1FunctionalPolymer参考书:参考书:何天白、胡汉杰:何天白、胡汉杰: 功能高分子与新技术功能高分子与新技术 ,2001版版赵文元、王亦军:赵文元、王亦军: 功能高分子材料化学功能高分子材料化学 ,1996化工版化工版凌绳、王秀芬、吴又平:凌绳、王秀芬、吴又平: 聚合物材料聚合物材料 ,2000轻工版轻工版第1页/共84页l第一章第一章 绪论绪论l第二章第二章 反应型功能高分子反应型功能高分子l第三章第三章 导电高分子材料导电高分子材料l第四章第四章 液晶高分子材料液晶高分子材料l第五章第五章 高分子分离膜材料高分子分离膜材料l第六章第六章 感光性高分子感光性高分子l第七章
2、第七章 生物医用高分子材料生物医用高分子材料l第八章第八章 药用高分子材料药用高分子材料l第九章第九章 高吸水树脂高吸水树脂l第十章第十章 吸附分离功能高分子吸附分离功能高分子材料材料第2页/共84页l第一节第一节 功能高分子的定义功能高分子的定义l第二节第二节 功能高分子的分类功能高分子的分类l第三节第三节 功能高分子材料的发展与展望功能高分子材料的发展与展望l第四节第四节 功能高分子材料的结构与分子设功能高分子材料的结构与分子设计计 l第五节第五节 功能高分子的研究方法功能高分子的研究方法l第六节第六节 功能高分子的制备功能高分子的制备第3页/共84页定义:与常规聚合物相比具有明显不同的物
3、定义:与常规聚合物相比具有明显不同的物理化学性质,并具有某些特殊功能理化学性质,并具有某些特殊功能(如电学、光学等方面的特殊功能如电学、光学等方面的特殊功能)的的聚合物大分子聚合物大分子(主要指全人工和半人主要指全人工和半人工合成的聚合物工合成的聚合物) 属于功能高分子属于功能高分子材料。材料。 功能高分子功能高分子是是高分子材料高分子材料的一个特殊领的一个特殊领域,泛指性能特殊、有某些特殊功能、用量域,泛指性能特殊、有某些特殊功能、用量少但能产生重要新技术的一类特殊高分子材少但能产生重要新技术的一类特殊高分子材料。料。第4页/共84页功能高分子功能高分子的研究方向是的研究方向是:运用高分:运
4、用高分子学科的知识与其它学科及国民经济领域进子学科的知识与其它学科及国民经济领域进行学科交叉,研究、探索、创造所需的新材行学科交叉,研究、探索、创造所需的新材料。料。 因此,因此,功能高分子功能高分子的发展是没有固定的发展是没有固定学科边界的。随着人类社会的进步,人类所学科边界的。随着人类社会的进步,人类所需求的不断增加,将会出现更多新的需求的不断增加,将会出现更多新的功能高功能高分子分子的研究领域。的研究领域。第5页/共84页功能高分子与高性能高分子功能高分子与高性能高分子l功能(功能(function)指从外部向材料输入信号时,指从外部向材料输入信号时,材料内部发生质和量的变化而产生输出的
5、特性。例材料内部发生质和量的变化而产生输出的特性。例如,材料在受到外部光的输入时,材料可以输出电如,材料在受到外部光的输入时,材料可以输出电性能,称为材料的光电功能;材料在受到多种介质性能,称为材料的光电功能;材料在受到多种介质作用时,能有选择地分离出其中某些介质,称为材作用时,能有选择地分离出其中某些介质,称为材料的选择分离性。此外,如压电性、药物缓释性等料的选择分离性。此外,如压电性、药物缓释性等,都属于功能的范畴。,都属于功能的范畴。l性能(性能(performance)材料对外部作用的抵抗特材料对外部作用的抵抗特性。例如,对外力的抵抗表现为材料的强度、模量性。例如,对外力的抵抗表现为材
6、料的强度、模量等;对热的抵抗表现为耐热性;对光、电、化学药等;对热的抵抗表现为耐热性;对光、电、化学药品的抵抗,则表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐品的抵抗,则表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。蚀性等。 第6页/共84页 功能高分子功能高分子是指当有外部刺激时,能通过是指当有外部刺激时,能通过化学或物理的方法做出响应的高分子材料。化学或物理的方法做出响应的高分子材料。 高性能高分子高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料能力的高分子材料。功能高分子和功能高分子和高性能高分子高性能高分子均属于特种高分子均属于特种高分子材料的范畴。材料的范畴。第7页/共84
7、页通用高分子材料:通用高分子材料:应用面广量大,价格较低。根据应用面广量大,价格较低。根据其性质和用途可分为五个大类:化学纤维、塑料其性质和用途可分为五个大类:化学纤维、塑料、橡胶、涂料、粘合剂。、橡胶、涂料、粘合剂。特种高分子材料:特种高分子材料:带有特殊物理、化学性质和功能带有特殊物理、化学性质和功能的高分子材料,其性能和特征都大大超出了原有的高分子材料,其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料的范畴。通用高分子材料的范畴。 l功能高分子的功能高分子的研究内容研究内容 : 研究高分子骨架研究高分子骨架、功能化基团、以及分子组成和材料宏观、功能化基团、以及分子组成和材料宏观结构形态与材料功
8、能之间的关系,具体包结构形态与材料功能之间的关系,具体包括功能高分子材料的制备、化学与物理结括功能高分子材料的制备、化学与物理结构、性能及机理研究等。构、性能及机理研究等。第8页/共84页l第一节第一节 功能高分子的定义功能高分子的定义l第二节第二节 功能高分子的分类功能高分子的分类l第三节第三节 功能高分子材料的发展与展望功能高分子材料的发展与展望l第四节第四节 功能高分子材料的结构与分子设功能高分子材料的结构与分子设计计 l第五节第五节 功能高分子的研究方法功能高分子的研究方法l第六节第六节 功能高分子的制备功能高分子的制备第9页/共84页按学科领域划分按学科领域划分1. 力学功能材料力学
9、功能材料1) 强化功能材料强化功能材料,如超高强材料、高结晶材料等;,如超高强材料、高结晶材料等;2) 弹性功能材料弹性功能材料,如热塑性弹性体等。,如热塑性弹性体等。2. 化学功能材料化学功能材料1) 分离功能材料分离功能材料,如分离膜、离子交换树脂、高分子,如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等;络合物等;2) 反应功能材料反应功能材料,如高分子催化剂、高分子试剂;,如高分子催化剂、高分子试剂;3) 生物功能材料生物功能材料,如固定化酶、生物反应器等。,如固定化酶、生物反应器等。第10页/共84页3. 物理化学功能材料物理化学功能材料1) 耐高温高分子耐高温高分子,高分子液晶等;,高分子液
10、晶等;2) 电学功能材料电学功能材料,如导电性高分子等;,如导电性高分子等;3) 光学功能材料光学功能材料,如感光高分子、导光性高分子,如感光高分子、导光性高分子,光敏性高分子等;光敏性高分子等;4) 能量转换功能材料能量转换功能材料,如压电性高分子、热电性高,如压电性高分子、热电性高分子等。分子等。第11页/共84页按实际用途划分按实际用途划分1. 反应性高分子材料反应性高分子材料,包括高分子试剂、高包括高分子试剂、高分子催化剂和高分子染料,特别是高分分子催化剂和高分子染料,特别是高分子固相合成试剂和固定化酶试剂等。子固相合成试剂和固定化酶试剂等。2. 光敏型高分子光敏型高分子,包括各种光稳
11、定剂、光刻,包括各种光稳定剂、光刻胶,感光材料、非线性光学材料、光导胶,感光材料、非线性光学材料、光导材料和光致变色材料等。材料和光致变色材料等。3. 电性能高分子材料电性能高分子材料,包括导电聚合物、能,包括导电聚合物、能量转换型聚合物、电致发光和电致变色量转换型聚合物、电致发光和电致变色材料以及其他电敏感性材料等。材料以及其他电敏感性材料等。第12页/共84页4. 高分子分离材料高分子分离材料,包括各种分离膜、缓释膜和其他,包括各种分离膜、缓释膜和其他半透性膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、高半透性膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、高分子絮凝剂等。分子絮凝剂等。5. 高分子吸附材料高分
12、子吸附材料,包括高分子吸附性树脂、高吸水,包括高分子吸附性树脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。性高分子、高吸油性高分子等。6. 高分子智能材料高分子智能材料,包括高分子记忆材料、信息存储,包括高分子记忆材料、信息存储材料和光、磁、材料和光、磁、pH、压力感应材料等。压力感应材料等。7. 医药用高分子材料医药用高分子材料,包括医用高分子材料、药用高,包括医用高分子材料、药用高分子材料和医药用辅助材料等。分子材料和医药用辅助材料等。8. 高性能工程材料高性能工程材料,如耐高温高分子材料、高强高模,如耐高温高分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纤维材料量高分子材料、阻燃性高分子
13、材料和功能纤维材料、生物降解高分子等。、生物降解高分子等。第13页/共84页l第一节第一节 功能高分子的定义功能高分子的定义l第二节第二节 功能高分子的分类功能高分子的分类l第三节第三节 功能高分子材料的发展与展望功能高分子材料的发展与展望l第四节第四节 功能高分子材料的结构与分子设功能高分子材料的结构与分子设计计 l第五节第五节 功能高分子的研究方法功能高分子的研究方法l第六节第六节 功能高分子的制备功能高分子的制备第14页/共84页1.3.1 功能高分子发展的背景功能高分子发展的背景1. 经济发展的需要经济发展的需要 自从自从1920年施道丁格(年施道丁格(H. Staudinger)建立
14、大分子概念以来,高分建立大分子概念以来,高分子材料以惊人的速度得到发展。子材料以惊人的速度得到发展。至至20世纪世纪60年代,高分子材料工业已基本完善,年代,高分子材料工业已基本完善,解解决了人们的衣着、日用品和工业材料等需决了人们的衣着、日用品和工业材料等需求。通用高分子和工程用高分子的世界总求。通用高分子和工程用高分子的世界总产量已超过几千万吨产量已超过几千万吨/年,特种高分子则为年,特种高分子则为几十万吨几十万吨/年。年。第15页/共84页2. 科学技术发展的需求科学技术发展的需求 8090年代,科学技术有了迅速发展。年代,科学技术有了迅速发展。能源、信息、电子和生命科学等领域的发能源、
15、信息、电子和生命科学等领域的发展,对高分子材料提出了新的要求。即展,对高分子材料提出了新的要求。即要要求高分子材料具有迄今还不曾有过的高性求高分子材料具有迄今还不曾有过的高性能和高功能能和高功能,甚至要求既具有高功能亦具,甚至要求既具有高功能亦具有高性能的高分子材料。有高性能的高分子材料。 第16页/共84页 新能源的要求新能源的要求。太阳能和氢能将成为今。太阳能和氢能将成为今后的主要能源。光电转换材料就成为太阳后的主要能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅材料已进入了实用阶段能利用的关键。硅材料已进入了实用阶段。然而,按现在的能量转换效率,对单晶。然而,按现在的能量转换效率,对单晶硅的
16、需要量实在太大。以日本为例,若利硅的需要量实在太大。以日本为例,若利用太阳能达到当前日本电力的用太阳能达到当前日本电力的1,就需,就需100m m厚的单晶硅至少厚的单晶硅至少2.7万吨。这相当于日万吨。这相当于日本目前单晶硅总产量的本目前单晶硅总产量的90倍。为此,人们倍。为此,人们把注意力转向可高效转换太阳能的功能高把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子分离膜的利用分子材料。如换能型高分子分离膜的利用。第17页/共84页 交通和宇航技术的要求交通和宇航技术的要求。既高速又节约能源。既高速又节约能源是交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。采是交通运输和宇航事业迫切需要解决
17、的课题。采用功能高分子材料,在一定程度上解决了该难题用功能高分子材料,在一定程度上解决了该难题。就目前的成就来看,波音。就目前的成就来看,波音757,767飞机采用飞机采用Kavlar增强材料(一种由高分子液晶纺丝而成的增强材料(一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强的材料),可省油高强纤维增强的材料),可省油50。汽车工业。汽车工业采用高分子材料而实现轻型化,从而达到省油和采用高分子材料而实现轻型化,从而达到省油和高速的目的。高速的目的。 微电子技术的要求微电子技术的要求。高度集成化是微电子工。高度集成化是微电子工业发展的趋势。存储容量将从目前的业发展的趋势。存储容量将从目前的16K发展到发
18、展到256K。此时相应的电路细度仅为此时相应的电路细度仅为1.5m mm。因此,因此,高功能的光致抗蚀材料(感光高分子)已成为微高功能的光致抗蚀材料(感光高分子)已成为微电子工业的关键材料之一。电子工业的关键材料之一。第18页/共84页1.3.2 功能高分子的发展历程与展望功能高分子的发展历程与展望 虽然特种与功能高分子材料的发展可虽然特种与功能高分子材料的发展可以追溯到很久以前,如光敏高分子材料和以追溯到很久以前,如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的历史。但是作为离子交换树脂都有很长的历史。但是作为一门独立的完整的学科,一门独立的完整的学科,功能高分子是从功能高分子是从20世纪世纪80年
19、代中后期开始发展的年代中后期开始发展的。第19页/共84页 最早的功能高分子可追溯到最早的功能高分子可追溯到1935年年离子离子交换树脂交换树脂的发明。的发明。 20世纪世纪50年代,美国人开发了年代,美国人开发了感光高感光高分子分子用于印刷工业,后来又发展到电子工业用于印刷工业,后来又发展到电子工业和微电子工业。和微电子工业。 1957年发现了年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性聚乙烯基咔唑的光电导性,打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘,打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。体的观念。 1966年年Little提出了提出了超导高分子模型超导高分子模型,预计了高分子材料超导和高温超导的可能
20、性预计了高分子材料超导和高温超导的可能性,随后在,随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性。年发现了聚氮化硫的超导性。第20页/共84页 1993年,俄罗斯科学家报道了在经过长年,俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体聚丙烯体系中发现了室温超导体,这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。 20世纪世纪80年代,年代,高分子传感器、人工脏高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜器、高分子分离膜等技术得到快速发展。等技术得到快速发展。 1991年发现了年发现了尼龙尼龙11的铁电性的铁电性,1994年年塑料柔性太阳能电池塑料柔性太阳能电
21、池在美国阿尔贡实验室在美国阿尔贡实验室研制成功,研制成功,1977年发现年发现聚乙炔经过掺杂具有聚乙炔经过掺杂具有金属导电性金属导电性,导致了,导致了聚苯胺、聚吡咯聚苯胺、聚吡咯等一系等一系列导电高分子的问世。列导电高分子的问世。第21页/共84页 其中从其中从20世纪世纪50年代发展起来的年代发展起来的光敏高光敏高分子分子化学,在光聚合、光交联、光降解、荧化学,在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重大突光以及光导机理的研究方面都取得了重大突破,特别在过去破,特别在过去20多年中有了飞快发展,并多年中有了飞快发展,并在工业上得到广泛应用。比如在工业上得到广泛应用。比如光
22、敏涂料、光光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、以及光致发光和光致变色胶、感光性树脂、以及光致发光和光致变色高分子材料高分子材料都已经工业化。都已经工业化。 近年来近年来高分子非线性光学材料高分子非线性光学材料也取得了也取得了突破性的进展。突破性的进展。第22页/共84页 反应型高分子反应型高分子是在有机合成和生物化学是在有机合成和生物化学领域的重要成果,已经开发出众多新型领域的重要成果,已经开发出众多新型高分高分子试剂和高分子催化剂子试剂和高分子催化剂应用到科研和生产过应用到科研和生产过程中,在提高合成反应的选择性、简化工艺程
23、中,在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献过程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来的。更重要的是由此发展而来的固相合成方法固相合成方法和和固定化酶固定化酶技术开创了有机合成机械化、自技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代,在分子生动化、有机反应定向化的新时代,在分子生物学研究方面起到了关键性作用。物学研究方面起到了关键性作用。第23页/共84页 电活性高分子材料电活性高分子材料的发展导致了的发展导致了导电聚导电聚合物合物,聚合物电解质,聚合物电极聚合物电解质,聚合物电极的出现。的出现。此外此外超导、电致发光、电致变色聚合物
24、超导、电致发光、电致变色聚合物也是也是近年来的重要研究成果,其中以电致发光材近年来的重要研究成果,其中以电致发光材料制作的彩色显示器已经被日本和美国公司料制作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功,有望成为新一代显示器件。此外研制成功,有望成为新一代显示器件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。第24页/共84页 高分子分离膜材料高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体与分离技术的发展在复杂体系的分离技术方面独辟蹊径,开辟了气体分离、苦系的分离技术方面独辟蹊径,开辟了气体分
25、离、苦咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术,也为电化学工业和医药工业提供了新离替代技术,也为电化学工业和医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在海型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在海水淡化方面已经成为主角,已经拥有制备水淡化方面已经成为主角,已经拥有制备18万吨万吨/日纯水设备的能力。日纯水设备的能力。 医药用功能高分子医药用功能高分子是目前发展非常迅速的一个是目前发展非常迅速的一个领域,领域,高分子药物、高分子人工组织器官、高分子高分子药物、高分子人工组织器官、高分子医用材料在定向给药、器官替代、整形外科
26、医用材料在定向给药、器官替代、整形外科和拓展和拓展治疗范围方面做出了相当大的贡献。治疗范围方面做出了相当大的贡献。第25页/共84页 特种与功能高分子材料之所以能成为国内外材特种与功能高分子材料之所以能成为国内外材料学科的重要研究热点之一,最主要的原因在于它料学科的重要研究热点之一,最主要的原因在于它们具有独特的们具有独特的“性能性能”和和“功能功能”,可用于替代其,可用于替代其他功能材料,并提高或改进其性能,使其成为具有他功能材料,并提高或改进其性能,使其成为具有全新性质的功能材料。全新性质的功能材料。 可以预计,在今后很长的历史时期中,特种与可以预计,在今后很长的历史时期中,特种与功能高分
27、子材料研究将代表高分子材料发展的主要功能高分子材料研究将代表高分子材料发展的主要方向。方向。l功能高分子研究的功能高分子研究的主要目标和意义主要目标和意义是建立起聚合是建立起聚合物结构与功能之间的关系,并以此为理论,指导物结构与功能之间的关系,并以此为理论,指导开发功能更强或具有全新功能的高分子材料。开发功能更强或具有全新功能的高分子材料。 第26页/共84页l第一节第一节 功能高分子的定义功能高分子的定义l第二节第二节 功能高分子的分类功能高分子的分类l第三节第三节 功能高分子材料的发展与展望功能高分子材料的发展与展望l第四节第四节 功能高分子材料的结构与分子设功能高分子材料的结构与分子设计
28、计 l第五节第五节 功能高分子的研究方法功能高分子的研究方法l第六节第六节 功能高分子的制备功能高分子的制备第27页/共84页 l功能高分子材料之所以能够在应用中表现功能高分子材料之所以能够在应用中表现出许多独特的性质,主要与其结构中的两出许多独特的性质,主要与其结构中的两方面性质有关。方面性质有关。一是分子中对表现出的特一是分子中对表现出的特殊性质起关键作用的殊性质起关键作用的官能团的性质官能团的性质,如高,如高分子化学反应试剂中的反应活性点的反应分子化学反应试剂中的反应活性点的反应性质。性质。二是连接并承载这些官能团的聚合二是连接并承载这些官能团的聚合物物骨架的性质骨架的性质,如溶胀性或润
29、湿性等。两,如溶胀性或润湿性等。两者的结合构成功能高分子的构效关系。者的结合构成功能高分子的构效关系。 第28页/共84页第29页/共84页第30页/共84页Water 172 Oil 163oo阵列碳纳米管(阵列碳纳米管(ACNT)膜膜 表现出超双疏性质表现出超双疏性质第31页/共84页50 m66.6 2.3 o(A)50m(A)115.8 4.7组织工程用超憎水材料组织工程用超憎水材料第32页/共84页50m(C)131.8 1.55m(A)152.6 2.5 o1m(C)5m(D)第33页/共84页1. 官能团的性质对材料的功能起主要作用官能团的性质对材料的功能起主要作用 当官能团的性
30、质对材料的功能起主要作用时当官能团的性质对材料的功能起主要作用时,高分子骨架仅仅起支撑、分隔、固定和降低溶,高分子骨架仅仅起支撑、分隔、固定和降低溶解度等辅助作用。解度等辅助作用。 COOOHSO3HN R3 官能团的作用需要通过与高分子骨架的结合官能团的作用需要通过与高分子骨架的结合或者通过高分子骨架与其他官能团相互结合而发或者通过高分子骨架与其他官能团相互结合而发挥作用。挥作用。第34页/共84页l官能团与聚合物骨架在形态上不能区分,也官能团与聚合物骨架在形态上不能区分,也就是说官能团是聚合物骨架的一部分,或者就是说官能团是聚合物骨架的一部分,或者说聚合物骨架本身起着官能团的作用。说聚合物
31、骨架本身起着官能团的作用。例主链型聚合物液晶和导电聚合物,电子导电例主链型聚合物液晶和导电聚合物,电子导电型聚合物是由具有线性共轭结构的大分子构型聚合物是由具有线性共轭结构的大分子构成,如聚乙炔、芳香烃以及芳香杂环聚合物成,如聚乙炔、芳香烃以及芳香杂环聚合物。线性共轭结构也是高分子骨架的一部分,。线性共轭结构也是高分子骨架的一部分,同时对导电过程起主要作用。同时对导电过程起主要作用。 3 3聚合物骨架本身具有官能团作用聚合物骨架本身具有官能团作用 第35页/共84页4 4,官能团起辅助作用,官能团起辅助作用 l以聚合物骨架为完成所谓功能过程的主体,而官以聚合物骨架为完成所谓功能过程的主体,而官
32、能团仅仅起辅助效应。能团仅仅起辅助效应。如利用引入官能团改善溶解性能、降低玻璃化温度如利用引入官能团改善溶解性能、降低玻璃化温度、改变润湿性和提高机械强度等作用。、改变润湿性和提高机械强度等作用。如在主链型液晶聚合物的芳香环上引入一定体积的如在主链型液晶聚合物的芳香环上引入一定体积的取代基可以降低其玻璃化温度,降低使用温度。取代基可以降低其玻璃化温度,降低使用温度。如在高分子膜材料中引入极性基团可以改变润湿性如在高分子膜材料中引入极性基团可以改变润湿性。第36页/共84页l聚合物的结构、包括微观结构和宏观结构、聚聚合物的结构、包括微观结构和宏观结构、聚合物的化学组成以及聚合物的物理化学性质都合
33、物的化学组成以及聚合物的物理化学性质都会对其功能的实现产生巨大影响。会对其功能的实现产生巨大影响。如,反应型功能高分子要求聚合物要有一定溶胀如,反应型功能高分子要求聚合物要有一定溶胀性能,或者一定空隙度和孔径范围,以满足反性能,或者一定空隙度和孔径范围,以满足反应物质在其中进行扩散运动的需要;应物质在其中进行扩散运动的需要;如,高分子功能膜材料要求聚合物要有微孔结构如,高分子功能膜材料要求聚合物要有微孔结构,或者扩散功能,满足被分离物质在膜中的选,或者扩散功能,满足被分离物质在膜中的选择性透过功能;择性透过功能;第37页/共84页l 根据聚合物的结构,可以将聚合物骨架根据聚合物的结构,可以将聚
34、合物骨架主要分成两种,主要分成两种,一种是线性聚合物一种是线性聚合物,即,即聚合物有一条较长的主链,没有或较少聚合物有一条较长的主链,没有或较少分支;分支;另一种是交联聚合物另一种是交联聚合物,是线性聚,是线性聚合物通过交联剂反应生成的网状大分子合物通过交联剂反应生成的网状大分子。这两种聚合物具有明显不同的物理化。这两种聚合物具有明显不同的物理化学性质,作为功能高分子材料的骨架,学性质,作为功能高分子材料的骨架,根据其使用范围不同,相互间具有各自根据其使用范围不同,相互间具有各自的优缺点。的优缺点。 第38页/共84页(1)线性聚合物线性聚合物l优点:线性聚合物的溶解性能比较好,在优点:线性聚
35、合物的溶解性能比较好,在聚合物制备和加工过程中溶剂选取比较容聚合物制备和加工过程中溶剂选取比较容易。此外,线性聚合物的玻璃化温度一般易。此外,线性聚合物的玻璃化温度一般较低,粘弹性比较好,小分子和离子在其较低,粘弹性比较好,小分子和离子在其中比较容易进行扩散运动。这些性质对于中比较容易进行扩散运动。这些性质对于作为反应型功能高分子材料非常重要。作为反应型功能高分子材料非常重要。l缺点:线性聚合物的易溶解性也降低了机缺点:线性聚合物的易溶解性也降低了机械强度和稳定性。作为反应型功能高分子械强度和稳定性。作为反应型功能高分子,溶解的高分子对产物的污染和高分子试,溶解的高分子对产物的污染和高分子试剂
36、的回收都会造成一定困难。剂的回收都会造成一定困难。 第39页/共84页(2)交联聚合物交联聚合物l优点:交联聚合物的不溶性克服了线性优点:交联聚合物的不溶性克服了线性聚合物对产物的污染和高分子试剂回收聚合物对产物的污染和高分子试剂回收困难等问题,机械强度同时得到提高困难等问题,机械强度同时得到提高 ,可作为树脂型功能高分子可作为树脂型功能高分子l缺点:但是交联聚合物的不溶性造成的缺点:但是交联聚合物的不溶性造成的不易加工处理和不易对其进行结构和组不易加工处理和不易对其进行结构和组成分析是其难以克服的缺点成分析是其难以克服的缺点 第40页/共84页l定义:通过比较可以发现带有同样功能定义:通过比
37、较可以发现带有同样功能基团的高分子化合物的化学和物理性质基团的高分子化合物的化学和物理性质不同于其小分子类似物,这种由于引入不同于其小分子类似物,这种由于引入高分子骨架后产生的这种明显差别被定高分子骨架后产生的这种明显差别被定义为高分子效应。义为高分子效应。 l高分子效应表现在许多方面,有物理性高分子效应表现在许多方面,有物理性质方面的,如挥发性、溶解性和结晶度质方面的,如挥发性、溶解性和结晶度下降;也有化学性质方面的,如高分子下降;也有化学性质方面的,如高分子骨架在反应型高分子使用中的无限稀释骨架在反应型高分子使用中的无限稀释作用、高度浓缩作用和模板作用等。作用、高度浓缩作用和模板作用等。
38、第41页/共84页l设计一种能满足一定需要的功能高分子设计一种能满足一定需要的功能高分子材料是功能高分子化学研究的一项主要材料是功能高分子化学研究的一项主要目标。具有良好功能与性质的高分子材目标。具有良好功能与性质的高分子材料的制备成功与否,在很大程度上取决料的制备成功与否,在很大程度上取决于设计方法和制备路线的制定。于设计方法和制备路线的制定。l功能高分子材料的设计就是以这些分析功能高分子材料的设计就是以这些分析结果为基础,将上述各项功能和效应加结果为基础,将上述各项功能和效应加以结合、组配,使预期功能得以表现。以结合、组配,使预期功能得以表现。第42页/共84页l 许多功能高分子材料是从相
39、应的小分子许多功能高分子材料是从相应的小分子材料发展而来的,这些已知功能的小分子材料发展而来的,这些已知功能的小分子材料一般已经具备了我们所需要的部分主材料一般已经具备了我们所需要的部分主要功能,但是从实际使用角度来讲,还存要功能,但是从实际使用角度来讲,还存在许多不足,无法满足特定需要。经过高在许多不足,无法满足特定需要。经过高分子化过程和结构改进,将小分子材料的分子化过程和结构改进,将小分子材料的功能与高分子骨架的性能相结合,即有可功能与高分子骨架的性能相结合,即有可能开发出新的功能高分子材料。能开发出新的功能高分子材料。 第43页/共84页根据已知功能的小分子为基础设计功能高根据已知功能
40、的小分子为基础设计功能高分子要注意的问题:分子要注意的问题:l首先首先,引入高分子骨架后应有利于小分,引入高分子骨架后应有利于小分子原有功能的发挥,并能弥补其不足,子原有功能的发挥,并能弥补其不足,两者功能不要互相影响;两者功能不要互相影响;l其次其次,高分子化过程要尽量不破坏小分,高分子化过程要尽量不破坏小分子功能材料的作用部分,如子功能材料的作用部分,如主要官能团主要官能团;最后,小分子功能材料能否发展成为;最后,小分子功能材料能否发展成为功能高分子,还取决于功能高分子,还取决于小分子结构特征小分子结构特征和选取的高分子骨架的结构类型是否匹和选取的高分子骨架的结构类型是否匹配配。 第44页
41、/共84页l 作为功能高分子材料,其许多功能是相应小分子作为功能高分子材料,其许多功能是相应小分子材料和采用的聚合物骨架都不具备的,这些功能的材料和采用的聚合物骨架都不具备的,这些功能的产生是由于小分子,或者官能团与聚合物骨架协同产生是由于小分子,或者官能团与聚合物骨架协同作用的结果。显然,根据这一思路进行设计的难度作用的结果。显然,根据这一思路进行设计的难度要比前者要大,原因是虽然许多已知功能高分子的要比前者要大,原因是虽然许多已知功能高分子的协同作用已经搞清,但是仍有许多作用机理有待于协同作用已经搞清,但是仍有许多作用机理有待于探讨,大部分这种协同作用还需要依靠实验验证。探讨,大部分这种协
42、同作用还需要依靠实验验证。1利用高分子骨架的空间位阻作用利用高分子骨架的空间位阻作用2根据聚合物骨架与功能基团的邻位协同作用根据聚合物骨架与功能基团的邻位协同作用第45页/共84页 许多高分子材料已经具有一定功能,对许多高分子材料已经具有一定功能,对其功能进行扩大和拓展也是发展新型功能高其功能进行扩大和拓展也是发展新型功能高分子材料的一种方法,在这方面比较典型的分子材料的一种方法,在这方面比较典型的例子是各种高分子功能膜的制备。例子是各种高分子功能膜的制备。 第46页/共84页l 学科间的交叉和渗透越来越深入学科间的交叉和渗透越来越深入,学科间的理论学科间的理论和方法互相借鉴越来越频繁。功能高
43、分子学科的和方法互相借鉴越来越频繁。功能高分子学科的发展也从其他学科引进了不少研究成果。电子导发展也从其他学科引进了不少研究成果。电子导电聚合物的研究和发展就从金属导电理论中采用电聚合物的研究和发展就从金属导电理论中采用了不少研究成果,特别是借鉴了无机半导体材料了不少研究成果,特别是借鉴了无机半导体材料科学中的掺杂理论和方法,对提高电子导电聚合科学中的掺杂理论和方法,对提高电子导电聚合物的性能和发展新型导电材料作出了很大贡献。物的性能和发展新型导电材料作出了很大贡献。此外,生物学、光学、电子学和医学等领域的研此外,生物学、光学、电子学和医学等领域的研究成果也有很多在功能高分子化学领域中获得应究
44、成果也有很多在功能高分子化学领域中获得应用。用。 第47页/共84页l第一节第一节 功能高分子的定义功能高分子的定义l第二节第二节 功能高分子的分类功能高分子的分类l第三节第三节 功能高分子材料的发展与展望功能高分子材料的发展与展望l第四节第四节 功能高分子材料的结构与分子设功能高分子材料的结构与分子设计计 l第五节第五节 功能高分子的研究方法功能高分子的研究方法l第六节第六节 功能高分子的制备功能高分子的制备第48页/共84页l功能高分子研究是为了功能高分子研究是为了研制、分析已有和新研制、分析已有和新型功能高分子材料型功能高分子材料,主要包括制备方法研究,主要包括制备方法研究、功能测定与作
45、用机理分析和结构分析与研、功能测定与作用机理分析和结构分析与研究。由于功能高分子的特殊性,与其他化学究。由于功能高分子的特殊性,与其他化学领域的研究相比,功能高分子的研究方法自领域的研究相比,功能高分子的研究方法自然也具有一定特殊性。然也具有一定特殊性。第49页/共84页 一、制备方法研究一、制备方法研究 l功能高分子材料制备方法的研究,无论是功能高分子材料制备方法的研究,无论是在理论上还是在应用方面,都具有重要意在理论上还是在应用方面,都具有重要意义。功能高分子材料的制备主要包括义。功能高分子材料的制备主要包括单体单体制备、聚合反应、聚合物的功能化制备、聚合反应、聚合物的功能化和和功能功能材
46、料微观结构材料微观结构,以及,以及宏观结构成型宏观结构成型等几个等几个方面。方面。第50页/共84页l从功能型单体制备功能高分子,单体制从功能型单体制备功能高分子,单体制备需要解决的主要问题是可聚合基团的备需要解决的主要问题是可聚合基团的引入和功能型基团的引入。引入和功能型基团的引入。l可聚合基团的选择要根据在高分子化过可聚合基团的选择要根据在高分子化过程中使用的聚合方法进行选择。程中使用的聚合方法进行选择。 第51页/共84页l在单体中引入功能基的方法比较多,也在单体中引入功能基的方法比较多,也比较复杂,没有比较统一的规律,需要比较复杂,没有比较统一的规律,需要根据实际功能基的结构特点和反应
47、活性根据实际功能基的结构特点和反应活性分别加以设计。需要考虑分别加以设计。需要考虑可聚合基团与可聚合基团与功能化基团之间不要互相干扰,在必要功能化基团之间不要互相干扰,在必要时应对其中某些敏感基团加以保护时应对其中某些敏感基团加以保护。l聚合基团与功能基之间的过渡结构聚合基团与功能基之间的过渡结构常常常常也是制备过程中需要考虑的重要因素,也是制备过程中需要考虑的重要因素,这种过渡结构的长短和大小经常会对功这种过渡结构的长短和大小经常会对功能聚合物的功能发挥产生重要影响。能聚合物的功能发挥产生重要影响。 第52页/共84页l有关聚合反应条件研究与设计,在高分有关聚合反应条件研究与设计,在高分子化
48、学课程中已经有详细介绍。选用哪子化学课程中已经有详细介绍。选用哪一种聚合方式和聚合条件,需要根据功一种聚合方式和聚合条件,需要根据功能高分子材料对机械性质,材料外形特能高分子材料对机械性质,材料外形特征,物理和化学性质等的具体要求而定征,物理和化学性质等的具体要求而定。 第53页/共84页 要充分考虑单体中功能基的保护问题;要充分考虑单体中功能基的保护问题; 在研究聚合条件时应考虑到功能基对聚合在研究聚合条件时应考虑到功能基对聚合反应的影响反应的影响; 应当注意避免在聚合过程中引入的引发剂应当注意避免在聚合过程中引入的引发剂、溶剂、分散剂残留对生成聚合物功能的影响、溶剂、分散剂残留对生成聚合物
49、功能的影响; 要考虑形成的聚合物的交联度、空隙率、要考虑形成的聚合物的交联度、空隙率、孔径等对功能材料使用的影响孔径等对功能材料使用的影响; 要考虑生成的聚合物的机械和化学稳定要考虑生成的聚合物的机械和化学稳定性对实际应用的影响。性对实际应用的影响。 第54页/共84页l聚合物的功能化,微观和宏观结构成型聚合物的功能化,微观和宏观结构成型虽然也是功能高分子材料制备中非常重虽然也是功能高分子材料制备中非常重要的步骤,但是由于不同功能高分子材要的步骤,但是由于不同功能高分子材料之间采用方法的巨大差别,无法在较料之间采用方法的巨大差别,无法在较短的篇幅里甚至作最简单介绍。短的篇幅里甚至作最简单介绍。
50、第55页/共84页l任何材料的性能都是与其化学和物理结任何材料的性能都是与其化学和物理结构紧密相关的。因此,分析与研究功能构紧密相关的。因此,分析与研究功能高分子材料的化学组成和分子结构,以高分子材料的化学组成和分子结构,以及聚合物的次级结构自然就成为功能高及聚合物的次级结构自然就成为功能高分子化学研究的重要内容之一;这方面分子化学研究的重要内容之一;这方面的信息是建立功能高分子构效关系的必的信息是建立功能高分子构效关系的必要条件。这方面研究的主要内容包括化要条件。这方面研究的主要内容包括化学成分分析、化学结构分析、聚合物晶学成分分析、化学结构分析、聚合物晶态结构分析、聚合物聚集态结构分析和态
51、结构分析、聚合物聚集态结构分析和宏观结构分析。宏观结构分析。第56页/共84页l(一一)功能高分子材料的化学成分分析功能高分子材料的化学成分分析l(二二)功能高分子材料的化学结构分析功能高分子材料的化学结构分析 l(三三)功能高分子聚集态结构分析功能高分子聚集态结构分析l(四四)功能高分子材料的热性质分析功能高分子材料的热性质分析 l(五五)功能高分子宏观结构分析功能高分子宏观结构分析 第57页/共84页l功能高分子材料的性能和机理研究是功功能高分子材料的性能和机理研究是功能高分子化学研究最重要的内容之一,能高分子化学研究最重要的内容之一,是材料评价、性能改进、完善理论、拓是材料评价、性能改进
52、、完善理论、拓展应用领域的基础展应用领域的基础。但是功能高分子的。但是功能高分子的性能测定和机理研究,由于其应用领域性能测定和机理研究,由于其应用领域广,涉及学科多,影响因素复杂,是功广,涉及学科多,影响因素复杂,是功能高分子化学中最难进行系统归纳的内能高分子化学中最难进行系统归纳的内容。这里仅给出分析研究的基本原则。容。这里仅给出分析研究的基本原则。 第58页/共84页l功能高分子性能测定要依赖于材料所应用领功能高分子性能测定要依赖于材料所应用领域的科学研究成果和分析测定手段域的科学研究成果和分析测定手段。比如,导电高分子的性能要采用电导测定方法测定其比如,导电高分子的性能要采用电导测定方法
53、测定其导电能力,高分子功能膜材料要用真空渗透等方导电能力,高分子功能膜材料要用真空渗透等方法测定透过能力;光敏高分子材料要用光学和化法测定透过能力;光敏高分子材料要用光学和化学方法测定其对光的敏感度和光化学反应程度;学方法测定其对光的敏感度和光化学反应程度;高分子药物和医用高分子材料要用生物学和医学高分子药物和医用高分子材料要用生物学和医学方法检验其临床效果;高分子催化剂和高分子试方法检验其临床效果;高分子催化剂和高分子试剂要用各种反应动力学和化学热力学测定方法分剂要用各种反应动力学和化学热力学测定方法分析其反应活性和催化能力。析其反应活性和催化能力。 第59页/共84页l作用机理研究一般要将
54、性能研究与上面作用机理研究一般要将性能研究与上面给出的化学与物理结构分析结合,才能给出的化学与物理结构分析结合,才能给出作用机制模型。功能高分子表现出给出作用机制模型。功能高分子表现出的所谓功能都是分子内各功能基、聚合的所谓功能都是分子内各功能基、聚合物骨架、材料的形态结构等因素综合作物骨架、材料的形态结构等因素综合作用的结果。用的结果。 第60页/共84页l第一节第一节 功能高分子的定义功能高分子的定义l第二节第二节 功能高分子的分类功能高分子的分类l第三节第三节 功能高分子材料的发展与展望功能高分子材料的发展与展望l第四节第四节 功能高分子材料的结构与分子设功能高分子材料的结构与分子设计计
55、 l第五节第五节 功能高分子的研究方法功能高分子的研究方法l第六节第六节 功能高分子的制备功能高分子的制备第61页/共84页概述概述 特种与功能高分子材料的特点在于他特种与功能高分子材料的特点在于他们特殊的们特殊的“性能性能”和和“功能功能”,因此在制,因此在制备这些高分子材料的时候,分子设计成为备这些高分子材料的时候,分子设计成为十分关键的研究内容。十分关键的研究内容。 设计一种能满足一定需要的功能高分设计一种能满足一定需要的功能高分子材料是高分子化学研究的一项主要目标子材料是高分子化学研究的一项主要目标。具有良好性质与功能的高分子材料的制具有良好性质与功能的高分子材料的制备成功与否,在很大
56、程度上取决于设计方备成功与否,在很大程度上取决于设计方法和制备路线的制定。法和制备路线的制定。 第62页/共84页 功能高分子材料的制备是通过化学或者功能高分子材料的制备是通过化学或者物理的方法按照材料的设计要求将功能基与物理的方法按照材料的设计要求将功能基与高分子骨架相结合,从而实现预定功能的高分子骨架相结合,从而实现预定功能的。 从上一世纪从上一世纪50年代起,活性聚合等一大年代起,活性聚合等一大批高分子合成新方法的出现,为高分子的分批高分子合成新方法的出现,为高分子的分子结构设计提供了强有力的手段,功能高分子结构设计提供了强有力的手段,功能高分子的制备越来越子的制备越来越 “随心所欲随心
57、所欲”。 第63页/共84页 目前采用的制备方法来看,功能高分子目前采用的制备方法来看,功能高分子材料的制备可归纳为以下三种类型:材料的制备可归纳为以下三种类型:n功能性小分子材料的高分子化;功能性小分子材料的高分子化;n已有高分子材料的功能化;已有高分子材料的功能化;n多功能材料的复合以及已有功能高分子材多功能材料的复合以及已有功能高分子材料的功能扩展。料的功能扩展。 本节介绍具有代表性的功能高分子设计本节介绍具有代表性的功能高分子设计的基本思路和方法。的基本思路和方法。第64页/共84页1. 功能性小分子的高分子化功能性小分子的高分子化 许多功能高分子材料是从相应的功能小许多功能高分子材料
58、是从相应的功能小分子化合物发展而来的分子化合物发展而来的,这些已知功能的小,这些已知功能的小分子化合物一般已经具备了我们所需要的部分子化合物一般已经具备了我们所需要的部分主要功能,但是从实际使用角度来讲,可分主要功能,但是从实际使用角度来讲,可能还存在许多不足,能还存在许多不足,无法满足使用要求无法满足使用要求。对。对这些功能性小分子进行高分子化反应,赋予这些功能性小分子进行高分子化反应,赋予其高分子的功能特点,即有可能开发出新的其高分子的功能特点,即有可能开发出新的功能高分子材料。功能高分子材料。第65页/共84页 青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素,应用十
59、分普遍。它具有易吸收,见效快的,应用十分普遍。它具有易吸收,见效快的特点,但也有排泄快的缺点。利用青霉素结特点,但也有排泄快的缺点。利用青霉素结构中的羧基、氨基与高分子反应,可得到疗构中的羧基、氨基与高分子反应,可得到疗效长的高分子青霉素。例如将青霉素与乙烯效长的高分子青霉素。例如将青霉素与乙烯醇乙烯胺共聚物以酰胺键相结合,得到水醇乙烯胺共聚物以酰胺键相结合,得到水溶性的药物高分子,这种高分子青霉素在人溶性的药物高分子,这种高分子青霉素在人体内的停留时间为低分子青霉素的体内的停留时间为低分子青霉素的3040倍倍。第66页/共84页 功能性小分子的高分子化可利用功能性小分子的高分子化可利用聚合反
60、聚合反应应,如共聚、均聚等;也可,如共聚、均聚等;也可将功能性小分子将功能性小分子化合物通过化学键连接的化学方法与聚合物化合物通过化学键连接的化学方法与聚合物骨架连接骨架连接,将高分子化合物作为载体;甚至,将高分子化合物作为载体;甚至可通过物理方法,如可通过物理方法,如共混、吸附、包埋等共混、吸附、包埋等作作用将功能性小分子高分子化。用将功能性小分子高分子化。第67页/共84页(1) 带有功能性基团的单体的聚合带有功能性基团的单体的聚合 这种制备方法主要包括下述两个步骤:这种制备方法主要包括下述两个步骤:首先首先是通过在功能性小分子中引入可聚合基是通过在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体,然
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