功能高分子材料分析和应用

1、2022/7/19功能高分子材料分析和应用2022/7/19目录一、概述二、具有化学反应和分离功能的高分子材料三、膜分离材料四、导电高分子材料五、医用高分子材料六、复合材料2022/7/19三大支柱产业能源材料信息是能源和信息发展的基础有机合成材料是材料工业的一个重要方面时代 的划分常以材料为标志2022/7/19材料的功能 向材料给予某种作用或输入某种能量之后，经过材料的传输与转换，再将其输出而提供外部不同或相同的一种作用。材料的性能 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；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、防腐蚀性等。 一

2、、概述9.1.1 基本概念2022/7/19功能高分子 - 在高分子化合物的基础上，由于其结构的特异，敏锐的表现出物质、能量、信息的传递、转换或储存作用的特异性能。包含导电高分子、光电高分子、光敏高分子、高分子催化剂、高分子试剂、强吸附水材料等。功能高分子材料 - 一类在外部环境作用下，敏锐的表现出高选择性和特异性能的高分子化合物及高分子材料。2022/7/19功能种类的不同：(1)力学功能 主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材料、超高强材料等。(2)化学功能分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；生物功能材料：如固定化菌，生物反

3、应器等。、功能高分子材料的分类2022/7/19（3）物理化学功能电学功能材料：如超导体，导电高分子等；光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；能量转换材料：如压电材料、光电材料。(4)生物化学功能医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等；功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等；生物降解材料2022/7/19输入输出功能的异同：（1）一次功能材料向某一种材料给予的作用或输入的能量与通过材料输出而给予外部作用能量属于同一类（2）二次功能材料向某一种材料给予的作用或者输入的能量，当其通过功能材料之后，所给予的作用或者输入的能量发生了转换2

4、022/7/19、功能高分子材料设计及制备（1）通过分子设计（包括高分子结构设计和官能团设计），用化学方法合成具有某种功能的高分子（2）将已有的高分子材料予以特殊工艺加工，赋予材料某种功能。（3）通过两种或者两种以上具有不同功能或性能的材料进行复合，获得新的功能材料。（4）高分子（或无机）材料采用物理或化学方法进行表面改性2022/7/19、具有化学反应和分离功能的高分子材料、离子交换树脂一类能够与溶液中的阴离子或阳离子发生交换的功能高分子材料包括基体、官能团、助剂2022/7/19我国“离子交换树脂之父”何炳林 广东省番禹县人，高分子化学家和化学教育家，中国科学院院士。1942年毕业于西南联

5、合大学。1952年获美国印第安纳大学博士学位。1956年回国，任南开大学教授，兼任青岛大学校长。 2022/7/191958年 合成出大孔型离子交换树脂，用于原子弹的研制1970年 在华药用于链霉素精制至今1980年开始 用于血液灌流去除安眠药 用于从肝损伤患者腹水中去除胆红素 去除血液中的抗DNA救治红斑狼疮病 固定某些酶，将氨基酸进行光学拆分 2022/7/19离子交换树脂的主要性能参数：交联度。具有交联结构，在任何条件下不溶解、不熔融机械强度。以减少使用过程中的破碎亲水性交换容量2022/7/19孔隙尺寸。在水中具有足够大的孔隙，以保证离子能以适当的速度在其中扩散热稳定性和化学稳定性。以

6、保证其在使用过程中不发生降解和破坏粒度分布2022/7/19离子交换树脂的分类（1）根据合成方法分类 缩聚型离子交换树脂（例如甲醛与苯酚缩聚物） 加聚型离子交换树脂（例如苯乙烯和二乙烯基苯共聚物）。2022/7/19（2）根据树脂的孔结构分类 凝胶型离子交换树脂 大孔型离子交换树脂 载体型离子交换树脂2022/7/19（3）根据交换离子的性质分类 阴离子交换树脂 阳离子交换树脂 两性离子交换树脂 鳌形树脂2022/7/19离子交换树脂的功能：（1）离子交换（2）脱水作用（3）催化作用（4）脱色作用（5）吸附作用2022/7/19离子交换树脂的主要应用1.在水处理中的应用2.食品工业4.原子能工

7、业3.工业废水处理5.催化剂6.制药工业7.石油化工2022/7/19在水处理中的应用（1）纯水的制备（2）水的软化（3）废水处理2022/7/19（1）纯水的制备强酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂采用的离子交换树脂2022/7/19（1）纯水的制备 阳离子交换树脂塔和阴离子交换树脂塔串联，普通水依次流过两塔制备工艺2022/7/19（1）纯水的制备常见的纯水制备设备图2022/7/19（1） 纯水的制备主要反应式2022/7/19（2）水的软化 天然水中含有Ca2+、Mg2+等 在锅炉壁上生成碳酸钙、硫酸钙、硅酸钙、硅酸镁和氢氧化镁等水垢降低传热系数，增加能耗可能引起锅炉爆炸，造成人员

8、伤亡2022/7/19（2）水的软化Na型阳离子交换树脂软水法常用方法强酸性H-Na型阳离子交换树脂软化法2022/7/19Na型阳离子交换树脂软水法Na型离子交换树脂软水法的主要化学反应2022/7/19Na型阳离子交换树脂软水法 单级软化系统 双级软化系统2022/7/19Na型阳离子交换树脂软水法 设备简单，操作简单，树脂再生容易适用对象 低硬度（5mmol/L）、低碱度（2mmol/L）的原水软化优 点2022/7/19（2） 食品工业中的应用应用于果汁提高果汁色值、透光率、降低浊度增加果汁稳定性提高果汁品质有效去除果汁内的棒曲霉素，减少农残 2022/7/19用于蜂蜜处理脱除蜂蜜中的

9、抗生素 提高蜂蜜色值、透光率等提高蜂蜜贮存稳定性 2022/7/19时代周刊评出20世纪最伟大的100项发明，其中“尿不湿” 榜上有名、高吸水性树脂2022/7/19太空服之父唐鑫源2022/7/19航天员专用“尿不湿”1克能吸收约1000克水 ，吸水性远强于一般婴儿使用的“尿不湿” 2022/7/19 “尿不湿”是航天产品“下凡”的成功典范！现在不仅是婴幼儿使用，还有供特殊成人使用的，更有趣的是有些宠物也系上了“尿不湿”出门溜达，以保护公共卫生。 资料显示：1987年，英国一次性尿布销售利润达2亿英镑。设想一下我们中国这样一个人口大国，利润有多么惊人！ 2022/7/19吸水前吸水后尿不湿吸

10、水前后的变化2022/7/19既然安上super这个头衔,那我们就要看看它们和传统吸水材料的区别何在了V.S普通吸水材料SAP2022/7/19纸、棉花和海绵以及后来的泡沫塑料等。吸水能力通常很低，所吸水量最多仅为自身重量的20倍左右，一旦受到外力作用，则很容易脱水，保水性很差。超强吸水高分子材料普通吸水材料2022/7/19纤维素的结构简式 传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性？ 发现其每个链节上都有OH，它是一种亲水基 2022/7/19 60年代末期，美国首先开发成功高吸水性树脂。这是一种含有强亲水性基团并通常具有一定交联度的高分子材料;它不溶于水和有机溶剂，吸水能力可达自身重量的50

11、02000倍，最高可达5000倍;吸水后立即溶胀为水凝胶，有优良的保水性，即使受压也不易挤出;吸收了水的树脂干燥后，吸水能力仍可恢复。超强吸水高分子材料2022/7/19吸水能力高:可达自身重量的几百倍至几千倍。SAP优点吸水前吸水后超强吸水高分子材料2022/7/19从化学组成和分子结构看，高吸水性树脂是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。从直观上理解，当亲水性基团与水分子接触时，会相互作用形成各种水合状态。2022/7/19水分子与亲水性基团中的金属离子形成配位水合，与电负性很强的氧原子形成氢键等。高分子网状结构中的疏水基团因疏水作用而易于将水分子斥向网格内侧，形成局部不溶性的

12、微粒状结构，使进入网格的水分子由于极性作用而局部冻结，失去活动性，形成“伪冰”（False ice）结构。亲水性基团和疏水性基团的这些作用，显然都为高吸水性树脂的吸水性能作了贡献。2022/7/19 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。吸水前吸水后加交联剂的目的是什么？2022/7/19 研究发现，高吸水性树脂中的网状结构对吸水性有很大的影响：未经交联的树脂基本上没有吸水功能。而少量交联后，吸水率则会成百上千倍地增加。但随着交联密度的增加，吸水率反而下降。2022/7/19高吸水性树脂的结构特征：a.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与

13、水分子形成氢键；b.树脂具有交联结构；c.聚合物内部具有较高的离子浓度；d.聚合物具有较高的分子量 2022/7/19 主链或侧链上含有亲水性基团，如 -3、 -、 -2、 -等 吸水能力：-3-2- 低交联度的三维网络。网络的骨架可以是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂(如聚丙烯酸类）。从化学结构看：从物理结构看：2022/7/19高吸水性树脂的基本特性 高吸水性 加压保水性吸氨性2022/7/191 高吸水性 作为高吸水性树脂，高的吸水能力是其最重要的特征之一。从目前已经研制成功的高吸水性树脂来看，吸水率均在自身重量的50012000倍左右，一般可达4000倍以上，是纸和棉花等材料

14、吸水能力的100倍左右。2022/7/19纸张、棉花和海绵等材料：物理吸水作用高吸水性树脂的吸水能力是由化学作用和物理作用共同贡献的。即利用分子中大量的羧基、羟基和酰氧基团与水分子之间的强烈范得华力吸收水分子，并由网状结构的橡胶弹性作用将水分子牢固地束缚在网格中。一旦吸足水后，即形成溶胀的凝胶体。这种凝胶体的保水能力很强，即使在加压下也不易挤出来。2 加压保水性2022/7/19 高吸水性树脂一般为含羧酸基的阴离子高分子，为提高吸水能力，必须进行皂化，使大部分羧酸基团转变为羧酸盐基团。但通常树脂的水解度仅70左右，另有30左右的羧酸基团保留下来，使树脂呈现一定的弱酸性。这种弱酸性使得它们对氨那

15、样的碱性物质有强烈的吸收作用。3 吸氨性2022/7/19膜分离（membrane separation） 是利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化，是人类最早进行的分离技术之一。 膜还没有一个完整精确的定义，一种通用的广义上的定义是膜是两相之间的不连续区间。 、膜分离材料（ P407)2022/7/19膜分离方法-天然的或人工合成的高分子膜，在外界能量或化学位差推动下下，对双组份或多组分的物质进行分离、分级、提纯或富集的方法2022/7/19常见的分离方法筛分过滤萃取离心蒸馏重结晶柱层析膜分离离子交换对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生物体组分的分离等，采用常规的分离方法是

16、难以实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无实用价值。2022/7/19主要的膜分离法：微滤（Microfiltration, MF）超滤（Ultrafiltration, UF）反渗透（Reverse osmosis, RO）透析（Dialysis, DS）电渗析（Electrodialysis, ED）渗透气化（Pervaporation, PV）2022/7/191) 反渗透（Reverse osmosis, RO） 膜两侧压力相等的情况下，在浓差的作用下作为溶剂的水分子从溶质浓度低的一侧向浓度高的一侧通过，这种现象称为渗透。促使水分子透过的推动力称为渗透压。 溶质浓度越高，渗透压

17、越大。 如果欲使高浓度溶液中的溶剂透过膜到低浓度的一侧，则可在高浓度的一侧施加压力，压力必需大于此渗透压，这种操作称为反渗透。 渗透压2022/7/19 应用：海水淡化，工业用水软化，直饮水2022/7/192) 超滤和微滤 膜分离技术的主要代表。 超滤和微滤都是利用膜的筛分性质，以压差为传质推动力。膜具有明显的孔道结构，主要用于截留高分子溶质或固体微粒。 2022/7/19 超滤主要用于高分子溶质之间或高分子与小分子之间的分离，利用分子量的差别进行分离。浓缩，脱盐，或纯化。 微滤一般用于悬浮液的过滤，在生物分离中广泛用于菌体的分离和浓缩，细胞碎片的去除。2022/7/193) 透析（Dial

18、ysis, DS） 利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液与纯水或缓冲液分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（例如无机盐）透向水侧，水侧的水分子透向溶液侧，这即为透析。 性质：透析膜一般为亲水膜，例如纤维素膜、聚丙烯腈膜和聚酰胺膜等，孔径一般510nm。 2022/7/19 应用： 常用于临床的血液透析，生物分离方面，用于大分子溶液的脱盐。 血液透析2022/7/19669.4.1 导电高分子的基本概念 物质按电学性能分类可分为绝缘体、半导体、导体和超导体四类。高分子材料通常属于绝缘体的范畴。但1977年美国科

19、学家黑格（）、麦克迪尔米德（A.G. MacDiarmid）和日本科学家白川英树（）发现掺杂聚乙炔具有金属导电特性以来，有机高分子不能作为导电材料的概念被彻底改变。、导电高分子材料2022/7/1902导 电 高 分 子 分 类 主链结构具有导电功能的高分子，一般以电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子受体或供体的掺杂后得到。(广义)导电高分子材料结构型(本征型)(狭义导电高分子)复合型 将碳素、金属、金属氧化物等导电粒子引入到绝缘高分子材料基材中，得到具有导电性能的多相复合体系。 在较大范围内调节电学和力学性能，成本较低，易于成型和大规模生产。 不仅具有由于掺杂而带来的金属特性（高电导率）和半

20、导体（p和n型）特性之外，还具有分子可设计性，可加工性和密度小等特点。2022/7/1902导 电 高 分 子 分 类（PAn )2022/7/1970 目前，对结构型导电高分子的导电机理、聚合物结构与导电性关系的理论研究十分活跃。应用性研究也取得很大进展，如用导电高分子制作的大功率聚合物蓄电池、高能量密度电容器、微波吸收材料、电致变色材料，都已获得成功。2022/7/1971为什么结构型导电高分子的实际应用尚不普遍？ 大多数结构型导电高分子在空气中不稳定，导电性随时间明显衰减。此外，导电高分子的加工性往往不够好，也限制了它们的应用。 科学家们正企图通过改进掺杂剂品种和掺杂技术，采用共聚或共混的方法，克服导电高分子的不稳定性，改善其加工性。2022/7/1972复合型导电高分子用作导电橡胶、导电涂料、导电粘合剂、电磁波屏蔽材料和抗静电材料，在许多领域发挥着重要的作用。复合型导电高分子应用？由于它们制备方便，有较强的实用性，因此在结构型导电高分子尚有许多技术问题没有解决的今天，人们对它们有着极大的兴