功能高分子第一章绪论

功能高分子

(FunctionalPolymers)化学化工学院材料系聂康明教授1鲨鱼皮泳衣

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3内容概要功能高分子材料简介几种类型的高分子材料导电高分子可降解高分子高分子吸附剂高分子功能膜生物医用高分子4什么是功能高分子?

一般说来，利用其力学性能的高分子，称为一般高分子，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等；而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（FP,FunctionalPolymer）一般带有官能团，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。功能高分子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。5按照功能来分类:1.化学功能

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、高分子增感剂、分解性高分子等

2.物理功能

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、高分子显示材料、高分子光致变色材料等；63.复合功能

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

抗血栓、控制药物释放和生物活性等7按照功能特性通常可分成以下几类：（1）分离材料和化学功能材料（2）电磁功能高分子材料（3）光功能高分子材料（4）生物医用高分子材料从制造和结构的角度考虑：结构型功能高分子复合型功能高分子

8种类功能特性应用示例1.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、环保贮氢材料吸附作用化工、能源高吸水性材料吸附作用农业、纸制品2.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9种类功能特性应用示例3.光功能高分子材料光致变色、显示和发光材料光色、光电效应自动调节光线明暗的太阳镜和窗玻璃等、显示、记录液晶高分子偏光效应显示、连接器荧光高分子材料光化学作用情报处理、荧光染料光降解高分子材料光化学环境保护光盘基板材料光学原理高密度记录和贮存信息4.生物医用高分子材料人工器官材料仿人体功能与替代人体脏器修补作用药物高分子药理作用治疗动脉硬化、抗血栓降解性缝合材料化学降解非永久性外科材料10导电高分子材料

2000年10月10日，瑞典皇家科学院宣布了2000年诺贝尔化学奖获得者，美国加利福尼亚大学的物理学家艾伦.J.黑格教授、美国宾夕法尼亚大学的化学家艾伦.G.马克迪亚米德教授和日本筑波大学的化学家白川英树教授，因为他们发现了导电塑料。掺杂聚乙炔11几种导电高分子的掺杂情况12复合型导电高分子材料是以有机高分子材料为基体,加入一定数量的导电物质(如炭黑、石墨、碳纤维、金属粉、金属纤维、金属氧化物等)组合而成。该类材料兼有高分子材料的易加工特性和金属的导电性。与金属相比较,导电性复合材料具有加工性好、工艺简单、耐腐蚀、电阻率可调范围大、价格低等优点。复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种:一种是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共混；另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中。13应用：电磁波屏蔽随着各种商用和家用电子产品数量的迅速增加,电磁波干扰已成为一种新的社会公害，对电子仪器、设备进行电磁波屏蔽是极为重要的。直接使用混有导电高分子材料的塑料做外壳,因其成形与屏蔽一体，较其他方法,如使用太重又不方便的金属板作外壳、在塑料外壳上涂一层金属或含有碳粉、碳纤维的导电涂料、通过电镀金属将外壳覆盖等等更为方便。14微波吸收材料由于可以对导电高分子的厚度、密度和导电性进行调整,从而可以调整微波反射系数、吸收系数,其吸收系数可达105•cm-1。导电高分子作为微波吸收材料,其薄膜重量轻、柔性好,可作任何设备(包括飞机)的蒙皮。15隐身材料所谓隐身材料是指能够减少军事目标的雷达特征、红外特征、光电特征及目视特征的材料的总称。由于雷达是军事目标侦查的主要手段,所以雷达波吸收材料的研制是关键。自从导电聚合物的出现,其作为新型的雷达波吸收材料成为研究的热点。美国、日本、法国、印度及中国相继开展了导电聚合物雷达波吸收材料的研制,尤其是美国空军投资开发的高聚物雷达波吸收材料，为隐身战斗机和侦察机制造“灵巧蒙皮”的设想和计划奠定了基础，进一步刺激了导电聚合物雷达隐身技术的发展。16可降解高分子材料可降解高分子材料是指在使用后的特定环境条件下,在一些环境因素如光、氧、风、水、微生物、昆虫以及机械力等的作用下,使其化学结构在较短时间内发生明显变化,从而引起物性下降,最终成为可被环境所消纳的高分子材料。

17降解高分子生物降解淀粉添加剂天然大分子合成聚合物光降解添加光敏剂型化学合成氧化降解复合降解光生物双降解18(1)生物降解高分子

生物降解高分子材料是指在自然界微生物或人体及动物体内的组织细胞、酶和体液的作用下,可使其化学结构发生变化,致使分子量下降及性能发生变化的高分子材料。19

化学合成型生物降解高分子：该类生物降解高分子材料多是在分子结构中引入酯基结构的聚酯。工业化的有聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)。PLA在医学领域内被认为是最重要的可完全生物降解的高分子。由于制备工艺、成本的限制,该类材料的研究起步较晚,但越来越受到重视。由于可完全降解,所以应用前景较好,但是降解机理仍不完全清楚。20(2)光降解高分子

在制备塑料时,通过向塑料基体中加入光敏剂,使其在光照条件下可诱发光降解反应，此类塑料称为光降解塑料。光降解引发剂有很多种,包括过渡金属的各种化合物,如:卤化物、乙酰基丙酮酸盐、二硫代氨基甲酸盐、脂肪酸盐、羟基化合物、多核芳香族化合物、酯以及其它一些聚合物。

21高分子吸附剂吸附剂的分类：(1)非离子型高分子吸附剂非离子型吸附树脂主要是指在分子结构中不包含离子性基团，主要依靠分子间范德华力进行吸附的高分子树脂。它主要用在色谱分离中作为载体和固定相、环境保护中作为污染物富集材料、动植物中有效成分的分离提取与纯化过程中。非离子型高分子吸附剂品种较多，根据极性大小，可以分成非极性、弱极性、中等极性和强极性四种。按照聚合物骨架类型，可分成聚苯乙烯型、聚丙烯酸型等。22(2)金属阳离子配位型吸附剂金属阳离子配位型吸附剂又称为高分子螯合剂，是一类重要的功能高分子。其特征是高分子骨架上连接有能够对金属离子进行配位的螯合功能基，对多种金属离子具有选择性螯合作用，因此这类吸附树脂能够浓缩和富集各种金属离子。作为吸附剂使用的高分子螯合剂主要有两类：一类是合成型高分子螯合树脂；另一类是天然高分子螯合剂。23吸水性高分子吸附剂：高吸水性树脂的研究始于60年代，世界上最早开发的一种高吸水性树脂是淀粉-丙烯氰接枝共聚水解产物，即在淀粉上接枝丙烯氰然后水解而成。按原料组成分：改性的天然高分子（包括淀粉类和纤维素类）全人工合成的高分子（包括聚丙烯酸系树脂、聚丙烯氰系树脂、聚乙烯醇系树脂、聚环氧乙烷系树脂等）通常情况下，纤维素类高吸水性树脂的吸水能力比淀粉类树脂低，但是吸水速度快是其特点之一，在一些特殊情况下却是淀粉类树脂所不能取代的。

24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25吸油性高分子：高吸油性树脂是一种新型的功能高分子材料,对于不同种类的油，少则可吸自重的几倍,多则近百倍,吸油量大、吸油速度快且保油能力强，在工业的废液处理以及环境保护方面具有广泛的用途。另外可作橡胶改性剂、油雾过滤材料、芳香剂和杀虫剂的基材、纸张添加剂等。26高吸油性树脂的结构特征：高分子之间形成一种三维的交联网状结构，材料内部具有一定微孔结构。由于分子内亲油基的链段和油分子的溶剂化作用，高吸油性树脂发生膨润。基于交联的存在，该树脂不溶于油中。由此可见,交联度和亲油性基团与高吸油性树脂的性能有密切关系。27高分子功能膜高分子功能膜的分类按构成膜的材料分——天然高分子膜、有机合成高分子膜按膜的结构分(a)对称膜——疏松的多孔膜和致密的无孔膜(b)非对称膜——多孔膜、叠合膜和复合膜(c)离子交换膜按分离过程推动力分——压力差膜、浓度差膜、温度差膜和电位差膜28(4)按膜材料的宏观外形结构分(a)管状膜：容易清洗，适用于分离浓度很高或者污物较多的场合，但是使用密度较小，在一定使用体积下，有效分离面积最小。(b)中空纤维膜：主要应用于血液透析设备和人工肾脏的制备，缺点就是容易在使用中受到污染，一旦污染较难清洗。(c)平面型分离膜：容易制作，使用方便，成本低廉；包括无支撑型、支撑型和增强型三类。29膜制备材料：

天然高分子材料类——主要包括改性纤维素及其衍生物类，原料易得，成膜性能好，化学性质稳定，多用于透析、微滤、超滤、反渗透、膜蒸发和膜电泳等场合。近年来，甲壳素类海藻酸钠类成为了新的分离膜制备材料。聚烯烃类——包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酰胺等。主要用于制备微滤、超滤、密度膜等。聚酰胺类——尼龙66，机械强度高，化学稳定性好，高温性能优良。聚砜类含氟高分子材料有机硅聚合物类高分子电解质类30生物、医用高分子医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生的具有特殊功能的合成高分子材料,可以通过聚合等方法进行制备,是生物医用材料的重要组成之一。

31“医用级”标准：(a)长期植入体内具有稳定的物化性能，又有稳定的弹性、几何尺寸和机械强度，耐磨、耐曲挠；短期植入的材料要可生物降解；(b)材料本身无毒、无热源、无过敏反应、不致畸，不致癌、不干扰机体免疫系统、不破坏血液有形成分、不影响体液电解质平衡等。32应用领域应用目的实例长期和短期治疗1.受损组织的修复和替代2.辅助或暂时替代受损器官的生理功能3.一次性医疗用品人工血管、人工皮肤、人工软骨、美容填充人工心肺系统、人工心脏、人造血、人工肾、人工胰腺注射器、输液管、导管、缝合线、医用粘合剂等药物制剂药物控制释放部位控制；定位释放；时间控制；恒速释放（缓释药物）；反馈控制；脉冲释放诊断控制临床检