高分子科学导论功能高分子

高分子科学导论功能高分子第1页，共45页，2023年，2月20日，星期三FunctionalpolymersFunctionalpolymerisPolymerthatbearsspecifiedchemicalgroupsor;Polymerthathasspecifiedphysical,chemical,biological,pharmacological,orotheruseswhichdependonspecificchemicalgroups.Thereisadifferencebetweenthewords“performance”and“function”.Generally,“performance”istheresistanceofmaterialtotheexternalaction,andthe“function”meanstheconversionofmaterialinquantityorqualityrespondedtotheexternalinputsignal.Theinputsignalcouldbeforce,heat,light,electron,andsoon…第2页，共45页，2023年，2月20日，星期三Classificationoffunctionalpolymers力学功能材料强化功能材料，弹性功能材料化学功能材料分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂等生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等物理化学功能材料耐高温高分子，高分子液晶等电学功能材料，如导电性高分子、超导性高分子、感电了性高分子等光学功能材料，如感光性高分子、导光性高分子、光敏性高分子等能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等生物化学功能材料人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等高分子药用材料，如药物活性高分子、缓释性高分子药物生物分解材料，如可降解性高分子材料等。第3页，共45页，2023年，2月20日，星期三ContentConductingandSemi-conductingFunctionalPolymer

导电和半导体功能高分子FunctionalPolymerMaterialsforAdsorptionandSeparation

吸附分离功能高分子SuperabsorbentResin高吸水性树脂FunctionalPolymerwithPhotoelectronicProperties

光电功能高分子BiomedicalPolymers

生物医用高分子PolymericLiquidCrystal

高分子液晶IonicPolymers

离子型聚合物第4页，共45页，2023年，2月20日，星期三ConductingandSemi-conductingFunctionalPolymer第5页，共45页，2023年，2月20日，星期三WhatisconductivepolymerConductivepolymersarepolymersthatconductelectricity.Suchcompoundsmaybetruemetallicconductorsorsemiconductors.Itisgenerallyacceptedthatmetalsconductelectricitywellandthatorganiccompoundsareinsulating,butthisclassofmaterialscombinesthepropertiesofboth.Thebiggestadvantageofconductivepolymersistheirprocessibility.Conductivepolymersarealsoplastics(whichareorganicpolymers)andthereforecancombinethemechanicalproperties(flexibility,toughness,malleability,elasticity,etc.)ofplasticswithhighelectricalconductivities.Theirpropertiescanbefine-tunedusingtheexquisitemethodsoforganicsynthesis.第6页，共45页，2023年，2月20日，星期三Whyconductivepolymer普通高分子材料的静电积聚静电在工业生产中有很大的危害性。每年因静电事故造成的损失超过百亿美元。普通高分子材料对电磁波的屏蔽性差，通信设备常常因电磁波的入侵造成误操作。导电高分子的发展已远远超过开始的设想第7页，共45页，2023年，2月20日，星期三Meritsofconductivepolymers$10billion$100EconomicsReplacethis......withthisEaseofProductionChemicalVersatilityFlexiblecircuitryReplacethis......withthis...withthisReplacethis...第8页，共45页，2023年，2月20日，星期三Conductivityofpolymers要使高分子材料导电就必须能模拟金属的行为，亦即电子必须能不受原子的束缚而能自由移动，要达到此目的的第一个条件就是这个聚合物应该具有交错的单键与双键，亦称为“共轭”双键。为了使共轭高分子导电，必须要做掺杂。这和半导体经过参杂后提高导电度类似。

-20-16-12-8-404绝缘体半导体导体超导体NylonPEPSPTFEGe,SiConductivePolymersNichromeCarbonfiberCuAlAglg(1/ohm•cm-1)第9页，共45页，2023年，2月20日，星期三Someconductivepolymers第10页，共45页，2023年，2月20日，星期三InventionofConductivePolymerHidekiShirakawaA.G.McDiarmidA.HeegerEarly1970’s:MistakeinSkirakawa’slableadstoaccidentaldiscoveryofsilverlookingpolymer(polyacetylene)Late1970’s:CollaborationbetweenHeeger,MacDiarmidandShirakawaleadto10million-foldincreaseinconductivityofpolyacetylene.2000:Heeger,MacDiarmidandShirakawawinNobelPrizeinChemistry2000+:First‘organicelectronics’appearonthemarketasflexibledisplays.第11页，共45页，2023年，2月20日，星期三E-ink美国Lucent公司和EInk公司共同开发出了“电子纸”，它可以应用于电子书籍和电子报纸等。

第12页，共45页，2023年，2月20日，星期三与硅晶体管相比，塑料晶体管的好处在于成本低廉，生产便捷，不需要专门化的昂贵制造设备和高度洁净的真空环境。PolymerictransistorSi第13页，共45页，2023年，2月20日，星期三Electroluminescence常用于电致发光材料的聚合物包括：聚对苯乙烯、聚咔唑、聚噻酚等。空穴注入（正极）空穴迁移电子注入（负极）电子迁移电子与空穴复合激子扩散激子复合电致发光辐射非辐射电致发热第14页，共45页，2023年，2月20日，星期三Polymericsolarcell第15页，共45页，2023年，2月20日，星期三FunctionalPolymerMaterialsforAdsorptionandSeparation第16页，共45页，2023年，2月20日，星期三Ion-exchangersSyntheticorganicpolymerresinsbasedonstyrene–oracrylic-acid-typemonomersaremostwidelyused.Generallysolidgelsinsphericalorgranularformconsistingof:A3-dimensionalpolymericnetwork,Ionicfunctionalgroupsattachedtothenetwork,CounterionsAsolventStrong-acid,cation-exchangeresinsandstrong-baseanionexchangeresinscanbeproduced.第17页，共45页，2023年，2月20日，星期三Mechanismofion-exchangeSO3-H+Na+SO3-Na+CH2N+(CH3)3OH-Cl-CH2N+(CH3)3Cl-H+OH-H2OCationexchangeresinAnionexchangeresin水处理离子交换大都是基于含磺酸基的交联聚合物。水中的Na+通过树脂层，交换磺酸中的H+。Ca2+，Fe3+和Mg2+与磺酸基团具有更大的亲合力，因此硬水通过树脂层后，不仅可以交换H+还可以交换Na+，得到软水。当树脂中的磺酸基团被这些硬离子饱和时，树脂层必须通过添加大量过量的盐酸溶液或氯化钠溶液进行再生，以交换紧密结合的硬离子，从而再次使用。第18页，共45页，2023年，2月20日，星期三Structureofion-exchangeresin活性基团结构阳离子交换树脂

磺酸基类（强酸型）-SO3-H+

丙烯酸类（弱酸型）-COO-H+阴离子交换树脂

季铵盐类（强碱型）-CH2-NR3+OH-

仲胺类（弱碱型）-CH2-NHR

叔胺类（弱碱型）-CH2-NR2第19页，共45页，2023年，2月20日，星期三OtherAdsorptionandSeparationpolymerOCOCO()MOOOOOO()MPolymericchelateresinβ-diketonecrownether通过对不同金属离子的选择性螯合作用，高分子螯合树脂可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、环境保护和工业生产。Adsorbentresins吸附树脂也称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。非极性吸附树脂主要是交联聚苯乙烯大孔树脂，可通过范德华力吸附具有一定疏水性的物质；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；强极性吸附树脂主要是聚丙烯酸酯树脂利用水解反应生成强极性的羧基，其吸附作用主要通过氢键和偶极作用进行。第20页，共45页，2023年，2月20日，星期三ApplicationofAdsorptionandSeparationpolymer第21页，共45页，2023年，2月20日，星期三SuperabsorbentResin第22页，共45页，2023年，2月20日，星期三SuperabsorbentpolymersSuperabsorbentpolymers(SAP)arepolymersthatcanabsorbandretainextremelylargeamountsofaliquidrelativetotheirownmass.Waterabsorbingpolymers,classifiedashydrogels,absorbaqueoussolutionsthroughhydrogenbondingwiththewatermolecule.Thetotalabsorbencyandswellingcapacityarecontrolledbythetypeanddegreeofcross-linkingtothepolymer.Lowdensitycross-linkedSAPgenerallyhasahigherabsorbentcapacityandswelltoalargerdegree.ThesetypesofSAPsalsohaveasofterandmorecohesivegelformation.Highcross-linkdensitypolymersexhibitlowerabsorbentcapacityandswell.Thegelstrengthisfirmerandcanmaintainparticleshapeevenundermodestpressure.第23页，共45页，2023年，2月20日，星期三Superabsorbentpolymers高吸水树脂Starch（淀粉）Poly(vinylalcohol)（PVA,聚乙烯醇）Poly(acylicacid)（PAA,聚丙烯酸）Hydrolysisproductofpolyacrylonitrilebasedpolymer

（聚丙烯腈的水解产物）OCH2OHOHOHO()nStarchOHCH2CH()nPVACOOHCH2CH()nPAAC≡NCH2CH()nOH-H2OCOO-X+CH2CH()nX+=H+、Na+、K+第24页，共45页，2023年，2月20日，星期三SuperabsorbentpolymersOHCH2CH()nOHHOHHOHHOHHOHHH2OCrosslink第25页，共45页，2023年，2月20日，星期三Applicationofsuperabsorbentpolymers第26页，共45页，2023年，2月20日，星期三Biomedicalpolymers第27页，共45页，2023年，2月20日，星期三Biomedicalpolymers生物医用材料的特殊和基本要求如下：材料无毒、不致癌、不致畸，不引起人体细胞的突变和不良组织反应。与人体相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等现象。具有与天然组织相适应的力学性能。针对不同的使用目的而具有特定的功能。生物医用材料直接与生物系统相作用，除了各种理化性质外，还必须具有良好的生物或组织相容性。按与活体组织作用的方式分类生物惰性材料：在生物体内能保持稳定，几乎不发生化学反应的材料。生物活性材料：指能在材料－组织界面上诱导出特殊生物或化学反应的材料，这种反应导致材料和组织间形成化学键合。第28页，共45页，2023年，2月20日，星期三Artificialorgans高分子材料作为人工脏器、人工血管、人工骨骼、人工关节、人工皮肤等医用材料，正越来越广泛地得到应用。人工器官的应用从大型化向小型化，从体外使用向内植型，从单一功能向多功能化转变。人工器官包括：永久性植入，完全替代原器官的功能；体外使用的大型人工器官装置、主要用于手术中暂时替代人体器官的功能；暂时性植入器官，只能部分替代原器官功能；整容修复材料，不具备器官功能，但能修复人体的残缺部位。第29页，共45页，2023年，2月20日，星期三Polymersusingforartificialorgans器官高分子材料心脏聚醚氨酯弹性体、硅橡胶肾脏纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯睛、聚砜、聚氨酯、聚碳酸酯肝脏赛璐酚，聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯肺硅橡胶、聚丙烯中空纤维、聚烷砜关节、骨超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚酯皮肤硝基纤维素、聚硅酮-尼龙复合物、聚酯、甲壳素角膜聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯、硅橡胶鼻、耳硅橡胶、聚乙烯乳房聚硅酮血管聚酯纤维、聚四氟乙烯、聚醚氨酯人工血液全氟烃、羟乙基淀粉、聚乙烯基吡咯烷酮胆管、尿道硅橡胶气管、腹膜聚乙烯、聚四氟乙烯、聚硅酮、聚酯纤维第30页，共45页，2023年，2月20日，星期三ArtificialorgansArtificialheartArtificiallungArtificialkidney第31页，共45页，2023年，2月20日，星期三Tissueengineering组织工程是将分离的自体或异体细胞吸附于可生物降解吸收的功能高分子支架上；然后在生长因子的作用下进行培养，使细胞按支架的三维结构进行生长，从而构建出体外的活体组织；支架聚合物则逐步被降解吸收；最后再将体外培养的组织植入体内对病变的组织或器官进行修复或替代。第32页，共45页，2023年，2月20日，星期三Aliphaticpolyesterusingfortissueengineering常用的细胞支架材料包括：聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乙丙交酯、聚羟基脂肪酸酯，这些材料均属于可降解脂肪族聚酯（biodegradablealiphaticpolyester）。PolylactidePoly(lactide-co-glycolide)PolycaprolactonePoly(p-dioxanone)Poly(butanediolsuccinate)OO()nOO()OO()nmOO((nOO((nOOO(nOO(第33页，共45页，2023年，2月20日，星期三组织工程已率先在皮肤、骨骼等器官取得了临床应用，在内脏方面也取得了重大的进展和突破。除脂肪族聚酯外，胶原蛋白、聚氨基酸、聚膦氰等高分子也被应用于细胞支架材料的研究Applicationoftissueengineering第34页，共45页，2023年，2月20日，星期三Bioabsorbablepolymer在外科手术中，通常会植入一些修复用的材料，这些材料只是起到暂时替代作用，当肌体愈合后其作用即告结束。如果这些材料是非降解材料，会对患者肌体产生持续影响。如果另外进行手术取出会对患者带来二次痛苦。可生物吸收（降解）高分子材料可以有效解决这个问题。随着材料的使用功能结束，这些材料会逐渐降解为对人体无害的小分子化合物，并被人体吸收或代谢排出。因而越来越受到研究者的重视。骨科固定材料手术缝合线抗粘连膜第35页，共45页，2023年，2月20日，星期三Biodegradablepolymer胶原蛋白（collagen）：构成动物体最基本的蛋白质类物质明胶（glutin）：经高温加热变性后的蛋白质淀粉（starch)、葡聚糖（dextran)甲壳素与壳聚糖（chitin&chitosan）：来源于昆虫、虾、蟹等的壳、皮等角质。纤维素（cellulose）：来源于植物合成高分子：脂肪族聚酯（aliphaticpolyester）、脂肪族聚碳酸酯（aliphaticcarbonate）聚酸酐（polyanhydride）、聚磷酸酯（polyphosphate）、聚原酸酯（polyorthoester）第36页，共45页，2023年，2月20日，星期三Pharmaceuticalpolymers我国是医药文明古国，在天然药用高分子的使用方面非常悠久。20世纪以来，随着药学和有机合成的高速发展，有机低分子药物由于其疗效高，使用方便，为人类的医疗卫生起到了巨大的推动作用，在医学史上有着不可磨灭的贡献。但是，有机低分子药物同时也存在巨大的副作用，如过敏、毒性积累等等。第37页，共45页，2023年，2月20日，星期三Propertiesofpharmaceuticalpolymers研究发现，高分子药物具有低毒、高效、缓释、长效，与血液和肌体相容性好等特点。高分子药物可以降低用药剂量，避免频繁用药；使药物药理活性更加持久，更有效到达症患部位，从而具有更高的疗效。药物高分子的分类：药用辅助材料：指在药剂加工过程中所用的和为改善药物使用性能而采用的高分子材料，这些材料本身不具备药理活性。高分子药物：高分子本身即具有药理活性基团或药理活性作用，直接被用做药物。第38页，共45页，2023年，2月20日，星期三Controlleddrugrelease药物的控制释放和靶向问题已成为现代医学最关心的问题之一。高分子材料实际起到的是辅助材料的作用。用高分子材料制备药物控制释放体系主要有两个目的：使药物以最小的剂量在特定部位产生治疗效应，优化药物释放速率以提高疗效，降低毒副作用。有三种模式可达到上述效果：时间控制体系（缓释药物）部位控制体系（靶向药物）反馈控制体系（智能药物）微胶囊是指以高分子膜为外壳，在其中包有被保护或被密封的物质的微小胶囊物。药物的微囊化就是将细微的药物颗粒用高分子膜包裹起来形成微小胶囊物。第39页，共45页，2023年，2月20日，星期三Mechanismofcontrolleddrugrelease天然高分子材料：明胶、虫胶、海藻酸、淀粉、糊精、纤维素、壳聚糖、玉米朊等等；化学合成可生物