第十四讲实用新型高分子材料

第十四讲实用新型高分子材料第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料结构特点举例7.2.1新型工程塑料7.PSF聚砜主链上含有这种结构除浓硝酸、浓硫酸、卤代烃外，化学稳定性好；具有良好的电气性能，甚至在水中和潮湿的空气中，在190℃高温下也能保持良好的电性能；具有抗氧化性能。

突出性能：PSF是电气工业、电子工业比较理想的工程塑料，适合作各种电器零部件。第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料结构特点举例7.2.1新型工程塑料8.氟树脂PTFEC链单元上含有取代氢的氟原子优异的化学性能，“塑料之王”；应用温度范围较宽-200～250℃；电绝缘性好。突出性能：用作耐热性高、介电性能好的电工器材和无线电零件；各种不同腐蚀介质中使用的密封件，耐腐蚀的化工设备和元器件；航空航天和核工业中的超低温材料等

-[CH2-CF2]n-第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料结构特点举例7.2.1新型工程塑料9.ABS树脂丙烯睛(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(s)三种单元组成。

优异的电性能和成型加工性能；化学性能良好；价格适中，最受欢迎的工程塑料之一。突出性能：ABS大量用于家用电器、汽车和仪器仪表外壳，以代替金属；也可制作家具，以代替木材；还可以作卫生洁具、装饰材料等。第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料特种纤维含义起源7.2.2特种纤维特种纤维是指有别于通常纺织纤维的一个广泛名词，并无科学上的含意，主要是按其应用性能区分的。特种纤维最初是与军事工业相联系的。从19世纪开始，伴随着枪、炮更多的使用，刀、剑、弩等冷兵器逐渐淡出了战争的历史舞台，对个体的防护也逐渐从防刺（砍）等转变为防枪弹（破片）的伤害。个体防护材料则经历了从天然植物纤维到金属材料再到高强度合成材料的发展。

l965年美国杜邦公司推出了比强度和比模量是钢铁的10倍纺纶纤维——凯芙拉（Kevlar）；

1979年，荷兰DSM公司率先生产出比强度又高出芳纶纤维1.5倍左右的超高分子量聚乙烯纤维，并将其应用于弹道防护领域。它所表现出的优异特性在很多重要方面超过了一度被称为终极防弹材料的“凯芙拉”。

第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料无论是防弹衣还是防弹头盔，几乎其全部奥秘都在于防弹材料的性能。最直接的要求就是高强度、低重量。

7.2.2特种纤维本讲仅介绍几种耐高温、高强度、高模量纤维。我国已经能够独立生产目前世界上质量最轻、强度最高的特种纤维——超高分子量聚乙烯纤维(PE)，这也意味着，我国成为荷兰、美国、日本之后，第四个掌握这种纤维生产及应用技术的国家。第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料性能简介7.2.2特种纤维1.PI纤维国外用作烟道气、工业高温废气的过滤材料及部分宇宙服，有相当一部分是聚酰亚胺纤维的制品。其强度为6.9克／旦，耐往复变形次数可达200万次，具有良好的耐辐射、耐高温、耐火焰性能及电性能，用途很广，特别是在宇宙航行和电气绝缘方面，如宇宙航行方面作宇航服、涂层织物、层压材料，核动力方面可用作核辐射防护织物。可用每旦(d)纤维受力的克数表示(g/d)；9000米长的纤维重量为多少克，它的纤度就是多少旦。第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料性能简介7.2.2特种纤维2.PA纤维（纺纶）纺纶Kevlar一49的抗张强度在20克／旦以上，相对密度低，是钢的1／6，刚性非常好，弹性模量是尼龙的20倍，钢的5倍，比碳纤维还要高59％，耐热性好，可以在一195—450℃温度范围使用，而且不易燃，耐疲劳性好，耐腐蚀，易加工，电绝缘性好，与树脂粘附力强，因而Kevlar一49是一种相对密度小，高强度、高模量的理想的增强纤维。美国杜邦公司于1965年开发出的芳香族聚酰胺纤维，又称芳纶。

主要是聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。因加工方法不同，相同结构的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维性能有差异。

第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料性能简介7.2.2特种纤维3.氟纤维氟纤维所能承受的温度远不如上述聚酰亚胺和聚酰氨纤维，但比通用纤维要高，特别是其耐化学品性能优越，对于化学工业中酸性高温的气体或液体过滤有其广泛的实用意义。用作防腐滤材、离子膜增强材料、石棉代用品和筛网等。

含氟原子的烯烃类纤维。由于氟一碳键的键能比氢碳键高，因此纤维结构中的氟原子愈多，热稳定性和抗氧性愈高。第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料橡胶与塑料的区别7.2.3特种橡胶中国化工信息中心定于2008年6月召开“首届全国特种橡胶及热塑弹性体市场及应用技术研讨会”。塑料与橡胶最本质的区别在于塑料发生形变时塑性变形，而橡胶是弹性变形。换句话说，塑料变形后不容易恢复原状态，而橡胶相对来说就容易得多。塑料的弹性是很小的，通常小于100%，而橡胶可以达到1000%甚至更多。在常温下,塑料是固态,很硬,不能拉伸变形.而橡胶硬度不高,有弹性,可拉伸变长,停止拉伸又可回复原状.广义地说，橡胶其实是塑料的一种，塑料包括橡胶。

和特种纤维一样，特种橡胶与通用橡胶之间并没有明确的界限。工业上往往把用于制造轮胎、肢管、胶带、橡胶密封垫圈的橡胶称特种橡胶，主要包括聚氨酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚硫橡胶、丙烯酸酯橡胶等。

第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料7.2.3特种橡胶1.聚氨酯橡胶PU低温性、耐油性、耐热老化性好。（耐水和化学品性能不好）由二元或多元异氰酸酯与二元或多元羟基化合物作用而成的高分子化合物的总称，其主链上含有许多重复的NHCOO基团第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.2高性能高分子材料7.2.3特种橡胶2.硅橡胶与氟橡胶在众多的合成橡胶中，硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐严寒的橡胶。而氟橡胶和氟树脂一样具有优良的耐溶剂和化学稳定性能。硅橡胶的主要特点是主链中含有硅原子；氟橡胶的特点是主链或侧链的碳原子上含有氟原子。例如氟硅橡胶则兼有硅橡胶的耐高温性和氟橡胶的抗腐蚀性、耐油性第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期五第十四讲《材料化学导论》---第七章实用新型高分子材料-BNew-style&appliedMacromolecularMaterials第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期五主要内容：

7.3功能高分子材料

■导电性高分子

■医用高分子

■高分子催化剂第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3功能高分子材料①合成纤维常规高分子材料②合成橡胶③塑料④涂料⑤粘合剂①物理功能功能高分子材料②化学功能③物理化学复合功能④生理功能用途广，易加工，价廉的一类高分子材料既有传统高分子材料的性能，又有某些特殊功能的高分子材料。第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3功能高分子材料性能：performance指材料对外部作用的抵抗特性。如，对外力的抵抗--强度、模量等；对热的抵抗----耐热性；对光、电、化学药品---耐光性、绝缘性、耐腐蚀性。功能：function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特性。如，输入光---输出电性能，即光电功能。第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3功能高分子材料1、物理功能

（1）导电功能材料如导电、热电、压电、超导高分子等；（2）磁性功能材料如高分子驻极体、磁记录高分子材料等；（3）光致变色功能材料如高分子颜料机荧光体等。第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3功能高分子材料2、化学功能

（1）分离功能材料如分离膜、离子交换树脂等；（2）反应功能材料如高分子催化剂、高分子试剂等；（3）光化学功能材料如光分解、光交联或光聚合等。第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3功能高分子材料3、物理化学功能吸附、膜分离、离子交换、高吸水、表面活性等。

如高分子吸附剂与絮凝剂、吸水高分子、

高分子表面活性剂、高分子膜等。第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3功能高分子材料4、生理功能（1）医用高分子材料

如人工肾、人工心肺等。（2）高分子药物

如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等。（3）生物分解材料

如可降解性高分子材料等。第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.1导电高分子2000年诺贝尔化学奖得主美国物理学家Heeger

美国化学家MacDiarmid

日本化学家Shirakawa第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期五世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔1977年，美国化学家MacDiarmid，物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性。并因此获得2000年诺贝尔化学奖使用Ziggler—Natta催化剂AlEt3/Ti(OBu)4,Ti的浓度为3mmol/L，Al/Ti约为3—4。催化剂溶于甲苯中，冷却到-78度,通入乙炔，可在溶液表面生成顺式的聚乙炔薄膜。掺杂后电导率达到105S/cm量级

第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期五导电聚合物是由具有共轭∏键的聚合物经过化学或电化学的掺杂而形成的导电聚合物最引人注目的一个特点是其电导率可以在绝缘体—半导体—金属态（10-9到105s/cm）较宽的范围里变化。这是目前其他材料所无法比拟的第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期五导电高分子的主要类型：除了最早的聚乙炔（PA）外，主要有聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTH)、聚对苯乙烯(PPV)、聚苯胺(PANI)以及他们的衍生物其中聚苯胺结构多样、掺杂机制独特、稳定性高技术应用前景广泛，在目前的研究中备受重视其中聚乙炔的所能达到的电导率在已发现的导电聚合物中是最高的，达到了105S/cm量级，接近Pt和Fe的室温电导率第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.1导电高分子第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期五什么是导电高分子的掺杂呢？纯净的导电聚合物本身并不导电，必须经过掺杂才具备导电性掺杂是将部分电子从聚合物分子链中迁移出来从而使得电导率由绝缘体级别跃迁至导体级别的一种处理过程导电聚合物的掺杂与无机半导体的掺杂完全不同第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期五导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比无机半导体中的掺杂导电高分子中的掺杂本质是原子的替代是一种氧化还原过程掺杂量极低（万分之几）掺杂量一般在百分之几到百分之几十之间掺杂剂在半导体中参与导电只起到对离子的作用，不参与导电没有脱掺杂过程掺杂过程是完全可逆的第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期五目前掺杂的方式主要有两种：氧化还原掺杂：可通过化学或电化学手段来实现。化学掺杂会受到磁场的影响遗憾的是目前为止还没有发现外加磁场对聚合物的室温电导率有明显的影响质子酸掺杂：一般通过化学反应来完成，近年发现也可通过光诱导施放质子的方法来完成还有掺杂—脱掺杂—再掺杂的反复处理方法，这种掺杂方法可以得到比一般方法更高的电导率和聚合物稳定性

第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期五导电高分子的导电机理载流子是由孤立子、极化子、双极化子等自由基离子构成的极化子和孤立子的存在和跃迁使高分子链具有了导电性第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期五最新研究进展和发展趋势高导电性导电聚合物高强度导电高分子可溶性导电高分子分子导电自掺杂或不掺杂导电聚合物、复合型聚合物、光电磁多功能聚合物等第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期五高导电性导电聚合物目前为止发现的导电高分子仍属于半导体的范畴，而未能到到真正的金属态具有低能带能隙的导电高分子是实现“合成金属”的重要途径在1984年Wudl等合成了聚苯并噻吩，其能带能隙只有1eV杂环芳香族高分子的电导率往往高于非杂环芳香族的高分子。聚合物链的取向程度的提高也会大大的提高其取向方向的电导率1987年，Basescu等合成了高取向度的聚乙炔，用碘掺杂后其电导率高达2*105S/cm，是目前所知道的电导率最高的导电聚合物之一第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期五高强度导电高分子通常化学合成的高分子常表现为没有任何力学强度的粉末。例外：通过Shirakawa途径可以得到高性能的聚乙炔薄膜得到高性能导电高分子膜材料最有效和直接的方法是电化学沉积法低的聚合温度、强极性分子介质以及电化学惰性的电极材料有利于生成堆积紧密，性能良好的芳香导电高分子材料第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期五可溶性导电高分子它可以更好地用于研究分子结构与导电性能之间的关系可以很好地解决导电聚合物的加工成型问题可溶性导电高分子可以由相应的溶液直接加工成膜或者纺成纤维研制可溶性高分子的一个重要技术是在导电高分子链中加入柔软的长链，这一技术可以应用于几乎所有的高分子单体

第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期五分子导电高分子的导电是在一个分子链上实现的适当地控制分子链的结构，或者改变它的局部环境，一个分子的各个区域可能具有不同的导电行为有可能制成“分子导线”、“分子电路”和“分子器件”第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期五结构性导电高分子材料的用途应用领域或有用的效用实例电子电导电加热元件的挠性导体，电磁屏蔽材料，抗静电材料电极燃料电池，光化学电池，传感器，心电图仪边界层效应选择性透过膜，离子交换剂，医药控制释放电子学分子电子学，发光二极管，数据存储，改良场效应晶体管光学电致变色显示器，非线性光学材料，滤光片电致伸缩效应微触动器第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期五以聚乙炔、聚苯胺膜为正极，锂为负极，高氯酸锂的碳酸丙烯脂（PC）溶液为电解质的电池的研究已经较为成熟正在研究固体电解质的全塑性电池，如全塑聚乙炔电池(CH)x|PEO--NaI|(CH)x，它以p型掺杂的聚乙炔为阳极，以n型掺杂的聚乙炔为阴极构成已经实现商品化的：Li-Al(-)／LiBF4在聚碳酸酯(PC)+DME(二甲氧基乙烷)(电解液)／PAn(+)的箔型聚合物二次电池，有3V级池电压、3mAh容量、千次以上的充放电寿命和可长期保存等特点，可期用于不需维护的电源第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期五日本用PTh／PPy复合膜制成了FET（场效应三极管），门电压操作时电流值变化达105，有希望与无机FET一样得到开发和应用用导电聚合物制作的发光二极管的工作是多年来导电聚合物实用的一大突破,若实现实用，将带来电子学的巨大突破。劳斯阿拉莫斯国家实验室发明了在绝缘体基底上镀金属的新方法，即将导电高分子如聚吡咯或聚苯胺沉积在绝缘的印刷线路孔的内壁上，继而通过电化学法将铜镀在导电高分子层上。第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期五导电高分子材料发展展望作为分子器件研究的重要组成部分，导电聚合物研究的重大突破将直接带来分子器件研究的重要进展被IUPAC列为21世纪化学研究的重要内容经过25年的发展，已经取得了令人瞩目的成绩但是性能还有待提高（电学性能，力学性能，光学性能，化学稳定性等）理论研究尚待深入以及创新第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.2医用高分子生物医用材料和人工器官的研究实际上是个古老的命题。

公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。墨西哥的印第安人（阿兹蒂克人）使用木片修补受伤的颅骨。

第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.2医用高分子目前，除了大脑以外，几乎所有人体器官都有替代材料。人工器官的深入研究与近代材料科学发展密切相关。20世纪初开发的高分子新材料则促成了人工器官系统研究的开始。

初期的研究内容，主要是解决医疗和保健之急需。由于各种交通和工伤事故，重大的自然灾害、战争、衰老和病变，都急需维持、修复和替代人体的有关器官，因而作为人工器官替代物的生物材料应运而生。第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.2医用高分子与国际前沿相比，我国现代生物材料的应用尚处于初级阶段，但在基础研究已取得了一系列进展。

我国自八十年代起，北京大学的冯新德院士、南开大学的何炳林院士等就开始进行了有关医用高分子材料以及生物陶瓷等方面的基础研究工作。

同时清华大学的李恒德院士和北京大学的王夔院士等亦率先在国内开展了有关天然生物材料的微观结构以及生物矿化和病理矿化等方面的研究工作。第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.2医用高分子与国际前沿相比，我国现代生物材料的应用尚处于初级阶段，但在基础研究已取得了一系列进展。

我国自八十年代起，北京大学的冯新德院士、南开大学的何炳林院士等就开始进行了有关医用高分子材料以及生物陶瓷等方面的基础研究工作。

同时清华大学的李恒德院士和北京大学的王夔院士等亦率先在国内开展了有关天然生物材料的微观结构以及生物矿化和病理矿化等方面的研究工作。第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.2医用高分子第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.2医用高分子人造心脏第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.2医用高分子人工肾脏第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期五7.3.2医用高分子人工膝关节第四十六页，