高分子材料概论-功能高分子

其次章：高分子材料概论2.7功能高分子主要内容：2.7.1功能高分子概述功能高分子的构造与性能功能高分子材料的获得重要的功能高分子思考题功能高分子概述什么是功能高分子材料?20世纪70年月才形成的一个分支，对于它的精准定义一时还难于表述清楚。有入主见，功能高分子是性能“与众不同”的一类高分子。要问与“众”不同的这个“众”，指什子，则有人说绝大多数高分子材料是常规高分子，有人说常见的为常规高分子，有人说性能从众的随大流的叫常规高分子，还有人说塑料、橡胶、合成纤维、粘合剂和涂料叫常规高分子。不属于常规高分子的就是功能高分子。可能为大家根本承受的是争论性能、特性和功能之间的关系，或者查找性能、特性和功能的区分。国外一些学者在七八十年月就去追究这个区分。因此，首先要弄清楚性能和功能的区分。通行的说法是，“性能”指电、磁等物理刺激，以及水、溶剂、药品、化学品等的化学刺激。这样强度、透亮性、耐热性、耐化学腐蚀性(材料)(或其中任何一种变化)而产生的“输出”作用，依据这个定义，则分别、吸附、离子交换、氧化复原以及能量转换等机械能转换成其它能、压电、热电等都属于功能。我们认为功能高分子本身是——个模糊的概念，不必去下严格定义。一些专著将材料的功能广泛地划分如下四类：光聚合、光交联、光分解、降解、固体电解质、微生物分解等。物理功能：上要指导电、热电、压电、焦电、电x射线透过、x射线吸取等。、高吸水、外表活性等。性、生物体内分解非抽出性、非吸附性等。功能高分子材料一般可从按上述四个方面的功能进展分类，如下：、氧化复原树脂、离子交换树脂、高分子催化剂、高分子试剂、光降解塑料、固体电介质等。分子、压电高分子、高分子极驻体、旋光性高分子、高分子载体、磁记录高分子、高分子颜料及荧光体，高分子发光体等。：高分子吸附剂、絮凝剂、外表活性剂、染料、功能膜、稳定剂、高吸水材料等。分子、高分子医药、高分子农药、生物降解性塑料。另外，也有人将功能高分子依据性质和功能划分，划分为六种类型：〔1〕反响型高分子，包括高分子试剂和高分子催化剂；〔2〕光敏型高分子，包括各种光稳定剂、光刻胶、感光材料和光致变色材料等；〔3〕电活性高分子材料，包括导电聚合物、能量转换型聚合物和其它电敏材料；〔4〕膜型高分子材料，包括各种分别膜、缓释膜和其它半透性膜材料；〔5〕吸附型高分子材料，包括高分子吸附性树脂、高分子絮凝剂和吸水性高分子吸附剂等；〔6〕其它未能包括在上述各类中的功能高分子材料。功能高分子的构造与性能功能高分子材料之所以能够在应用中表现出很多独特的性质，主要与其构造中的两方面性质有关。一是分子中对表现出的特别性质起关键作用的官能团的性质，如高分子化学反响试剂中的反响活性点的反响性质；二是连接并承载这些官能团的聚合物骨架的性质，如溶胀一、官能团为性能主体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、固定和降低溶解度等关心作用。比方高分子氧化剂中的过氧羧基，具有电显示功能的N,N—二取代联吡啶构造，侧链聚合物液晶中的刚性侧链，离子交换树脂中的季铵基和磺酸基等就属于这一类型官能团。它们常常在小分子中就能够表现出类似作用。高分子化过程往往使上述的这些性能得到改善和提高。在高分子过氧酸中过氧羧基是氧化反响的活性官能团，聚苯乙烯高分子骨架在试剂中仅仅起提高试剂的稳定1例。电活性聚合物中N，N变2例。的奉献是关心构造。二、聚合物骨架为功能主体程起主要作用。主链型聚合物液晶也有类似的状况。三、功能材料中聚合物骨架的高分子效应方面，有物理性质方面的，也有化学性质方面的。高分子骨架的物理效应高分子骨架的引入，最直接的作用是使小分子功能材料的挥发性和溶解性均大大下降，特别是引入交联型聚合物，使其在溶剂中只能溶胀，而不能溶解。可以提高功能材料的稳定性，同时有利于消退或降低某些材料的不良气味和毒性。使固相的功能材料易于与液相分别，使高分子试剂简洁回收再生，高分子催化剂可以反复屡次使用。重要的是使固相合成成为现实。将某些性能优异的络合剂、萃取剂等通过高分子化过程，可以制成用途广泛的络合树脂和吸附性树脂。利用其不溶性质在水处理、环境保护、化学分析等方面得到广泛应用。高分子骨架的机械支撑作用由于大局部功能高分子材料中的功能基团是连接到高分子骨架上的，因此起支撑作用的高分子骨架对功能基的性质和功能产生很多重要影响。比方，在相对刚性的聚合物骨架上稀疏地连接功能基，制成的高分子试剂具有类似合成反响中的“稀释”作用，各功能基团之间削减相互干扰。同样在聚合物骨架上相对密集地连接功能基团，可以得到由官能团相互作用而产生的“浓缩”状态。高分子骨架的邻位效应在功能高分子材料中，高分子骨架上邻近功能基团的一些构造和基团对功能基将直接把握离子交换树脂的离子交换力气。高分子骨架的“模板效应”“模板效应”是指利用高分子骨架的空间构造，包括高分子构型和构象，在其四周建立起特别的局部空间环境，在应用时供给一个场所或场，形如浇铸过程中使用的模板。这种作用与甚至光学异构体的合成。聚合物的半透性和包络作用多数聚合物都具有确定的半透性，即对某些气体或液体有确定透过性，而对另外一些物质没有透过性，或者透过性很小。交联聚合物在溶胀状态下形成的大网状构造，也为物质分子透过供给了条件。这种透过性在发挥功能材料的作用上有着重要意义。用物理法制备的固化酶正是利用了这种效应，使小分子得以透过聚合物与酶接触反响，而酶本身则被该聚合物包络固化。高分子缓释药物的缓释作用，聚合物修饰电极中聚合物修饰层的选择性都是依靠聚合物的半透性和包络作用。功能高分子材料的获得一、功能型小分子材料的高分子化这种方法是利用聚合反响将功能型小分子高分子主要可以分成以下两种类型。功能型可聚合单体的聚合主要包括下述两个步骤，其关键步骤是合成可聚合的功能型单体，有了单体进展聚合，并不难生成功能聚合物。合成可聚合的功能型单体的关键是在小分子功能化合物上引入可聚合基团，如端双键、吡咯基或噻吩等基团，如以以下图例：是一种常见的方法。特别是当需要把握含功能基的单体在生成聚合物内分布的密度时，或者需要调整生成聚合物的物理化学性质时，共聚是可行方法。在共聚反响中借助于转变单体的种类和两种单体的相对量，可以得到多种不同性质的聚合物，功能和性能得到改善。聚合物包埋法在单体溶液中参与小分子功能受聚合物性质的影响。能。二、高分子材料的功能化通过化学或物理方法对已有聚合物进展功能化，使这种方法的好处是可以利用通用高分子材料，得到功能材料。通过高分子材料的功能化获得功能高分子材料，包括化学改性和物理共混两种方法。高分子材料的化学方法功能化这种方法主要是利用接枝反响在聚合物骨架上引入活性功能基，从而改变聚合物性质，赐予其的功能。能够用于这种接枝反应的高分子材料都用通用高分子可以廉价地获得。常见的品种包括聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸衍生物、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、纤维素、聚酯、聚酰胺、聚环高分子材料的物理方法功能化高分子的物理功能化方法主要是通过小分子功能化合物与高分子的共混来实现。共混方法主要有熔融态共混和溶液共混。熔融态共混与两种高分子共混相像，是将聚合物熔融，在熔融态参与功能型小分子，小分子假设能够在聚合物中溶解，将形成分子分散相，获得均相物。溶解性能直接影响得到共混物的相态构造。溶液共混是将高分子溶解在确定溶剂中，同时，将功能型小分子溶解在高分子溶液中，或者悬浮在溶液中成混悬体。的限制，特别是不受聚合物和功能型小分子官能团反响活性的影响，适用范围宽，但是聚合物共混的主要缺点()功能三、功能高分子材料的多功能复合与功能扩大多功能复合有时一种高分子功能材料难以满足某种特定需要，如单向导电高分子，必需要承受两种以上的功能材料加以复合才能实现。又如，聚合物型光电池中光电转换材料不仅需要光吸取和光电子激发功能，为了形成电池电势，还要具有电荷分别功能。这时也必必要有多种功能材料复合才能完成。有时为了满足某种需求，需要在同一分子中引入两种以上的功能基。如在聚合物中引入电子赐予体和电子承受体，使光电子转移作用程度不够，也需要对其用化学的或物理的方法进展二次加工。这称为功能高分子材料的多功能复合。在同一分子中引入多种功能基在同一种功能材料中，甚至在同一个分子中引入两种以上的功能基团，也是制备型功能高分子的一种方法。以这种方法制备的功能高分子，或者集多种功能于一身，或者两种功能协同，制造出的功能。例如在离子交换树脂中，离子取代基邻位引入氧化复原基团，如二茂铁基团，以该法制成的功能材料对电极外表进展修饰，修饰后的电极对测定离子的选择力气受电极电势的把握。当电极电势升对，使其失去离子交换力气。原有功能高分子材料功能的拓展与扩大承受的方法多种多样，但是总体来说主要包括物理方法和化学方法两种。物理方法就是对功能高分子材料进展机械处理和加工，转变其宏观构造形态，使其具有的功能。比方，离子交换树脂的成膜化，赐予其分别膜的性质，用于微量成分的富集等均属于物理拓展功能法。用化学方法拓展已有的功能例如将离子交换树脂变成整合树用于催化、医药、色谱等行业。重要的功能高分子他种类的功能高分子。一、离子交换树脂与介质交换。其组成与分类如以以下图：〕离子交换树脂的高分子骨架子珠球，分凝胶型和大孔树脂型两类。凝胶型树脂聚苯乙烯型树脂用苯乙烯和二乙烯苯悬浮共聚合前使用最多的树脂。用丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯乙烯苯与另外几种交联剂混用，收效略好。缩聚树脂主要是各种酚醛类树脂。大孔树脂树脂本体仍如凝胶树脂，只是在其聚脂。(1)强酸性交换树脂：(2)弱酸性阳离子交换树脂：强碱性交换树脂：弱碱性交换树脂：螯合树脂 螯合树脂其根本特征是高分子骨架合的功能基对多种金属离子有选择性的构造上来说有一类是整合基团在高分子另一类是整合基团作为侧基连于高分子骨架上。常见的为后者。O、P、S、N、Se等，如：到惊异的应用。离子交换树脂应用离子交换树脂和离子交换膜在水处理上是应用最多的市场。离子交换树脂常用于处理工业废水，可以从废水中富集和回收金属，以及丙酮、乙醇等溶剂。如从照相废液中回收银，从化纤废水中回收铜，从电镀废水中回收铬等。对于抗菌素的提取，阳离子交联树脂能收到奇效。在工和核工业上有独特的作用，如阳离子235U99Tc富集、浓缩、回收可以到达很好的净化效果。在处理氯碱工业废水废液、海水淡化等方面也有广泛的应用。2 泛应用于根本有机合成工业，如用离子交换树脂法合成双酚—A，代替古老的HSO2 二、高分子吸附剂和吸附树脂称为“吸附树脂”。只是我们这里说的“吸附树脂”是分子型吸附树脂，而离子交换树脂有人会说成是离子型吸附树脂。吸附作用的。现在对于吸水性能好的吸附树脂又单独称为高吸水树脂，某些特别的凝胶型的高分子吸附剂又被称为凝胶分子筛，因此，总的类型上可分为：聚苯乙烯型吸附树脂同的微观构造。使用不同的致孔剂和不同量的致孔剂，可以严格把握树脂中微孔的粒径。在宏观上，实际商品对树脂的粒径和外形也有确定的要求，例如用作色谱固定相的树脂要有微球外形和小的粒径。等的树脂，目前已生产了大量不同极性、不同用途的商品。虽然商品名称不同，但其构造和性能照旧很类似。300—500m2/g之间，少数有高达100m2/g以下的。平均孔径一般在30聚丙烯酸骨架和其它类型树脂聚甲基丙烯酸酯与双甲基丙烯酸乙二酯共聚物是仅次于聚苯乙烯体系最常用的树脂。具有中等极性，较好是极性很强的树脂，还有聚乙烯醇、聚酰胺、纤维素衍生物等。凝胶分子筛换，不为微生物利用。它有很多牌号，可以分别分子量10060200万的，用于凝胶色谱。高分子吸水树脂高达几十倍，称为高吸水性树脂。从构造上说应是具有具有确定的强度的立体构造，分子量极高。常见的吸水树脂和高吸水树脂可分为：〕吸附树脂的应用理含酸废水，农药废水，含有机酸、有机溶剂、外表活性剂的废水，以及用于脱色。被富集的杂质，可以浓缩收集。用于富集回收有机物，提取香料、油脂、某些生物质的分别和吸附提取等。用它来分别简洁的混合物可以有选择性地吸取。吸附树脂分别和再生极简洁，用于蛋白质、酶的分别不要加热，不要溶剂，收到特别的效果。大棚栽培、污泥凝固等有重要的应用。一些国家在沙漠中用于沙漠农业，作根底层保水剂。三、光敏性高分子光敏高分子的分类：〕光刻胶和感光树脂光致抗蚀剂在集成电路制造中，半导体外表氧化层很多地方要除去，一些地方则要保存。除去氧化层的方法主要用化学腐蚀溶洗法。为了使需要保存的地方不受影响，就要用涂料保护起来。在集成电路制造中，利用一种感光性树脂涂在氧化层上，在紫外光或其它可控要用一个事先设计好的图案，掩蒙在外表上，进展像照相一样的用光源曝光，被光照的就可以用溶剂洗去可溶局部，也叫显影，同照相的术语一样。这种性能的感光性树脂叫光刻树脂、光刻胶或叫光致抗蚀剂等等。光刻胶分为正型和负型，正型是紫外光照耀局部溶好。x射线、离子束光致抗蚀剂等几种。印刷用感光树脂凸版印刷则承受光聚合型感光树脂，经光固化聚合成型，显影后荧光局部变成不溶的高分子，不受光局部可以洗去，制成凸版印刷材料。主要感光树脂成分如：不饱和聚酯／丙烯酸单体、丙烯酸聚酯／丙烯酸单体、纤维素／聚乙烯醇、尼龙／丙烯酸单体、聚乙烯醇／丙烯酰胺。平版印刷(胶印)有PS版，常用铝板上涂有感光树脂。树脂常是线性酚醛树脂，接(负胶)PVA或PVAc，以重氮化合物为感光剂。光敏涂料、光聚合树脂或者交联而到达固化。一般都是含有确定的不饱和双键的预聚物或聚合物，如不饱和聚酯、低聚环氧树脂、不饱和的聚氨酯、聚醚等。进展交联的低分子物或低分子预聚物，如苯乙烯、丙烯酸等。光变色聚合物由反式变成顺式，吸取波长变化转变了颜色。光变色高分子的常用合成方法是将高分子和变色低分子共混，方法简便；另一种方法是把光变色基团接枝到高分子侧基上。四、磁性记录材料(m)、硬磁盘(HD)、磁光盘和磁卡等等。PET，光盘主要用PC。常用各种热塑性粘合剂，聚氨酯、聚氨酯弹性体等。五、高分子试剂和催化剂小分子试剂经过高分子化或者使聚合物骨架与化学性，用于化学合成颇受人们欢送。物催化剂、高分子相转移催化剂、高分子固定化酶。法有浸渍凝胶相转化法(L—s法)和复合膜法两类。复合法基材是一个多孔高分子支撑膜。膜基材可有多种，常用聚酯织物或无纺布，在其上涂上一层致密的高分子皮层，制成复合膜。而浸渍凝胶法，是制造皮层与支撑体同时形成的非对称分别膜。将高分子溶液涂于一平板上(液相)，使成均匀薄层然后连溶液带板放入一个液体槽)液的溶剂集中出来，确定程度后高聚物就从原来溶液变成固相沉积下来，板上的一层离分子溶液变成了一张高分子固体膜。按膜的功能分类：按用途分类：滤、电渗析(药物膜)有水的淡化工业、啤酒等食品工业、医药工业、石油化工行业、以及环保部门的应用等。水的净化超纯水——承受电渗析—反渗遣—离子交换工艺城市家庭水净化——反渗透膜啤酒食品工业应用浊和酒花树脂、蛋白质等。用超滤膜技术可以不用蒸发而浓缩酶、果汁、茶叶抽提汁、甜菊糖、大豆蛋白等。常用醋酸纤维素材料制膜。医药工业应用母草、甘草的水溶液中分别出有效成分。石油化工行业应用2 2 HH的平均浓度接近90％，9598．5％。日产1000t合成氨厂，用膜回收H50tNH。在很多化工厂的废气中，含有有机物，承受膜分别法比活性炭或分子筛法都经济可行，可用来分别回收醇、酮、酯、芳烃、烷烃、石脑油等。用硅氧烷为主制成的富氧膜可使透过的空气含氧量达28％2 2 系统，可节约燃料30％-50％；炼钢中用35％富氧空气，不仅节能，而且削减钢铁损失3燃，使燃料充分燃烧，削减灰尘污染。用渗透—蒸发法生产无水乙醇，设备体积