功能高分子材料(绪论)课件

功能高分子材料材料与化工学院

功能高分子材料材料与化工学院11

绪论本章内容1.1功能高分子的基本概念1.2功能高分子的分类1.4功能高分子材料的发展1.3功能高分子材料的制备（*）（*）1绪论本1.1功能高分子的基本概念1.2功能高分21.1功能高分子的基本概念什么是功能高分子？

在天然或合成高分子的主链或支链上引入某种功能的官能团，使其显示出在光、电、磁、声、热、化学、生物、医学等方面的特殊功能的高分子。

以功能高分子材料为研究对象，探讨其结构组成、制备方法、功能特性的科学。研究功能高分子材料的功能基团、分子组成和材料结构与性能之间的联系。功能高分子材料学：高分子的发展方向：通用高分子的高性能化和高分子的多功能化1.1功能高分子的基本概念什么是功能高分子？31.2功能高分子的分类日本著名功能高分子专家中村茂夫教授认为，功能高分子可从以下几个方面分类。1.力学功能材料1)强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；2)弹性功能材料，如热塑性弹性体等。2.化学功能材料1)分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；2)反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；3)生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。1.2功能高分子的分类日本著名功能高分子专家中村茂夫教授41.2功能高分子的分类3.物理化学功能材料1)耐高温高分子，高分子液晶等；2)电学功能材料，如导电性高分子、超导高分子，感电子性高分子等；3)光学功能材料，如感光高分子、导光性高分子等；4)能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等。4.生物化学功能材料1)人工脏器用材料，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。1.2功能高分子的分类3.物理化学功能材料51.2功能高分子的分类

国内一般采用按其性质、功能或实际用途，具体可划分为8种类型。1.反应性高分子材料，包括高分子试剂、高分子催化剂和高分子染料，特别是高分子固相合成试剂和固定化酶试剂等。2.光敏型高分子，包括各种光稳定剂、光刻胶，感光材料、非线性光学材料、光导材料和光致变色材料等。3.电性能高分子材料，包括导电聚合物、能量转换型聚合物、电致发光和电致变色材料及其他电敏性材料等。1.2功能高分子的分类国内一般采用按其性质、功能61.2功能高分子的分类4.高分子分离材料，包括各种分离膜、缓释膜和其他半透性膜材料、离子交换树脂、高分子絮凝剂等。5.高分子吸附材料，包括高分子吸附性树脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。6.高分子智能材料，包括高分子记忆材料、信息存储材料和光、磁、pH、压力感应材料等。7.医药用高分子材料，包括医用高分子材料、药用高分子材料和医药用辅助材料等。8.高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高温高分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纤维材料、生物降解高分子等。1.2功能高分子的分类4.高分子分离材料，包括各种分离7功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型：①是功能性小分子固定在骨架材料上；②是大分子材料的功能化；③是已有的功能高分子材料的功能扩展。1.3功能高分子材料的制备方法功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法81.功能性小分子的高分子化(1)功能性小分子单体直接发生聚合反应(2)功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合1.4功能高分子材料的制备方法1.功能性小分子的高分子化1.4功能高分子材料的制备方9优点生成的功能高分子功能基分布均匀聚合物结构可以通过聚合机理预先设计产物的稳定性较好缺点在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入常常需要复杂的合成反应要求在反应中不破坏原有结构和功能当需要引入的功能基稳定性不好时需要加以保护有时引入功能基后对单体聚合的活性会有影响优点10(1)功能性小分子单体直接发生聚合反应

通过在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体，然后进行均聚或共聚反应生成功能聚合物这些可聚合功能性单体中的可聚合基团一般为双键、羟基、羧基、氨基、环氧基、酰氯基、吡咯基、噻吩基等基团。发生加成聚合反应，开环聚合反应，缩聚反应以及氧化偶合反应。(1)功能性小分子单体直接发生聚合反应11

丙烯酸分子中带有双键，同时又带有活性羧基。经过自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共聚物，可以作为弱酸性离子交换树脂、高吸水性树脂等应用。这是带有功能性基团的单体聚合制备功能高分子的简单例子。丙烯酸分子中带有双键，同时又带有活性羧基。12将含有环氧基团的低分子量双酚A型环氧树脂与丙烯酸反应，得到含双键的环氧丙烯酸酯，这种单体在制备光敏高分子材料方面有广泛的应用。将含有环氧基团的低分子量双酚A型环氧树脂13

除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，采用多种单体进行共聚反应制备功能高分子也是一种常见的方法。特别是当需要控制聚合物中功能基团的分布和密度时，或者需要调节聚合物的物理化学性质时，共聚可能是最行之有效的解决办法。

除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，采用多14该方法是利用生成高分子的束缚作用将功能性小分子以某种形式包埋固定在高分子材料中来制备功能高分子材料。在聚合反应之前，向单体溶液中加入小分子功能化合物，在聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。在高分子药物、固定化酶的制备方面有独到的优势。(2)功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合该方法是利用生成高分子的束缚作用将功能性小分子以某种形式包埋15用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架与小分子功能化合物之间没有化学键连接，固化作用通过聚合物的包络作用来完成。这种方法制备的功能高分子类似于用共混方法制备的高分子材料，但是均匀性更好。此方法的优点是方法简便，功能小分子的性质不受聚合物性质的影响，因此特别适宜酶等对环境敏感材料的固化。缺点是在使用过程中包络的小分子功能化合物容易逐步失去，特别是在溶胀条件下使用，将加快固化酶的失活过程。用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架与小分子功能化合物16例如，维生素C在空气中极易被氧化而变黄。采用溶剂蒸发法研制以乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素苯二甲酸酯等聚合物为外壳材料的维生素C微胶囊，达到了延缓氧化变黄的效果。将维生素C微胶囊暴露于空气中一个月，外观可保持干燥状态，色泽略黄。这种维生素C微胶囊进入人体后，两小时内可完全溶解释放。例如，维生素C在空气中极易被氧化而变黄。172.已有高分子材料的功能化(1)利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架(2)功能性小分子与聚合物共混

2.已有高分子材料的功能化(1)利用化学反应将活性功能18价格低廉的通用材料较容易地接上功能性基团来源丰富具有机械、热、化学稳定性可选材料的特点价格低廉的通用材料可选材料的特点19目前常见的品种聚苯乙烯聚氯乙烯聚乙烯醇聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物聚丙烯酰胺聚环氧氯丙烷及其共聚物纤维素目前常见的品种聚苯乙烯20利用化学反应将活性功能基引

入聚合物骨架例子：

小分子过氧酸是常用的强氧化剂，在有机合成中是重要的试剂。但是，这种小分子过氧酸的主要缺点在于稳定性不好，容易发生爆炸和失效，不便于储存。反应后产生的羧酸也不容易除掉，经常影响产品的纯度。将其引入高分子骨架后形成的高分子过氧酸，挥发性和溶解性下降，稳定性提高。利用化学反应将活性功能基引

入聚合物骨架例子：21小分子氧化剂：不稳定。易爆，易燃，易分解失效，贮存、运输、使用困难高分子氧化剂：稳定性好，贮存、运输、使用方便小分子氧化剂：不稳定。易爆，易燃，易分解失效，贮存、运输、使22功能高分子材料(绪论)课件23聚苯乙烯芳环上的取代反应聚苯乙烯分子中的苯环比较活泼，可以进行一系列的芳香取代反应，如磺化、氯甲基化、卤化、硝化、锂化、烷基化、羧基化、氨基化等等，因此是功能高分子制备中最常用的骨架母体。

聚苯乙烯芳环上的取代反应24聚苯乙烯磺化、氯甲基化聚苯乙烯磺化、氯甲基化25聚乙烯醇的变化聚乙烯醇可多种低分子化合物反应，形成各种各样的功能高分子聚醋酸乙烯酯的醇解制备聚乙烯醇聚乙烯醇的变化聚乙烯醇可多种低分子化合物反应，形成各种各样的26可用于在聚乙烯醇结构中引入活性基团的反应

可用于在聚乙烯醇结构中引入活性基团的反应27例子：青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十分普遍。它具有易吸收，见效快的特点，但也有排泄快的缺点。利用青霉素结构中的羧基、氨基与高分子反应，可得到疗效长的高分子青霉素。例如将青霉素与乙烯醇－乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性的药物高分子，这种高分子青霉素在人体内的停留时间为低分子青霉素的30～40倍。例子：青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十分普遍。它具28（2）带有功能性基团的小分子与高分子骨架的结合这种制备方法的好处是可以利用廉价的商品化聚合物，并且通过对高分子材料的选择，使得到的功能高分子材料机械性能比较有保障。主要是通过小分子功能化合物与聚合物的共混和复合来实现。（2）带有功能性基团的小分子与高分子骨架的结合这种制备方法的29

比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧化物的固化等。与化学法相比，通过与聚合物共混制备功能高分子的主要缺点是共混物不够稳定，在使用条件下（如溶胀、成膜等）功能聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性。

比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧化30功能高分子材料的测试与表征化学成分分析化学结构分析晶态结构分析聚集态结构分析热性能分析功能测定功能高分子材料的测试与表征化学成分分析31

新型功能材料国外发展现状

当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。

1.4功能高分子材料的发展现状新型功能材料国外发展现状1.4功32我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。国内功能材料发展的现状我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“863”、“33在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域