第一章-功能高分子化学总论

第一章功能高分子化学总论第一节功能高分子化学的内容与发展

一、功能高分子材料定义材料：金属材料非金属材料--无机非金属材料，如硅酸盐。

有机高分子材料有机材料（有机小分子光电材料）高分子材料高分子材料，有：①、通用高分子材料（如，天然高分子材料-天然橡胶、天然纤维等；合成高

分子材料-合成橡胶、合成纤维、塑料等）②、功能高分子材料（如，导电聚合物、高分子试剂、吸附树脂等，因为其产量小、产值高、制作工艺复杂，故又称精细高分子材料。）（一）功能高分子材料的定义：与常规聚合物相比具有明显不同的物理化学性质,并具有某些特殊功能(如电学、光学等方面的持殊功能)的聚合物大分子(主要指全人工和半人工合成的聚合物)。（二）功能高分子材料化学：以这些材料为研究对象，研究它们的结构组成、物理化学性质、制备方法及应用的科学，称为功能高分子材料化学。（三）功能高分子材料的内容:功能高分子材料划分有多种方法，常用的分类方法有按其性质、功能、用途等划分，即:①、性质:反应型、光敏性、电活性、膜型、吸附型、其他等。②、用途:医药用、分离用、高分子反应试剂、离子交换树脂等。③、功能：物理功能高分子、化学功能高分子、生物功能高分子。日本著名功能高分子专家中村茂夫认为，功能高分子材料可以从以下几个方面来分类。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。2、化学功能材料(1)、分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合剂等。(2)、反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂等。(3)、生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。3、物理化学功能材料(1)、耐热高分子。(2)、电学功能材料，如导电性高分子、超导性高分子、感电子性高分子等。(3)、光学功能材料，如感光性高分子、导光性高分子等。(4)、能量转换功能材料，如感压性高分子、压电性高分子、热射电压高分子等。4、生物化学功能材料(1)、人工脏器用材料，如人工肾、人工心胸等。(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。二、功能高分子材料发展功能高分子材料化学作为一个完整的学科，从20世纪80年代中后期开始。已成为全新的、完整的、独立的一门学科。在目前国内外异常活跃的一个研究领域。不仅在内容上不断扩大，而且在工业上得到广泛应用。已经发展有一定规模的功能高分子材料有：1、具有选择分离功能的高分子材料离子交换树脂20世纪30年代开始研究。60年代出现了离子交换膜，70年代问世了分离功能膜，80年代又发展了高分子吸附剂和生物分离介质。2、光敏功能高分子（又称感光高分子）当前在微电子工业、印刷工业中广泛应用。此外,导光性高分子、光致变色高分子等都属于感光高分子的范畴。3、导电高分子高分子材料通常为绝缘体。但是某些高分子材料在一定条件下，具有半导电性、导电性甚至超导电性。如聚乙炔等。如果能在室温操作，则对人类的贡献将是不可估量的。此外，压电性高分子、光电性高分子、热电性高分子等也属于导电高分子材料。4、高吸水性树脂于60年代末首先由美国农业部开发的功能高分子材料。具有非常高的吸水性和优异的保水比。通常吸水量可达自重的200-2000倍，而且可再生反复使用。在民用中用于制作尿布、病人床垫、鞋垫、吸香水的餐巾等；在工业中可用作保湿剂、脱水剂、制作高性能电瓶、膨胀橡胶等；在农业中可用于土壤保水剂、育苗床基材等。5、生物医用高分子生物医用高分子包括医用高分子和药用高分子两大类。医用高分子：齿科材料，人体器官，如人工肾、人工心肺、人工乳房等。药用高分子：使药物具有长效性。6、高分子液晶高分子液晶是介于液体和晶体之间的一种中介态，具有独特的性能。即：在宏观上既具有液体的性能，在微观上又具有固体的晶体性能。7、耐热高分子通常不列入功能高分子的范围。但因为具有很高的附加产值，有时也将其列为功能高分子。如聚酰亚胺。8、具有减阻功能的高分子如水溶性聚环氧乙烷，当加入水中时，可大大降低水的阻力。9、能量转换功能高分子如，高分子光敏化剂等。第二节功能高分子材料的结构与性能的关系功能高分子材料性质，主要与其结构中的两方面性质有关。即官能团的性质，连接并承载这些官能团的聚合物骨架的性质。功能高分子材料构效关系，可有以下两方面分析：一、官能团的性质与聚合物功能之间的关系在功能高分子材料中官能团一般起以下几种作用。1、官能团的性质对材料的功能起主要作用此时，高分子骨架仅仅起支撑、分隔、固定和降低溶解度等辅助作用。如：图1-1。2、官能团与聚合物骨架协同作用官能团的作用需要通过与高分子骨架的结合或者通过高分子骨架与其他官能团相互结合而发挥作用。如：图1-2的固相合成用高分子试剂。3、与聚合物骨架一起作用官能团与聚合物骨架在形态上不能区分，也就是说官能团是聚合物骨架的一部分，或者说聚合物骨架本身起着官能团的作用。如，聚乙炔是具有线性共轭结构的电子导电型聚合物，线性共轭结构既是官能团、又是聚合物骨架。4、官能团起辅助作用官能团只起到改善溶解性能、降低玻璃化温度、改变润湿性和提高机械强度等一般作用。二、聚合物骨架的结构、组成、性质对功能高分子材料性能的影响1、聚合物骨架的种类、化学形态和物理化学性质根据聚合物的化学形态，可以将聚合物骨架主要分成两种：(1)、线性聚合物溶解性能比较好，溶剂选取比较容易；玻璃化温度一般较低，粘弹性比较好。因此，小分子和离子在其中比较容易进行扩散运动。这些性质对于功能高分子材料，如反应型功能高分子材料和聚合物电解质都是非常重要的。(2)、交联聚合物由于交联，小分子或离子在聚合物中扩散困难。可以通过减小交联度，或者提高聚合物空隙度的办法来解决。目前用于功能高分子的交联聚合物主要有以下几类。①、微孔型或溶胶型树脂②、大孔和大网络树脂③、米花状聚合物④、大网状聚合物2、聚合物性质高分子骨架的性质对功能高分子材料的性能有影响，这些性质主要有：(1)、溶剂化性质(2)、聚合物的多孔性(3)、聚合物的渗透性(4)、聚合物的稳定性3、聚合物骨架的高分子效应同样的功能基团引入高分子骨架后，材料的化学和物理性质不同于其小分子类似物。这种差异称为高分子效应。高分子效应表现在物理性质方面（挥发性、溶解性和结晶度下降）；化学性质方面（高分子骨架在反应型高分子使用中的无限稀释作用、高度浓缩作用和模板作用等）。较为典型的几种高分予效应：(1)、高分子骨架的溶解度下降效应（物理性质）(2)、高分子骨架的机械支撑作用（化学性质）（无限稀释、高度浓缩作用、邻位效应等）(3)、高分子骨架的模板效应（化学性质）(4)、高分子骨架的稳定效应（化学性质）(5)、聚合物骨架的其他效应（化学性质）如：

第三节功能高分子材料的制备策略功能高分子材料的制备主要有以下三种类型：功能型小分子材料的高分子化；高分子材料的功能化；功能高分子材料的多功能复合与功能扩展。一、功能型小分子材料的高分子化(一)、功能型可聚合单体的聚合法（化学法）包括两个步骤：①、首先是合成可聚合的功能型单体；②、然后进行均聚、或共聚反应生成功能聚合物。如图l-7。（此时功能基成为聚合物的侧链）1如果要在聚合物主链上引入功能基，一般是在功能型小分子上引入双功能基。如下图：另外，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。（缩聚）(二)、聚合物包埋法（物理法）在单体溶液中加入小分子功能化合物，在聚合过程中小分子化合物被生成的聚合物所包埋，聚合物骨架与小分子功能化物之间没有化学键连接。