普通化學(xué)——功能性高分子材料(2015)

1、普通化學(xué)普通化學(xué)主講：梅崇珍主講：梅崇珍功能性高分子材料功能性高分子材料高分子高分子 化化 學(xué)學(xué)高分子高分子 科科 學(xué)學(xué)研究高分子化合物合成和反應(yīng)。研究高分子化合物合成和反應(yīng)。選擇原料、確定路線、尋找引選擇原料、確定路線、尋找引發(fā)劑、制定合成工藝等。發(fā)劑、制定合成工藝等。研究聚合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，研究聚合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，為設(shè)計(jì)合成預(yù)定性能的聚合物提供為設(shè)計(jì)合成預(yù)定性能的聚合物提供理論指導(dǎo)，是溝通合成與應(yīng)用的橋理論指導(dǎo)，是溝通合成與應(yīng)用的橋梁。梁。高分子高分子物物 理理高分子高分子 工工 程程研究聚合物加工成型的原理與研究聚合物加工成型的原理與工藝。工藝。高分子化學(xué)高分子化學(xué)發(fā)展簡史發(fā)

2、展簡史天然高分子天然高分子的直接利用的直接利用改性天然高改性天然高分子分子天然橡膠的硫化天然橡膠的硫化, , 硝化纖硝化纖維的合成等維的合成等淀粉、蛋白質(zhì)、棉麻絲、竹、淀粉、蛋白質(zhì)、棉麻絲、竹、木等木等縮聚反應(yīng)，自由基、配位、離縮聚反應(yīng)，自由基、配位、離子聚合等子聚合等高分子合成高分子合成高分子時(shí)代高分子時(shí)代19世紀(jì)中期以前世紀(jì)中期以前19世紀(jì)中期世紀(jì)中期20世紀(jì)早期世紀(jì)早期20世紀(jì)世紀(jì)21世紀(jì)世紀(jì)解決途徑：解決途徑：（1 1）延長使用壽命：減少廢棄）延長使用壽命：減少廢棄（2 2）回收利用：低性能應(yīng)用；降解）回收利用：低性能應(yīng)用；降解（3 3）自然降解：自然分解回歸自然）自然降解：自然分解回

3、歸自然制約因素：制約因素： 1 1、老化、老化 2 2、高分子制品廢棄后對(duì)環(huán)境的污染、高分子制品廢棄后對(duì)環(huán)境的污染 （白色污染、黑色污染）（白色污染、黑色污染）高分子聚合物性能高分子聚合物性能 塑料塑料通用通用“四烯四烯”：PE、PP、PVC、PS， 即聚乙烯即聚乙烯(PE)，聚氯乙烯，聚氯乙烯(PV)，聚丙烯，聚丙烯(PP)， 聚苯乙烯樹脂聚苯乙烯樹脂(PS)。橡膠橡膠 “四膠四膠”：丁苯橡膠（丁苯橡膠（SBR）、順丁橡膠）、順丁橡膠(BR)、 異戊橡膠異戊橡膠(IBR)、乙丙橡膠、乙丙橡膠(EPR)。纖維纖維 “四綸四綸”：滌綸（滌綸（PET）、腈綸）、腈綸(PAN)、 維尼綸、錦綸（尼龍

4、，維尼綸、錦綸（尼龍，PA ） 。三大合成高分子材料三大合成高分子材料根據(jù)性根據(jù)性質(zhì)和用質(zhì)和用途途塑塑 料料纖纖 維維橡橡 膠膠涂涂 料料膠黏劑膠黏劑功能高分子功能高分子具有可逆形變的高彈性材料具有可逆形變的高彈性材料。纖細(xì)而柔軟的絲狀物，長度至少為直徑纖細(xì)而柔軟的絲狀物，長度至少為直徑的的100100倍。倍。涂布于物體表面能成堅(jiān)韌的薄膜、起涂布于物體表面能成堅(jiān)韌的薄膜、起裝飾和保護(hù)作用的聚合物材料裝飾和保護(hù)作用的聚合物材料能通過粘合的方法將兩種以上的物體能通過粘合的方法將兩種以上的物體連接在一起的聚合物材料連接在一起的聚合物材料具有特殊功能與用途的精細(xì)高分具有特殊功能與用途的精細(xì)高分子材料子

5、材料以聚合物為基礎(chǔ)，加入（或不加）各種以聚合物為基礎(chǔ)，加入（或不加）各種助劑和填料，經(jīng)加工形成的塑性材料或助劑和填料，經(jīng)加工形成的塑性材料或剛性材料。剛性材料。高分子材料：高分子材料：常規(guī)高分子材料常規(guī)高分子材料塑料塑料橡膠橡膠纖維纖維膠黏劑膠黏劑涂料涂料常規(guī)高分子材料功能高分子材料功能高分子材料隱形眼鏡（聚甲基丙烯酸羥乙酯）隱形眼鏡（聚甲基丙烯酸羥乙酯）發(fā)光材料發(fā)光材料導(dǎo)電橡膠導(dǎo)電橡膠光敏性高分子材料光敏性高分子材料u功能高分子功能高分子也稱為精細(xì)高分子或特種高分子，一也稱為精細(xì)高分子或特種高分子，一般是指具有傳遞、轉(zhuǎn)換或貯存物質(zhì)、能量和信息般是指具有傳遞、轉(zhuǎn)換或貯存物質(zhì)、能量和信息作用的高

6、分子及其復(fù)合材料，或具體地指在原有作用的高分子及其復(fù)合材料，或具體地指在原有力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，還具有特殊的物理功能和化力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，還具有特殊的物理功能和化學(xué)功能的高分子及其復(fù)合材料。學(xué)功能的高分子及其復(fù)合材料。u 這些物理功能和化學(xué)功能包括這些物理功能和化學(xué)功能包括光敏性、導(dǎo)電性光敏性、導(dǎo)電性、能量轉(zhuǎn)換性、磁性、選擇分離性、化學(xué)反應(yīng)活、能量轉(zhuǎn)換性、磁性、選擇分離性、化學(xué)反應(yīng)活性、催化性、生物兼容性、藥理性性、催化性、生物兼容性、藥理性等等。 功能高分子的定義功能高分子的定義功能高分子的特點(diǎn)功能高分子的特點(diǎn)按按功能分功能分：（1 1）分離材料和化學(xué)功能）分離材料和化學(xué)功能材料材料（2 2）

7、電磁功能高分子材料）電磁功能高分子材料（3 3）光功能高分子材料）光功能高分子材料（4 4）生物醫(yī)用高分子材料）生物醫(yī)用高分子材料 按按用途分用途分：（1 1）反應(yīng)型高分子材料）反應(yīng)型高分子材料（2 2）光敏型高分子材料）光敏型高分子材料（3 3）電活性高分子材料）電活性高分子材料（4 4）膜型高分子材料）膜型高分子材料（5 5）吸附型高分子材料）吸附型高分子材料（6 6）高性能功能材料）高性能功能材料（7 7）高分子智能材料）高分子智能材料（8 8）醫(yī)藥用高分子材料）醫(yī)藥用高分子材料功能高分子材料的分類功能高分子材料的分類導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料 20002000年年1010月月1010

8、日，瑞典皇家科學(xué)院宣布日，瑞典皇家科學(xué)院宣布了了20002000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者，美國加利福獲得者，美國加利福尼亞大學(xué)的物理學(xué)家尼亞大學(xué)的物理學(xué)家艾倫艾倫.J.J.黑格教授黑格教授、美、美國賓夕法尼亞大學(xué)的化學(xué)家國賓夕法尼亞大學(xué)的化學(xué)家艾倫艾倫.G.G.馬克迪馬克迪亞米德教授亞米德教授和日本筑波大學(xué)的化學(xué)家和日本筑波大學(xué)的化學(xué)家白川英白川英樹教授樹教授，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電塑料，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電塑料摻雜摻雜聚乙炔聚乙炔導(dǎo)電功能高分子材料導(dǎo)電功能高分子材料u 復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是以復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是以有機(jī)高分子材料為基體有機(jī)高分子材料為基體, ,加入加入一定數(shù)量的導(dǎo)電物質(zhì)

9、一定數(shù)量的導(dǎo)電物質(zhì)( (如炭黑、石墨、碳纖維、金屬粉、金如炭黑、石墨、碳纖維、金屬粉、金屬纖維、金屬氧化物等屬纖維、金屬氧化物等) )組合而成。組合而成。u該類材料兼有高分子材料的易加工特性和金屬的導(dǎo)電性。該類材料兼有高分子材料的易加工特性和金屬的導(dǎo)電性。與金屬相比較與金屬相比較, ,導(dǎo)電性復(fù)合材料導(dǎo)電性復(fù)合材料具有加工性好、工藝簡單、具有加工性好、工藝簡單、耐腐蝕、電阻率可調(diào)范圍大、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。耐腐蝕、電阻率可調(diào)范圍大、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。u 復(fù)合型導(dǎo)電高分子所采用的復(fù)合型導(dǎo)電高分子所采用的復(fù)合方法主要有兩種復(fù)合方法主要有兩種: :一種是將親水性聚合物或結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子與基體高分子進(jìn)一種是將親水

10、性聚合物或結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子與基體高分子進(jìn)行共混；另一種則是將各種導(dǎo)電填料填充到基體高分子中。行共混；另一種則是將各種導(dǎo)電填料填充到基體高分子中。 導(dǎo)電功能高分子材料導(dǎo)電功能高分子材料u結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子：結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子：是指高分子材料本身或是指高分子材料本身或經(jīng)少量摻雜后具有導(dǎo)電性的高分子物質(zhì)經(jīng)少量摻雜后具有導(dǎo)電性的高分子物質(zhì), ,一般由一般由電子高度離域的共軛聚合物經(jīng)過適當(dāng)電子給體或電子高度離域的共軛聚合物經(jīng)過適當(dāng)電子給體或受體摻雜后制得。受體摻雜后制得。 u 離子型導(dǎo)電高分子：離子型導(dǎo)電高分子：通常又叫高分子固體電通常又叫高分子固體電解質(zhì)，其導(dǎo)電時(shí)的載流子主要是離子。解質(zhì)，其導(dǎo)電時(shí)的載流子

11、主要是離子。u 電子型導(dǎo)電高分子：電子型導(dǎo)電高分子：指的是以共軛高分子為指的是以共軛高分子為主體的導(dǎo)電高分子材料主體的導(dǎo)電高分子材料, ,導(dǎo)電時(shí)的載流子是電子導(dǎo)電時(shí)的載流子是電子( (或空穴或空穴) )，這類材料是目前世界上導(dǎo)電高分子材，這類材料是目前世界上導(dǎo)電高分子材料研究開發(fā)的重點(diǎn)。料研究開發(fā)的重點(diǎn)。導(dǎo)電功能高分子材料導(dǎo)電功能高分子材料光導(dǎo)電高分子材料光導(dǎo)電高分子材料u 物質(zhì)在受到光照時(shí)，其電子導(dǎo)電載流子數(shù)目比熱物質(zhì)在受到光照時(shí)，其電子導(dǎo)電載流子數(shù)目比熱平衡時(shí)增多的現(xiàn)象稱為光導(dǎo)電現(xiàn)象?？捎迷谔柲芷胶鈺r(shí)增多的現(xiàn)象稱為光導(dǎo)電現(xiàn)象?？捎迷谔柲茈姵亍⑷⒄障?、靜電復(fù)印、信息記錄等方面。電池、全

12、息照相、靜電復(fù)印、信息記錄等方面。u導(dǎo)電機(jī)理：其導(dǎo)電包括三個(gè)過程，即光激發(fā)，載導(dǎo)電機(jī)理：其導(dǎo)電包括三個(gè)過程，即光激發(fā)，載流子生成和載流子遷移。在受光照后，首先形成離流子生成和載流子遷移。在受光照后，首先形成離子對(duì)（電子子對(duì)（電子- -孔穴對(duì)），離子對(duì)在電場作用下熱解生孔穴對(duì)），離子對(duì)在電場作用下熱解生成載流子。成載流子。導(dǎo)電功能高分子材料導(dǎo)電功能高分子材料導(dǎo)電高分子具有下列特點(diǎn)導(dǎo)電高分子具有下列特點(diǎn):(1) 與金屬相比與金屬相比,重量輕重量輕;(2) 成型性好成型性好。用澆鑄、模壓等比較簡易的方法就能。用澆鑄、模壓等比較簡易的方法就能使其纖維化、薄膜化，制成涂料使其纖維化、薄膜化，制成涂料,以

13、及得到人們所需以及得到人們所需要的其他形狀，而且易于加工成輕質(zhì)的大面積的可撓要的其他形狀，而且易于加工成輕質(zhì)的大面積的可撓性薄膜，以其大的面積性薄膜，以其大的面積/厚度比來補(bǔ)償它的電導(dǎo)率較厚度比來補(bǔ)償它的電導(dǎo)率較低的不足；低的不足；(3) 易于合成和進(jìn)行分子設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)，易于合成和進(jìn)行分子設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)，從而能較從而能較好地滿足科學(xué)技術(shù)對(duì)這類功能材料提出的各種要求；好地滿足科學(xué)技術(shù)對(duì)這類功能材料提出的各種要求；(4) 原料來源廣。原料來源廣。 導(dǎo)電功能高分子材料導(dǎo)電功能高分子材料生物、醫(yī)用高分子生物、醫(yī)用高分子 醫(yī)用高分子材料是一類可對(duì)有機(jī)體醫(yī)用高分子材料是一類可對(duì)有機(jī)體組織進(jìn)行修復(fù)、替代與

14、再生的具有特殊組織進(jìn)行修復(fù)、替代與再生的具有特殊功能的合成高分子材料功能的合成高分子材料, ,可以通過聚合等可以通過聚合等方法進(jìn)行制備方法進(jìn)行制備, ,是生物醫(yī)用材料的重要組是生物醫(yī)用材料的重要組成之一。成之一。醫(yī)用功能高分子材料醫(yī)用功能高分子材料醫(yī)用高分子材料的要求：醫(yī)用高分子材料的要求：(1)(1)滿足滿足醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)方面的要求。如人工血液的黏度和方面的要求。如人工血液的黏度和滲透壓、人工皮膚的促進(jìn)愈合作用、藥物的控制滲透壓、人工皮膚的促進(jìn)愈合作用、藥物的控制釋放作用等。釋放作用等。(2)(2)滿足滿足材料學(xué)材料學(xué)方面的要求。如機(jī)械強(qiáng)度、透過方面的要求。如機(jī)械強(qiáng)度、透過性質(zhì)等機(jī)械、物理和化學(xué)方

15、面的要求。性質(zhì)等機(jī)械、物理和化學(xué)方面的要求。(3)(3)滿足滿足生物學(xué)生物學(xué)方面的要求。如方面的要求。如血液相容性血液相容性；組；組織相容性；生物惰性；可生物降解性?？椣嗳菪?；生物惰性；可生物降解性。 醫(yī)用功能高分子材料醫(yī)用功能高分子材料人造心臟人造心臟人造皮膚人造皮膚人造血管人造血管人造膝關(guān)節(jié)人造膝關(guān)節(jié)人造關(guān)節(jié)人造關(guān)節(jié)u分離膜：分離膜：是指能以特定形式限制和傳遞流體物質(zhì)的分隔兩相或兩部分的界面。膜的形式可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的。被膜分割的流體物質(zhì)可以是液態(tài)的，也可以是氣態(tài)的。u 膜在生產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱為膜技術(shù)u 膜分離過程的推動(dòng)力有濃度差、壓力差和電位 差等。功能高分子材料功能高

16、分子材料高分子分離膜高分子分離膜 膜分離過程可概述為以下三種形式： 滲析式膜分離滲析式膜分離 料液中的某些溶質(zhì)或離子在濃度差、電位差的推動(dòng)下，透過膜進(jìn)入接受液中從而被分離出去。有滲析和電滲析等 過濾式膜分離過濾式膜分離 利用組分分子的大小和性質(zhì)差別所表現(xiàn)出透過膜的速率差別，達(dá)到組分的分離。屬于過濾式膜分離的有超濾、微濾、反滲透和氣體滲透等； 液膜分離液膜分離 液膜與料液和接受液互不混溶，液液兩相通過液膜實(shí)現(xiàn)滲透，類似于萃取和反萃取的組合。溶質(zhì)從料液進(jìn)入液膜相當(dāng)于萃取，溶質(zhì)再從液膜進(jìn)入接受液相當(dāng)于反萃取。 高分子分離膜類型高分子分離膜類型 膜分離過程沒有相的變化(滲透蒸發(fā)膜除外)，常溫下常溫下即可操作；即可操作； 由于避免了高溫操作，所濃縮和富集物質(zhì)的性質(zhì)不容易發(fā)生變化，