高分子科學(xué)導(dǎo)論功能高分子通用PPT課件

1、高分子科學(xué)導(dǎo)論功能高分子Functional polymersFunctional polymer isPolymer that bears specified chemical groups or;Polymer that has specified physical, chemical, biological, pharmacological, or other uses which depend on specific chemical groups.There is a difference between the words “performance” and “function”.

2、 Generally, “performance” is the resistance of material to the external action, and the “function” means the conversion of material in quantity or quality responded to the external input signal.The input signal could be force, heat, light, electron, and so on Classification of functional polymers力學(xué)功

3、能材料強(qiáng)化功能材料，彈性功能材料化學(xué)功能材料分離功能材料，如分離膜、離子交換樹脂、高分子絡(luò)合物等反應(yīng)功能材料，如高分子催化劑、高分子試劑等生物功能材料，如固定化酶、生物反應(yīng)器等物理化學(xué)功能材料耐高溫高分子，高分子液晶等電學(xué)功能材料，如導(dǎo)電性高分子、超導(dǎo)性高分子、感電了性高分子等光學(xué)功能材料，如感光性高分子、導(dǎo)光性高分子、光敏性高分子等能量轉(zhuǎn)換功能材料，如壓電性高分子、熱電性高分子等生物化學(xué)功能材料人工臟器用材料，如人工腎、人工心肺等高分子藥用材料，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物生物分解材料，如可降解性高分子材料等。ContentConducting and Semi-conducting

4、Functional Polymer 導(dǎo)電和半導(dǎo)體功能高分子Functional Polymer Materials for Adsorption and Separation 吸附分離功能高分子Superabsorbent Resin 高吸水性樹脂F(xiàn)unctional Polymer with Photoelectronic Properties 光電功能高分子Biomedical Polymers 生物醫(yī)用高分子Polymeric Liquid Crystal 高分子液晶Ionic Polymers 離子型聚合物Conducting and Semi-conducting Function

5、al PolymerWhat is conductive polymerConductive polymers are polymers that conduct electricity. Such compounds may be true metallic conductors or semiconductors. It is generally accepted that metals conduct electricity well and that organic compounds are insulating, but this class of materials combin

6、es the properties of both. The biggest advantage of conductive polymers is their processibility. Conductive polymers are also plastics (which are organic polymers) and therefore can combine the mechanical properties (flexibility, toughness, malleability, elasticity, etc.) of plastics with high elect

7、rical conductivities. Their properties can be fine-tuned using the exquisite methods of organic synthesis.Why conductive polymer普通高分子材料的靜電積聚靜電在工業(yè)生產(chǎn)中有很大的危害性。每年因靜電事故造成的損失超過百億美元。普通高分子材料對(duì)電磁波的屏蔽性差，通信設(shè)備常常因電磁波的入侵造成誤操作。導(dǎo)電高分子的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過開始的設(shè)想Merits of conductive polymers$10 billion$100EconomicsReplace this . . .

8、 . . with thisEase of ProductionChemical VersatilityFlexible circuitryReplace this . . . . . with this. . . with thisReplace this . . .Conductivity of polymers要使高分子材料導(dǎo)電就必須能模擬金屬的行為，亦即電子必須能不受原子的束縛而能自由移動(dòng)，要達(dá)到此目的的第一個(gè)條件就是這個(gè)聚合物應(yīng)該具有交錯(cuò)的單鍵與雙鍵，亦稱為“共軛”雙鍵。為了使共軛高分子導(dǎo)電，必須要做摻雜。這和半導(dǎo)體經(jīng)過參雜后提高導(dǎo)電度類似。 -20-16-12-8-404絕緣體半導(dǎo)

9、體導(dǎo)體超導(dǎo)體NylonPEPSPTFEGe, SiConductive PolymersNichromeCarbon fiberCuAlAglg(1/ohmcm-1)Some conductive polymersInvention of Conductive PolymerHideki ShirakawaA.G. McDiarmidA. HeegerEarly 1970s: Mistake in Skirakawas lab leads to accidental discovery of silver looking polymer (polyacetylene)Late 1970s: C

10、ollaboration between Heeger, MacDiarmid and Shirakawa lead to 10 million-fold increase in conductivity of polyacetylene.2000: Heeger, MacDiarmid and Shirakawa win Nobel Prize in Chemistry2000+: First organic electronics appear on the market as flexible displays.E-ink美國(guó) Lucent 公司和 E Ink 公司共同開發(fā)出了“電子紙”

11、，它可以應(yīng)用于電子書籍和電子報(bào)紙等。 與硅晶體管相比，塑料晶體管的好處在于成本低廉，生產(chǎn)便捷，不需要專門化的昂貴制造設(shè)備和高度潔凈的真空環(huán)境。Polymeric transistorSiElectroluminescence常用于電致發(fā)光材料的聚合物包括：聚對(duì)苯乙烯、聚咔唑、聚噻酚等。空穴注入（正極）空穴遷移電子注入（負(fù)極）電子遷移電子與空穴復(fù)合激子擴(kuò)散激子復(fù)合電致發(fā)光輻射非輻射電致發(fā)熱Polymeric solar cellFunctional Polymer Materials for Adsorption and SeparationIon-exchangersSynthetic org

12、anic polymer resins based on styrene or acrylic-acid-type monomers are most widely used.Generally solid gels in spherical or granular form consisting of:A 3-dimensional polymeric network,Ionic functional groups attached to the network,CounterionsA solventStrong-acid, cation-exchange resins and stron

13、g-base anion exchange resins can be produced.Mechanism of ion-exchangeSO3- H+Na+SO3- Na+CH2N+(CH3)3 OH-Cl-CH2N+(CH3)3 Cl-H+OH-H2OCation exchange resinAnion exchange resin水處理離子交換大都是基于含磺酸基的交聯(lián)聚合物。水中的Na+通過樹脂層，交換磺酸中的H+。Ca2+，F(xiàn)e3+和Mg2+與磺酸基團(tuán)具有更大的親合力，因此硬水通過樹脂層后，不僅可以交換H+還可以交換Na+，得到軟水。當(dāng)樹脂中的磺酸基團(tuán)被這些硬離子飽和時(shí)，樹脂層必須通

14、過添加大量過量的鹽酸溶液或氯化鈉溶液進(jìn)行再生，以交換緊密結(jié)合的硬離子，從而再次使用。Structure of ion-exchange resin活性基團(tuán)結(jié)構(gòu)陽(yáng)離子交換樹脂 磺酸基類（強(qiáng)酸型）-SO3- H+ 丙烯酸類（弱酸型）-COO- H+陰離子交換樹脂 季銨鹽類（強(qiáng)堿型）-CH2-NR3+ OH- 仲胺類（弱堿型）-CH2-NHR 叔胺類（弱堿型）-CH2-NR2Other Adsorption and Separation polymerOCOCO()MOOOOOO()MPolymeric chelate resin-diketonecrown ether 通過對(duì)不同金屬離子的選擇性螯

15、合作用，高分子螯合樹脂可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種金屬離子的濃縮和富集，可廣泛地應(yīng)用于分析檢測(cè)、污染治理、環(huán)境保護(hù)和工業(yè)生產(chǎn)。Adsorbent resins 吸附樹脂也稱物理吸附功能高分子，主要是一些非離子吸附樹脂，根據(jù)其極性大小可分為非極性、中極性和強(qiáng)極性三類。 非極性吸附樹脂主要是交聯(lián)聚苯乙烯大孔樹脂，可通過范德華力吸附具有一定疏水性的物質(zhì)；中極性吸附樹脂主要是交聯(lián)聚丙烯酸酯類及其與苯乙烯的共聚物。其吸附作用除范德華力外，氫鍵也起一定的作用；強(qiáng)極性吸附樹脂主要是聚丙烯酸酯樹脂利用水解反應(yīng)生成強(qiáng)極性的羧基，其吸附作用主要通過氫鍵和偶極作用進(jìn)行。Application of Adsorption and S

16、eparation polymer Superabsorbent ResinSuperabsorbent polymersSuperabsorbent polymers (SAP) are polymers that can absorb and retain extremely large amounts of a liquid relative to their own mass.Water absorbing polymers, classified as hydrogels, absorb aqueous solutions through hydrogen bonding with

17、the water molecule. The total absorbency and swelling capacity are controlled by the type and degree of cross-linking to the polymer. Low density cross-linked SAP generally has a higher absorbent capacity and swell to a larger degree. These types of SAPs also have a softer and more cohesive gel form

18、ation.High cross-link density polymers exhibit lower absorbent capacity and swell. The gel strength is firmer and can maintain particle shape even under modest pressure.Superabsorbent polymers高吸水樹脂Starch（淀粉）Poly(vinyl alcohol)（PVA, 聚乙烯醇）Poly(acylic acid)（PAA, 聚丙烯酸）Hydrolysis product of polyacrylonit

19、rile based polymer （聚丙烯腈的水解產(chǎn)物）OCH2OHOHOHO()nStarchOHCH2CH()nPVACOOHCH2CH()nPAACNCH2CH()nOH-H2OCOO- X+CH2CH()nX+ = H+、Na+、K+Superabsorbent polymersO HCH2CH()nO HHO HHO HHO HHO HHH2OCrosslinkApplication of superabsorbent polymersBiomedical polymersBiomedical polymers生物醫(yī)用材料的特殊和基本要求如下：材料無(wú)毒、不致癌、不致畸，不引起人體

20、細(xì)胞的突變和不良組織反應(yīng)。與人體相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、發(fā)熱和過敏等現(xiàn)象。具有與天然組織相適應(yīng)的力學(xué)性能。針對(duì)不同的使用目的而具有特定的功能。生物醫(yī)用材料直接與生物系統(tǒng)相作用，除了各種理化性質(zhì)外，還必須具有良好的生物或組織相容性。按與活體組織作用的方式分類生物惰性材料：在生物體內(nèi)能保持穩(wěn)定，幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料。生物活性材料：指能在材料組織界面上誘導(dǎo)出特殊生物或化學(xué)反應(yīng)的材料，這種反應(yīng)導(dǎo)致材料和組織間形成化學(xué)鍵合。Artificial organs高分子材料作為人工臟器、人工血管、人工骨骼、人工關(guān)節(jié)、人工皮膚等醫(yī)用材料，正越來(lái)越廣泛地得到應(yīng)用。人工器官的應(yīng)用從大型化向小型化，從體

21、外使用向內(nèi)植型，從單一功能向多功能化轉(zhuǎn)變。人工器官包括：永久性植入，完全替代原器官的功能；體外使用的大型人工器官裝置、主要用于手術(shù)中暫時(shí)替代人體器官的功能；暫時(shí)性植入器官，只能部分替代原器官功能；整容修復(fù)材料，不具備器官功能，但能修復(fù)人體的殘缺部位。Polymers using for artificial organs器官高分子材料心臟聚醚氨酯彈性體、硅橡膠腎臟纖維素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯睛、聚砜、聚氨酯、聚碳酸酯肝臟賽璐酚，聚甲基丙烯酸-羥乙酯肺硅橡膠、聚丙烯中空纖維、聚烷砜關(guān)節(jié)、骨超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚酯皮膚硝基纖維素、聚硅酮-尼龍復(fù)合物、聚酯、甲殼素角膜聚甲基

22、丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸-羥乙酯、硅橡膠鼻、耳硅橡膠、聚乙烯乳房聚硅酮血管聚酯纖維、聚四氟乙烯、聚醚氨酯人工血液全氟烴、羥乙基淀粉、聚乙烯基吡咯烷酮膽管、尿道硅橡膠氣管、腹膜聚乙烯、聚四氟乙烯、聚硅酮、聚酯纖維Artificial organsArtificial heartArtificial lungArtificial kidneyTissue engineering 組織工程是將分離的自體或異體細(xì)胞吸附于可生物降解吸收的功能高分子支架上；然后在生長(zhǎng)因子的作用下進(jìn)行培養(yǎng)，使細(xì)胞按支架的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行生長(zhǎng)，從而構(gòu)建出體外的活體組織；支架聚合物則逐步被降解吸收；最后再將體外培養(yǎng)的組織植入體內(nèi)對(duì)

23、病變的組織或器官進(jìn)行修復(fù)或替代。Aliphatic polyester using for tissue engineering常用的細(xì)胞支架材料包括：聚乳酸、聚羥基乙酸、聚乙丙交酯、聚羥基脂肪酸酯，這些材料均屬于可降解脂肪族聚酯（biodegradable aliphatic polyester）。PolylactidePoly(lactide-co-glycolide)PolycaprolactonePoly(p-dioxanone)Poly(butanediol succinate)OO()nOO()OO()nmOO(nOO(nOOO(nOO(組織工程已率先在皮膚、骨骼等器官取得了臨床應(yīng)

24、用，在內(nèi)臟方面也取得了重大的進(jìn)展和突破。除脂肪族聚酯外，膠原蛋白、聚氨基酸、聚膦氰等高分子也被應(yīng)用于細(xì)胞支架材料的研究Application of tissue engineeringBioabsorbable polymer在外科手術(shù)中，通常會(huì)植入一些修復(fù)用的材料，這些材料只是起到暫時(shí)替代作用，當(dāng)肌體愈合后其作用即告結(jié)束。如果這些材料是非降解材料，會(huì)對(duì)患者肌體產(chǎn)生持續(xù)影響。如果另外進(jìn)行手術(shù)取出會(huì)對(duì)患者帶來(lái)二次痛苦?？缮镂眨ń到猓└叻肿硬牧峡梢杂行Ы鉀Q這個(gè)問題。隨著材料的使用功能結(jié)束，這些材料會(huì)逐漸降解為對(duì)人體無(wú)害的小分子化合物，并被人體吸收或代謝排出。因而越來(lái)越受到研究者的重視。骨科固定

25、材料手術(shù)縫合線抗粘連膜Biodegradable polymer膠原蛋白（collagen）：構(gòu)成動(dòng)物體最基本的蛋白質(zhì)類物質(zhì)明膠（glutin）：經(jīng)高溫加熱變性后的蛋白質(zhì)淀粉（starch)、葡聚糖（dextran)甲殼素與殼聚糖（chitin & chitosan）：來(lái)源于昆蟲、蝦、蟹等的殼、皮等角質(zhì)。纖維素（cellulose）：來(lái)源于植物合成高分子：脂肪族聚酯（aliphatic polyester）、脂肪族聚碳酸酯（aliphatic carbonate）聚酸酐（polyanhydride）、聚磷酸酯（polyphosphate）、聚原酸酯（polyortho ester）Pharma

26、ceutical polymers我國(guó)是醫(yī)藥文明古國(guó)，在天然藥用高分子的使用方面非常悠久。20世紀(jì)以來(lái)，隨著藥學(xué)和有機(jī)合成的高速發(fā)展，有機(jī)低分子藥物由于其療效高，使用方便，為人類的醫(yī)療衛(wèi)生起到了巨大的推動(dòng)作用，在醫(yī)學(xué)史上有著不可磨滅的貢獻(xiàn)。但是，有機(jī)低分子藥物同時(shí)也存在巨大的副作用，如過敏、毒性積累等等。Properties of pharmaceutical polymers研究發(fā)現(xiàn)，高分子藥物具有低毒、高效、緩釋、長(zhǎng)效，與血液和肌體相容性好等特點(diǎn)。高分子藥物可以降低用藥劑量，避免頻繁用藥；使藥物藥理活性更加持久，更有效到達(dá)癥患部位，從而具有更高的療效。藥物高分子的分類：藥用輔助材料：指在藥

27、劑加工過程中所用的和為改善藥物使用性能而采用的高分子材料，這些材料本身不具備藥理活性。高分子藥物：高分子本身即具有藥理活性基團(tuán)或藥理活性作用，直接被用做藥物。Controlled drug release藥物的控制釋放和靶向問題已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)最關(guān)心的問題之一。高分子材料實(shí)際起到的是輔助材料的作用。用高分子材料制備藥物控制釋放體系主要有兩個(gè)目的：使藥物以最小的劑量在特定部位產(chǎn)生治療效應(yīng)，優(yōu)化藥物釋放速率以提高療效，降低毒副作用。有三種模式可達(dá)到上述效果：時(shí)間控制體系（緩釋藥物）部位控制體系（靶向藥物）反饋控制體系（智能藥物）微膠囊是指以高分子膜為外殼，在其中包有被保護(hù)或被密封的物質(zhì)的微小膠囊物。

28、藥物的微囊化就是將細(xì)微的藥物顆粒用高分子膜包裹起來(lái)形成微小膠囊物。Mechanism of controlled drug release天然高分子材料：明膠、蟲膠、海藻酸、淀粉、糊精、纖維素、殼聚糖、玉米朊等等；化學(xué)合成可生物降解高分子材料：聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚羥基乙酸酯、脂肪族聚碳酸酯、聚對(duì)二氧環(huán)己酮等；水溶性高分子材料：聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚異丙基丙烯酸酯、聚丙烯酸等等；本體模式表面模式Target drug release靶向釋放是將藥物載體復(fù)合物選擇性地與特定靶細(xì)胞（病灶細(xì)胞）結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)藥物的靶向控制釋放?，F(xiàn)代藥劑已進(jìn)入智能化、功能化階段，智能控制藥物膠囊是由多種結(jié)構(gòu)組合而成的給藥系統(tǒng)。環(huán)境響應(yīng)型高分子通常被用于智能給藥系統(tǒng)作為“開關(guān)”實(shí)現(xiàn)藥物的脈沖式控制釋放。Polymeric drug藥理活性高分子材料通常可分為兩類：高分子化的低分子藥物，將低分子藥物以某種化學(xué)方式連接在高分子上； 研究表明，低分子藥物通常含有羥基