高分子科學(xué)導(dǎo)論功能高分子

高分子科學(xué)導(dǎo)論功能高分子FunctionalpolymersFunctionalpolymerisPolymerthatbearsspecifiedchemicalgroupsor;Polymerthathasspecifiedphysical,chemical,biological,pharmacological,orotheruseswhichdependonspecificchemicalgroups.Thereisadifferencebetweenthewords“performance”and“function”.Generally,“performance”istheresistanceofmaterialtotheexternalaction,andthe“function”meanstheconversionofmaterialinquantityorqualityrespondedtotheexternalinputsignal.Theinputsignalcouldbeforce,heat,light,electron,andsoon…第2頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Classificationoffunctionalpolymers力學(xué)功能材料強(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。第3頁,共45頁，2024年2月25日，星期天ContentConductingandSemi-conductingFunctionalPolymer

導(dǎo)電和半導(dǎo)體功能高分子FunctionalPolymerMaterialsforAdsorptionandSeparation

吸附分離功能高分子SuperabsorbentResin高吸水性樹脂F(xiàn)unctionalPolymerwithPhotoelectronicProperties

光電功能高分子BiomedicalPolymers

生物醫(yī)用高分子PolymericLiquidCrystal

高分子液晶IonicPolymers

離子型聚合物第4頁,共45頁，2024年2月25日，星期天ConductingandSemi-conductingFunctionalPolymer第5頁,共45頁，2024年2月25日，星期天WhatisconductivepolymerConductivepolymersarepolymersthatconductelectricity.Suchcompoundsmaybetruemetallicconductorsorsemiconductors.Itisgenerallyacceptedthatmetalsconductelectricitywellandthatorganiccompoundsareinsulating,butthisclassofmaterialscombinesthepropertiesofboth.Thebiggestadvantageofconductivepolymersistheirprocessibility.Conductivepolymersarealsoplastics(whichareorganicpolymers)andthereforecancombinethemechanicalproperties(flexibility,toughness,malleability,elasticity,etc.)ofplasticswithhighelectricalconductivities.Theirpropertiescanbefine-tunedusingtheexquisitemethodsoforganicsynthesis.第6頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Whyconductivepolymer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)想第7頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Meritsofconductivepolymers$10billion$100EconomicsReplacethis......withthisEaseofProductionChemicalVersatilityFlexiblecircuitryReplacethis......withthis...withthisReplacethis...第8頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Conductivityofpolymers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)體導(dǎo)體超導(dǎo)體NylonPEPSPTFEGe,SiConductivePolymersNichromeCarbonfiberCuAlAglg(1/ohm?cm-1)第9頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Someconductivepolymers第10頁,共45頁，2024年2月25日，星期天InventionofConductivePolymerHidekiShirakawaA.G.McDiarmidA.HeegerEarly1970’s:MistakeinSkirakawa’slableadstoaccidentaldiscoveryofsilverlookingpolymer(polyacetylene)Late1970’s:CollaborationbetweenHeeger,MacDiarmidandShirakawaleadto10million-foldincreaseinconductivityofpolyacetylene.2000:Heeger,MacDiarmidandShirakawawinNobelPrizeinChemistry2000+:First‘organicelectronics’appearonthemarketasflexibledisplays.第11頁,共45頁，2024年2月25日，星期天E-ink美國Lucent公司和EInk公司共同開發(fā)出了“電子紙”，它可以應(yīng)用于電子書籍和電子報(bào)紙等。

第12頁,共45頁，2024年2月25日，星期天與硅晶體管相比，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。PolymerictransistorSi第13頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Electroluminescence常用于電致發(fā)光材料的聚合物包括：聚對苯乙烯、聚咔唑、聚噻酚等?？昭ㄗ⑷耄ㄕ龢O）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)熱第14頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Polymericsolarcell第15頁,共45頁，2024年2月25日，星期天FunctionalPolymerMaterialsforAdsorptionandSeparation第16頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Ion-exchangersSyntheticorganicpolymerresinsbasedonstyrene–oracrylic-acid-typemonomersaremostwidelyused.Generallysolidgelsinsphericalorgranularformconsistingof:A3-dimensionalpolymericnetwork,Ionicfunctionalgroupsattachedtothenetwork,CounterionsAsolventStrong-acid,cation-exchangeresinsandstrong-baseanionexchangeresinscanbeproduced.第17頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Mechanismofion-exchangeSO3-H+Na+SO3-Na+CH2N+(CH3)3OH-Cl-CH2N+(CH3)3Cl-H+OH-H2OCationexchangeresinAnionexchangeresin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。第18頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Structureofion-exchangeresin活性基團(tuán)結(jié)構(gòu)陽離子交換樹脂

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-NR2第19頁,共45頁，2024年2月25日，星期天OtherAdsorptionandSeparationpolymerOCOCO()MOOOOOO()MPolymericchelateresinβ-diketonecrownether通過對不同金屬離子的選擇性螯合作用，高分子螯合樹脂可實(shí)現(xiàn)對各種金屬離子的濃縮和富集，可廣泛地應(yīng)用于分析檢測、污染治理、環(huán)境保護(hù)和工業(yè)生產(chǎn)。Adsorbentresins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。第20頁,共45頁，2024年2月25日，星期天ApplicationofAdsorptionandSeparationpolymer第21頁,共45頁，2024年2月25日，星期天SuperabsorbentResin第22頁,共45頁，2024年2月25日，星期天SuperabsorbentpolymersSuperabsorbentpolymers(SAP)arepolymersthatcanabsorbandretainextremelylargeamountsofaliquidrelativetotheirownmass.Waterabsorbingpolymers,classifiedashydrogels,absorbaqueoussolutionsthroughhydrogenbondingwiththewatermolecule.Thetotalabsorbencyandswellingcapacityarecontrolledbythetypeanddegreeofcross-linkingtothepolymer.Lowdensitycross-linkedSAPgenerallyhasahigherabsorbentcapacityandswelltoalargerdegree.ThesetypesofSAPsalsohaveasofterandmorecohesivegelformation.Highcross-linkdensitypolymersexhibitlowerabsorbentcapacityandswell.Thegelstrengthisfirmerandcanmaintainparticleshapeevenundermodestpressure.第23頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Superabsorbentpolymers高吸水樹脂Starch（淀粉）Poly(vinylalcohol)（PVA,聚乙烯醇）Poly(acylicacid)（PAA,聚丙烯酸）Hydrolysisproductofpolyacrylonitrilebasedpolymer

（聚丙烯腈的水解產(chǎn)物）OCH2OHOHOHO()nStarchOHCH2CH()nPVACOOHCH2CH()nPAAC≡NCH2CH()nOH-H2OCOO-X+CH2CH()nX+=H+、Na+、K+第24頁,共45頁，2024年2月25日，星期天SuperabsorbentpolymersOHCH2CH()nOHHOHHOHHOHHOHHH2OCrosslink第25頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Applicationofsuperabsorbentpolymers第26頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Biomedicalpolymers第27頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Biomedicalpolymers生物醫(yī)用材料的特殊和基本要求如下：材料無毒、不致癌、不致畸，不引起人體細(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。第28頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Artificialorgans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。第29頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Polymersusingforartificialorgans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-β-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、甲殼素角膜聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸-β-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、聚酯纖維第30頁,共45頁，2024年2月25日，星期天ArtificialorgansArtificialheartArtificiallungArtificialkidney第31頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Tissueengineering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，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)對病變的組織或器官進(jìn)行修復(fù)或替代。第32頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Aliphaticpolyesterusingfortissueengineering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（biodegradablealiphaticpolyester）。PolylactidePoly(lactide-co-glycolide)PolycaprolactonePoly(p-dioxanone)Poly(butanediolsuccinate)OO()nOO()OO()nmOO((nOO((nOOO(nOO(第33頁,共45頁，2024年2月25日，星期天組織工程已率先在皮膚、骨骼等器官取得了臨床應(yīng)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Applicationoftissueengineering第34頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Bioabsorbablepolymer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)對患者帶來二次痛苦?？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)逐漸降解為對人體無害的小分子化合物，并被人體吸收或代謝排出。因而越來越受到研究者的重視。骨科固定材料手術(shù)縫合線抗粘連膜第35頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Biodegradablepolymer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）：來源于昆蟲、蝦、蟹等的殼、皮等角質(zhì)。纖維素（cellulose）：來源于植物合成高分子：脂肪族聚酯（aliphaticpolyester）、脂肪族聚碳酸酯（aliphaticcarbonate）聚酸酐（polyanhydride）、聚磷酸酯（polyphosphate）、聚原酸酯（polyorthoester）第36頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Pharmaceuticalpolymers我國是醫(yī)藥文明古國，在天然藥用高分子的使用方面非常悠久。20世紀(jì)以來，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。第37頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Propertiesofpharmaceuticalpolymers研究發(fā)現(xiàn)，高分子藥物具有低毒、高效、緩釋、長效，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。第38頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Controlleddrugrelease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。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形成微小膠囊物。第39頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Mechanismofcontrolleddrugrelease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