《功能高分子總論》課件

功能高分子概述高分子材料是由大量單體分子通過化學(xué)反應(yīng)連接而成的大分子化合物。功能高分子是指具有特殊功能性的高分子材料，廣泛應(yīng)用于電子、能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。高分子材料的定義與分類高分子材料定義高分子材料是由具有相似或重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的大量小分子通過共價鍵連接而成的長分子化合物。高分子材料分類按來源可分為天然高分子和合成高分子；按性質(zhì)可分為熱塑性、熱固性和彈性高分子。高分子材料特點(diǎn)高分子材料具有優(yōu)異的力學(xué)、熱、電、光學(xué)等性能，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。高分子材料的特性多樣性高分子材料可以根據(jù)不同的單體和聚合方法制備出各種不同性能的材料。優(yōu)異的機(jī)械性能高分子材料通過各種加工方法可以制造出具有優(yōu)異抗拉伸、抗壓縮和抗沖擊等性能的材料。良好的加工性能高分子材料通常密度小、加工性能好,可以采用多種加工工藝進(jìn)行加工制造。良好的化學(xué)穩(wěn)定性高分子材料通常具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,能抵抗酸、堿、溶劑等化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。高分子材料的制備方法1高聚物合成通過單體的化學(xué)反應(yīng)制備高聚物2高聚物加工對合成好的高聚物進(jìn)行熔融、溶解等加工成型3高聚物修飾在聚合物中引入特定官能團(tuán)或共聚物改性高分子材料的制備主要包括高聚物的合成、加工成型和化學(xué)修飾三個關(guān)鍵步驟。通過不同的合成方法和加工工藝,可以獲得各種性能特點(diǎn)的高分子材料,滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。自由基聚合自由基引發(fā)自由基聚合通過自由基引發(fā)劑如過氧化物或偶氮化合物來引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng),生成高分子鏈。這種機(jī)制簡單可控,常用于制備丙烯基單體的聚合物。連鎖傳遞反應(yīng)自由基聚合過程中,活性自由基通過連續(xù)的鏈增長和鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)不斷傳遞,最終形成高分子鏈。反應(yīng)速度快,適合工業(yè)化生產(chǎn)。廣泛應(yīng)用自由基聚合制得的聚合物廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、橡膠等領(lǐng)域,是最重要的聚合反應(yīng)之一。通過控制反應(yīng)條件可以得到不同性能的高分子材料。離子聚合陽離子聚合在強(qiáng)酸催化下,帶有親電性基團(tuán)的單體發(fā)生親核加成反應(yīng),形成帶有正電荷的活性中心，繼而與其他單體單體連接，實現(xiàn)陽離子聚合。陰離子聚合在強(qiáng)堿催化下,帶有親核性基團(tuán)的單體發(fā)生親核取代反應(yīng),形成帶有負(fù)電荷的活性中心，再與其他單體連接，實現(xiàn)陰離子聚合。配位聚合在金屬配合物的作用下,單體分子被吸附到金屬中心，然后發(fā)生插入聚合反應(yīng),形成高分子鏈。這種方法可以合成立體規(guī)則的高分子。配位聚合定義配位聚合是一種以金屬離子為催化劑的聚合反應(yīng),通過金屬離子與單體之間的配位作用來進(jìn)行聚合。這種方法可以制備出很多特殊結(jié)構(gòu)的高分子材料。機(jī)理配位聚合的關(guān)鍵步驟是金屬離子與單體分子之間形成配合物,然后通過鏈增長反應(yīng)生成高分子鏈。金屬離子可以控制聚合的立體構(gòu)型和分子量分布。優(yōu)勢配位聚合可以制備出許多傳統(tǒng)聚合方法難以合成的高分子材料,如聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二醇酯等。同時這種方法可以很好地控制聚合過程。應(yīng)用配位聚合廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用高分子、功能性高分子材料、高性能工程塑料等領(lǐng)域,是一種重要的高分子合成技術(shù)。縮聚聚合單體反應(yīng)縮聚聚合通過兩種單體分子之間的縮聚反應(yīng)形成聚合物。分子排列聚合物分子鏈?zhǔn)怯蓡误w分子通過共價鍵連接而成的?；瘜W(xué)反應(yīng)在縮聚反應(yīng)過程中會產(chǎn)生小分子副產(chǎn)物,如水、氨等。鏈結(jié)構(gòu)縮聚聚合得到的聚合物分子呈現(xiàn)線性或網(wǎng)狀的連接結(jié)構(gòu)。開環(huán)聚合定義開環(huán)聚合是通過環(huán)狀單體的開環(huán)反應(yīng)形成線性高分子的一種重要聚合方式。特點(diǎn)開環(huán)聚合具有聚合速度快、可制備高分子量聚合物等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用開環(huán)聚合廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)聚酯、聚酰胺等工程塑料以及聚乳酸等生物可降解材料。機(jī)理開環(huán)聚合的反應(yīng)機(jī)理主要包括陽離子開環(huán)聚合和陰離子開環(huán)聚合兩種類型。高分子鏈的取向高分子鏈的取向指高分子分子鏈在材料內(nèi)部的排列狀態(tài)。良好的取向有助于提高高分子材料的力學(xué)、熱、電等性能。通過合理的取向控制，可以針對不同應(yīng)用需求優(yōu)化高分子材料的性能。常見的取向方法包括拉伸成型、擠出成型、注射成型等。這些方法可以使高分子鏈沿著一定方向有序排列,形成取向結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)娜∠蚰軌蝻@著提高材料的強(qiáng)度、剛性、導(dǎo)電性等特性。高分子的結(jié)晶與玻璃化轉(zhuǎn)變高分子材料在一定溫度下會呈現(xiàn)出有序排列的晶體結(jié)構(gòu),并伴隨著熱力學(xué)性質(zhì)的變化。另一方面,高分子還會發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變,從而顯示出獨(dú)特的力學(xué)性能。這兩種現(xiàn)象對高分子材料的性能和應(yīng)用有著重要影響。高分子材料的力學(xué)性能5主要力學(xué)性能包括拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等。10%延伸率評判材料延展性的重要指標(biāo)。30MPa彈性模量反映材料的剛性程度。120J/m2沖擊韌性衡量材料抗沖擊斷裂能力的標(biāo)準(zhǔn)。高分子材料的熱穩(wěn)定性熱老化高分子材料在高溫條件下氧化引起鏈斷裂和交聯(lián),導(dǎo)致分子量和力學(xué)性能下降熱降解高分子材料在高溫下發(fā)生主鏈裂解,引起質(zhì)量損失和分子量降低熱妥協(xié)性高分子材料在高溫下軟化變形,失去原有的尺寸穩(wěn)定性提高高分子材料的熱穩(wěn)定性是提高其應(yīng)用性能的關(guān)鍵,可通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計、添加阻燃劑等方式實現(xiàn)。高分子材料的耐候性高分子材料在戶外使用時容易受到日光、雨水、溫度等環(huán)境因素的影響,容易發(fā)生老化和破壞。耐候性是高分子材料重要的性能指標(biāo)之一,關(guān)系到材料的使用壽命和安全性。拉伸強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）從線圖可以看出,隨著使用時間的增加,高分子材料的拉伸強(qiáng)度和延伸率逐漸下降,體現(xiàn)了其耐候性的降低。合理選擇和改性是提高高分子材料耐候性的關(guān)鍵。高分子材料的電絕緣性能電絕緣性能優(yōu)異的電氣絕緣能力,能夠有效阻隔和絕緣電流。這是高分子材料廣泛應(yīng)用于電子、電力等行業(yè)的重要特性。耐高壓特性高分子材料分子鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,能夠承受較高的電壓,提供安全可靠的絕緣保護(hù)。耐電弧性能高分子材料表面光滑,抗電汽蝕,能夠有效抑制電弧放電,提高使用安全性。高分子材料的光學(xué)性能高分子材料的光學(xué)性能是指其對光的吸收、反射和透射等特性。這些性能對于光電子、光學(xué)器件的應(yīng)用至關(guān)重要。透過率(%)折射率色散系數(shù)不同高分子材料由于分子結(jié)構(gòu)和取向的差異,表現(xiàn)出不同的光學(xué)性能。這些性能決定了高分子材料在光學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。高分子材料的生物相容性生物相容性是指材料能與生物環(huán)境相協(xié)調(diào),不會對生物造成任何不良反應(yīng)或影響。作為醫(yī)療和生物工程領(lǐng)域的關(guān)鍵指標(biāo),高分子材料的生物相容性關(guān)系到其是否能安全地應(yīng)用于人體內(nèi)部。3主要考量生物相容性包括免疫反應(yīng)、細(xì)胞毒性和組織反應(yīng)等3個方面。10+性能要求高分子材料應(yīng)具有優(yōu)異的生物安全性、生物穩(wěn)定性和生物功能性。90%應(yīng)用占比高生物相容性的高分子材料廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備和植入物中。功能高分子材料的概念賦予特殊功能功能高分子材料是通過化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和修飾,賦予高分子具有特殊功能性的材料。廣泛應(yīng)用領(lǐng)域這類材料廣泛應(yīng)用于電子、能源、生物醫(yī)療和環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域。性能優(yōu)異功能高分子材料在導(dǎo)電性、光電特性、生物相容性等方面性能優(yōu)異,滿足了現(xiàn)代科技的需求。研究熱點(diǎn)功能高分子材料的設(shè)計合成和性能調(diào)控成為高分子科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。功能高分子材料的種類化學(xué)功能高分子具有特定化學(xué)基團(tuán)的高分子材料,如離子交換樹脂、光敏高分子、導(dǎo)電聚合物等,可應(yīng)用于分離、檢測、儲能等領(lǐng)域。生物功能高分子模擬生物結(jié)構(gòu)和功能的高分子材料,如生物相容性高分子、生物降解聚合物、水凝膠等,應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。智能功能高分子對外界刺激如溫度、光、電場等有響應(yīng)的"聰明"高分子材料,如相變高分子、壓電高分子、光電高分子等,應(yīng)用于傳感和執(zhí)行領(lǐng)域。功能高分子材料的性能結(jié)構(gòu)多樣性功能高分子材料擁有多樣的分子結(jié)構(gòu),可以針對不同應(yīng)用需求進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計和調(diào)控。調(diào)控性能通過化學(xué)修飾、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控等手段,可以賦予功能高分子獨(dú)特的物理、化學(xué)、生物等性能。智能響應(yīng)許多功能高分子材料具有對外界刺激(如溫度、pH、光等)的智能響應(yīng)特性,能夠自主實現(xiàn)相應(yīng)的功能。多功能性功能高分子材料往往能同時兼具多種性能,滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求,展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。功能高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)療保健用于制造人工器官、敷料、支架等多種生物醫(yī)用材料。能源電子應(yīng)用于電池、太陽能電池、燃料電池等領(lǐng)域。環(huán)境保護(hù)應(yīng)用于凈水、廢棄物處理、污染修復(fù)等環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。新材料用于制造智能材料、自修復(fù)材料、生物降解材料等新型功能材料。智能高分子材料智能高分子材料是一類能夠?qū)ν獠看碳ぷ鞒鲰憫?yīng)并發(fā)生相應(yīng)變化的特殊高分子材料。它們可以感知環(huán)境變化,并作出自主反應(yīng)和調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)更智能化的功能。這類材料通?；趯囟?、pH值、光、電場或磁場等外界因素的響應(yīng)而設(shè)計。導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料是一類能夠有效傳輸電流的功能性高分子材料。它們通過引入共軛鍵、極性基團(tuán)或離子化基團(tuán)來提高電導(dǎo)率。這些材料在電子設(shè)備、傳感器和能源存儲等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的加工性和成本效益使得導(dǎo)電高分子在高科技產(chǎn)品中備受青睞。同時,這類材料還具有輕質(zhì)、柔性和環(huán)保等特點(diǎn),為下一代電子元件開辟了新的道路。生物可降解高分子材料可降解高分子結(jié)構(gòu)生物可降解高分子材料通常含有可水解或者酶降解的基團(tuán),可以在生物環(huán)境中逐步分解。這些材料最終能夠完全降解成無害的小分子化合物。生物醫(yī)用應(yīng)用生物可降解高分子材料廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、制藥等領(lǐng)域,如生物支架、縫合線、藥物載體等。它們可以在體內(nèi)慢慢降解,無需手術(shù)取出。環(huán)境友好應(yīng)用生物可降解塑料制品如包裝袋、餐具等,可以在自然環(huán)境中降解,減少塑料污染,為環(huán)保做出貢獻(xiàn)。水凝膠高分子材料水凝膠是一類具有良好親水性和高含水量的三維交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)材料。它們可以吸收大量的水分并保持其形狀結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、個人護(hù)理、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。水凝膠的主要特點(diǎn)包括良好的生物相容性、可生物降解性以及可調(diào)控的力學(xué)、化學(xué)等性能。超疏水高分子材料超疏水高分子材料具有獨(dú)特的水接觸角大于150°的表面特性。這種極度疏水的表面效果被稱為"蓮花效應(yīng)"，可以有效防污、自清潔、抗冰等功能。這類材料廣泛應(yīng)用于防雨衣服、自清潔涂料、防冰航空設(shè)備等領(lǐng)域。通過控制高分子材料的表面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì),可以制備出具有super-hydrophobic特性的材料,為各種應(yīng)用場景提供全新的解決方案。自修復(fù)高分子材料自修復(fù)高分子材料具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和功能特性,能夠在受損后自動修復(fù),從而恢復(fù)原有的物理性能和美觀。這種智能材料在工程、醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景,可以大大延長材料使用壽命,提高性能和安全性。其主要修復(fù)機(jī)制包括微囊裝載修復(fù)劑、熱塑性高分子鏈再生等,可以針對不同的損壞類型進(jìn)行重塑和修復(fù)。與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比,這種自主修復(fù)的方式更加便捷高效,可廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。光功能高分子材料光功能高分子材料是一類能夠發(fā)揮光學(xué)性能的高分子材料。它們可以通過吸收、發(fā)射、折射、調(diào)制等方式對光進(jìn)行控制和利用。這類高分子可應(yīng)用于光電器件、信息顯示、光存儲等領(lǐng)域，為光電子技術(shù)的發(fā)展提供了新的選擇。儲能高分子材料高能量密度聚合物電容器采用特殊功能高分子,可以儲存大量電能,在能源儲存和電子器件中廣泛應(yīng)用。壓電高分子能量收集利用壓電高分子可以從振動和機(jī)械運(yùn)動中收集能量,為各種低功耗設(shè)備提供持續(xù)電源。電化學(xué)儲能高分子通過化學(xué)反應(yīng)在高分子中儲存能量,實現(xiàn)可充電電池和超級電容器等應(yīng)用。未來高分子材料的發(fā)展趨勢智能化未來高分子材料將具有自感知、自適應(yīng)和自修復(fù)等智能功能,能夠主動響應(yīng)環(huán)境變化并做出相應(yīng)調(diào)整。環(huán)境友好可循環(huán)利用、可降解的綠色環(huán)保高分子材料將成為主流,減少對生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷。多功能性高分子材料將在單一基礎(chǔ)上集成多種性能,滿足復(fù)雜使用需