功能高分子課件第一章總論

功能高分子課件第一章總論功能高分子材料—建立在高分子化學與高分子物理基礎(chǔ)上，與物理學、生物學、醫(yī)學密切聯(lián)系的一門學科，20世紀80年代中后期開始作為一門完整的學科研究功能高分子材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系及開發(fā)應用各組元本身及四者之間的相互依賴關(guān)系的規(guī)律.功能高分子材料是研究什么的？功能高分子也稱為精細高分子或特種高分子，至今還沒有一個準確的定義，一般是指具有傳遞、轉(zhuǎn)換或貯存物質(zhì)、能量和信息作用的高分子及其復合材料，或具體地指在原有力學性能的基礎(chǔ)上，還具有特殊的物理功能和化學功能的高分子及其復合材料。這些物理功能和化學功能包括光敏性、導電性、能量轉(zhuǎn)換性、磁性、選擇分離性、化學反應活性、催化性、生物兼容性、藥理性等。

什么樣的材料才是功能高分子材料？功能高分子材料是高分子專業(yè)學生的一門重要的課程學習本課程主要是為了讓大家了解我們正在使用哪些功能高分子材料，我們需要繼續(xù)改進哪些功能高分子材料，我們還需要創(chuàng)造哪些功能高分子材料。關(guān)于這門課程

本課程的主要內(nèi)容（36）第一章功能高分子的概念與制備基礎(chǔ)（簡介）

智能水凝膠

第二章反應性功能高分子（試劑和催化劑）第三章導電高分子第四章電活性高分子第五章高分子液晶第七章光敏高分子（光敏涂料、光致變色高分子、光導電高分子）第八章吸附性高分子第九章醫(yī)用高分子材料功能高分子的最新發(fā)展（功能高分子的納米化和智能化）、討論和總結(jié)

本課程主要講述應用較廣以及新型的功能高分子材料，要求掌握它們的基本概念、基本原理、基本知識和實際應用，即材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系及主要應用，同時了解功能高分子材料的最新發(fā)展情況。

本課程的基本要求推薦教材及參考書《功能高分子》，潘才元編著，科學出版社，2006年《功能高分子材料》，趙文元，王亦軍編著，化學工業(yè)出版社，2021年《功能高分子材料》，焦劍姚軍燕主編，化學工業(yè)出版社，2007年《功能高分子材料》，王國建、王德海、邱軍、趙立群編著，華東理工大學出版社，2006年《功能高分子材料》，馬建標主編，化學工業(yè)出版社，2000年《功能高分子與新技術(shù)》，何天白、胡漢杰主編，化學工業(yè)出版社，2001年第一章功能高分子材料總論功能高分子的概念、構(gòu)效關(guān)系與制備基礎(chǔ)根據(jù)性質(zhì)和用途塑料纖維橡膠涂料膠粘劑功能高分子具有可逆形變的高彈性材料。纖細而柔軟的絲狀物，長度至少為直徑的100倍。涂布于物體表面能成堅韌的薄膜、起裝飾和保護作用的聚合物材料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具有特殊功能與用途的精細高分子材料以聚合物為基礎(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剛性材料。高分子：常規(guī)高分子塑料橡膠纖維常規(guī)高分子粘膠劑涂料e.g3：502膠在空氣中固化，實質(zhì)是空氣中微量水引發(fā)陰離子聚合α－氰基丙烯酸乙酯輕便賽車波音757高分子材料科學的歷史回顧高分子的概念始于20世紀20年代，但應用更早。1839年，美國人Goodyear發(fā)明硫化橡膠。1889年，法國人DeChardonnet（夏爾多內(nèi)）發(fā)明人造絲。1907年，酚醛樹脂誕生。1956年，美國人Szwarc發(fā)明活性陰離子聚合，開創(chuàng)了高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計的先河。生成的功能高分子功能基分布均勻功能高分子的概念、構(gòu)效關(guān)系與制備基礎(chǔ)功能高分子的最新發(fā)展（功能高分子的納米化和智能化）、討論和總結(jié)高分子材料和醫(yī)藥用輔助材料等。特種高分子：高強度、耐高溫、耐輻射、高頻絕緣、半導體等。1956年，美國人Szwarc發(fā)明活性陰離子聚合，開創(chuàng)了高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計的先河。功能高分子材料的特點在于他們特殊的“功能”，因此在制備這些高分子材料的時候，分子設(shè)計成為十分關(guān)鍵的研究內(nèi)容。果，其中以電致發(fā)光材料制作的彩色顯示器已經(jīng)被這是帶有功能性基團的單體聚合制備功聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物高分子分離材料，包括各種分離膜、緩釋膜和其功能高分子材料的特點在于他們特殊的“功能”，因此在制備這些高分子材料的時候，分子設(shè)計成為十分關(guān)鍵的研究內(nèi)容。經(jīng)過自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共可用于在聚乙烯醇結(jié)構(gòu)中引入活性基團的反應1920年，德國人Staudinger發(fā)表了“論聚合”的論文，提出了高分子的概念，并預測了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的結(jié)構(gòu)。1935年，Carothes發(fā)明尼龍66，1938年工業(yè)化。30年代，一系列烯烴類加聚物被合成出來并工業(yè)化，PVC（1927～1937），PVAc（1936），PMMA（1927～1931），PS（1934～1937），LDPE（1939）。自由基聚合發(fā)展。高分子溶液理論在30年代建立，并成功測定了聚合物的分子量。Flory為此獲得諾貝爾獎。40年代，二次大戰(zhàn)促進了高分子材料的發(fā)展，一大批重要的橡膠和塑料被合成出來。丁苯橡膠（1937），丁腈橡膠（1937），丁基橡膠（1940），有機氟材料（1943），ABS（1947），滌綸樹脂（1940～1950）。50年代，Ziegler和Natta發(fā)明配位聚合催化劑，制得高密度PE和有規(guī)PP，低級烯烴得到利用。1956年，美國人Szwarc發(fā)明活性陰離子聚合，開創(chuàng)了高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計的先河。50年后期至60年代，大量高分子工程材料問世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚（1964），聚酰亞胺（1962）。60年代以后，特種高分子和功能高分子得到發(fā)展。特種高分子：高強度、耐高溫、耐輻射、高頻絕緣、半導體等。高分子的發(fā)展方向：通用高分子的高性能化和高分子的多功能化偏光顯微鏡下的高分子液晶功能高分子電致發(fā)光高分子《功能高分子材料》，馬建標主編，化學工業(yè)出版社，2000年1956年，美國人Szwarc發(fā)明活性陰離子聚合，開創(chuàng)了高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計的先河。高分子分離膜材料與分離技術(shù)的發(fā)展在復雜體膠囊，達到了延緩氧化變黃的效果。1889年，法國人DeChardonnet（夏爾多內(nèi)）發(fā)明人造絲。有時引入功能基后對單體聚合的活性會有影響缺點在于穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生爆炸和失效，不便時，共聚可能是最行之有效的解決辦法。聚苯乙烯芳環(huán)上的取代反應高分子的結(jié)構(gòu)對高分子的性能表現(xiàn)出的影響規(guī)律也非常復雜有機氟材料，耐熱性高分子，各種功能高分子2功能高分子的構(gòu)效關(guān)系具有特殊功能與用途的精細高分子材料功能高分子的概念、構(gòu)效關(guān)系與制備基礎(chǔ)研究功能高分子材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系及開發(fā)應用各組元本身及四者之間的相互依賴關(guān)系的規(guī)律.品種主要產(chǎn)品舉例產(chǎn)量/萬噸/年價格比通用高分子材料LDPE，HDPE，PVC，PP，PS＞10001中間高分子材料ABS，PMMA100～10001～2工程高分子材料PA，PC，POM，PBT，PPO20～802～4特種高分子材料有機氟材料，耐熱性高分子，各種功能高分子1～2010～100價格比以通用高分子為1計。各種高分子材料的產(chǎn)量和價格比*PA，聚酰胺，用作纖維和工程塑料PC，聚碳酸酯，重要的工程塑料POM，聚甲醛，高熔點、高結(jié)晶性的熱塑性工程塑料

PBT，聚對苯二甲酸丁二醇酯

PPO，聚苯醚，耐高溫塑料1.1功能高分子的定義、特點及分類1、功能高分子的基本概念：功能高分子是指高分子的主鏈或側(cè)鏈上具有反應性官能團，因而具有特定（物理，化學或生物活性等）功能的大分子.（例如：）IUPACdefinition:(InternationalUnionofPureandAppliedChemistry

)Functionalpolymer:1.Polymerthatbearsspecifiedchemicalgroupsor2.polymerthathasspecifiedphysical,chemical,biological,pharmacological,orotheruseswhichdependonspecificchemicalgroups.2、功能高分子的特點1.用途特殊，專一性強2.品種多，用量不大3.質(zhì)量輕（與其它功能材料相比）4.制備途徑多，可設(shè)計性強polymerthathasspecifiedphysical,chemical,biological,pharmacological,orotheruseswhichdependonspecificchemicalgroups.利用青霉素結(jié)構(gòu)中的羧基、氨基與高分子反應，可得到療效長的高分子青霉素。新材料的設(shè)計必須了解構(gòu)效關(guān)系！PA，聚酰胺，用作纖維和工程塑料合成方法和固定化酶技術(shù)開創(chuàng)了有機合成機械化、已有功能高分子材料的功能擴展子催化劑應用到科研和生產(chǎn)過程中，在提高合成反功能高分子的概念、構(gòu)效關(guān)系與制備基礎(chǔ)型選擇性透過和緩釋材料。功能高分子的概念、構(gòu)效關(guān)系與制備基礎(chǔ)(2)功能性小分子通過聚合包埋與高分子材料結(jié)合PC，聚碳酸酯，重要的工程塑料比如光敏涂料、光致抗蝕劑、光穩(wěn)定劑、光可降解材料、光刻膠、感光性樹脂、以及光致發(fā)光和光致變色高分子材料都已經(jīng)工業(yè)化。有機氟材料，耐熱性高分子，各種功能高分子POM，聚甲醛，高熔點、高結(jié)晶性的熱塑性工程塑料3、功能高分子材料的類別

國內(nèi)一般采用按其性質(zhì)、功能或?qū)嶋H用途劃分特種和功能高分子材料的劃分普遍采用的方法，具體可劃分為8種類型。1.反應性高分子材料，包括高分子試劑、高分子催化劑和高分子染料，特別是高分子固相合成試劑和固定化酶試劑等。2.光敏型高分子，包括各種光穩(wěn)定劑、光刻膠，感光材料、非線性光學材料、光導材料和光致變色材料等。功能高分子材料的類別3.電性能高分子材料，包括導電聚合物、能量轉(zhuǎn)換型聚合物、電致發(fā)光和電致變色材料以及其他電敏感性材料等。4.高分子分離材料，包括各種分離膜、緩釋膜和其他半透性膜材料、離子交換樹脂、高分子螯合劑、高分子絮凝劑等。5.高分子吸附材料，包括高分子吸附性樹脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。功能高分子材料的類別6.高分子智能材料，包括高分子記憶材料、信息存儲材料和光、磁、pH、壓力感應材料等。7.醫(yī)藥用高分子材料，包括醫(yī)用高分子材料、藥用高分子材料和醫(yī)藥用輔助材料等。8.高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高溫高分子材料、高強高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纖維材料、生物降解高分子等。

反應型高分子是在有機合成和生物化學領(lǐng)域的重要成果，已經(jīng)開發(fā)出眾多新型高分子試劑和高分子催化劑應用到科研和生產(chǎn)過程中，在提高合成反應的選擇性、簡化工藝過程以及化工過程的綠色化方面做出了貢獻。更重要的是由此發(fā)展而來的固相合成方法和固定化酶技術(shù)開創(chuàng)了有機合成機械化、自動化、有機反應定向化的新時代，在分子生物學研究方面起到了關(guān)鍵性作用。反應型高分子材料電活性高分子材料

電活性高分子材料的發(fā)展導致了導電聚合物，聚合物電解質(zhì)，聚合物電極的出現(xiàn)。此外超導、電致發(fā)光、電致變色聚合物也是近年來的重要研究成果，其中以電致發(fā)光材料制作的彩色顯示器已經(jīng)被日本和美國公司研制成功，有望成為新一代顯示器件。此外眾多化學傳感器和分子電子器件的發(fā)明也得益于電活性聚合物和修飾電極技術(shù)的發(fā)展。高分子分離膜材料

高分子分離膜材料與分離技術(shù)的發(fā)展在復雜體系的分離技術(shù)方面獨辟蹊徑，開辟了氣體分離、苦咸水脫鹽、液體消毒等快速、簡便、低耗的新型分離替代技術(shù)，也為電化學工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)提供了新型選擇性透過和緩釋材料。目前高分子分離膜在海水淡化方面已經(jīng)成為主角，已經(jīng)擁有制備18萬噸/日純水設(shè)備的能力。醫(yī)藥用功能高分子材料

醫(yī)藥用功能高分子是目前發(fā)展非常迅速的一個領(lǐng)域，高分子藥物、高分子人工組織器官在定向給藥、器官替代、整形外科和拓展治療范圍方面做出了相當大的貢獻。光敏高分子化學，在光聚合、光交聯(lián)、光降解、熒光以及光導機理的研究方面都取得了重大突破，特別在過去20多年中有了飛快發(fā)展，并在工業(yè)上得到廣泛應用。比如光敏涂料、光致抗蝕劑、光穩(wěn)定劑、光可降解材料、光刻膠、感光性樹脂、以及光致發(fā)光和光致變色高分子材料都已經(jīng)工業(yè)化。近年來高分子非線性光學材料也取得了突破性進展。光敏高分子材料1.2功能高分子的構(gòu)效關(guān)系結(jié)構(gòu)與性能的之間的關(guān)系，也就是說材料的結(jié)構(gòu)如何影響材料的性能和使用效果新材料的設(shè)計必須了解構(gòu)效關(guān)系！什么樣才是屬于構(gòu)效關(guān)系呢？比如說一般設(shè)計親水性材料，必須設(shè)法引進親水性的集團如-OH,-COOH,設(shè)計阻燃材料分子中必須引進P,S,Br等阻燃元素，gel的設(shè)計高分子的結(jié)構(gòu)非常復雜高分子的結(jié)構(gòu)對高分子的性能表現(xiàn)出的影響規(guī)律也非常復雜把握這些規(guī)律就可掌握一般的構(gòu)效關(guān)系，從而為材料的設(shè)計打好基礎(chǔ)了解高分子的結(jié)構(gòu)層次高分子的結(jié)構(gòu)特點：多重性和復雜性構(gòu)效關(guān)系我們在以后的章節(jié)中將要詳細講述。課下請認真閱讀自己的高分子物理課本中的關(guān)于高分子的結(jié)構(gòu)的章節(jié)。1.3功能高分子的制備方法功能高分子的制備方法功能高分子材料的特點在于他們特殊的“功能”，因此在制備這些高分子材料的時候，分子設(shè)計成為十分關(guān)鍵的研究內(nèi)容。

設(shè)計一種能滿足一定需要的功能高分子材料是高分子化學研究的一項主要目標。具有良好性質(zhì)與功能的高分子材料的制備成功與否，在很大程度上取決于設(shè)計方法和制備路線的制定。

功能高分子材料的制備是通過化學或者物理的方法按照材料的設(shè)計要求將功能基與高分子骨架相結(jié)合，從而實現(xiàn)預定功能的。

目前采用的制備方法來看，功能高分子材料的制備可歸納為以下四種類型：功能性小分子材料的高分子化已有通用高分子材料的功能化多功能材料的復合已有功能高分子材料的功能擴展

1功能性小分子的高分子化(1)功能性小分子單體直接發(fā)生聚合反應(2)功能性小分子通過聚合包埋與高分子材料結(jié)合優(yōu)點生成的功能高分子功能基分布均勻聚合物結(jié)構(gòu)可以通過聚合機理預先設(shè)計產(chǎn)物的穩(wěn)定性較好缺點在功能性小分子中需要引入可聚合基團，而這種引入常常需要復雜的合成反應要求在反應中不破壞原有結(jié)構(gòu)和功能當需要引入的功能基穩(wěn)定性不好時需要加以保護有時引入功能基后對單體聚合的活性會有影響(1)功能性小分子單體直接發(fā)生聚合反應

通過在功能性小分子中引入可聚合基團得到單體，然后進行均聚或共聚反應生成功能聚合物這些可聚合功能性單體中的可聚合基團一般為雙鍵、羥基、羧基、氨基、環(huán)氧基、酰氯基、吡咯基、噻吩基等基團。發(fā)生加成聚合反應，開環(huán)聚合反應，縮聚反應以及氧化偶合反應。吡咯基、噻吩基Z為連接基團，R為功能型小分子

丙烯酸分子中帶有雙鍵，同時又帶有活性羧基。經(jīng)過自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共聚物，可以作為弱酸性離子交換樹脂、高吸水性樹脂等應用。這是帶有功能性基團的單體聚合制備功能高分子的簡單例子。

將含有環(huán)氧基團的低分子量雙酚A型環(huán)氧樹脂與丙烯酸反應，得到含雙鍵的環(huán)氧丙烯酸酯，這種單體在制備光敏高分子材料方面有廣泛的應用。

除了單純的連鎖聚合和逐步聚合之外，采用多種單體進行共聚反應制備功能高分子也是一種常見的方法。特別是當需要控制聚合物中功能基團的分布和密度時，或者需要調(diào)節(jié)聚合物的物理化學性質(zhì)時，共聚可能是最行之有效的解決辦法。

該方法是利用生成高分子的束縛作用將功能性小分子以某種形式包埋固定在高分子材料中來制備功能高分子材料。在聚合反應之前，向單體溶液中加入小分子功能化合物，在聚合過程中小分子被生成的聚合物所包埋。在高分子藥物、固定化酶的制備方面有獨到的優(yōu)勢。

(2)功能性小分子通過聚合包埋與高分子

材料結(jié)合用這種方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架與小分子功能化合物之間沒有化學鍵連接，固化作用通過聚合物的包絡(luò)作用來完成。這種方法制備的功能高分子類似于用共混方法制備的高分子材料，但是均勻性更好。此方法的優(yōu)點是方法簡便，功能小分子的性質(zhì)不受聚合物性質(zhì)的影響，因此特別適宜酶等對環(huán)境敏感材料的固化。缺點是在使用過程中包絡(luò)的小分子功能化合物容易逐步失去，特別是在溶脹條件下使用，將加快固化酶的失活過程。例如，維生素C在空氣中極易被氧化而變黃。采用溶劑蒸發(fā)法研制以乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素苯二甲酸酯等聚合物為外殼材料的維生素C微膠囊，達到了延緩氧化變黃的效果。將維生素C微膠囊暴露于空氣中一個月，外觀可保持干燥狀態(tài)，色澤略黃。這種維生素C微膠囊進入人體后，兩小時內(nèi)可完全溶解釋放。2.已有高分子材料的功能化(1)利用化學反應將活性功能基引入聚合物骨架(2)功能性小分子與聚合物共混

價格低廉的通用材料較容易地接上功能性基團來源豐富具有機械、熱、化學穩(wěn)定性可選材料的特點目前常見的品種聚苯乙烯聚氯乙烯聚乙烯醇聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物聚丙烯酰胺聚環(huán)氧氯丙烷及其共聚物纖維素利用化學反應將活性功能基引

入聚合物骨架例子：

小分子過氧酸是常用的強氧化劑，在有機合成中是重要的試劑。但是，這種小分子過氧酸的主要缺點在于穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生爆炸和失效，不便于儲存。反應后產(chǎn)生的羧酸也不容