高分子設(shè)計(jì)與合成

1、1,高分子設(shè)計(jì)與合成,田梅,2,聯(lián)系方式,E-mail： Tel: 8368-7671 Lab: 化學(xué)館202 Mobile:3,第一章 序言,4,引,水滴在荷葉上隨意滾動(dòng)，卻不沾濕荷葉,愛蓮說 周敦頤 水陸草木之花, 可愛者甚蕃. 晉陶淵明獨(dú)愛菊,自李唐來， 世人盛愛牡丹. 予獨(dú)愛蓮之出淤泥而不染,濯清漣而不妖,5,荷葉不沾泥也不沾水, 如何能制造出具有荷葉特性的材料。 首先，清楚荷葉不沾泥不沾水的原理。,6,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)是因其葉面并非平滑表面，而是具備規(guī)則排列且均一大小突起物，統(tǒng)稱為“粗糙面”或“粗糙層”，經(jīng)放大后可看到一根根盤交錯(cuò)節(jié)的纖毛狀物。此“粗糙層”能將空氣

2、保留在突起物間的底部，使外在的污染物或液體五法完全沾附於蓮葉上。被局限在這微米粗糙層中的空氣，猶如是在蓮葉表面形成一層氣墊,污染物或液體是由空氣所支撐著。,7,荷葉表面盤交錯(cuò)節(jié)的纖毛狀“臘質(zhì)”，由於其組成成分為一疏水性非常高的碳?xì)浠衔镂镔|(zhì)（屬低表面能材料），與水滴間的界面張力非常大，水滴不易沾粘。 基此兩大原因，使蓮葉形成一超疏水表面，水滴接觸角度大于150度以上。即使污物附著於其上，也可輕易地以水沖刷洗凈，達(dá)到自潔效果 。,8,9,10,11,12,設(shè)計(jì)低表面能的聚合物：在共聚物中引入低表面能結(jié)構(gòu)單元(主要是含氟結(jié)構(gòu)和含硅結(jié)構(gòu)) 。 采用相應(yīng)工藝，使高分子材料表面具有荷葉表面粗糙的結(jié)構(gòu)特征

3、。,13,高分子設(shè)計(jì)（Macromolecular Design）一詞源出美國(guó)麻省理工學(xué)院材料科學(xué)教研室，由霍恩赫貝爾教授（Professor Hobel）在 20 世紀(jì) 70 年代提出，基本概念很簡(jiǎn)單，即為使材料適其所用，首先要了解材料的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性能之間的相互關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)要求合成出具有所需物性的特定化學(xué)結(jié)構(gòu)的材料。 簡(jiǎn)言之，高分子設(shè)計(jì)就是： 按照聚合物及其材料的指定性能 設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu) 進(jìn)行合成和加工。,14,15,作為高分子材料，經(jīng)過研究的有成千上萬(wàn)種，而真正具有應(yīng)用價(jià)值的只有1%左右，主要應(yīng)用于光電子通訊技術(shù)、能源系統(tǒng)、液晶顯示材料、生物醫(yī)用材料、離子交換樹脂、包裝、建

4、筑涂料、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。 這1%的高分子材料中應(yīng)用廣泛的不過十余種，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙稀、聚酰胺（尼龍）、聚酯、聚異戊二烯等。,16,高分子設(shè)計(jì)方法,由于高分子的多樣性，高分子的分子設(shè)計(jì)難度非常大。高分子設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，具體為： 1) 需要用已積累和歸納的有關(guān)高分子結(jié)構(gòu)與性能、結(jié)構(gòu)與合成、性能與加工的關(guān)系，從定性到定量、從一次結(jié)構(gòu)到高次結(jié)構(gòu)、從靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)性能等方面的理論和應(yīng)用的豐富數(shù)據(jù)中找出內(nèi)在的基本規(guī)則、規(guī)律。 2) 以找出的基本規(guī)律為依據(jù)，用數(shù)理方法或者模型方法求出滿足指定性能的高分子結(jié)構(gòu)模型。 3) 擬定設(shè)計(jì)、合成指定結(jié)構(gòu)高分子所需的合成方法、加工條件等，用盡可能少

5、的實(shí)驗(yàn)、較低的成本、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)指定結(jié)構(gòu)和指定性能的高分子化合物的合成。,17,數(shù)理方法-基團(tuán)貢獻(xiàn),18,數(shù)理方法-基團(tuán)貢獻(xiàn),19,數(shù)理方法-基團(tuán)貢獻(xiàn),20,數(shù)理方法-基團(tuán)貢獻(xiàn),21,高分子設(shè)計(jì)方法,22,高分子設(shè)計(jì)方法,23,數(shù)理方法-基團(tuán)貢獻(xiàn),24,數(shù)理方法-基團(tuán)貢獻(xiàn),25,高分子設(shè)計(jì)方法,26,高分子設(shè)計(jì)方法,27,高分子設(shè)計(jì)方法,28,一個(gè)近似高分子設(shè)計(jì)的實(shí)例,第四纖維（卡納）,1935年，Carothers發(fā)明尼龍66，1938年工業(yè)化。 存在的問題：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）較低，只有 50oC，作衣料用時(shí)遇洗滌或加熱到 100oC 左右就不能充分保持形態(tài)，而且耐洗滌性、穩(wěn)定性都不很好，

6、用作工業(yè)纖維時(shí)或多或少存在著楊氏模量較低與剛性系數(shù)較低的問題。,尼龍66,29,模量與楊氏模量,一條長(zhǎng)度為L(zhǎng)、截面積為S的金屬絲在力F作用下伸長(zhǎng)L。 F/S叫應(yīng)力，其物理意義是金屬絲單位截面積所受到的力； L/L叫應(yīng)變，其物理意義是金屬絲單位長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量。 應(yīng)力與應(yīng)變的比叫（彈性）模量。 楊氏模量，它是沿縱向的彈性模量，用E表示。楊氏模量(Youngs modulus)是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。 彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大 。 從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀

7、角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的反映。凡影響鍵合強(qiáng)度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、微觀組織、溫度等。,30,杜邦公司曾以提高 Tg 為目的，首先制成芳香族聚酰胺，即在尼龍主鏈結(jié)構(gòu)中引入苯環(huán)，減少分子鏈的柔性，提高熔點(diǎn) Tm 和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg。,主鏈結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)上的共軛雙鍵又使纖維產(chǎn)生泛黃的缺點(diǎn)，后又改用環(huán)己烷環(huán)取代苯環(huán)，終于制成了第四纖維卡納，卡納的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 140oC，熔點(diǎn)從尼龍 66 的 230oC 提升到275oC。,31,從工業(yè)角度出發(fā)，高分子設(shè)計(jì)就更為復(fù)雜，其方法 可分為三個(gè)階段： 1) 適應(yīng)市場(chǎng)的產(chǎn)品功能和價(jià)格的產(chǎn)品設(shè)計(jì) 2)

8、 研究性能和價(jià)格并加以可選擇的材料設(shè)計(jì) 3) 制作材料的分子設(shè)計(jì),32,高分子設(shè)計(jì)與合成中存在的困難,設(shè)計(jì)方面的困難：所積累的資料大都是定性的、經(jīng)驗(yàn)性的或半定量的，高分子材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系還存在很多的空白，沒有完整系統(tǒng)的規(guī)律可尋，因而只能對(duì)某種結(jié)構(gòu)或物性作出局部或分段的分子設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)末達(dá)到按照結(jié)構(gòu)模型實(shí)施系統(tǒng)分子設(shè)計(jì)的程度。 合成方面的困難：高分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（如僅由 A和 B 兩種重復(fù)結(jié)構(gòu)單元連接而成的最簡(jiǎn)單的共聚物，也有四種不同的連接方式，即嵌段共聚物、交替共聚物、無(wú)序共聚物和接枝共聚物）使得合成過程中合成目標(biāo)的控制也十分困難；合成還經(jīng)常涉及催化劑（或引發(fā)劑）問題，而催化劑的選擇本身是個(gè)難度極大的課題。,33,設(shè)計(jì)功能高分子材料的基本途徑: 化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):即設(shè)計(jì)含有功能基團(tuán)的高分子。 將特定的功能基團(tuán)設(shè)計(jì)于高分子結(jié)構(gòu)中,使之成為功能高分子材料。 (2) 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì): 即從高分子分子鏈間的堆砌方式角度出發(fā)設(shè)計(jì)具有特定功能的高分子材料。 (3