功能高分子材料复习题.pdf

1 功能高分子材料复习题功能高分子材料复习题 一、功能高分子材料按其功能性可以分为几类？ 功能高分子可从以下几个方面分类： 1. 力学功能材料： 1) 强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等； 2) 弹性功能材料，如热塑性弹性体等。 2. 化学功能材料： 1) 分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等； 2) 反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂； 3) 生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。 3. 物理化学功能材料： 1) 耐高温高分子，高分子液晶等； 2) 电学功能材料，如导电性高分子、超导高分子，感电子性高分子等； 3) 光学功能材料，如感光高分子、导光性高分子，光敏性高分子等； 4) 能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等。 4. 生物化学功能材料： 1) 人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等； 2) 高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等； 3) 生物分解材料，如可降解性高分子材料等。 二、说明离子交换树脂的类型及作用机理？试述离子交换树脂的主要用途。 1.阳离子交换树脂。机理：解离出阳离子、并与外来阳离子进行交换； R-SO3H + M+ R-SO3M+ H+ 2.阴离子交换树脂。机理：解离出阴离子、并与外来阴离子进行交换。 RN+H3OH-+ X-RN+H3X-+ OH- 3.应用： 1）水处理：包括水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备。 2）冶金工业：分离、提纯和回收铀、钍等超铀元素、稀土金属、重金属、 轻 金属、贵金属和过渡金属。 3）原子能工业：包括核燃料的分离、提纯、精制、回收等，还是原子能工业 废水去除放射性污染处理的主要方法。 4）海洋资源利用：从海洋生物（例如海带）中提取碘、溴、镁等重要化工原 料，用以海水制取淡水。 5）食品工业：制糖、酿酒、烟草、乳品、饮料、调味品等食品加工中都有广 泛地应用。 6）医药工业：例如在药物生产中用于药剂的脱盐、吸附分离、中和及中草药 有效成分的提取等。 7）化学工业：在化学实验、化工生产上是重要的单元操作，普遍用于多种无 机、有机化合物的分离、提纯、浓缩和回收等。 8）环境保护：在废水、废气的浓缩、处理、分离、回收及分析检测上都有重 要应用，已普遍用于电镀废水、造纸废水、矿冶废水、生活污水、影片洗印废水、 工业废气等治理。 2 三、按膜的功能简述高分子分离膜的分类及其分离机理。 1.微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳米滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜 等。 2.机理： 1）微孔膜：是以静压差为推动力，利用膜孔对溶液中的悬浮微粒的“筛分”作 用进行分离的膜过程。小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，大于孔径的 微粒被截留。 2） 超过滤膜： 过滤粒径介于微滤和反渗透之间， 约 510nm， 在 0.10.5 MPa 的静压差推动下截留各种可溶性大分子 3）反渗透膜：通过在待分离液一侧加上比渗透压高的压力，使得原液中的溶 液压到半透膜的另一边。 4）纳米滤膜：截留粒径在 0.11nm，分子量为 1000 左右的物质，可使一价 盐和小分子物质透过，具有较小的操作压（0.51MPa） 。其被分离物质的尺寸介 于反渗透膜和超滤膜之间。 四、在膜的分离过程中，可以有哪些驱动力？它们各自驱动的膜过程是什么？ 有压力差、浓度差或电位差等驱动力。 1.压力差： 通过在待分离液一侧加上比渗透压高的压力， 使得原液中的溶液压 到半透膜的另一边。分离截留的机理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜 上的微孔，大于孔径的微粒被截留。 2.浓度差：高浓度水溶液向低浓度水溶液一侧迁移。 3.渗透压：低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移 4.反渗透： 在高浓度水溶液一侧加压， 使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的 压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧。 五、高吸水性树脂为什么能大量吸水并保水？ 1.大量吸水的原因： 具有一定的交联度，少量交联后，吸水率会成百上千倍地增加，是一种三 维空间网络结构，使其吸水方式既有物理吸附，又有化学吸附和网络吸附。 分子中含有亲水性基团和疏水性基团：当亲水性基团与水分子接触时， 会 相互作用形成各种水合状态。高分子网状结构中的疏水基团因疏水作用而易于斥 向网格内侧，形成局部不溶性的微粒状结构，使进入网格的水分子局部冻结，失 去活动性，形成“伪冰”（False ice）结构。 高吸水性树脂中的网状结构对吸水性有很大的影响。 2.分子中大量的-COOH、OH 和酰氧基团与 H2O 之间的强烈范德华力吸收 水分子，并由网状结构的橡胶弹性作用将水分子牢固地束缚在网格中，水分子的 热运动受到限制，不易重新从网格中逸出。吸足水后，即形成溶胀的保水能力很 强的凝胶体，即使加压也不易挤出。 六、试分析影响高吸水性树脂吸水能力的因素。 高吸水性树脂的吸水能力一般从吸水性和吸水率两个指标判断： 1.交联度对吸水性的影响： 在未经交联前，一般为水溶性，吸水性很低，少量交联后，吸水率会成百上 3 千倍地增加；但是交联密度过高，造成网格太小而影响水分子的渗透，同时，橡 胶弹性的作用增大，不利于水分子向网格内的渗透，吸水能力降低。 2.水解度对吸水率的影响： 吸水率一般随水解度的增加而增加，但当水解度高于一定数值后，吸水率反 而下降。 3.被吸液的 pH 值与盐分对吸水率的影响： 酸碱盐的存在一般会降低树脂的吸水率和吸水性。 4.受形状所影响： 树脂的比表面积越大，吸水速率也越快。 七、什么是掺杂？为什么掺杂后的共轭高聚物的电导率可大幅度提高？ “掺杂”一词源于半导体化学，指在纯净的无机半导体材料中加入少量具有 不同价态的第二种物质，用以改变半导体材料中空穴和自由电子的分布状态。高 聚物中因添加电子受体或电子给体而提高电导率的方法称为“掺杂” 。 掺杂的结果是亚能带间的能量差减小，电子的移动阻力降低，使线性共轭 导电聚合物的导电性能从半导体进入金属导电范围。 八、简述正性胶和负性胶的作用原理。 光致抗蚀剂根据光照后溶解度变化的不同分为正胶和负胶。 负性光刻胶是在光照下，涂层的溶解度下降，在溶解过程中（也称为显影过程） 被保留下来，在化学腐蚀过程中（也称为刻蚀过程）保护氧化层。 正性光刻胶的性能正好相反，感光胶被光照后溶解度增加，在显影过程中被除 去，其所覆盖部分在刻蚀过程中被腐蚀掉。 九、液晶分子的主要组成单元是什么？各自的作用是什么？ 1.液晶分子的主要组成单元是致晶单元（X） ，连接单元（Y） ，柔性基团（Z） 。 2.致晶单元通过刚性连接单元（Y） ，又称中心桥键，连接组成，这个刚性连接单元 能够阻止两个环的旋转，扩大刚性部分尺寸的基团，使刚性单元的几何形状呈扁、平、 长的形状。 在致晶单元的端部通常有一个柔软、易弯曲的基团 Z，这个端基单元是各种极性或 非极性基团，对形成液晶具有一定的稳定作用，是不可缺少的结构因素。 十、溶致型液晶高分子和热致型液晶高分子有哪些主要区别？ 1.形成条件不同： 热致型液晶是依靠温度的变化， 在某一温度范围形成的液晶态物质。 多数液晶是热致型液晶。溶致型液晶是因加入溶剂（在某一浓度范围内）而呈现液晶态 的物质。 2.形成溶致型高分子液晶的分子结构必须符合两个条件： 分子应具有足够的刚性和相 当的溶解性。主要应用在高强度、高模量纤维和薄膜的制备方面。 3.从结构上看， 热致型液晶高分子相当于在刚性的线型分子链中， 嵌段地或无规地接 入柔性间隔基团。这类液晶具有高结合度和高熔点，不能在热分解温度以上生成液晶相。 十一、对于医用高分子材料与常规高分子材料相比，其要求有何不同？ 与常规高分子材料相比，医用高分子材料要求其具有生物功能性、生物相容性、生 物安全性。 4 1.生物功能性：生物医学材料在植入后行使功能的能力，或为执行功能，其自身和植 入位置应当满足的适当的物理化学要求。 2.生物相容性：生命体组织与非生命材料产生合乎要求的反应(生物学行为)的一种性 能，决定于材料与活体间的相互作用。 3.生物安全性： 采用生物学方法检测材料对受体的毒副作用， 从而预测该材料在医学 实际应用中的安全性。 十二、环境可降解高分子材料可以分几类？请举例说明。 按降解机理不同，可分为全生物降解高分子材料 (Biodegradable polymers)和生物 破坏型高分子材料 (Biodestructible polymers)。 1.全生物降解高分子材料包括： 天然高分子材料及其衍生物，如纤维素及其衍生物、甲壳素和壳聚糖、热塑性淀 粉； 合成高分子材料，如脂肪族聚酯、聚乙烯醇及其衍生物、聚乙二醇及其衍生物、 聚氨酯及其改性物； 微生物合成高分子材料：脂肪族聚酯、聚乳酸等生物聚酯、其他微生物合成高分 子。 2.生物破坏型高分子材料包括：淀粉与生物惰性高分子的共混物、合成脂肪族聚 酯与生物惰性高分子的共混物、天然矿物粉、合成脂肪族聚酯与生物惰性高分子的共 混物。 1、 功能高分子材料的化学制备方法通常有功能单体的高分子化和高分子材料的功能 化两种方式，简述各自的优缺点。 功能单体的高分子化：能得到结构均一的产物，功能基团分布均匀，容易通过共聚 等手段调节最终产物的性能等，缺点是功能单体的制备相对困难，通常需要保护，从而 增加反应复杂性和制造成本，聚合条件苛刻、聚合度不易控制等。 （5 分） 高分子材料的功能化：能够使用通用高分子，价格便宜，反应过程容易控制，反应 之前可对高分子进行分级精制得到分子量分布窄以及合适的分子量等；缺点是功能基团 分布不均匀，反应性能和反应程度受到骨架高分子的制约，反应以后也常常影响材料的 其他性能等。 （5 分） 2、简述离子交换树脂的种类和主要功能，举出两个制备的实例（以反应方程式简要 描述） 。 按照交换基团的性质分类可以分为阴、阳离子交换树脂两大类，又各分强、弱两种 类型。 （2 分，如按照其它标准分类，只要正确均可给 2 分） 主要功能有离子交换功能、吸附功能、脱水功能、催化功能等。 （2 分） 苯乙烯与二乙烯苯共聚再经过磺化反应和中和反应得到强酸型阳离子交换树脂，苯 乙烯与二乙烯苯共聚物经过氯甲基化和胺基化反应可得到强碱型阴离子交换树脂。 （每个 正确的方程式 3 分，其它答案只要正确并且产物符合离子交换树脂均可给分） 3、简述高吸水性树脂的吸水和保水机理，以及影响吸水性能的主要因素。 亲水基团与水分子接触形成各种水合状态，疏水基团形成局部不溶性结构“冻结” 水分子，从而达到吸水保水功能。 （4 分） 5 交联度、水解度、被吸溶液的酸碱度和盐分。 （各 2 分，共 6 分。如果只简单答出 这三种因素只能给 3 分，满分需要作出进一步的解释） 4、简述复合型导电高分子的导电机理和制备方法。 复合型导电机理有连续型无限网络、隧道效应、场致效应三种。 （5 分，无简单解释 说明只能给 3 分） 将有导电能力的材料通过共混等技术掺杂在高分子材料中，或者采用电镀、蒸镀、 渗透等方法在材料表面形成导电层，或者采用金属网、本征型导电高分子等与通用高分 子材料多层复合形成。 （5 分） 5、光致发光高分子材料的发光机理和通用的制备方法。 材料吸收合适波长的光能以后会产生电子激发，激发态的电子通过光化学、光辐射、 热效应等释放多余的能量以便回到稳定的基态， 其中光辐射又有荧光和磷光两种方式。（6 分，如果原理正确但描述太简化给 4 分） 共混、接枝、掺杂等方法将具有发光性能的小分子与高分子材料结合，用相应的小 分子或者官能团与单体反应在聚合成高分子，也可以采用本身就具有光致发光性能的单 体聚合成高分子。 （4 分） 6、写出相转化法制备高分子分离膜的流程图，并简述膜分离的可能机理。 将聚合物、溶剂、添加剂等制备成均质制膜液，用流延法制成平板型、圆管型或者 纺丝法制成中空纤维型，蒸出部分溶剂，凝固液浸渍，在经过水洗和后处理可以制得非 对称膜。 （满分 5 分，若缺少步骤适当扣分） 微滤和超滤主要以溶质的颗粒大小进行分离，气体和渗透、反渗透膜主要以溶解-扩 散机理进行分离，离子交换膜和电渗析膜主要以电荷交换分离等。 （满分 5 分） 7、以实例解释本征型导电高分子的两种主要导电机理和影响电导率的因素。 以聚乙炔为代表的共轭聚合物是电子导电方式，主要从轨道杂化、电子离域、能级 带宽、共振结构等方面来阐述，掺杂电子受体或给体的小分子可以显著增加电导率。 （满 分 5 分。若以电荷转移络合物、金属有机螯合物等为例解释，只要正确均给满分。 ） 以聚环氧乙烷-碱金属盐为代表的离子导电方式，正离子由螺旋结构的聚醚所包围， 沿着螺旋状空腔所提供的特殊通道而移动，盐浓度、温度等影响电导率。 （满分 5 分。 若 以固体高分子电解质为例解释，只要正确均可给满分。 ） 8、对医用高分子材料的基本要求。 化学惰性、良好的血液相容性、不会引起炎症和异物反应、不会致癌、长期植入体 内有足够的稳定性和机械强度、能经受清洁消毒、易于加工成型等。 （满分 10 分，应该 对每一条内容做适当的阐述，若没有给出合理的解释说明，最多给 6 分） 9、简述药用高分子微胶囊的制备方法。 物理方法：喷雾干燥法、真空喷涂法、多孔离心法、静电气溶胶法、空气悬浮涂层 法等（答对两个及以上答案即可得到最多 2 分） ；物理化学方法：水/油中相分离法、溶 液中干燥法、溶液蒸发法、粉末床法等（答对两个及以上答案即可得到最多 2 分） ；化学 方法：界面聚合法、原位聚合法、聚合物快速不溶解法等（答对两个及以上答案即可得 到最多 2 分） 10、简述功能高分子材料的结构层次与性能关系以及常用的研究手段和方法。 原子/元素层次元素分析、化学分析等，分子/官能团层次FTIR、UV、MS、 NMR 等， 链段/构象NMR、 光散射等； 晶态/聚集态层次X-ray、 SEM、 光散射等 ； 宏观结构TGA、DSC、SEM、表面分析、光电分析等。 （灵活题，可适当给分，满分 10 分。 ） 6 功能高分子 是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应的高分子材料。具有特殊的物理或化学性能 的高分子 高性能高分子 是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料 功能高分子材料的制备可归纳为以下三种类型： 功能性小分子材料的高分子化； 已有高分子材料的功能化； 多功能材料的复合以及已有功能高分子材料的功能扩展。 活性聚合最典型的特征 是引发速度远远大于增长速度，并且在特定条件下不存在链终止反应和链 转移反应，亦即活性中心不会自己消失。 阴离子活性聚合基本特点： 1）聚合反应速度极快 2）单体对引发剂有强烈的选择性； 3）无链终止反应； 4）多种活性种共存； 5）相对分子质量分布很窄， Higashimura 等人在用 HI/I2 引发烷基乙烯基醚的阳离子聚合中， 发现聚合过程具有以下活性聚合的典 型特征： 数均相对分子质量与单体转化率呈线性关系； 聚合完成后追加单体，数均分子量继续增长； 聚合速率与 HI 的初始浓度HI0 成正比； 引发剂中 I2 浓度增加只影响聚合速率，对相对分 子质量无影响； 在任意转化率下，产物的分子量分布均很窄，1.1。 1. 反应性高分子材料 2. 光敏型高分子 3. 电性能高分子材料 4. 高分子分离材料 5. 高分子吸附材料 6.高分子智能材料 7. 医药用高分子材料 8. 高性能工程材料 高分子化学反应类型 1.聚合度基本不变，侧基或端基发生变化的反 应。 7 2.聚合度变大的反应 3.聚合度变小的反应 高分子的反应活性及其影响因素 （1）聚集态结构因素 （2） 化学结构因素 a）几率效应 b）邻近结构效应 离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物。但外观为纤维状，并还可以不同的织物形式出 现，如中空纤维、纱线、布、无纺布、毡、纸等。 吸附树脂是指具有特殊吸附功能的一类树脂。是指一类多孔性的、高度交联的高分 子共聚物， 吸附树脂的分类 （1）非极性吸附树脂 （2）中极性吸附树脂 （3）极性吸附树脂 （4）强极性吸附树脂 热再生树脂的工作原理如下： 在室温下，树脂与盐溶液接触，反应向右进行，羧酸基中的 H+转移到弱碱性的基上，形成 铵盐。羧酸根离子起了阳离子交换基团的作用，弱碱性基团则与水中的 Cl及羧酸基转移来的 H+构 成盐。 离子交换树脂和吸附树脂的功能 离子交换树脂最主要的功能是离子交换，此外，它还具有吸附、催化、脱水等功能。吸附树 脂则以其巨大的表面积而具有优异的吸附性为其主要功能。 离子交换树脂的质量控制 （1）交换容量（2）强度（3）溶出物（4）粒径（5）树脂的含水量（6）比表面积、孔容、孔度、 孔 径和孔径分布 分离膜：是指能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面。 膜分离过程的主要特点 主要特点是以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质分子尺寸的分离和混合物组分的分离。 膜分离过程的推动力有浓度差、压力差和电位差等 膜分离过程可概述为以下三种形式： 渗析式膜分离 过滤式膜分离 液膜分离 （1）非纤维素酯类膜材料的基本特性 分子链中含有亲水性的极性基团； 主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性； 8 化学稳定性好； 具有可溶性； 分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。 所谓导电高分子是由具有共轭键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一 类高分子材料。 导电高分子的类型 结构型（本征型）导电高分子，另一类是复合型导电高分子 导电填料对导电性能的影响 在导电填料浓度较低时，材料的电导率随浓度增加很少，而当导电填料 浓度达到某一值时，电导率急剧上升，变化值可达 10 个数量级以上。 橡胶用炭黑、色素炭黑和导电炭黑导电槽黑、 导电炉黑、超导电炉黑、特导电炉黑和乙炔炭黑 影响含炭黑聚合物导电性的因素 （1）导电性对电场强度的依赖性（2）导电性对温度的依赖性（3）加工方法对导电性的影响 超导态有以下四个特征; （1）电阻值为零 （2）超导体内部磁场为零 （3）超导现象只有在临界温度以下才会出现 （4）超导现象存在临界磁场， 感光性高分子 是指在吸收了光能后，能在分子内或分子间产生化学、物理变化的一类功能高分子 材料 光导电材料、光电转换材料、光能储存材料、 光记录材料、光致变色材料和光致抗蚀材料 S1 和 T1 在性质上有以下的区别： (a) 三线态 T1 比单线态 S1 的能量低。 (b) 三线态 T1 的寿命比单线态 S1 的长。 (c) 三线态 T1 的自由基性质较强，单线态 S1 的 离子性质较强。 激发态就有多种失去激发能的途径 (a) 电子状态之间的非辐射转变，放出热能； (b) 电子状态之间辐射转变，放出荧光或磷光； (c) 分子之间的能量传递。 (d) 化学反应。 9 电子跃迁，可归纳 并表示为如下四种： (a) *跃迁(从轨道向*轨道跃迁)； (b) *跃迁； (c)n *跃迁； (d)n *跃迁。 作为增感剂，必须具备以下的基本条件： （1） 增感剂三线态的能量必须比被增感物质的三线态能量大，以保证能量转移的顺利进行 （2）增感剂三线态必须有足够长的寿命，以完成能量的传递； （3）增感剂的量子收率应较大。 （4）增感剂吸收的光谱应与被感物质的吸收光谱一致，且范围更宽 高吸水性树脂 这是一种含有强亲水性基团并通常具有一定交联度的高分子材料。吸水后立即溶胀为水凝 胶，有优良的保水性，即使受压也不易挤出。吸收了水的树脂干燥后，吸水能力仍可恢复。 高吸水性树脂的类型 淀粉类、纤维素类和合成聚合物类三大类。 合成高吸水性树脂目前主要有四种类型（1）聚丙烯酸盐类（2）聚丙烯腈水解物（3）醋酸乙烯酯共 聚物（4）改性聚乙烯醇类 在溶胀过程中，一方面，水分子力图渗入网格内使其体积膨胀，另一方面，由于交联高 分子体积膨胀导致网格向三维空间扩展，使网键受到应力而产生弹性收缩，阻止水分子的进 一步渗入。 影响树脂吸水率有很多因素，除了产品本身的化学组成之外，还与产品的交联度、水解 度和被吸液体的性质等有关 高吸水性树脂的应用（1）日常生活婴儿一次性尿布、宇航员尿 巾、妇女卫生用品、餐巾、手帕、绷带、脱脂 棉等。 （2）农用保水剂 （3）用作医疗卫生材料 （4）工业吸水剂 （5）食品工业 医用高分子材料则是生物医用材料中的重要 组成部分，主要用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域。 医用高分子分成如下的五大类： （1）与生物体组织不直接接触的材料（2）与皮肤、粘膜接触的材料（3）与人体组织短期接触的材 料（4）长期植入体内的材料（5）药用高分子 10 一个具备了以下七个方面性能的材料，可以考虑用作医用材料。 （1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应（2）对人体组织不会引起炎症或异物反应（3）不会 致癌（4）具有良好的血液相容性（5）长期植入体内不会减小机械强度（6）能经受必要的清洁消毒 措施而不产生变性（7）易于加工成需要的复杂形状 钙化现象：高分子材料在植入人体内后，再经过一段时间的试用后，会出现钙化合物在材料表面沉积 的现象 药用辅助材料是指在药剂制品加工时所用的和为改善药物使用性能而采用的高分子材料 高分子药物可分为三大类： (a) 高分子化的低分子药物 (b) 本身具有药理活性的高分子药物(c) 物理包埋的低分子药物 高分子药物的要求包括： (1) 高分子药物本身以及它们的分解产物都应是无毒的， 不会引起炎症和组织变异反应， 没有 致癌性；(2) 进入血液系统的药物，不会引起血栓；(3) 具有水溶性或亲水性，能在生物体内水解 有药理活性的基团。(4) 能有效地到达病灶处，并在病灶处积累，保 持一定浓度。 (5) 对于口服的药剂，聚合物主链应不会水解，以便高分子残骸能通过排泄系统被排出 体外。如药物是导入循环系统的，为避免其在体内积累，聚合物主链必须是易分解的，才能排出人体 或被人体所吸收。 微胶囊是指以高分子膜为外壳、其中包有被保护或被