第十章 功能高分子 中山大学 高分子化学.ppt

第十章功能高分子 功能高分子 具有特殊的物理或化学性能的高分子 如吸附性能 反应性能 光性能 电性能 磁性能等 10 1吸附分离功能高分子吸附 液体或气体中的某些分子通过各种亲和作用结合于固体材料上 应用 利用吸附的选择性 可实现复杂物质体系的分离与各种成分的富集与纯化及检测 吸附分离功能高分子 对某些特定离子或分子具有选择性吸附作用的高分子 吸附分离功能高分子分类 按吸附机理 化学吸附 物理吸附和亲和吸附高分子 按其形态 无定形 珠状 纤维状 按其孔结构 微孔型 凝胶型 中孔型 大孔型等 10 1 1吸附分离功能高分子骨架结构的合成为了保证吸附树脂在使用时不被溶解 其骨架结构通常需有一定程度的交联 常常是由单乙烯基单体和多乙烯基交联单体共聚而成的交联结构 可以有无定形 珠状和纤维状三种基本形态 其中珠状材料应用最为广泛 成珠技术 悬浮聚合50 1500 m沉淀聚合微米级乳液聚合0 05 0 7 m其中以悬浮聚合的应用最为广泛 无致孔剂存在下 悬浮聚合所得的交联聚合物小球为凝胶型 微孔型 凝胶型交联小球在干态时孔隙非常小 只有在添加良溶剂后才会重构一定的孔隙 因此 凝胶型交联小球常常必须在良溶剂中使用 致孔技术 I 惰性稀释剂致孔 II 线形高分子致孔 如果在聚合反应过程中加入致孔剂 则可得到大孔型交联小球 其多孔结构是永久的 在气相和不良溶剂中也可使用 并且大孔型交联小球比凝胶型交联小球吸附能力更强 在进行化学改性时 更容易获得高的功能基引入率 10 1 2化学吸附功能高分子 1 离子交换树脂离子交换树脂 通过离子键与各种阳离子或阴离子产生吸附作用 对相应的离子进行离子交换 强酸型阳离子交换树脂 弱酸型阳离子交换树脂 强碱型阴离子交换树脂 弱碱型阴离子交换树脂 离子交换树脂的应用 I 清除离子 如阳离子交换树脂用于清除水溶液中的阳离子 阴离子交换树脂用于清除水溶液中的阴离子 将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂分别装柱串联使用或混合装柱 可消除水中的阴离子和阳离子 用于制备去离子水 废水处理等 II 离子交换 利用其离子交换的可逆性 用于离子交换反应 最成功的应用是离子交换色谱 可以用来分离由多种离子组成的混合物 III 酸 碱催化反应 如质子型的阳离子交换树脂可作为非常有效的高分子酸催化剂 氢氧根型阴离子交换树脂则是一种性能良好的高分子碱性催化剂 2 高分子螯合树脂高分子螯合树脂的特征是在高分子骨架上连接有对金属离子具有配位功能的螯合基团 如 二酮螯合树脂 可以由甲基丙烯酰丙酮的聚合反应而得 也可由聚乙烯醇与乙烯酮等反应而得 冠醚类螯合树脂中的冠醚结构可以在主链上 也可在侧基上 其中以侧链形式较多 如 螯合树脂应用 通过选择性螯合作用而实现对各种金属离子的浓缩和富集 可广泛地应用于分析检测 污染治理 环境保护和工业生产 10 1 3物理吸附功能高分子物理吸附功能高分子 主要是一些非离子吸附树脂 根据其极性大小可分为非极性 中极性和强极性三类 非极性吸附树脂 主要是交联聚苯乙烯大孔树脂 可通过范德华力吸附具有一定疏水性的物质 中极性吸附树脂 主要是交联聚丙烯酸酯类及其与苯乙烯的共聚物 其吸附作用除范德华力外 氢键也起一定的作用 强极性吸附树脂 聚丙烯酸酯树脂利用水解反应释放出强极性的羧基 其吸附作用主要通过氢键和偶极作用进行 10 2高分子试剂与高分子催化剂10 2 1概述将具有反应活性或催化活性的功能基通过适当的方法引入高分子骨架就可得到高分子试剂或高分子催化剂 活性功能基的引入可有三种基本方法 I 含功能基单体的聚合 II 对聚合物载体进行功能化改性 III 前两种方法的结合 即通过含功能基单体的聚合引入某种功能基 再通过化学改性将之转化为另一种功能基 10 2 2高分子试剂与高分子催化剂的优越性 1 稳定性和安全性 高分子骨架的引入对功能基具有一定的屏蔽作用 可大大提高其稳定性 其次高分子化后可大大减小试剂的挥发性 提高安全性 2 易回收 再生和重复使用 可降低成本和减少环境污染 3 化学反应的选择性更高 利用高分子载体的空间立体效应 可实现立体选择合成及分离 4 后处理较简单 在反应完成后可方便地借助固 液分离方法将高分子试剂或高分子催化剂与反应体系中其他组分相互分离 5 可使用过量试剂使反应完全 同时不会使后处理变复杂 6 可应用于组合化学合成 实现化学反应的自动化 10 2 3高分子试剂 高分子氧化还原试剂 高分子氧化剂 高分子还原剂 高分子卤化试剂 高分子亲核取代试剂 10 2 4高分子催化剂 强酸型阳离子交换树脂催化剂 高分子负载Lewis酸 强碱型阴离子交换树脂催化剂 高分子相转移催化剂 高分子超强酸 10 3高分子分离功能膜当膜处在某两相之间时 由于膜两侧存在的压力差 浓度差以及电位差等 驱使液态或气态的分子或离子等可从膜的一侧渗透到另一侧 在渗透过程中 由于渗透物的大小 形状 化学性质 电荷等不同 其渗透速率也不同 即膜对渗透物具有选择性 因此可利用膜的这种渗透选择性来分离不同的化合物 具有这种分离功能的高分子膜称高分子分离功能膜 膜的渗透性 渗透物在膜中的渗透速率 10 3 1高分子分离功能膜分类按被分离物质的不同 a 气体分离膜 b 液体分离膜 c 固体分离膜 d 离子分离膜 e 微生物分离膜 按膜的孔径或被分离物的体积大小 a 5000nm以上 微粒过滤膜 b 100 5000nm 微滤膜 可分离血细胞 乳胶等 c 2 100nm 超滤膜 可用于分离蛋白质等 d 10 纳滤膜 可用于分离游离酸和糖等 e 反渗透膜 超细滤膜 可分离NaCl等 按膜的结构主要分为 a 致密膜 紧密无孔的膜 可由聚合物熔融挤出成膜或由聚合物溶液浇铸成膜 b 多孔膜 有无规分布且相互连接的多孔结构 可由烧结法 拉伸法 径迹蚀刻等方法获得 10 3 2高分子分离膜的分离机理高分子分离膜主要有三种基本的分离机理 1 筛分效应分离机理多孔膜的分离机理是筛分机理 即在膜渗透过程中 只有体积小于膜孔的分子能够由膜孔通过 并且体积较小的渗透物比体积较大的渗透物渗透速率更快 2 溶解 扩散效应分离机理致密膜的一个重要性能是如果被分离物在膜中的溶解性差别显著时 即使其分子大小相近也能有效地分离 其分离机理是溶解 扩散机理 首先 渗透分子溶解在膜的表面 然后扩散穿过分离膜 出现在膜的另一面 其中溶解性取决于膜与渗透物的亲和性 而扩散性则取决于膜聚合物的化学结构及其分子链运动 3 电化学效应分离机理在微孔分离膜上接枝离子基团便可得到离子交换分离膜 离子交换分离膜的分离机理除筛分效应外 主要是电化学效应分离机理 吸附分离膜上固定离子基团的反离子 而排斥固定离子基团的同离子 10 3 3膜分离技术 1 透析其原理是溶质在浓度差的驱动下从浓度高的一侧通过分离膜渗透到浓度低的另一侧 通过下游侧的溶液流动完成分离过程 2 电渗析在电场的作用下 离子通过离子选择性分离膜分别向与之对应的电极迁移 使不同离子相互分离的过程 3 全蒸发原理是将待分离的混合物放于膜的一侧 其中高挥发性的有机溶剂以蒸汽的形式渗透分离膜 在膜的另一侧收集 其驱动力是渗透物蒸发所引起的蒸汽压差 4 微滤 超滤 纳滤和超细滤都是以压力差为驱动力 促使被分离物从压力高的一侧向压力低的一侧移动 利用筛分原理进行的连续膜分离过程 a 微滤 清除溶液中的微生物以及悬浮微粒 0 1 10um 应用 除菌 饮用水处理等 果汁澄清 溶液澄清等 b 超滤 清除液体中的胶体级微粒以及大分子溶质 2 100nm 应用 合成和生物来源的大分子溶液中溶质的分离 分子量分布较宽的大分子溶液进行分级处理 从食品工业废弃的乳清中回收蛋白质等 纳滤 主要用来处理一些中等分子量溶质 0 5 5nm 应用 生活和生产用水的纯化和软化处理 化学工业中的催化剂回收 药物的纯化与浓缩 活性多肽的回收与浓度 溶剂回收等 超细滤 反渗透 高压下使溶剂从膜的高浓度一侧向低浓度一侧渗透 应用 于海水的脱盐 高硬水的软化 高纯水的制备等 10 4生物医用高分子材料10 4 1生物医用高分子材料的范畴及其基本要求 生物医用材料 以医疗为目的 用于与组织接触以形成功能的无生命的材料 被广泛地用来取代和 或恢复那些受创伤或退化的组织或器官的功能 从而提高病人的生活质量 生物医用材料必须满足以下的基本要求 1 无急性毒性 致敏 致炎 致癌和其他不良反应 2 具有良好的耐腐蚀性能以及相应的生物力学性能和良好的加工性能 3 体内使用的医用材料 还必须具有良好的组织相容性 血液适应性和适宜的耐生物降解性 适当的生物降解性可从两方面来看 对于一些长期植入人体内的医用高分子材料要求具有很好的耐生物降解性 不致因发生生物降解而需定期更换 而有些高分子材料植入人体内后 只需在一定时期内发挥作用 在完成其功能后必须从体内去除 如外科手术的缝合线 医用胶粘剂和接骨材料等 生物医用材料主要有金属 陶瓷和高分子材料 高分子材料的优点 组成 性能和形状 固体 纤维 织物 膜和凝胶 上具有多变性 易于加工成复杂的形状和结构 并且易于与其他材料复合以克服单一材料的许多不足 因此聚合物材料几乎遍布了生物医学的各个领域 常用生物医用高分子材料 聚乙烯 聚氨酯 聚四氟乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚对苯二甲酸乙二酯 硅橡胶 聚砜 聚乳酸 聚羟基乙酸等 10 4 2修复性医用高分子人体组织通常可分为软组织 如皮肤 血管 软骨 韧带等 和硬组织 如骨 牙等 两大类 相应地高分子医用材料在组织修复上的应用也可分为软组织修复材料和硬组织修复材料 1 软组织修复材料可应用于软组织修复的高分子材料是一些生物惰性的生物相容性高分子材料 常用的有聚对苯二甲酸乙二酯 聚四氟乙烯 聚丙烯 聚氨酯和硅橡胶 异丁烯 聚苯乙烯嵌段共聚物等 填充材料用来弥补一些容貌缺陷 萎缩或者发育不完全 使之符合审美要求的医用材料 常用的高分子材料有硅橡胶 聚乙烯和聚四氟乙烯 血管移植材料必须具有血液相容性 且其机械性能与疲劳性能也必须与主体血管相近 聚酯布用于大直径人造血管 12 38mm 聚四氟乙烯用于中等直径 6 12mm 血管 导液管用于插入人体深处输入液体 如养分 生理盐水 药物 血液等 或通过血管插入心脏进行有关检查的导管 制造材料必须是血液相容 不凝血 不感染的材料 PU等由于良好的挠曲性和易于加工成不同的大小和长度 是应用广泛的导液管材料 伤口包扎材料烧伤包敷 一些生物降解性高分子如骨胶 壳多糖 聚乳酸等高分子绷带 纱布浸渍聚氨酯预聚体制成外科缝合线 聚乳酸及其共聚物医用胶粘剂 腈基丙烯酸丁酯单体 504胶 骨固定材料理想的骨固定材料是一些生物降解性高分子复合材料 随着骨折的愈合 夹板材料也逐渐地被人体分解吸收 在骨折愈合后 不需要象金属材料或非再吸收性材料一样需要进行二次手术 人工骨人工骨以置换病人体内无法愈合的伤骨 特别是关节 人工骨将长久地留在人体内代替骨的功能 对材料的机械性能要求很高 用于制备人工骨的主要是一些高分子复合材料 如陶瓷 超高分子量聚乙烯 2 硬组织修复材料 骨水泥固定人工骨等人造修补件与骨之间的连接 丙烯酸双组分粘结剂骨水泥使用最广泛 其中的固体粉末组分的主要成分为甲基丙烯酸甲酯类聚合物 引发剂 如BPO 液体组分的主要成分为甲基丙烯酸甲酯单体 少量的引发促进剂 如N N 二甲基甲苯胺 与BPO组成氧化还原引发体系 等组成 使用时将两组分混合均匀后 注入修补部位原位聚合固化 形成功能 牙科修复材料如牙冠填充和制备假牙 丙烯酸酯树脂是较早使用的牙冠填充高分子材料 但其机械强度较差 使用寿命较短 因此现在多已被一些牙科复合树脂所取代 牙科复合树脂主要组分包括基体树脂 填料 降粘单体 引发剂和稳定剂 基体树脂主要有双酚A与甲基丙烯酸缩水甘油酯的反应产物或聚氨酯双甲基丙烯酸树脂 填料包括石英 钡玻璃和硅胶 降粘单体如三甘醇双甲基丙烯酸酯 其作用是降低复合树脂粘度 以使树脂能够完全填满牙洞 引发剂如BPO或如安息香烷基醚 组织工程支撑材料以多孔固体支撑材料应用最广泛 用于组织工程多孔固体支撑材料的高分子主要是一些线形脂肪族聚酯 包括有聚羟基乙酸 PGA 聚乳酸 PLA 羟基乙酸和乳酸的共聚物 3 组织工程材料组织工程中的一个重要领域是以高分子材料作为支撑材料 在其上移植器官或组织的生长细胞 使之形成自然组织 用来修复 维持或提高组织功能的一种外科替代疗法 10 4 3高分子药物高分子材料在药物中的应用主要有三方面 a 高分子载体药物控制释放体系 b 小分子药物高分子化 c 高分子药物其中以高分子载体药物控制释放体系应用最为广泛 1 高分子载体缓释药物 血液中药物浓度 时间 中毒浓度 有效浓度 药物释放机理 a 通过可溶性高分子载体的缓慢溶解释放药物由于高子化合物的溶解是一个缓慢的过程 因此将药物与水溶性高分子载体混合均匀后制成片剂或微粒 利用高分子载体溶解慢的特性 使药物缓慢释放 b 通过高分子载体的生物降解释放药物通过高分子载体的生物降解速度来调节药物的释放速度 c 在压力 温度 pH及酶的作用下通过