第七章+功能高分子材料.ppt

第七章功能高分子材料,7.1概述7.2导电高分子材料7.3液晶聚合物7.4高分子分离膜7.5仿生高分子材料,7.1概述,功能高分子材料是除了力学功能、表面和界面功能及部分热学功能的高分子材料。,7.2导电高分子材料2000年，美国科学家黑格（Heeger）、马克迪尔米德（MacDiarmid）以及日本科学家白川英树（Shirakawa）因在导电聚合物领域作出了开创性贡献，荣获了该年度的诺贝尔化学奖。,诺贝尔评奖委员会的公告：塑料本来是不导电的绝缘体。他们合成了具有共轭链的聚乙炔，用掺杂方式使塑料出现与金属一样的导电性。导电高分子已成为化学和物理学研究的重要领域。不仅将导电聚合物用于聚合物电池的设想正在逐步实用化，而且发光二极管、移动电话显示屏以及将来的分子电路也有可能用导电高分子做关键材料。,导电高分子材料的分类（1）复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料是指在高分子基体中添加导电型物质（碳黑、碳纤维、金属粉末、薄片、金属丝、涂金属的玻璃球和丝）通过分散复合、层集复合等方式制成，其制造容易，现已商品化。此类导电高分子材料在国内外已得以广泛的应用，如抗静电、电磁波屏蔽、微波吸收、电子元件中的电极等。,（2）结构型导电高分子材料结构型导电高分子材料是指聚合物本身不用加入导电性物质,而靠其自身结构或经掺杂后具有导电性的高分子聚合物。一般为共轭型高分子，在高分子链中具有大量共轭双键结构，电子在共轭体系内自由运动，因而提供了导电载流子。虽然共轭结构具有较强的导电倾向，但电导率并不高，在实际应用中，通常经过掺杂提高电导率。例如：在聚乙炔中添加碘，达到金属导电的水平。,目前研究较多的导电高分子有聚乙炔(PAC)、聚苯胺(PAN)、聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTP)等。其中聚苯胺以其具有原料易得、合成简便、较高的电导率、较好的环境稳定性，已在二次电池、电致显色、抗静电、微波吸收、防腐等领域显示出广泛的应用。,本征态聚苯胺和掺杂聚苯胺结构模型示意图如下,2.导电聚合物的应用及发展前景导电聚合物的应用非常广泛，其中以塑料电池方面的研究最多。（1）塑料电池美国宾夕法尼亚大学的化学家首次用掺杂聚乙炔的多孔薄板作电极制作了一个电池，其储存的能量是铅电池的3倍，能量密度为它的10倍。（2）防静电、抗电磁波材料、配线材料由于导电性高聚物的厚度、密度、导电率可以调整，从而可以制得各种薄膜、片材及仪器外壳，用于防静电和电磁波屏蔽。,（3）太阳能电池导电高聚物在太阳能电池上的应用已引起了人们广泛的关注。美国物理学家利用聚吡洛和聚氧化乙烯固态电解质试制了光电池，由于导电聚合物重量轻、易成型、工艺简单、成本低，并能生成大面积膜，因而发展前景十分诱人。,薄膜太阳能电池,（4）显示元件某些导电高分子聚合物因施加不同的电压或频率而改变颜色,因此可用于新型广告显示、仪器仪表显示以及复印机上。如聚噻吩膜，接通正负交流电时，其颜色会发生变化，其颜色可以在红绿之间来回变化，达1万次以上。,（5）在有机晶体管和敏感元件中的应用由于某些高分子聚合物在氧化状态下为导体，在还原状态下为非导体，因此利用这一特性可制成晶体管。日本用聚乙炔制得了实用的二极管、三极管，均具有整流、放大、开关等功能，用聚吡咯、聚苯胺也已制成晶体管。也可制成仪器的探头，提高仪器的灵敏度。,（6）分子级电路目前导电性高聚物作为分子级电路最佳的材料引起人们很大的兴趣。这是因为硅芯片的微电子元件已达到了理论的极限，要使得信息储存量提高必须使用新的材料，所以人们把注意力转移到了有机高分子材料上来。一旦可用导电高聚物代替硅芯片，其信息储存密度将提高10个数量级以上。由此可见，如果高分子器件能代替原有的硅器件，将使计算机工业发生巨大的变革。,装在手表上的PLED（发光高分子二级管）电视屏幕,高分子薄膜晶体管制成的电子书,7.3液晶聚合物,液晶（LiquidCrystal，简称LC）是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。,液晶态是物质存在的凝聚态结构之一。液晶态与晶态的区别是部分或全部失去结构的平移有序性，而与液态的区别是存在取向的有序性。因此液晶既具有液体的流动性又具有晶体的各相异性。液晶高分子材料是在一定条件下以液晶态存在的高分子材料，大多数液晶聚合物的结构都含有液晶基元和柔性间隔基。液晶基元具有刚性和有利于取向的外形如长棒状和盘碟状。常见的液晶基元的核心成分是1，4-亚苯基。以1，4-亚苯基为基础的二联苯、三联苯、苯甲酰氧基苯。,液晶,7.4高分子分离膜由聚合物或高分子复合材料制得的具有分离流体混合物功能的薄膜。膜分离过程就是用分离膜作间隔层，在压力差、浓度差或电位差的推动力下，借流体混合物中各组分透过膜的速率不同，使之在膜的两侧分别富集，以达到分离、精制、浓缩及回收利用的目的。,单位时间内流体通过膜的量（透过速度）、不同物质透过系数之比（分离系数）或对某种物质的截留率是衡量膜性能的重要指标。分离膜只有组装成膜分离器，构成膜分离系统才能进行实用性的物质分离过程。一般有平膜式、管膜式、卷膜式和中空纤维膜式分离装置。,中空纤维超滤膜：超滤净水器,最初用作分离膜的高分子材料是纤维素酯类材料。后来，又逐渐采用了具有各种不同特性的聚砜、聚苯醚、芳香族聚酰胺(见芳香族聚酰胺纤维)、聚四氟乙烯（见氟树脂）、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇等。,膜分离用于浓缩天然果汁、乳制品加工、酿酒等食品工业中，因无需加热，可保持食品原有的风味。采用高分子富氧膜能简便地获得富氧空气，以用于医疗。还可用于制备电子工业用超纯水和无菌医药用超纯水。用分离膜装配的人工肾、人工肺，能净化血液，治疗肾功能不全患者以及作手术用人工心肺机中的氧合器等。,7.5仿生高分子材料,1960年9月13日在美国召开了第一届仿生学研讨会，斯蒂尔博士在会上首次提出了仿生学（Bionics）概念，对仿生学的定义如下：仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。简言之，仿生学就是“模仿生物的科学”。,在仿生材料研究领域中，高分子仿生材料将是