新型功能高分子材料

1、关于新型功能高分子材料第一张，PPT共五十四页，创作于2022年6月第一章 概 论1.1 功能高分子材料的定义功能高分子是由天然高分子和合成高分子演变而成的。由于它从20世纪50年代才露出萌芽，到70年代方成为高分子学科的一个分支，又处于成长期阶段，因此对于它的确切定义及分类至今学术界还没有确定。 第二张，PPT共五十四页，创作于2022年6月从物质到原材料，从通用材料到特性材料(Specialty material)，再从特性材料到功能树料(function material)，都有着本质上的区别。要把功能材料、通用材料和特性材料区别开来，首先要分清性能(Performance)和功能(fu

2、nction)两个词的区别。通常我们常说这样的一句话“材料的性质”，但从工程学规范的话言则是称“材料的性能及功能”。第三张，PPT共五十四页，创作于2022年6月材料性能的含义是指材料对于外部的各种刺激(水、外力、热、光、电、磁、化学品等)的抵抗。通常称为耐水性、耐热性、透光性、耐化学品性。材料的功能是指当对材料输入“信号”(能量)时就会发生质和量的变化，其中任何一种变化有输出作用。(如：机械能转换成其它形式功能，压电、磁转换成热、光，光致聚合，离子交换，氧化还原等)第四张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 举例说明就可以对上述的性能和功能的含义加深理解。苯乙烯是基本化工原料，它经过聚合

3、制成聚苯乙烯粒料就成了通用材料(通过再加工能成片、板、棒等等)，但是使聚苯乙烯粒料中含有发泡剂那就成了特性材料(不同于通用聚苯乙烯，有了发泡性，能制成减震、保温的泡沫塑料)。而聚苯乙烯的苯环上引入磺酸基团，它就有了交换钙、镁离子的功能，成了功能高分子材料。上述的苯乙烯各种制成品中唯有带磺酸基团的聚苯乙烯对于化学品能发生质和量的变化，它能和硬水中钙、镁离子起化学反应使水软化，又能通过再生，“恢复原状”。第五张，PPT共五十四页，创作于2022年6月第六张，PPT共五十四页，创作于2022年6月功能高分子材料的定义对物质、能量和信息具有传输、转换或贮存作用的高分子及其复合材料称为功能高分子材料,通

4、常也可简称为功能高分子,有时也称为精细高分子或特种高分子(包括高性能高分子)。第七张，PPT共五十四页，创作于2022年6月1.2功能高分子的分类功能高分子从制造和结构的角度可分为两类:一类是高分子本身具有特殊功能作用的结构型功能高分子;另一类是高分子本身不具有功能作用,而仅仅作为基体或载体与其他功能材料进行复合而制成的复合型功能高分子材料。按照功能特性通常可分成:光、电、磁、热、力、声、化学和生物等八大类,见表1。第八张，PPT共五十四页，创作于2022年6月第九张，PPT共五十四页，创作于2022年6月材料的功能大致可分为四类即化学功能、物理功能、介于化学、物理之间或复合的功能和生理功能。

5、(1)化学功能包括离子交换，催化，氧化还原，光聚合，光交联，光分解，光降解，固体电解质，微生物分解等功能。第十张，PPT共五十四页，创作于2022年6月（2）物理功能 包括导电，热电，压电，电磁波的透过吸收，反射，热电子放射，超导，形状记忆，超塑性，低温韧性，磁化，透磁，电磁屏蔽，光致变色，偏光性，光传导，光磁效应，光弹性，耐放射线、x射线透过，x射线吸收等功能。第十一张，PPT共五十四页，创作于2022年6月（3）介于化学、物理之间或复合的功能 包括吸附，介吸，膜分离，高吸水、油，表面活性等功能。 （4）生理功能 包括组织适应性血液适应性，生物体内分解非抽出性，非吸附性等功能。第十二张，PP

6、T共五十四页，创作于2022年6月目前已开发的功能高分子材料 功能高分子已完成确立概念、原理的初级阶段，现已迈入实用的阶段，开发成功的主要材料如下： (1)化学功能高分子材料有： 感光性高分子材料，氧化还原树脂，离子交换树脂，高分子催化剂，光降解性塑料，高分子试剂，固体电介质。第十三张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 (2)以物理功能为主的功能高分子材料有： 导电聚合物，压电高分子，高分子驻极体，旋光性高分子，高分子载体，磁记录高分子材料，高分子颜料及荧光体，高分子发光体。 第十四张，PPT共五十四页，创作于2022年6月(3)介于化学、物理之间或具有复合功能的功能高分子材料有：高分子

7、吸附剂，絮凝剂，表面活性剂，染料，功能膜，稳定剂，高吸水、油材料。(4)生理功能为主的高分子材料有： 医用高分子材料，医药，农药，生物降解性塑料。第十五张，PPT共五十四页，创作于2022年6月1.3功能高分子的特点功能高分子之所以发展迅速,是因为除了具有重量轻、易加工、可大面积成膜、原材料来源广泛等优点之外,还具有如下特点:1、涉及面广;2、技术密集,附加值高;3、开发难度大,周期长,竞争激烈;4、专用性强,品种多,产量小,价格贵。第十六张，PPT共五十四页，创作于2022年6月1.4 功能高分子材料制备的主要途径 功能高分子材料从它们的组成和结构可分成结构型、复合型和混合型三种。 结构型功

8、能高分子材料是指在大分子链中有特定功能基团的高分子材料，对于它们的制备方法主要是化学合成为手段，在此要作重点论述。 第十七张，PPT共五十四页，创作于2022年6月复合型功能高分子材料是指以普通高分子材料为基体或载体与具有特定功能的其它材料进行复合，主要用物理加工手段。也有的功能高分子材料是既有结构型又有复合型的特点称作混合型。第十八张，PPT共五十四页，创作于2022年6月1.4.1 结构型功能高分子材料的主要制备(1)以高分子作母体(matrix)在其端基或侧链上导入功能基团。例如：以苯乙烯和二乙烯基苯共聚物作高分子母体，在苯环导入磺酸基团即成为强酸性阳离子交换树脂；若导入氯甲基再和叔胺进

9、行胺化则成为强碱性阴离子交换树脂。第十九张，PPT共五十四页，创作于2022年6月第二十张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 例如：利用天然高分子材料纤维素作母体导人不同功能基团也能制成功能高分子材料，详见表1-2。表1-2 以天然纤维素为母体制备功能高分子注：Cell 为纤维素 dye 为染料第二十一张，PPT共五十四页，创作于2022年6月2011年03月10日作业1、化学功能高分子材料（包括高吸水、油性及离子交换树脂，分离膜催化剂）完成自己感兴趣的一类功能高分子材料的小论文（2000字左右）。包括：论文题目，中英文摘要（100字内），该材料的用途及经济和社会价值或意义，制备基本方法

10、，国内外研究现状，发展趁势，参考文献。作者姓名和学院第二十二张，PPT共五十四页，创作于2022年6月(2)以反应性单体通过嵌段，接枝共聚等方法制备嵌段共聚物(block copolymer)又称为序列聚合物，是由两个或两个以上的序列直链状结合而成的共聚物。如以A和B为结构单位，则其结构可写成为：(A)m(B)np。其中m、n为整数，p1，实际上是存在着更为复杂的嵌段结构。 第二十三张，PPT共五十四页，创作于2022年6月例如：获得血液相容性的医用高分子材料，在合成聚氨酯时采用嵌段共聚技术，其中软段由聚醚、聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷组成，构成连续相；硬段包含脲基和氨基甲酸酯基，很强的氢键使硬段

11、聚集成微区，形成分散相。这样的材料硬段有一定的机械强度具有加工性；软段成分其血小板的粘附性、活性和凝血酶的吸收很低呈现最佳的血液相容性。第二十四张，PPT共五十四页，创作于2022年6月主要的合成方法举例如下： 利用游离基聚合的方法。a. 将第一种单体在调聚剂存在下进行聚合，在链端引入具有引发聚合能力的官能基团；或与氧共聚合，在主链中引入过氧键，随后使第二单体在这些部位进行聚合。b. 利用包在端聚物(Popcom polymer)内的游离基。c. 由于冷冻、高速搅拌等剪切力的作用，使主链断开产生游离基，用于引发另一单体的聚合。第二十五张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 制备在链端具有氨

12、基、羟基、酯基、碳翁、正碳离子等的聚合物。a通过缩合反应，酯交换反应或酰胺交换反应制得嵌段共聚物。b通过环醚、亚胺、内酯、内酰胺、环氧化合物的聚合或乙烯基单体的聚合(活性阴离子聚合)制得嵌段共聚物。第二十六张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 接技共聚物(graft copolymer)，在作为主干的聚合物上接上与主干不相同的分枝链段而形成的共聚物，称为接枝共聚物。通常可用下式表示。 实际上结构远比上式复杂。例如：为了制得对气体的透过系数适宜，分离系数又提高的分离膜，Kawakami等合成了对位有聚硅氧烷接枝的聚苯乙烯和聚联苯乙烯：同时发现了Si原子数大于4时产物为蜡状或油状，而Si原子

13、为2时聚合物成膜性好，有自支撑性。 接枝共聚物合成制备方法第二十七张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 (1)通过聚合物的游离基连锁转移反应，在主干聚合物的侧链上生成游离基，从而进行枝化反应。(2)通过侧链氧化，引入过氧化物基团，或将侧链上的氨基偶氮化形成聚合反应引发点。 (3)通过射线照射，光化学反应、氧化反应(羟基、氨基、巯基等以Ce+1进行氧化等)开始进行枝化聚合。 第二十八张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 (4)在侧链的活性基(羟基、氨基、羧基、碳翁、正碳离子)上使环氧化物、内酰胺、内酯极性乙烯基单体进行聚合。 (5)具有活性端基的聚合物与主干聚合物的侧链发生反应(活性

14、聚合物与酯基、氯甲基反应)。此外在分子末端引入不饱和基团的聚合物，即大分子单体，可用多种方法制得。这些大分子单体与其它单体进行共聚，可获得带有规定长度分枝的接技共聚物。第二十九张，PPT共五十四页，创作于2022年6月(3)分子内交联和分子间交联 分子内交联 使多肽高级结构稳定化的氢键也可以说是一种重要的分子内交联，本段汇总了在胰岛素结构上所看到的通过象-S-S-键等共价键形成的分子内交联，以及这种结构和所显示出的高分子材料的功能间的关系。 最常见的分子内交联是由乙烯类高聚物的环化反应形成的，例如以聚乙烯醇缩甲醛为例，其基本反应如下式所示：第三十张，PPT共五十四页，创作于2022年6月第三十

15、一张，PPT共五十四页，创作于2022年6月R为H时，此反应应用在维尼纶纤维的制造工艺上。但将其缩甲醛度控制在50%以下时，此生成物能溶于冷水，而在沸水中形成凝胶。也就是说，这种生成物因缩醛化而使产生的分子内交联度取决于温度高低，并具有显示可逆的溶胶-凝胶化的特异功能。此外，在继续保持聚乙烯醇的水溶性情况下、尽可能导入少量感光性基因，能合成出各种水显影的感光性的聚乙烯醇衍生物。第三十二张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 分子间交联 自从发现天然橡胶的硫化效应以来，已经过去了一百多年。利用分子间交联进行高分子材料的改性，至今仍是高分子功能化的最中心任务。 要使以纤维素纤维为主要成分的衣料

16、能具有防皱性，可用N-羟甲基丙烯酰胺及过硫酸铵处理纤维素精细结构间隙，在接枝聚合的同时使之产生分子间交联。 要使角蛋白为主成分的毛发的直发部分卷曲，或使卷曲发变成直发，需要用还原反应将胱氨酸键(它可使角蛋白结构稳定)一次断裂。在这种状态下，能使所有的头发变成所要的发型，然后通过氧化反应，使胱氨酸键再生，形成稳定的更高层次结构。 第三十三张，PPT共五十四页，创作于2022年6月（4）高分子化 一般的染料(活性染料除外)是通过离子键、氢键、疏水性相互作用等固定在被染材料上，其结合力并不强，在放置、洗涤、干洗过程中，不断挥发、被抽出由均匀分散状态迁移至材料表面而脱落。将低分子量染料与高分子以共价键

17、结合起来，就可克服这些弊病。塑料加工助剂光稳定剂、抗静电剂也容易从塑料制品中迁移而失效。为了使它们的功能持续甚至半永久化，就产生了高分子化的构思。第三十四张，PPT共五十四页，创作于2022年6月（5）功能复合 对于医药或农药绝大多数是低分子物，有很快被排出体外或随风雨很快流失的弊病，通过高分子化具有缓释性克服了上述弊病。但仅有缓释性还不能解决给药之后一段时间内药物浓度大，随后逐渐减少，这就会带来象胰岛素或肝素(抗血凝)等药物在血液中的浓度过大或过小的弊病。就是说，要求保持一定的释放速度，才能经常保持药物一定的浓度，为此高分子不仅是作为载体，而且必须设法复合上监视、调节药品释放的功能，成为智能

18、药物释放体。第三十五张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 由于硼酸可和顺式二醇化合物选择性结合，硼酸聚合物和聚乙烯醇(PVA)有吸引力，形成聚合物配合物(I)，另一方面，葡萄糖作为顺式二醇对硼酸结合力大，能使聚合物的配合物选择性开裂，即可控制(I)的溶解。此时利用含有乙烯基的苯基硼酸和N-乙烯基吡咯烷酮的共聚物和PVA的配合物，添加葡萄糖时溶胶-凝胶转变，即随葡萄糖的加入，它与共聚物侧基上的硼酸形成配合物，使原来共聚物与聚乙烯醇羟基的配合物解离，故原配合物的半衰期随葡萄糖浓度加大而减少。同此聚合物配合物只有葡萄糖响应性，可望制成智能胰岛素释放体系。第三十六张，PPT共五十四页，创作于20

19、22年6月（6）功能扩大 把功能高分子的其它潜在功能发掘出来加以运用也是制备发展功能高分子材料的途径之一。当初开展离子交换树脂仅仅是为了吸收水中的钙、镁离子使水“软化”，为了提高其交换金属离子的选择性就产生了鳌合树脂。然后，一旦充分领会到离子交换树脂是固体酸或固体碱时，它的应用功能人为扩大了。除了广泛用于无机、有机物分离之外，还应用于化学催化、医药、固体电介质、色谱分析等。 高分子染料不仅有染色功能外，还潜在着光致发光、光致变色、光聚合引发剂、增感剂等等功能。第三十七张，PPT共五十四页，创作于2022年6月（7）系列化 除了上述功能开发之外，功能高分子材料还需对材料物性(如强度、伸长率、硬度

20、、耐热性、颜色、粘接性)以及形态(微粒、中空纤维、薄膜、表面等）诸方面加以周密的考虑和设计，也是制备此类材料的途径。第三十八张，PPT共五十四页，创作于2022年6月1.4.2 复合型功能高分子材料的主要加工方法1、 液体高分子树脂通过改性制备复合性功能高分子材料的主要方法 掺混各种助剂填料，通过混和、悬浮、乳化等方法制成。 也可以通过反应注射成型(RIM)直接成型。第三十九张，PPT共五十四页，创作于2022年6月第四十张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 此外，液体高分子材料还可以与纤维及其织物制成料团、片料，浸渍漆布通过层压或镇压制成功能性高分子材料。例如碳化硅纤维和聚酯或环氧树脂

21、可制成吸收电磁波、耐中子和射线幅射、半导体性质的层压材料。第四十一张，PPT共五十四页，创作于2022年6月2、 固体树脂基本上也是通过掺混各种助剂填料来制造复合型功能高分子材料的。 但是，其加工方式和应用手段是不同的。主要有粉末化技术、造粒技术、薄膜、型材表面加工技术。第四十二张，PPT共五十四页，创作于2022年6月3、表面处理技术高分子固体材料的表面是材料最外层的分子，它的厚度一般为1m深，利用此表面可以发生组份的偏离、结构的变化，形成吸附层及表面化合物等，这对于用普通高分子作载体来制备功能高分子固体材料具有根本的意义。由表面处理可以使高分子固体材料获得如下功能：被粘结性及可印刷性；对物

22、质有选择性的屏蔽功能或选择性透过功能；对能量有选择性的屏蔽、透过及反射功能；硬度及耐磨损性；电磁特性；对生物体组织及生物功能的适应性；耐化学药品性。第四十三张，PPT共五十四页，创作于2022年6月4、涂复涂料是保护和装饰材料表面的材料，它是最易于在材料表面加工的材料。涂复施工价格也较低廉。随着现代技术的发展，功能化涂料的出现，它可以赋于高分子材料以导电、磁记录、示温、伪装隐身、生物效益等效应。第四十四张，PPT共五十四页，创作于2022年6月 磁性涂料是将-Fe2O3磁粉、胶粘剂等混合而成，涂于聚酯带基表面，通过化学交联或电子束处理而固化；目前使用于磁带胶粘剂的是聚氨酯与其它聚合物共混后的固

23、化体系。选用聚氨酯是为了获得出色的粘结力、柔韧性和耐磨性。此外这类磁性涂料还特别适宜于计算机中贮存信息的软盘的制造。 电子束固化的磁性涂料既可提高合格率又经久耐磨。在电子加速器的冷却鼓上对磁性涂料进行电子束辐射，涂料迅速固化，所得软磁盘表面光滑，能满足大容量存贮的要求。第四十五张，PPT共五十四页，创作于2022年6月5、接枝改性通过化学或幅射方法将各种高分子单体接枝于高分子的表面及内表层，以改善材料的各种性能，扩大其功能，它特别适用于纤维和薄膜。 上海化工研究院采用60-Co Y射线引发玉米淀粉，使之与甲基丙烯酸甲酯反应生成淀粉甲基丙烯酸甲酯接枝共聚物，再用机械方法分别与LDPE（低密度聚乙烯 ）、HDPE（高密度聚乙烯 ）混合制得母粒，将母粒吹膜制成农用地膜和马夹袋，该品具有生物降解性能。第四十六张，PPT共五十四页，创作于2022年6月6、表面等离子体聚合表面等离子体聚合可以改进高分子材料的透明度，表面粘性。等离子体聚合是利用物质在高真空条件下，或在强电场、高温、激光等的作用下，中性的原子或分子就会失去电子，电离成离子或分解为自由基，(它所包含的正电荷和负电荷相等，故称为等离子体)，而进行表面反应