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1、下 午 好,功能高分子Functional Polymers,主讲教师：郑雪琴,13921808670,第一章 绪论第二章 吸附性高分子材料第三章 高分子分离膜第四章 导电高分子材料第五章 液晶高分子材料第六章 医用高分子材料第七章 光敏高分子材料第八章 其它功能高分子材料,第1章 绪论,1.1功能高分子材料的定义、分类1.2功能高分子材料的结构与性能1.3功能高分子材料的应用和发展作业,(1)高性能化(2)功能化(3)复合化(4)精细化(5)高工程化(6)高耐久化(7)智能化(8)绿色化,材料具备感知、信息处理、执行功能,材料本身受外界刺激产生特定功能,1.1 功能高分子材料的定义、分类,2
2、1世纪高分子材料的发展趋势：,对材料机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性的更高要求,1.1.1、定义按材料的性能和用途，常将聚合物分成：塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、功能高分子精细高分子相对于三大合成聚合物而言,功能高分子定义：是指在高分子原有机械性能的基础上再赋予新的诸如催化性、导电性、光敏性、化学性、选择分离性等特殊功能的高分子。是在高分子主链和侧链上带有反应性功能基团，并具有可逆的或不可逆的物理功能或化学活性的一类新型高分子。,特种高分子材料和功能高分子材料特种高分子是相对于通用高分子而言的。通用高分子材料：应用面广量大，价格较低。根据其性质和用途可分为五个大类：塑料、橡胶、纤维、涂料、
3、粘合剂。特种高分子材料：带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料的范畴。特种高分子包括高性能高分子和功能高分子,特种高分子和功能高分子是目前高分子学科中发展最快、研究最活跃的新领域。功能高分子具有如下特点:(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。,功能高分子的主要制备方法:(1)功能型小分子材料的高分子化 即将具有功能基团的小分子化合物经聚合制得功能高分子，或将功能型小分子包埋在聚合物内。(2)普通高分子材料的功能化 即通过化学反应将功能型小分子的功能基团接到聚合物分
4、子链上，或利用物理方法将功能型小分子化合物与聚合物共混复合制得功能高分子。如载上两个或两个以上的功能基团，则可呈现多种功能。,1.1.2、分类(1)吸附性高分子材料：指通过范德华力、静电力和形成配位键等方式将特定小分子与其结合的高分子材料。包括高分子吸附树脂、离子交换树脂、高吸水性高分子和高分子絮凝剂等。(2)高分子膜分离材料：是一种经过特殊工艺制备，具有对某些小分子物质有选择性透过性能的功能高分子。依据膜结构和分离机理，可分为微滤膜、超滤膜、反渗透膜、离子交换膜等。,(3)导电高分子材料：包括高分子导体、高分子半导体和高分子超导体。(4)液晶高分子材料：高强度高模量高分子材料、铁电液晶高分子
5、材料等。(5)光敏高分子材料：在光参量作用下，能够表现出显著特殊物理化学性质的高分子材料。包括感光树脂、光致变色高分子、光降解高分子和光导高分子等。,(6)反应型功能高分子材料：指具有化学活性，能够参与或促进化学反应进行的高分子材料。包括高分子催化剂和高分子试剂。(7)医用高分子材料：包括医用高分子材料、药用高分子材料。如高分子药物、高分子人工组织器官等。,1.2 功能高分子材料的结构与性能,不少功能高分子都是由惰性的高分子基体（骨架）和功能性基团两部分构成的。要制得适用的功能高分子，既要选好符合要求的功能性基团，又要选好符合要求的高分子基体。一般要求高分子基体必须具备与最终功能相适应的物性，
6、并使它具有与功能化相适应的反应性，而且价廉易得。,1.2.1、结构层次1、构成材料分子的元素组成最基本2、高分子链的结构直接影响材料的机械性能、热性能、渗透性、结晶度等3、高分子聚集态和超分子结构直接影响材料的物理性质如吸附性、渗透性、透光性、机械强度等4、材料的宏观结构与材料许多功能密切相关5、材料分子中的功能基与材料物化性能密切相关,1.2.2、结构与性能的关系1、功能基的性质与聚合物功能之间的关系(1)材料的性质主要取决于所含的功能基(2)材料的性质取决于聚合物骨架与功能基的协同作用(3)功能基与聚合物骨架不能区分,2、聚合物骨架的作用(1)溶解度下降效应(2)聚合物骨架的机械支撑作用(
7、3)聚合物骨架的稳定作用(4)聚合物骨架的其它作用 比如，由于大多数聚合物骨架在体内的不可吸收性，可将一些有害的食品添加剂，如色素、甜味素等高分子化，利用其不被人体吸收的特性消除其有害性。,1.3 功能高分子材料的应用和发展,1.3.1、功能高分子发展的背景（1）经济发展的需要 自从1920年施道丁格（H.Staudinger）建立大分子概念以来，高分子材料以惊人的速度得到发展。至20世纪60年代，高分子材料工业化已基本完善，解决了人们的衣着、日用品和工业材料等需求。通用高分子和工程用高分子的世界总产量已超过几千万吨/年，特种高分子则为几十万吨/年。,1973年和1978年两次世界性的石油危机
8、，使原油价格猛涨。以石油为主要原料的高分子材料成本呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。在这样的经济背景下，迫使人们试图用同样的原材料，去制备价值更高的产品。功能高分子在这种外部条件促使下迅速地发展了起来。20世纪60年代所建立的较完善的高分子科学理论为功能高分子的发展提供了基础。,表1-1 各种高分子材料的产量和价格比,从表1-1的数据可以看出，发展功能高分子材料可以获得较高的经济效益。,（2）科学技术发展的需求 8090年代，科学技术有了迅速发展。能源、信息、电子和生命科学等领域的发展，对高分子材料提出了新的要求。即要求高分子材料具有迄今还不曾有过的高性能和高功能，甚至要求既具有高功能亦
9、具有高性能的高分子材料。,（3）新能源的要求 太阳能和氢将成为今后的主要能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅材料已进入了实用阶段。但对单晶硅的需要量相当大。以日本为例，若利用太阳能达到当前日本电力的1，就需100 的单晶硅至少2.7万吨。这相当于日本目前单晶硅总产量的90倍。为此，人们把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子分离膜的利用。,（4）交通和宇航技术的要求 既高速又节约能源是交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。采用功能高分子，在一定程度上解决了该难题。波音757，767飞机采用Kavlar增强材料（一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强的材料），可省油5
10、0。汽车工业采用高分子材料而实现轻型化，从而达到省油和高速的目的。,（5）生命科学的要求 人类对生命奥秘的探索，对建立一个洁净、安全的世界的渴望，对征服癌症等疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。例如，生物分离介质的研制成功，使生命组成的各种组分能得以精细地分级，对生命科学的贡献将是十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大减缓白色公害对人类的危害。,1.3.2、功能高分子的发展历程 功能高分子作为一门独立的完整的学科，是从20世纪80年代中后期开始发展的。最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的发明。20世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又发展到电子工业和
11、微电子工业。,1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。1977年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。1966年little提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性。,1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。1991年发现了尼龙11的铁电性。,功能高分子材料是一门涉及范围广泛，与众多学科相关的新兴边缘
12、学科。内容涉及有机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、生物化学、电子学、甚至医学等众多学科，是目前国内外异常活跃的一个研究领域。,功能高分子材料之所以能成为国内外材料学科的重要研究热点之一，最主要的原因在于它具有独特的“功能”，可用于替代其他功能材料，并提高或改进其性能，使其成为具有全新性质的功能材料。可以预计，在今后很长的时间，功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。,我国对功能高分子材料的发展很重视。从20世纪70年代中期即有很多部门跟踪研究，但多年来一直缺乏创新，实用的成果很少，有的成果虽已通过鉴定，但由于科技含量不高，致使产品质量差、品种少、价格贵，难于推广应用，国防、医
13、学、电子和许多尖端技术需要的功能高分子材料大部分靠进口。,国家高技术研究发展计划(“863”)自清洁外墙建筑涂料根据荷叶的自清洁原理，通过特殊结构与形貌的无机颗粒材料选用和改性，使涂料在干燥成膜过程中能在涂层表面形成微观的凹一凸形貌，既可以使灰尘颗粒附着在涂层表面呈悬空状态，灰尘颗粒与涂层表面作用力大大降低，也使水与涂层表面的接触角大大增加，有利于水珠在涂层表面的滚落。使堆积或吸附的污染性微粒在风雨的冲刷下可以脱离涂层表面，达到自清洁的目的。本项目成果现已实现产业化。,高性能聚合物透明纤维现代数据通讯需要更高的信号传输速度。以电缆为代表的传统传输介质已无法满足需求。以光纤为传输介质的信号传输不
14、受电磁场等外界干扰，具有极高的保密性能。光纤：玻璃光纤和聚合物光纤。玻璃光纤直径较细，带宽很高，但连接技术复杂，成本较高，适于长距离光信号传输。聚合物光纤的价格和接入成本较低，是解决全光网络中短距信息传输的有效途径。通过此863项目的开展，聚合物光纤制备技术将趋于成熟，有望实现产业化。,作业：1、什么是功能高分子？它有什么特点？2、功能高分子主要有哪些类型？3、功能高分子的制备方法主要有哪些？4、我国功能高分子的研究应用处于什么水平？采取什么措施发展功能高分子的？,863计划从世界高技术发展趋势和中国的需要与实际可能出发，坚持“有限目标，突出重点”的方针，选择生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、能源技术和新材料7个领域作为我国高技术研究与开发的重点，组织一部分精干的科技力量，跟踪国际水平，缩小同国外的差距，并力争在我们有优势的领域有所突破，为本世纪末特别是下世纪初的经济发展和国防安全创造条件。,再 见,
