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1、2023/8/27,第九章 功能高分子材料,2023/8/27,目录,一、概述,二、具有化学反应和分离功能的高分子材料,三、膜分离材料,四、导电高分子材料,五、医用高分子材料,六、复合材料,2023/8/27,是能源和信息发展的基础,有机合成材料是材料工业的一个重要方面,2023/8/27,材料的功能 向材料给予某种作用或输入某种能量之后，经过材料的传输与转换，再将其输出而提供外部不同或相同的一种作用。,材料的性能 材料对外部作用的抵抗特性。例如，对外力的抵抗表现为材料的强度；对热的抵抗表现为耐热性；对光、电、化学药品的抵抗，则表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。,一、概述,9.1.1 基
2、本概念,2023/8/27,功能高分子-在高分子化合物的基础上，由于其结构的特异，敏锐的表现出物质、能量、信息的传递、转换或储存作用的特异性能。包含导电高分子、光电高分子、光敏高分子、高分子催化剂、高分子试剂、强吸附水材料等。,功能高分子材料-一类在外部环境作用下，敏锐的表现出高选择性和特异性能的高分子化合物及高分子材料。,2023/8/27,功能种类的不同：(1)力学功能 主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材料、超高强材料等。(2)化学功能分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等。,9.1.
3、2、功能高分子材料的分类,2023/8/27,（3）物理化学功能电学功能材料：如超导体，导电高分子等；光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；能量转换材料：如压电材料、光电材料。(4)生物化学功能医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等；功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等；生物降解材料,2023/8/27,输入输出功能的异同：（1）一次功能材料向某一种材料给予的作用或输入的能量与通过材料输出而给予外部作用能量属于同一类（2）二次功能材料向某一种材料给予的作用或者输入的能量，当其通过功能材料之后，所给予的作用或者输入的能量发生了转换
4、,2023/8/27,9.1.2、功能高分子材料设计及制备,（1）通过分子设计（包括高分子结构设计和官能团设计），用化学方法合成具有某种功能的高分子（2）将已有的高分子材料予以特殊工艺加工，赋予材料某种功能。（3）通过两种或者两种以上具有不同功能或性能的材料进行复合，获得新的功能材料。（4）高分子（或无机）材料采用物理或化学方法进行表面改性,2023/8/27,9.2、具有化学反应和分离功能的高分子材料,9.2.1、离子交换树脂,一类能够与溶液中的阴离子或阳离子发生交换的功能高分子材料,包括基体、官能团、助剂,2023/8/27,我国“离子交换树脂之父”何炳林,广东省番禹县人，高分子化学家和化
5、学教育家，中国科学院院士。1942年毕业于西南联合大学。1952年获美国印第安纳大学博士学位。1956年回国，任南开大学教授，兼任青岛大学校长。,2023/8/27,1958年 合成出大孔型离子交换树脂，用于原子弹的研制1970年 在华药用于链霉素精制至今1980年开始 用于血液灌流去除安眠药 用于从肝损伤患者腹水中去除胆红素 去除血液中的抗DNA救治红斑狼疮病 固定某些酶，将氨基酸进行光学拆分,2023/8/27,离子交换树脂的主要性能参数：,交联度。具有交联结构，在任何条件下不溶解、不熔融,机械强度。以减少使用过程中的破碎,亲水性,交换容量,2023/8/27,孔隙尺寸。在水中具有足够大的
6、孔隙，以保证离子能以适当的速度在其中扩散,热稳定性和化学稳定性。以保证其在使用过程中不发生降解和破坏,粒度分布,2023/8/27,离子交换树脂的分类,（1）根据合成方法分类,缩聚型离子交换树脂（例如甲醛与苯酚缩聚物）,加聚型离子交换树脂（例如苯乙烯和二乙烯基苯共聚物）。,2023/8/27,（2）根据树脂的孔结构分类,凝胶型离子交换树脂,大孔型离子交换树脂,载体型离子交换树脂,2023/8/27,（3）根据交换离子的性质分类,阴离子交换树脂,阳离子交换树脂,两性离子交换树脂,鳌形树脂,2023/8/27,离子交换树脂的功能：,（1）离子交换（2）脱水作用（3）催化作用（4）脱色作用（5）吸附
7、作用,2023/8/27,离子交换树脂的主要应用,1.在水处理中的应用,2.食品工业,4.原子能工业,3.工业废水处理,5.催化剂,6.制药工业,7.石油化工,2023/8/27,在水处理中的应用,（1）纯水的制备,（2）水的软化,（3）废水处理,2023/8/27,（1）纯水的制备,强酸性阳离子交换树脂,强碱性阴离子交换树脂,采用的离子交换树脂,2023/8/27,（1）纯水的制备,阳离子交换树脂塔和阴离子交换树脂塔串联，普通水依次流过两塔,制备工艺,2023/8/27,（1）纯水的制备,常见的纯水制备设备图,2023/8/27,（1）纯水的制备,主要反应式,2023/8/27,（2）水的软
8、化,天然水中含有Ca2+、Mg2+等,在锅炉壁上生成碳酸钙、硫酸钙、硅酸钙、硅酸镁和氢氧化镁等水垢,降低传热系数，增加能耗可能引起锅炉爆炸，造成人员伤亡,2023/8/27,（2）水的软化,Na型阳离子交换树脂软水法,常用方法,强酸性H-Na型阳离子交换树脂软化法,2023/8/27,Na型阳离子交换树脂软水法,Na型离子交换树脂软水法的主要化学反应,2023/8/27,Na型阳离子交换树脂软水法,单级软化系统 双级软化系统,2023/8/27,Na型阳离子交换树脂软水法,设备简单，操作简单，树脂再生容易,适用对象,低硬度（5mmol/L）、低碱度（2mmol/L）的原水软化,优 点,2023
9、/8/27,（2）食品工业中的应用,应用于果汁,提高果汁色值、透光率、降低浊度,增加果汁稳定性,提高果汁品质,有效去除果汁内的棒曲霉素，减少农残,2023/8/27,用于蜂蜜处理,脱除蜂蜜中的抗生素,提高蜂蜜色值、透光率等,提高蜂蜜贮存稳定性,2023/8/27,时代周刊评出20世纪最伟大的100项发明，其中“尿不湿”榜上有名,9.2.8、高吸水性树脂,2023/8/27,太空服之父唐鑫源,2023/8/27,航天员专用“尿不湿”1克能吸收约1000克水，吸水性远强于一般婴儿使用的“尿不湿”,2023/8/27,“尿不湿”是航天产品“下凡”的成功典范！现在不仅是婴幼儿使用，还有供特殊成人使用的
10、，更有趣的是有些宠物也系上了“尿不湿”出门溜达，以保护公共卫生。,资料显示：1987年，英国一次性尿布销售利润达2亿英镑。设想一下我们中国这样一个人口大国，利润有多么惊人！,2023/8/27,吸水前,吸水后,尿不湿吸水前后的变化,2023/8/27,既然安上super这个头衔,那我们就要看看它们和传统吸水材料的区别何在了,V.S,普通吸水材料,SAP,2023/8/27,纸、棉花和海绵以及后来的泡沫塑料等。吸水能力通常很低，所吸水量最多仅为自身重量的20倍左右，一旦受到外力作用，则很容易脱水，保水性很差。,超强吸水高分子材料,普通吸水材料,2023/8/27,纤维素的结构简式,传统吸水性的材
11、料棉花为何有一定的吸水性？,发现其每个链节上都有OH，它是一种亲水基,2023/8/27,60年代末期，美国首先开发成功高吸水性树脂。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;它不溶于水和有机溶剂，吸水能力可达自身重量的5002000倍，最高可达5000倍;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。,超强吸水高分子材料,2023/8/27,吸水能力高:可达自身重量的几百倍至几千倍。,SAP优点,吸水前,吸水后,超强吸水高分子材料,2023/8/27,从化学组成和分子结构看，高吸水性树脂是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的
12、交联型高分子。从直观上理解，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。,2023/8/27,水分子与亲水性基团中的金属离子形成配位水合，与电负性很强的氧原子形成氢键等。高分子网状结构中的疏水基团因疏水作用而易于将水分子斥向网格内侧，形成局部不溶性的微粒状结构，使进入网格的水分子由于极性作用而局部冻结，失去活动性，形成“伪冰”（False ice）结构。亲水性基团和疏水性基团的这些作用，显然都为高吸水性树脂的吸水性能作了贡献。,2023/8/27,高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，耐挤压。,吸水前,吸水后,加交联剂的目的是什么？,2023
13、/8/27,研究发现，高吸水性树脂中的网状结构对吸水性有很大的影响：未经交联的树脂基本上没有吸水功能。而少量交联后，吸水率则会成百上千倍地增加。但随着交联密度的增加，吸水率反而下降。,2023/8/27,高吸水性树脂的结构特征：,a.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键；b.树脂具有交联结构；c.聚合物内部具有较高的离子浓度；d.聚合物具有较高的分子量,2023/8/27,主链或侧链上含有亲水性基团，如-3、-、-2、-等 吸水能力：-3-2-,低交联度的三维网络。网络的骨架可以是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂(如聚丙烯酸类）。,从化学结构看：,从物理结构看：
14、,2023/8/27,高吸水性树脂的基本特性 高吸水性 加压保水性吸氨性,2023/8/27,1 高吸水性,作为高吸水性树脂，高的吸水能力是其最重要的特征之一。从目前已经研制成功的高吸水性树脂来看，吸水率均在自身重量的50012000倍左右，一般可达4000倍以上，是纸和棉花等材料吸水能力的100倍左右。,2023/8/27,纸张、棉花和海绵等材料：物理吸水作用高吸水性树脂的吸水能力是由化学作用和物理作用共同贡献的。即利用分子中大量的羧基、羟基和酰氧基团与水分子之间的强烈范得华力吸收水分子，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。一旦吸足水后，即形成溶胀的凝胶体。这种凝胶体的保水
15、能力很强，即使在加压下也不易挤出来。,2 加压保水性,2023/8/27,高吸水性树脂一般为含羧酸基的阴离子高分子，为提高吸水能力，必须进行皂化，使大部分羧酸基团转变为羧酸盐基团。但通常树脂的水解度仅70左右，另有30左右的羧酸基团保留下来，使树脂呈现一定的弱酸性。这种弱酸性使得它们对氨那样的碱性物质有强烈的吸收作用。,3 吸氨性,2023/8/27,膜分离（membrane separation）是利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化，是人类最早进行的分离技术之一。膜还没有一个完整精确的定义，一种通用的广义上的定义是膜是两相之间的不连续区间。,9.3、膜分离材料（P407)
16、,2023/8/27,膜分离方法-天然的或人工合成的高分子膜，在外界能量或化学位差推动下下，对双组份或多组分的物质进行分离、分级、提纯或富集的方法,2023/8/27,常见的分离方法,筛分过滤萃取离心蒸馏重结晶柱层析膜分离离子交换,对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无实用价值。,2023/8/27,主要的膜分离法：微滤（Microfiltration,MF）超滤（Ultrafiltration,UF）反渗透（Reverse osmosis,RO）透析（Dialysis,DS）电渗析（Electrodial
17、ysis,ED）渗透气化（Pervaporation,PV）,2023/8/27,1)反渗透（Reverse osmosis,RO）膜两侧压力相等的情况下，在浓差的作用下作为溶剂的水分子从溶质浓度低的一侧向浓度高的一侧通过，这种现象称为渗透。促使水分子透过的推动力称为渗透压。溶质浓度越高，渗透压越大。如果欲使高浓度溶液中的溶剂透过膜到低浓度的一侧，则可在高浓度的一侧施加压力，压力必需大于此渗透压，这种操作称为反渗透。,渗透压,2023/8/27,应用：海水淡化，工业用水软化，直饮水,2023/8/27,2)超滤和微滤 膜分离技术的主要代表。超滤和微滤都是利用膜的筛分性质，以压差为传质推动力。膜
18、具有明显的孔道结构，主要用于截留高分子溶质或固体微粒。,2023/8/27,超滤主要用于高分子溶质之间或高分子与小分子之间的分离，利用分子量的差别进行分离。浓缩，脱盐，或纯化。微滤一般用于悬浮液的过滤，在生物分离中广泛用于菌体的分离和浓缩，细胞碎片的去除。,http:/,2023/8/27,3)透析（Dialysis,DS）利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液与纯水或缓冲液分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（例如无机盐）透向水侧，水侧的水分子透向溶液侧，这即为透析。性质：透析膜一般为亲水膜，例如纤维素膜、聚
19、丙烯腈膜和聚酰胺膜等，孔径一般510nm。,2023/8/27,应用：常用于临床的血液透析，生物分离方面，用于大分子溶液的脱盐。,血液透析,2023/8/27,66,9.4.1 导电高分子的基本概念 物质按电学性能分类可分为绝缘体、半导体、导体和超导体四类。高分子材料通常属于绝缘体的范畴。但1977年美国科学家黑格（A.J.Heeger）、麦克迪尔米德（A.G.MacDiarmid）和日本科学家白川英树（H.Shirakawa）发现掺杂聚乙炔具有金属导电特性以来，有机高分子不能作为导电材料的概念被彻底改变。,9.4、导电高分子材料,2023/8/27,02,导 电 高 分 子 分 类,主链结构
20、具有导电功能的高分子，一般以电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子受体或供体的掺杂后得到。,(广义)导电高分子材料,结构型(本征型)(狭义导电高分子),复合型,将碳素、金属、金属氧化物等导电粒子引入到绝缘高分子材料基材中，得到具有导电性能的多相复合体系。,在较大范围内调节电学和力学性能，成本较低，易于成型和大规模生产。,不仅具有由于掺杂而带来的金属特性（高电导率）和半导体（p和n型）特性之外，还具有分子可设计性，可加工性和密度小等特点。,2023/8/27,02,导 电 高 分 子 分 类,（PAn),2023/8/27,70,目前，对结构型导电高分子的导电机理、聚合物结构与导电性关系的理论研究
21、十分活跃。应用性研究也取得很大进展，如用导电高分子制作的大功率聚合物蓄电池、高能量密度电容器、微波吸收材料、电致变色材料，都已获得成功。,2023/8/27,71,为什么结构型导电高分子的实际应用尚不普遍？,大多数结构型导电高分子在空气中不稳定，导电性随时间明显衰减。此外，导电高分子的加工性往往不够好，也限制了它们的应用。科学家们正企图通过改进掺杂剂品种和掺杂技术，采用共聚或共混的方法，克服导电高分子的不稳定性，改善其加工性。,2023/8/27,72,复合型导电高分子用作导电橡胶、导电涂料、导电粘合剂、电磁波屏蔽材料和抗静电材料，在许多领域发挥着重要的作用。,复合型导电高分子应用？,由于它们
22、制备方便，有较强的实用性，因此在结构型导电高分子尚有许多技术问题没有解决的今天，人们对它们有着极大的兴趣。,2023/8/27,医用材料是生物医学的分支之一，是由生物、医学、化学和材料等学科交叉形成的边缘学科。而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。,9.5、医用高分子材料,2023/8/27,目前在实际应用中，更实用的是仅将医用高分子分为两大类，一类是直接用于治疗人体某一病变组织、替代人体某一部位或某一脏器、修补人体某一缺陷的材料。如用作人工管道（血管、食道、肠道、尿道等）、人造玻璃体（眼球）、人工脏器（心脏、肾脏
23、、肺、胰脏等）、人造皮肤、人造血管，手术缝合用线、组织粘合剂、整容材料（假耳、假眼、假鼻、假肢等）的材料。,2023/8/27,另一类则是用来制造医疗器械、用品的材料，如注射器、手术钳、血浆袋等。这类材料用来为医疗事业服务，但本身并不具备治疗疾病、替代人体器官的功能。,2023/8/27,制备医用高分子材料,化学家合成原始材料并检测各项理化指标生物学家检测材料生物毒性及生物相容性医学家做临床动物试验-人体试验化学工程师制造生物医用高分子材料临床应用,化学家来做第一步,2023/8/27,植入材料必须满足的条件,（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,高分子材料本身并没有比其他材料更多的致癌可能性；（4）具有良好的血液相容性(最重要)；（5）长期植入体内后其力学性能不会受到影响；（6）能经受必要的清洁消毒措施而不产生物理和化学性质的变化；（7）易于成型和加工成需要的复杂形状。,2023/8/27,人造心脏,2023/8/27,人工肾脏,2023/8/27,人工膝关节,
