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1、,高性能高分子材料,袁新华,第一章 前言,高分子材料的种类功能高分子的特点功能高分子的设计功能高分子的方向,高性能高分子材料,材料、信息与能源并列为当代科学技术的三大支柱，其中材料是人类活动的物质基础。材料的品种和产量是衡量一个国家科学技术、经济发展水平和人民生活水平的重要标志之一。新材料直接影响工业发展和经济繁荣，令人瞩目的高科技成就，宇宙飞船、超大规模集成电路、隐形飞机、通讯光缆等都是新材料发展的产物。一种材料的使用和发展，是某一时代生产力发展水平的标志，从材料的变化发展历程来看，人类经历了石器时代、铜器时代和铁器时代，20世纪70到80年代，高分子材料得到了飞速的发展。,高分子材料科学的
2、概念在20世纪20年代才由德国的H.Staudinger 首先提出，至今发展才80多年。高分子材料科学经历了从无到有、到形成一门学科乃至推动现代高科技的进程，其发展相当迅速。2000年美国宇航局在费城召开的会议中指出，新材料的主要内容包括聚合物、复合材料、磁性材料、半导体材料、光学纤维和陶瓷。20世纪80年代初，全世界整个合成高分子材料的产量已经达到一亿吨以上，已经超过了所有金属材料的总和，科学家们的共识是21世纪将是高分子材料的世纪。,按性质和用途,塑 料,纤 维,橡 胶,涂 料,胶粘剂,功能高分子,以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性或刚性材料。,具有可逆形变的高
3、弹性材料。,纤细而柔软的丝状物，长径比至少为100。,高分子材料的种类,涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料,能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料,具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料,功能高分子材料,特殊性能,特殊功能,耐热聚合物、特种橡胶、阻燃材料、可降解聚合物、高分子助剂（高分子增稠剂、高分子增塑剂、高分子减水剂、高分子增韧剂、高分子絮凝剂）、油品降凝剂、皮革助剂,离子交换树脂、高分子试剂与催化剂、感光性高分子材料、高分子功能膜材料、高分子液晶材料、导电高分子、吸水吸油树脂、医用高分子材料,高分子材料已经涉及到人类生活的各方面，在诸多领域已
4、经逐渐代替了传统材料，而它在一些高科技成就如宇宙飞船、超大规模集成电路、隐形飞机、通讯光缆等的发展中，已经成为一种不可或缺的材料。,功能高分子的特点,用量少、品种多专一性强可通过多种途径增强功能,用量少、品种多,功能高分子是为满足某一特定的需要而制备的,如每一种离子交换树脂只能适用于某一特定的场合，应用范围的局限性决定了其用量少；应用对象的多样性 品种多，如催化各种反应需要不同种类的高分子催化剂；分离不同的气体、液体和离子需要多种高分子分离膜。,专一性强,某一功能高分子只具有某一特定的功能,螯合树脂,能从海水中吸附钾离子，对其他离子基本不吸附,同一高分子上连接不同的功能基团，基团间相互作用加强
5、功能共聚制备含两种或两种以上功能基团,多种途径增强功能,功能高分子的基础理论和新型功能高分子材料的开发和应用，已成为高分子学科的重要研究方向。,功能高分子的设计,遵循什么样的原则去设计和合成预定结构的和性能的功能高分子高分子科学家一直思考的问题,仿生,合成化学角度仿生,高分子催化剂仿生,细胞膜角度仿生,材料角度仿生,一、仿生是功能高分子的重要设计思想,1、合成化学角度仿生,生物体内化学在常温常压下进行，转化率很高,醇腈酶,转化率和光学产率均为100%,无污染,生物体内的反应是循环进行的，不产生有害物质即使产生有害副产物，也能转化为无害产物或原料,消化,过氧化氢,生物体中毒,长期积累,过氧化氢酶
6、,H2O+O2,例如,生物体合成高分子具有非统计性,合成的聚合物相对分子质量单一，结构规整，结构单元排列次序一定,模板DNA部分双螺旋结构被解开,单链碱基结合互补性碱基单体,单体间缩聚形成新的DNA链,模板聚合：能够在一定程度上控制单体的排列次序和相对分子质量，但如生物合成的高分子单一，结构规整，尚差距很大,2、高分子催化剂仿生,蛋白质,10-5mL/sFe3+水溶液,10-2mL/s血红素,105mL/s过氧化氢酶,过氧化氢酶为什么具有如此高的活性？,酶具有各种效应,高分子催化剂的设计和合成,生物催化,化学催化,a 协同效应,连接在高分子主链上的两种或两种以上功能基，在反应中相互配合而加强高
7、分子的功能,对K+的平均吸附量为0.2个/冠醚,对K+的平均吸附量为0.4个/冠醚,相邻冠醚协同络合碱金属离子,b 静电效应,高分子上某一基团，依靠静电作用将反应物拉向催化剂，使反应物局部浓度增大而加速催化反应,淀粉水解,乙烯醇和乙烯磺酸共聚物催化剂,硫酸、对甲苯磺酸或聚乙烯磺酸催化剂,淀粉与共聚物中聚乙烯醇分子间存在氢键作用，将淀粉分子拉向共聚物线团内，使其局部浓度增大，提高了磺酸基团催化淀粉水解的速率。,c 包结效应,自然界存在一些具有孔洞结构的化合物，能包结有机或无机分子。,水解,酯的氨基与冠醚上的氧原子发生相互作用，进入冠醚环，然后巯基发生协同亲核进攻，使水解反应活性增加,3、细胞膜角
8、度仿生,a 细胞膜的功能,隔离功能,能动输送,催化功能,即使细胞外部环境改变，细胞内部仍能维持适合的环境,细胞内分子量为104的蛋白质能特异运载单糖、氨基酸和金属离子,输送速度快逆浓度梯度输送,某些蛋白质为酶，可催化生化反应,b 细胞膜的结构,双层磷脂分子聚集体组成,夹杂着蛋白质分子，部分穿过膜的两侧，部分只存在于膜的一侧,膜的孔洞和隧道对输送物质起着重要作用,外部环境的变化,蛋白质分子构象变化,大小变化,膜的高选择性,控制特殊物质的渗透性,甲基丙烯酸羟乙酯,共聚,引发开环聚合,接枝共聚物,共聚物溶解于适当溶剂，在聚四氟乙烯板上成膜，酯基水解，洗掉苄醇，其占据的位置形成孔洞，醇基的大小改变孔洞大小,高分子功能膜仿细胞膜,4、材料角度仿生,a、有机、无机复合材料,一般制成的复合材料均是无机物包在有机物中,生物体能制成有机物包在无机物中,贝壳中有90%以上是碳酸钙，然而不管采用什么结晶碳酸钙，也得不到如贝壳那样的强度。,例如,贝壳里含有1%有机物,复合材料一般是两种或以上不同材料组成,自然界可用相同材料制成复合材料,例如,大树夏天生长快，木质素密度小冬天生长慢，木质素密度大,密度不同形成复合材料,增加树木的强度,c、生物降解高分子,有利于功能的发挥,避免功能基团反应,功能基团与高分子骨架匹配,高分子骨架与功能基团的效应,原则,二、研究已知功能化合物的结构和功能是功能高分子的设计基础,
