功能高分子材料分析和應(yīng)用

1、2022/7/19功能高分子材料分析和應(yīng)用2022/7/19目錄一、概述二、具有化學(xué)反應(yīng)和分離功能的高分子材料三、膜分離材料四、導(dǎo)電高分子材料五、醫(yī)用高分子材料六、復(fù)合材料2022/7/19三大支柱產(chǎn)業(yè)能源材料信息是能源和信息發(fā)展的基礎(chǔ)有機(jī)合成材料是材料工業(yè)的一個(gè)重要方面時(shí)代 的劃分常以材料為標(biāo)志2022/7/19材料的功能 向材料給予某種作用或輸入某種能量之后，經(jīng)過(guò)材料的傳輸與轉(zhuǎn)換，再將其輸出而提供外部不同或相同的一種作用。材料的性能 材料對(duì)外部作用的抵抗特性。例如，對(duì)外力的抵抗表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度；對(duì)熱的抵抗表現(xiàn)為耐熱性；對(duì)光、電、化學(xué)藥品的抵抗，則表現(xiàn)為材料的耐光性、絕緣性、防腐蝕性等。 一

2、、概述9.1.1 基本概念2022/7/19功能高分子 - 在高分子化合物的基礎(chǔ)上，由于其結(jié)構(gòu)的特異，敏銳的表現(xiàn)出物質(zhì)、能量、信息的傳遞、轉(zhuǎn)換或儲(chǔ)存作用的特異性能。包含導(dǎo)電高分子、光電高分子、光敏高分子、高分子催化劑、高分子試劑、強(qiáng)吸附水材料等。功能高分子材料 - 一類(lèi)在外部環(huán)境作用下，敏銳的表現(xiàn)出高選擇性和特異性能的高分子化合物及高分子材料。2022/7/19功能種類(lèi)的不同：(1)力學(xué)功能 主要是指強(qiáng)化功能材料和彈性功能材料，如高結(jié)晶材料、超高強(qiáng)材料等。(2)化學(xué)功能分離功能材料：如分離膜，離子交換樹(shù)脂、高分子絡(luò)合物；反應(yīng)功能材料；如高分子試劑、高分子催化劑；生物功能材料：如固定化菌，生物反

3、應(yīng)器等。、功能高分子材料的分類(lèi)2022/7/19（3）物理化學(xué)功能電學(xué)功能材料：如超導(dǎo)體，導(dǎo)電高分子等；光學(xué)功能材料：如光導(dǎo)纖維、感光性高分子等；能量轉(zhuǎn)換材料：如壓電材料、光電材料。(4)生物化學(xué)功能醫(yī)用功能材料：人工臟器用材料如人工腎、人工心肺，可降解的醫(yī)用縫合線(xiàn)、骨釘、骨板等；功能性藥物：如緩釋性高分子，藥物活性高分子，高分子農(nóng)藥等；生物降解材料2022/7/19輸入輸出功能的異同：（1）一次功能材料向某一種材料給予的作用或輸入的能量與通過(guò)材料輸出而給予外部作用能量屬于同一類(lèi)（2）二次功能材料向某一種材料給予的作用或者輸入的能量，當(dāng)其通過(guò)功能材料之后，所給予的作用或者輸入的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)換2

4、022/7/19、功能高分子材料設(shè)計(jì)及制備（1）通過(guò)分子設(shè)計(jì)（包括高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和官能團(tuán)設(shè)計(jì)），用化學(xué)方法合成具有某種功能的高分子（2）將已有的高分子材料予以特殊工藝加工，賦予材料某種功能。（3）通過(guò)兩種或者兩種以上具有不同功能或性能的材料進(jìn)行復(fù)合，獲得新的功能材料。（4）高分子（或無(wú)機(jī)）材料采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行表面改性2022/7/19、具有化學(xué)反應(yīng)和分離功能的高分子材料、離子交換樹(shù)脂一類(lèi)能夠與溶液中的陰離子或陽(yáng)離子發(fā)生交換的功能高分子材料包括基體、官能團(tuán)、助劑2022/7/19我國(guó)“離子交換樹(shù)脂之父”何炳林 廣東省番禹縣人，高分子化學(xué)家和化學(xué)教育家，中國(guó)科學(xué)院院士。1942年畢業(yè)于西南聯(lián)

5、合大學(xué)。1952年獲美國(guó)印第安納大學(xué)博士學(xué)位。1956年回國(guó)，任南開(kāi)大學(xué)教授，兼任青島大學(xué)校長(zhǎng)。 2022/7/191958年 合成出大孔型離子交換樹(shù)脂，用于原子彈的研制1970年 在華藥用于鏈霉素精制至今1980年開(kāi)始 用于血液灌流去除安眠藥 用于從肝損傷患者腹水中去除膽紅素 去除血液中的抗DNA救治紅斑狼瘡病 固定某些酶，將氨基酸進(jìn)行光學(xué)拆分 2022/7/19離子交換樹(shù)脂的主要性能參數(shù)：交聯(lián)度。具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)，在任何條件下不溶解、不熔融機(jī)械強(qiáng)度。以減少使用過(guò)程中的破碎親水性交換容量2022/7/19孔隙尺寸。在水中具有足夠大的孔隙，以保證離子能以適當(dāng)?shù)乃俣仍谄渲袛U(kuò)散熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。以

6、保證其在使用過(guò)程中不發(fā)生降解和破壞粒度分布2022/7/19離子交換樹(shù)脂的分類(lèi)（1）根據(jù)合成方法分類(lèi) 縮聚型離子交換樹(shù)脂（例如甲醛與苯酚縮聚物） 加聚型離子交換樹(shù)脂（例如苯乙烯和二乙烯基苯共聚物）。2022/7/19（2）根據(jù)樹(shù)脂的孔結(jié)構(gòu)分類(lèi) 凝膠型離子交換樹(shù)脂 大孔型離子交換樹(shù)脂 載體型離子交換樹(shù)脂2022/7/19（3）根據(jù)交換離子的性質(zhì)分類(lèi) 陰離子交換樹(shù)脂 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 兩性離子交換樹(shù)脂 鰲形樹(shù)脂2022/7/19離子交換樹(shù)脂的功能：（1）離子交換（2）脫水作用（3）催化作用（4）脫色作用（5）吸附作用2022/7/19離子交換樹(shù)脂的主要應(yīng)用1.在水處理中的應(yīng)用2.食品工業(yè)4.原子能工

7、業(yè)3.工業(yè)廢水處理5.催化劑6.制藥工業(yè)7.石油化工2022/7/19在水處理中的應(yīng)用（1）純水的制備（2）水的軟化（3）廢水處理2022/7/19（1）純水的制備強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂采用的離子交換樹(shù)脂2022/7/19（1）純水的制備 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂塔和陰離子交換樹(shù)脂塔串聯(lián)，普通水依次流過(guò)兩塔制備工藝2022/7/19（1）純水的制備常見(jiàn)的純水制備設(shè)備圖2022/7/19（1） 純水的制備主要反應(yīng)式2022/7/19（2）水的軟化 天然水中含有Ca2+、Mg2+等 在鍋爐壁上生成碳酸鈣、硫酸鈣、硅酸鈣、硅酸鎂和氫氧化鎂等水垢降低傳熱系數(shù)，增加能耗可能引起鍋爐爆炸，造成人員

8、傷亡2022/7/19（2）水的軟化Na型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂軟水法常用方法強(qiáng)酸性H-Na型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂軟化法2022/7/19Na型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂軟水法Na型離子交換樹(shù)脂軟水法的主要化學(xué)反應(yīng)2022/7/19Na型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂軟水法 單級(jí)軟化系統(tǒng) 雙級(jí)軟化系統(tǒng)2022/7/19Na型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂軟水法 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，樹(shù)脂再生容易適用對(duì)象 低硬度（5mmol/L）、低堿度（2mmol/L）的原水軟化優(yōu) 點(diǎn)2022/7/19（2） 食品工業(yè)中的應(yīng)用應(yīng)用于果汁提高果汁色值、透光率、降低濁度增加果汁穩(wěn)定性提高果汁品質(zhì)有效去除果汁內(nèi)的棒曲霉素，減少農(nóng)殘 2022/7/19用于蜂蜜處理脫除蜂蜜中的

9、抗生素 提高蜂蜜色值、透光率等提高蜂蜜貯存穩(wěn)定性 2022/7/19時(shí)代周刊評(píng)出20世紀(jì)最偉大的100項(xiàng)發(fā)明，其中“尿不濕” 榜上有名、高吸水性樹(shù)脂2022/7/19太空服之父唐鑫源2022/7/19航天員專(zhuān)用“尿不濕”1克能吸收約1000克水 ，吸水性遠(yuǎn)強(qiáng)于一般嬰兒使用的“尿不濕” 2022/7/19 “尿不濕”是航天產(chǎn)品“下凡”的成功典范！現(xiàn)在不僅是嬰幼兒使用，還有供特殊成人使用的，更有趣的是有些寵物也系上了“尿不濕”出門(mén)溜達(dá)，以保護(hù)公共衛(wèi)生。 資料顯示：1987年，英國(guó)一次性尿布銷(xiāo)售利潤(rùn)達(dá)2億英鎊。設(shè)想一下我們中國(guó)這樣一個(gè)人口大國(guó)，利潤(rùn)有多么驚人！ 2022/7/19吸水前吸水后尿不濕吸

10、水前后的變化2022/7/19既然安上super這個(gè)頭銜,那我們就要看看它們和傳統(tǒng)吸水材料的區(qū)別何在了V.S普通吸水材料SAP2022/7/19紙、棉花和海綿以及后來(lái)的泡沫塑料等。吸水能力通常很低，所吸水量最多僅為自身重量的20倍左右，一旦受到外力作用，則很容易脫水，保水性很差。超強(qiáng)吸水高分子材料普通吸水材料2022/7/19纖維素的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式 傳統(tǒng)吸水性的材料棉花為何有一定的吸水性？ 發(fā)現(xiàn)其每個(gè)鏈節(jié)上都有OH，它是一種親水基 2022/7/19 60年代末期，美國(guó)首先開(kāi)發(fā)成功高吸水性樹(shù)脂。這是一種含有強(qiáng)親水性基團(tuán)并通常具有一定交聯(lián)度的高分子材料;它不溶于水和有機(jī)溶劑，吸水能力可達(dá)自身重量的50

11、02000倍，最高可達(dá)5000倍;吸水后立即溶脹為水凝膠，有優(yōu)良的保水性，即使受壓也不易擠出;吸收了水的樹(shù)脂干燥后，吸水能力仍可恢復(fù)。超強(qiáng)吸水高分子材料2022/7/19吸水能力高:可達(dá)自身重量的幾百倍至幾千倍。SAP優(yōu)點(diǎn)吸水前吸水后超強(qiáng)吸水高分子材料2022/7/19從化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)看，高吸水性樹(shù)脂是分子中含有親水性基團(tuán)和疏水性基團(tuán)的交聯(lián)型高分子。從直觀上理解，當(dāng)親水性基團(tuán)與水分子接觸時(shí)，會(huì)相互作用形成各種水合狀態(tài)。2022/7/19水分子與親水性基團(tuán)中的金屬離子形成配位水合，與電負(fù)性很強(qiáng)的氧原子形成氫鍵等。高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的疏水基團(tuán)因疏水作用而易于將水分子斥向網(wǎng)格內(nèi)側(cè)，形成局部不溶性的

12、微粒狀結(jié)構(gòu)，使進(jìn)入網(wǎng)格的水分子由于極性作用而局部?jī)鼋Y(jié)，失去活動(dòng)性，形成“偽冰”（False ice）結(jié)構(gòu)。親水性基團(tuán)和疏水性基團(tuán)的這些作用，顯然都為高吸水性樹(shù)脂的吸水性能作了貢獻(xiàn)。2022/7/19 高吸水性樹(shù)脂加交聯(lián)劑的目的是變線(xiàn)型結(jié)構(gòu)為體型結(jié)構(gòu)，使其既有吸水性而又不溶于水，耐擠壓。吸水前吸水后加交聯(lián)劑的目的是什么？2022/7/19 研究發(fā)現(xiàn)，高吸水性樹(shù)脂中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)吸水性有很大的影響：未經(jīng)交聯(lián)的樹(shù)脂基本上沒(méi)有吸水功能。而少量交聯(lián)后，吸水率則會(huì)成百上千倍地增加。但隨著交聯(lián)密度的增加，吸水率反而下降。2022/7/19高吸水性樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)特征：a.分子中具有強(qiáng)親水性基團(tuán)，如羥基、羧基，能夠與

13、水分子形成氫鍵；b.樹(shù)脂具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)；c.聚合物內(nèi)部具有較高的離子濃度；d.聚合物具有較高的分子量 2022/7/19 主鏈或側(cè)鏈上含有親水性基團(tuán)，如 -3、 -、 -2、 -等 吸水能力：-3-2- 低交聯(lián)度的三維網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的骨架可以是淀粉、纖維素等天然高分子，也可以是合成樹(shù)脂(如聚丙烯酸類(lèi)）。從化學(xué)結(jié)構(gòu)看：從物理結(jié)構(gòu)看：2022/7/19高吸水性樹(shù)脂的基本特性 高吸水性 加壓保水性吸氨性2022/7/191 高吸水性 作為高吸水性樹(shù)脂，高的吸水能力是其最重要的特征之一。從目前已經(jīng)研制成功的高吸水性樹(shù)脂來(lái)看，吸水率均在自身重量的50012000倍左右，一般可達(dá)4000倍以上，是紙和棉花等材料

14、吸水能力的100倍左右。2022/7/19紙張、棉花和海綿等材料：物理吸水作用高吸水性樹(shù)脂的吸水能力是由化學(xué)作用和物理作用共同貢獻(xiàn)的。即利用分子中大量的羧基、羥基和酰氧基團(tuán)與水分子之間的強(qiáng)烈范得華力吸收水分子，并由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的橡膠彈性作用將水分子牢固地束縛在網(wǎng)格中。一旦吸足水后，即形成溶脹的凝膠體。這種凝膠體的保水能力很強(qiáng)，即使在加壓下也不易擠出來(lái)。2 加壓保水性2022/7/19 高吸水性樹(shù)脂一般為含羧酸基的陰離子高分子，為提高吸水能力，必須進(jìn)行皂化，使大部分羧酸基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)轸人猁}基團(tuán)。但通常樹(shù)脂的水解度僅70左右，另有30左右的羧酸基團(tuán)保留下來(lái)，使樹(shù)脂呈現(xiàn)一定的弱酸性。這種弱酸性使得它們對(duì)氨那

15、樣的堿性物質(zhì)有強(qiáng)烈的吸收作用。3 吸氨性2022/7/19膜分離（membrane separation） 是利用具有一定選擇性透過(guò)特性的過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)的分離純化，是人類(lèi)最早進(jìn)行的分離技術(shù)之一。 膜還沒(méi)有一個(gè)完整精確的定義，一種通用的廣義上的定義是膜是兩相之間的不連續(xù)區(qū)間。 、膜分離材料（ P407)2022/7/19膜分離方法-天然的或人工合成的高分子膜，在外界能量或化學(xué)位差推動(dòng)下下，對(duì)雙組份或多組分的物質(zhì)進(jìn)行分離、分級(jí)、提純或富集的方法2022/7/19常見(jiàn)的分離方法篩分過(guò)濾萃取離心蒸餾重結(jié)晶柱層析膜分離離子交換對(duì)于高層次的分離，如分子尺寸的分離、生物體組分的分離等，采用常規(guī)的分離方法是

16、難以實(shí)現(xiàn)的，或達(dá)不到精度，或需要損耗極大的能源而無(wú)實(shí)用價(jià)值。2022/7/19主要的膜分離法：微濾（Microfiltration, MF）超濾（Ultrafiltration, UF）反滲透（Reverse osmosis, RO）透析（Dialysis, DS）電滲析（Electrodialysis, ED）滲透氣化（Pervaporation, PV）2022/7/191) 反滲透（Reverse osmosis, RO） 膜兩側(cè)壓力相等的情況下，在濃差的作用下作為溶劑的水分子從溶質(zhì)濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)通過(guò)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為滲透。促使水分子透過(guò)的推動(dòng)力稱(chēng)為滲透壓。 溶質(zhì)濃度越高，滲透壓

17、越大。 如果欲使高濃度溶液中的溶劑透過(guò)膜到低濃度的一側(cè)，則可在高濃度的一側(cè)施加壓力，壓力必需大于此滲透壓，這種操作稱(chēng)為反滲透。 滲透壓2022/7/19 應(yīng)用：海水淡化，工業(yè)用水軟化，直飲水2022/7/192) 超濾和微濾 膜分離技術(shù)的主要代表。 超濾和微濾都是利用膜的篩分性質(zhì)，以壓差為傳質(zhì)推動(dòng)力。膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu)，主要用于截留高分子溶質(zhì)或固體微粒。 2022/7/19 超濾主要用于高分子溶質(zhì)之間或高分子與小分子之間的分離，利用分子量的差別進(jìn)行分離。濃縮，脫鹽，或純化。 微濾一般用于懸浮液的過(guò)濾，在生物分離中廣泛用于菌體的分離和濃縮，細(xì)胞碎片的去除。2022/7/193) 透析（Dial

18、ysis, DS） 利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過(guò)的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其它小分子溶質(zhì)的溶液與純水或緩沖液分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，高分子溶液中的小分子溶質(zhì)（例如無(wú)機(jī)鹽）透向水側(cè)，水側(cè)的水分子透向溶液側(cè)，這即為透析。 性質(zhì)：透析膜一般為親水膜，例如纖維素膜、聚丙烯腈膜和聚酰胺膜等，孔徑一般510nm。 2022/7/19 應(yīng)用： 常用于臨床的血液透析，生物分離方面，用于大分子溶液的脫鹽。 血液透析2022/7/19669.4.1 導(dǎo)電高分子的基本概念 物質(zhì)按電學(xué)性能分類(lèi)可分為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體四類(lèi)。高分子材料通常屬于絕緣體的范疇。但1977年美國(guó)科

19、學(xué)家黑格（）、麥克迪爾米德（A.G. MacDiarmid）和日本科學(xué)家白川英樹(shù)（）發(fā)現(xiàn)摻雜聚乙炔具有金屬導(dǎo)電特性以來(lái)，有機(jī)高分子不能作為導(dǎo)電材料的概念被徹底改變。、導(dǎo)電高分子材料2022/7/1902導(dǎo) 電 高 分 子 分 類(lèi) 主鏈結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)電功能的高分子，一般以電子高度離域的共軛聚合物經(jīng)過(guò)適當(dāng)電子受體或供體的摻雜后得到。(廣義)導(dǎo)電高分子材料結(jié)構(gòu)型(本征型)(狹義導(dǎo)電高分子)復(fù)合型 將碳素、金屬、金屬氧化物等導(dǎo)電粒子引入到絕緣高分子材料基材中，得到具有導(dǎo)電性能的多相復(fù)合體系。 在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電學(xué)和力學(xué)性能，成本較低，易于成型和大規(guī)模生產(chǎn)。 不僅具有由于摻雜而帶來(lái)的金屬特性（高電導(dǎo)率）和半

20、導(dǎo)體（p和n型）特性之外，還具有分子可設(shè)計(jì)性，可加工性和密度小等特點(diǎn)。2022/7/1902導(dǎo) 電 高 分 子 分 類(lèi)（PAn )2022/7/1970 目前，對(duì)結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電機(jī)理、聚合物結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性關(guān)系的理論研究十分活躍。應(yīng)用性研究也取得很大進(jìn)展，如用導(dǎo)電高分子制作的大功率聚合物蓄電池、高能量密度電容器、微波吸收材料、電致變色材料，都已獲得成功。2022/7/1971為什么結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的實(shí)際應(yīng)用尚不普遍？ 大多數(shù)結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子在空氣中不穩(wěn)定，導(dǎo)電性隨時(shí)間明顯衰減。此外，導(dǎo)電高分子的加工性往往不夠好，也限制了它們的應(yīng)用。 科學(xué)家們正企圖通過(guò)改進(jìn)摻雜劑品種和摻雜技術(shù)，采用共聚或共混的方法，克服導(dǎo)電高分子的不穩(wěn)定性，改善其加工性。2022/7/1972復(fù)合型導(dǎo)電高分子用作導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電粘合劑、電磁波屏蔽材料和抗靜電材料，在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。復(fù)合型導(dǎo)電高分子應(yīng)用？由于它們制備方便，有較強(qiáng)的實(shí)用性，因此在結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子尚有許多技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決的今天，人們對(duì)它們有著極大的興