功能高分子總論

功能高分子總論第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日第一章

功能高分子材料化學(xué)總論

功能高分子材料化學(xué)是研究功能高分子材料化學(xué)規(guī)律的科學(xué)，是高分子材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最快，與其他科學(xué)交叉最多的一個(gè)研究領(lǐng)域?。第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)功能高分子材料化學(xué)概述

對象→→功能高分子材料定義:與常規(guī)高分子比較具有明顯不同的物理,物理化學(xué)性質(zhì)并有一些特殊的功能（電,光,磁等）聚合物大分子都?xì)w屬于功能高分子材料.一、功能高分子材料化學(xué)的研究對象和內(nèi)容第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日

常規(guī)聚合物：合成纖維合成橡膠塑料油漆、涂料高分子膠黏劑第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日新材料的制備方法物理化學(xué)性能表征結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系應(yīng)用開發(fā)研究內(nèi)容：第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日二、功能高分子材料化學(xué)的發(fā)展歷程20世紀(jì)80年代中后期第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日二、功能高分子材料化學(xué)的發(fā)展歷程20世紀(jì)60年代高分子膜材料用于海水淡化20世紀(jì)70年代聚乙炔的導(dǎo)電性能被發(fā)現(xiàn)

1974年由日本科學(xué)家白川首次發(fā)現(xiàn)具有很高導(dǎo)電性能的聚乙炔后，先后出現(xiàn)了一大批導(dǎo)電性高分子材料。高聚物的導(dǎo)電機(jī)理以及應(yīng)用方面也有了很大的突破。第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日功能高分子材料化學(xué)的發(fā)展歷程

導(dǎo)電性高分子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用方面作出重大貢獻(xiàn)的日本科學(xué)家白川及兩名美國科學(xué)家獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日電致發(fā)光高分子液晶高分子磁性高分子。。。。。。。。。。。二、功能高分子材料化學(xué)的發(fā)展歷程第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日三、功能高分子化學(xué)的分類方法

＊按照性能或功能可分為以下七種類型：1.反應(yīng)型高分子材料2.光敏型高分子材料3.電活性高分子材料4.膜型高分子材料5.吸附型高分子材料6.高性能工程材料7.高分子智能材料第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)功能高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系一、結(jié)構(gòu)層次構(gòu)成材料分子的元素組成材料分子中的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)聚合物的鏈段結(jié)果高分子的微觀構(gòu)象結(jié)構(gòu)材料的超分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)材料的宏觀結(jié)構(gòu)第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日二、功能高分子材料構(gòu)效關(guān)系分析

功能高分子材料之所以能夠在應(yīng)用中表現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì)，主要是因?yàn)樗鼈兩鲜龅慕Y(jié)構(gòu)層次不同。其中較重要的結(jié)構(gòu)層次是:

★材料的化學(xué)組成與官能團(tuán)的影響；★聚合物鏈段的影響；★材料超分子結(jié)構(gòu)的影響和宏觀結(jié)構(gòu)的影響第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系

（1）功能高分子材料的性質(zhì)主要取決于所含的官能團(tuán)；（2）功能高分子材料的性質(zhì)取決于聚合物骨架與官能團(tuán)的協(xié)同作用；（3）官能團(tuán)與聚合物骨架不能區(qū)分；（4）官能團(tuán)在高分子材料中只起輔助作用；第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日（1）功能高分子材料的性質(zhì)主要取決于所含的官能團(tuán)

這類高分子材料主要是由功能性小分子聚合形成的，其性質(zhì)主要依賴于官能團(tuán)的性質(zhì)。高分子骨架只起到支撐、分隔、固定和降低溶解度的輔助作用。例如：氧化性能來自過氧羧基（-COOOH）

1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日（2）功能高分子材料的性質(zhì)取決于聚合物骨架與官能團(tuán)的協(xié)同作用

這類高分子材料所期望的性質(zhì)是由分子中所含的官能團(tuán)與高分子骨架的作用相互結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)的；其中固相合成用的高分子試劑是比較有代表性的例子。1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日（3）官能團(tuán)與聚合物骨架不能區(qū)分

在這種聚合物中官能團(tuán)與聚合物骨架在形態(tài)上不能區(qū)分，官能團(tuán)是聚合物骨架的一部分，或者是聚合物骨架本身起著官能團(tuán)的作用。例如液晶高分子材料、導(dǎo)電高分子材料。1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日（4）官能團(tuán)在高分子材料中只起輔助作用

這類聚合物中骨架是功能過程的主題，而官能團(tuán)只是起輔助作用。也就是說通過副助的官能團(tuán)可以使聚合物的溶解性、玻璃化溫度、提高機(jī)械強(qiáng)度等發(fā)生改變。1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用

具有高分子骨架是功能高分子材料區(qū)分功能小分子的主要標(biāo)志。通過比較可以發(fā)現(xiàn)帶有同樣功能基團(tuán)的高分子化合物的化學(xué)和物理性質(zhì)不同與其小分子類似物，這種由于引入高分子骨架后產(chǎn)生的性能差別被定義為高分子效應(yīng)。第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日

在功能高分子中表現(xiàn)比較突出的高分子效應(yīng)有以下幾種：（1）溶解度下降效應(yīng)（2）高分子骨架的機(jī)械支撐作用（3）高分子骨架的模板效應(yīng)（4）高分子骨架的穩(wěn)定作用（5）高分子骨架的其它作用2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（1）溶解度下降效應(yīng)

由于高分子骨架的引入，分子量的增大，分子間的力大大增強(qiáng)，最直接的作用是使它們的溶解性大大下降；特別是引入交聯(lián)性聚合物，在溶劑中只能膨脹而不能溶解。例如：固相反應(yīng)中的功能高分子試劑、吸水劑等第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（2）高分子骨架的機(jī)械支撐作用

在大部分功能高分子材料中的功能基團(tuán)是連接在高分子骨架上的，因此支撐作用的高分子骨架對功能基團(tuán)的性質(zhì)與功能產(chǎn)生許多重要影響。例如：在固相合成法中使用的“無限稀釋”作用、“高度濃縮”狀態(tài)等第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（3）高分子骨架的模板效應(yīng)

模板效應(yīng)指的是利用高分子骨架的空間結(jié)構(gòu)，包括構(gòu)型和構(gòu)象，在其周圍建立起特殊的局部空間環(huán)境，為有機(jī)合成或者其它取得應(yīng)用場合提供一個(gè)類似于工業(yè)上澆鑄過程中使用的模板的作用，這種作用又類似于酶催化反應(yīng)相似的效應(yīng)。第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（4）高分子骨架的穩(wěn)定作用

引入高分子骨架之后材料分子的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都大大程度的降低，揮發(fā)性也大幅度降低，擴(kuò)散速度也隨之降低，這樣就可以提高某些敏感性小分子試劑的穩(wěn)定性。例如：某些易燃易爆的化學(xué)試劑通過高分子化變?yōu)榉€(wěn)定試劑。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（5）高分子骨架的其它作用

高分子骨架在高分子材料中除了起到以上幾種常見的作用以外，根據(jù)某些高分子骨架本身結(jié)構(gòu)的特殊性，還可以產(chǎn)生一些比較少見的特殊性能。例如：利用高分子骨架在體內(nèi)的不可吸收性，可以降低色素或甜味素在人體內(nèi)的吸收性，從而降低它們的有害性。第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日3.聚合物骨架的類種類和形態(tài)的影響

作為一種聚合物，功能高分子材料的性能也受到聚合物種類和形態(tài)的影響。第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日3.聚合物骨架的類種類和形態(tài)的影響

目前在功能高分子材料中主要有以下幾種類型骨架得到應(yīng)用。（1）飽和碳鏈性聚合物；通常用加聚反應(yīng)制備，特點(diǎn)是鏈的柔性好。（2）聚酯、聚酰胺骨架為代表的聚合物；通常用縮聚反應(yīng)制備，特點(diǎn)是強(qiáng)度較高。第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日

（3）天然高分子或改造修飾的天然高分子，特點(diǎn)是生物相容性較好。（4）帶有線性共軛結(jié)構(gòu)的聚合物，通常用化學(xué)或電化學(xué)聚合反應(yīng)制備，骨架具有電子傳導(dǎo)性。（5）梯形聚合物一般具有超強(qiáng)的機(jī)械性能。3.聚合物骨架的種類和形態(tài)的影響第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日根據(jù)聚合物的化學(xué)形態(tài)可將聚合物骨架分為以下類型：1.線性聚合物：—聚合物有一條較長的主鏈，沒有分支或較少。溶解性較好、玻璃化溫度較低、黏彈性較好；容易加工處理。2.交聯(lián)聚合物：—線性聚合物通過交聯(lián)反應(yīng)生成的網(wǎng)狀大分子。溶解性差，只能溶脹、機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)；不宜加工處理。3.聚合物骨架的種類和形態(tài)的影響第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念1.聚合物的溶脹和溶解性質(zhì)聚合物的溶解是一個(gè)復(fù)雜的過程，對于聚合物的溶劑分為：良性溶劑、溶脹劑和非溶劑三類。在良性溶劑中聚合物分子鏈趨向于伸展?fàn)顟B(tài)，在非溶劑中聚合物分子鏈趨向于收縮狀態(tài)。第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念溶脹—交鏈性聚合物不能形成分子形溶液，容積分子擴(kuò)散進(jìn)入聚合物內(nèi)部，通過溶劑化作用使分子鏈展開，聚合物體積增大，產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，形成聚合物凝膠。溶脹度與交鏈度成反比，與溶劑的親和力成正比。第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念溶脹度的計(jì)算公式為：ρa(bǔ)p聚合物的表觀密度

ρρsol

溶劑的密度

聚合物的骨架密度ω

溶脹后聚合物重量/聚合物干重B=ρa(bǔ)pρ+(ｗ-1)ρa(bǔ)pρsol第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念2.聚合物的多孔性

對于高分子吸附劑、高分子試劑、高分子催化劑等功能高分子材料其比表面積的大小對于它們的使用性影響很大，因?yàn)槲?、離子交換或者多相反應(yīng)過程都是擴(kuò)散控制過程反應(yīng)都發(fā)生在功能高分子材料的表面，相對大的比表面有利于上述過程。第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念2.聚合物的多孔性

干燥的多孔性聚合物的空隙率通常用比表面積、空體積和平均孔徑等參數(shù)表示。P=nπrlS=2nπrl,P%=100(1-)

P-表示聚合物中控占據(jù)的總體積；S-表示聚合物的總表面積；n-空的數(shù)量；r–空的平均直徑；l-空的平均長度；ρa(bǔ)pρ2第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念

3.聚合物的滲透性

任何一種高分子材料在一定程度下都是有滲透性的，作為功能高分子骨架的聚合物的滲透性是衡量其性能的另外一個(gè)重要指標(biāo)。特別是對于高分子分離膜材料，聚合物的滲透性是則是至關(guān)重要的指標(biāo)。第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念3.聚合物的滲透性

聚合物的滲透性一般通過氣體或液體在一定條件下的滲透量來測定。主要用滲透系數(shù)來表示，滲透系數(shù)是指在單位時(shí)間、單位膜面積通過的被測物與單位膜厚度所施加的驅(qū)動(dòng)力的比值。q=πr△p448η△χ;P=φβr8η2q-透過物質(zhì)的透過量；η-透過物質(zhì)黏度；r–聚合物中毛細(xì)管半徑；△χ-毛細(xì)管長度；△p-毛細(xì)管兩端壓力差；φ-毛細(xì)管在聚合物中的體積分?jǐn)?shù)；β-毛細(xì)管曲折系數(shù)；第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念

4.功能高分子材料的穩(wěn)定性

聚合物的穩(wěn)定性包括化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。在高分子分離膜和聚合物液晶等應(yīng)用場合，機(jī)械穩(wěn)定性是非常關(guān)鍵的參數(shù)。而在其他的應(yīng)用場合，化學(xué)穩(wěn)定性是主要因素。第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)功能高分子材料的制備策略

設(shè)計(jì)一種能滿足一定需要的功能高分子材料是功能高分子化學(xué)研究的主要目的之一，具有良好功能于性質(zhì)的高分子材料的制備成功與否，在很大程度上取決于設(shè)計(jì)方法和制備路線的制定。功能高分子材料的制備是通過化學(xué)或物理的方法按照材料的設(shè)計(jì)要求將功能基團(tuán)與高分子骨架相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)功能高分子材料的制備策略

幾種有代表性的功能高分子材料設(shè)計(jì)的基本思路和方法如下：一、功能性小分子材料的高分子化；二、普通高分子材料的功能化；