功能高分子材料(緒論)課件

功能高分子材料材料與化工學(xué)院

功能高分子材料材料與化工學(xué)院11

緒論本章內(nèi)容1.1功能高分子的基本概念1.2功能高分子的分類1.4功能高分子材料的發(fā)展1.3功能高分子材料的制備（*）（*）1緒論本1.1功能高分子的基本概念1.2功能高分21.1功能高分子的基本概念什么是功能高分子？

在天然或合成高分子的主鏈或支鏈上引入某種功能的官能團(tuán)，使其顯示出在光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的特殊功能的高分子。

以功能高分子材料為研究對象，探討其結(jié)構(gòu)組成、制備方法、功能特性的科學(xué)。研究功能高分子材料的功能基團(tuán)、分子組成和材料結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系。功能高分子材料學(xué)：高分子的發(fā)展方向：通用高分子的高性能化和高分子的多功能化1.1功能高分子的基本概念什么是功能高分子？31.2功能高分子的分類日本著名功能高分子專家中村茂夫教授認(rèn)為，功能高分子可從以下幾個(gè)方面分類。1.力學(xué)功能材料1)強(qiáng)化功能材料，如超高強(qiáng)材料、高結(jié)晶材料等；2)彈性功能材料，如熱塑性彈性體等。2.化學(xué)功能材料1)分離功能材料，如分離膜、離子交換樹脂、高分子絡(luò)合物等；2)反應(yīng)功能材料，如高分子催化劑、高分子試劑；3)生物功能材料，如固定化酶、生物反應(yīng)器等。1.2功能高分子的分類日本著名功能高分子專家中村茂夫教授41.2功能高分子的分類3.物理化學(xué)功能材料1)耐高溫高分子，高分子液晶等；2)電學(xué)功能材料，如導(dǎo)電性高分子、超導(dǎo)高分子，感電子性高分子等；3)光學(xué)功能材料，如感光高分子、導(dǎo)光性高分子等；4)能量轉(zhuǎn)換功能材料，如壓電性高分子、熱電性高分子等。4.生物化學(xué)功能材料1)人工臟器用材料，如人工腎、人工心肺等；2)高分子藥物，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物、高分子農(nóng)藥等；3)生物分解材料，如可降解性高分子材料等。1.2功能高分子的分類3.物理化學(xué)功能材料51.2功能高分子的分類

國內(nèi)一般采用按其性質(zhì)、功能或?qū)嶋H用途，具體可劃分為8種類型。1.反應(yīng)性高分子材料，包括高分子試劑、高分子催化劑和高分子染料，特別是高分子固相合成試劑和固定化酶試劑等。2.光敏型高分子，包括各種光穩(wěn)定劑、光刻膠，感光材料、非線性光學(xué)材料、光導(dǎo)材料和光致變色材料等。3.電性能高分子材料，包括導(dǎo)電聚合物、能量轉(zhuǎn)換型聚合物、電致發(fā)光和電致變色材料及其他電敏性材料等。1.2功能高分子的分類國內(nèi)一般采用按其性質(zhì)、功能61.2功能高分子的分類4.高分子分離材料，包括各種分離膜、緩釋膜和其他半透性膜材料、離子交換樹脂、高分子絮凝劑等。5.高分子吸附材料，包括高分子吸附性樹脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。6.高分子智能材料，包括高分子記憶材料、信息存儲(chǔ)材料和光、磁、pH、壓力感應(yīng)材料等。7.醫(yī)藥用高分子材料，包括醫(yī)用高分子材料、藥用高分子材料和醫(yī)藥用輔助材料等。8.高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高溫高分子材料、高強(qiáng)高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纖維材料、生物降解高分子等。1.2功能高分子的分類4.高分子分離材料，包括各種分離7功能高分子材料的制備一般是指通過物理的或化學(xué)的方法將功能基團(tuán)與聚合物骨架相結(jié)合的過程。功能高分子材料的制備主要有以下三種基本類型：①是功能性小分子固定在骨架材料上；②是大分子材料的功能化；③是已有的功能高分子材料的功能擴(kuò)展。1.3功能高分子材料的制備方法功能高分子材料的制備一般是指通過物理的或化學(xué)的方法81.功能性小分子的高分子化(1)功能性小分子單體直接發(fā)生聚合反應(yīng)(2)功能性小分子通過聚合包埋與高分子材料結(jié)合1.4功能高分子材料的制備方法1.功能性小分子的高分子化1.4功能高分子材料的制備方9優(yōu)點(diǎn)生成的功能高分子功能基分布均勻聚合物結(jié)構(gòu)可以通過聚合機(jī)理預(yù)先設(shè)計(jì)產(chǎn)物的穩(wěn)定性較好缺點(diǎn)在功能性小分子中需要引入可聚合基團(tuán)，而這種引入常常需要復(fù)雜的合成反應(yīng)要求在反應(yīng)中不破壞原有結(jié)構(gòu)和功能當(dāng)需要引入的功能基穩(wěn)定性不好時(shí)需要加以保護(hù)有時(shí)引入功能基后對單體聚合的活性會(huì)有影響優(yōu)點(diǎn)10(1)功能性小分子單體直接發(fā)生聚合反應(yīng)

通過在功能性小分子中引入可聚合基團(tuán)得到單體，然后進(jìn)行均聚或共聚反應(yīng)生成功能聚合物這些可聚合功能性單體中的可聚合基團(tuán)一般為雙鍵、羥基、羧基、氨基、環(huán)氧基、酰氯基、吡咯基、噻吩基等基團(tuán)。發(fā)生加成聚合反應(yīng)，開環(huán)聚合反應(yīng)，縮聚反應(yīng)以及氧化偶合反應(yīng)。(1)功能性小分子單體直接發(fā)生聚合反應(yīng)11

丙烯酸分子中帶有雙鍵，同時(shí)又帶有活性羧基。經(jīng)過自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共聚物，可以作為弱酸性離子交換樹脂、高吸水性樹脂等應(yīng)用。這是帶有功能性基團(tuán)的單體聚合制備功能高分子的簡單例子。丙烯酸分子中帶有雙鍵，同時(shí)又帶有活性羧基。12將含有環(huán)氧基團(tuán)的低分子量雙酚A型環(huán)氧樹脂與丙烯酸反應(yīng)，得到含雙鍵的環(huán)氧丙烯酸酯，這種單體在制備光敏高分子材料方面有廣泛的應(yīng)用。將含有環(huán)氧基團(tuán)的低分子量雙酚A型環(huán)氧樹脂13

除了單純的連鎖聚合和逐步聚合之外，采用多種單體進(jìn)行共聚反應(yīng)制備功能高分子也是一種常見的方法。特別是當(dāng)需要控制聚合物中功能基團(tuán)的分布和密度時(shí)，或者需要調(diào)節(jié)聚合物的物理化學(xué)性質(zhì)時(shí)，共聚可能是最行之有效的解決辦法。

除了單純的連鎖聚合和逐步聚合之外，采用多14該方法是利用生成高分子的束縛作用將功能性小分子以某種形式包埋固定在高分子材料中來制備功能高分子材料。在聚合反應(yīng)之前，向單體溶液中加入小分子功能化合物，在聚合過程中小分子被生成的聚合物所包埋。在高分子藥物、固定化酶的制備方面有獨(dú)到的優(yōu)勢。(2)功能性小分子通過聚合包埋與高分子材料結(jié)合該方法是利用生成高分子的束縛作用將功能性小分子以某種形式包埋15用這種方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架與小分子功能化合物之間沒有化學(xué)鍵連接，固化作用通過聚合物的包絡(luò)作用來完成。這種方法制備的功能高分子類似于用共混方法制備的高分子材料，但是均勻性更好。此方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡便，功能小分子的性質(zhì)不受聚合物性質(zhì)的影響，因此特別適宜酶等對環(huán)境敏感材料的固化。缺點(diǎn)是在使用過程中包絡(luò)的小分子功能化合物容易逐步失去，特別是在溶脹條件下使用，將加快固化酶的失活過程。用這種方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架與小分子功能化合物16例如，維生素C在空氣中極易被氧化而變黃。采用溶劑蒸發(fā)法研制以乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素苯二甲酸酯等聚合物為外殼材料的維生素C微膠囊，達(dá)到了延緩氧化變黃的效果。將維生素C微膠囊暴露于空氣中一個(gè)月，外觀可保持干燥狀態(tài)，色澤略黃。這種維生素C微膠囊進(jìn)入人體后，兩小時(shí)內(nèi)可完全溶解釋放。例如，維生素C在空氣中極易被氧化而變黃。172.已有高分子材料的功能化(1)利用化學(xué)反應(yīng)將活性功能基引入聚合物骨架(2)功能性小分子與聚合物共混

2.已有高分子材料的功能化(1)利用化學(xué)反應(yīng)將活性功能18價(jià)格低廉的通用材料較容易地接上功能性基團(tuán)來源豐富具有機(jī)械、熱、化學(xué)穩(wěn)定性可選材料的特點(diǎn)價(jià)格低廉的通用材料可選材料的特點(diǎn)19目前常見的品種聚苯乙烯聚氯乙烯聚乙烯醇聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物聚丙烯酰胺聚環(huán)氧氯丙烷及其共聚物纖維素目前常見的品種聚苯乙烯20利用化學(xué)反應(yīng)將活性功能基引

入聚合物骨架例子：

小分子過氧酸是常用的強(qiáng)氧化劑，在有機(jī)合成中是重要的試劑。但是，這種小分子過氧酸的主要缺點(diǎn)在于穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生爆炸和失效，不便于儲(chǔ)存。反應(yīng)后產(chǎn)生的羧酸也不容易除掉，經(jīng)常影響產(chǎn)品的純度。將其引入高分子骨架后形成的高分子過氧酸，揮發(fā)性和溶解性下降，穩(wěn)定性提高。利用化學(xué)反應(yīng)將活性功能基引

入聚合物骨架例子：21小分子氧化劑：不穩(wěn)定。易爆，易燃，易分解失效，貯存、運(yùn)輸、使用困難高分子氧化劑：穩(wěn)定性好，貯存、運(yùn)輸、使用方便小分子氧化劑：不穩(wěn)定。易爆，易燃，易分解失效，貯存、運(yùn)輸、使22功能高分子材料(緒論)課件23聚苯乙烯芳環(huán)上的取代反應(yīng)聚苯乙烯分子中的苯環(huán)比較活潑，可以進(jìn)行一系列的芳香取代反應(yīng)，如磺化、氯甲基化、鹵化、硝化、鋰化、烷基化、羧基化、氨基化等等，因此是功能高分子制備中最常用的骨架母體。

聚苯乙烯芳環(huán)上的取代反應(yīng)24聚苯乙烯磺化、氯甲基化聚苯乙烯磺化、氯甲基化25聚乙烯醇的變化聚乙烯醇可多種低分子化合物反應(yīng)，形成各種各樣的功能高分子聚醋酸乙烯酯的醇解制備聚乙烯醇聚乙烯醇的變化聚乙烯醇可多種低分子化合物反應(yīng)，形成各種各樣的26可用于在聚乙烯醇結(jié)構(gòu)中引入活性基團(tuán)的反應(yīng)

可用于在聚乙烯醇結(jié)構(gòu)中引入活性基團(tuán)的反應(yīng)27例子：青霉素是一種抗多種病菌的廣譜抗菌素，應(yīng)用十分普遍。它具有易吸收，見效快的特點(diǎn)，但也有排泄快的缺點(diǎn)。利用青霉素結(jié)構(gòu)中的羧基、氨基與高分子反應(yīng)，可得到療效長的高分子青霉素。例如將青霉素與乙烯醇－乙烯胺共聚物以酰胺鍵相結(jié)合，得到水溶性的藥物高分子，這種高分子青霉素在人體內(nèi)的停留時(shí)間為低分子青霉素的30～40倍。例子：青霉素是一種抗多種病菌的廣譜抗菌素，應(yīng)用十分普遍。它具28（2）帶有功能性基團(tuán)的小分子與高分子骨架的結(jié)合這種制備方法的好處是可以利用廉價(jià)的商品化聚合物，并且通過對高分子材料的選擇，使得到的功能高分子材料機(jī)械性能比較有保障。主要是通過小分子功能化合物與聚合物的共混和復(fù)合來實(shí)現(xiàn)。（2）帶有功能性基團(tuán)的小分子與高分子骨架的結(jié)合這種制備方法的29

比如，某些酶的固化，某些金屬和金屬氧化物的固化等。與化學(xué)法相比，通過與聚合物共混制備功能高分子的主要缺點(diǎn)是共混物不夠穩(wěn)定，在使用條件下（如溶脹、成膜等）功能聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性。

比如，某些酶的固化，某些金屬和金屬氧化30功能高分子材料的測試與表征化學(xué)成分分析化學(xué)結(jié)構(gòu)分析晶態(tài)結(jié)構(gòu)分析聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分析熱性能分析功能測定功能高分子材料的測試與表征化學(xué)成分分析31

新型功能材料國外發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，國際功能材料及其應(yīng)用技術(shù)正面臨新的突破，諸如超導(dǎo)材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)能材料、生態(tài)環(huán)境材料、生物醫(yī)用材料及材料的分子、原子設(shè)計(jì)等正處于日新月異的發(fā)展之中，發(fā)展功能材料技術(shù)正在成為一些發(fā)達(dá)國家強(qiáng)化其經(jīng)濟(jì)及軍事優(yōu)勢的重要手段。

1.4功能高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀新型功能材料國外發(fā)展現(xiàn)狀1.4功32我國非常重視功能材料的發(fā)展，在國家攻關(guān)、“863”、“973”、國家自然科學(xué)基金等計(jì)劃中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”國防計(jì)劃中還將特種功能材料列為“國防尖端”材料。這些科技行動(dòng)的實(shí)施，使我國在功能材料領(lǐng)域取得了豐碩的成果。國內(nèi)功能材料發(fā)展的現(xiàn)狀我國非常重視功能材料的發(fā)展，在國家攻關(guān)、“863”、“33在“863”計(jì)劃支持下，開辟了超導(dǎo)材料、平板顯示材料、稀土功能材料、生物醫(yī)用材料、儲(chǔ)氫等新能源材料，金剛石薄膜，高性能固體推進(jìn)劑材料，紅外隱身材料，材料設(shè)計(jì)與性能預(yù)測等功能材料新領(lǐng)域