淺談：功能高分子材料分類與性能應用

淺談：功能高分子材料分類與性能應用

功能高分子材料一般指具有傳遞、轉換或貯存物質、能量和信息作用的高分子及其復合材料，或具體地指在原有力學性能的基礎上，還具有化學反應活性、光敏性、導電性、催化性、生物相容性、藥理性、選擇分離性、能量轉換性、磁性等功能的高分子及其復合材料。

通常，人們對特種和功能高分子的劃分普遍采用按其性質、功能或實際用途劃分的方法，可以將其分為八種類型。

1、反應性高分子材料包括高分子試劑、高分子催化劑、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、光敏性高分子材料包括各種光穩(wěn)定劑、光刻膠、感光材料、非線性光學材料、光電材料及光致變色材料等。

3、電性能高分子材料包括導電聚合物、能量轉換型聚合物、電致發(fā)光和電致變色材料及其他電敏感性材料。

4、高分子分離材料包括各種分離膜、緩釋膜和其他半透明膜材料、離子交換樹脂、高分子絮凝劑、高分子螯合劑等。

5、高分子吸附材料包括高分子吸附樹脂、吸水性高分子等。

6、高分子智能材料包括高分子記憶材料、信息存儲材料和光、磁、pH值、壓力感應材料等。

7、醫(yī)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)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、高強度高模量高分子材料、阻燃性高分子材料、生物可降解高分子和功能纖維材料等。

常見的幾種功能高分子材料

離子交換樹脂

它是最早工業(yè)化的功能高分子材料。經(jīng)過各種官能化的聚苯乙烯樹脂，含有H離子結構，能交換各種陽離子的稱為陽離子交換樹脂，含有OH-離子結構能交換各種陰離子的稱為陰離子交換樹脂。它們主要用于水的處理。離子交換膜還可以用于飲用水處理、海水炎化、廢水處理、甘露醇、檸檬酸糖液的鈍化、牛奶和醬油的脫鹽、酸的回收以及作為電解隔膜和電池隔膜。

高分子催化劑

催化生物體內多種化學反應的生物酶屬于高分子催化劑。它具有魔法般的催化性能，反應在常溫、常壓下進行，催化活性極高，幾乎不產(chǎn)生副產(chǎn)物。近十年來，國內外多有研究用人工合成的方法模擬酶，將金屬化合物結合在高分子配體上，開發(fā)高活性、高選擇性的高效催化劑，這種高分子催化劑稱為高分子金屬催化劑。已有的研究工作表明，高分子金屬催化劑對加氫反應、氧化反應、硅氫加成反應、羰基化反應、異構化反應、聚合反應等具有很高的催化活性和選擇性，而且易與反應物分離，可回收重復使用。

導電高分子材料

復合型導電高分子材料是以有機高分子材料為基體,加入一定數(shù)量的導電物質(如炭黑、石墨、碳纖維、金屬粉、金屬纖維、金屬氧化物等)組合而成。該類材料兼有高分子材料的易加工特性和金屬的導電性。與金屬相比較,導電性復合材料具有加工性好、工藝簡單、耐腐蝕、電阻率可調范圍大、價格低等優(yōu)點。

與金屬和半導體相比較，導電高分子的電學性能具有如下特點：

1.通過控制摻雜度，導電高分子的室溫電導率可在絕緣體-半導體-金屬態(tài)范圍內變化。目前最高的室溫電導率可達105S/cm，它可與銅的電導率相比，而重量僅為銅的1/12；

2.導電高分子可拉伸取向。沿拉伸方向電導率隨拉伸度而增加，而垂直拉伸方向的電導率基本不變，呈現(xiàn)強的電導各向異性；

3.盡管導電高分子的室溫電導率可達金屬態(tài)，但它的電導率-溫度依賴性不呈現(xiàn)金屬特性，而服從半導體特性；

4.導電高分子的載流子既不同于金屬的自由電子，也不同于半導體的電子或空穴，而是用孤子、極化子和雙極化子概念描述。

應用主要有電磁波屏蔽、電子元件(二極管、晶體管、場效應晶體管等)、微波吸收材料、隱身材料等。

高分子功能膜的分類

(1)反滲透膜

反滲透膜主要是不對稱膜、復合膜和中空纖維膜。不對稱膜的表面活性層上的微孔很?。s2nm），大孔支撐層為海綿狀結構；復合膜由超薄膜和多孔支撐層等組成。超薄膜很薄，只有0.4mm，有利于降低流動阻力，提高透水速率；中空纖維反滲透膜的直徑極小，壁厚與直徑之比比較大，因而不需支持就能承受較高的外壓。

反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚等。醋酸纖維素膜透水量大，脫鹽率高，價格便宜，應用普遍。芳香聚酰胺膜具有優(yōu)越的機械強度，化學性能穩(wěn)定，耐壓實，能在pH值4-10的范圍內使用。聚苯并咪唑反滲透膜則能耐高溫，吸水性好，適用于在較高溫度下的作業(yè)。反滲透裝置已成功地應用于海水脫鹽，并達到飲用級的質量。海水淡化的原理是利用只允許溶劑透過，不允許溶質透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。用RO(ReverseOsmosis)進行海水淡化時，因其含鹽量較高，除特殊高脫鹽率膜以外，一般均須采用二級RO淡化。但是海水脫鹽成本較高，主要用于特別缺水的中東產(chǎn)油國，例如2012年統(tǒng)計數(shù)據(jù)世界最大的海水淡化廠就位于沙特阿拉伯。

(2)超濾膜

超濾膜是指具有從1-20nm細孔的多孔質膜，它幾乎可以完全將含于溶液中的病毒、高分子膠體等微粒子截留分離。超濾膜的分離性能就是用它所截留物質的分子量大小來定義的。超濾膜分離技術主要用于分離溶液中的大分子、膠體微粒。通過膜的篩分作用將溶液中大于膜孔的大分子溶質截留，是溶質分子與小分子溶劑分離的膜過程。

(3)微濾膜

微濾膜是指孔徑范圍為0.01-10μm的多孔質分離膜，它可以把細菌、膠體以及氣溶膠等微小粒子從流體中比較徹底地分離除去。流體中含有粒子的濃度不同，微濾膜的使用方式也不同。當濃度較低時，常常使用一次性濾膜；當濃度較高時，需要選擇可以反復使用的膜。

(4)氣體分離膜

氣體分離中常用的高分子膜，是非對稱的或復合膜，其膜表層為致密高分子層，即非多孔高分子膜。這種膜材料需要具有優(yōu)良的滲透性。

(5)催化膜

在膜反應器中，利用膜的載體功能將催化劑固定在膜的表面或膜內來制備催化膜。有些膜材料本身就具有催化活性。在反應涉及加氫、脫氫、氧化以及與氧的生成有關的體系時，則常采用金屬膜、固體電解質膜，這些膜具有選擇性透過氫和氧的能力。隔膜催化技術有效性的主要特征是生產(chǎn)率和選擇率。生產(chǎn)率是由通過隔膜以及隔膜表面上反應物和生成物的分離率來決定的。

高分子吸附劑

吸附性高分子材料主要是指那些對某些特定離子或分子有選擇性親和作用的高分子材料，從外觀形態(tài)上看，主要有微孔型、大孔型、米花型和大網(wǎng)狀樹脂幾種。吸附樹脂的吸附性不僅受到結構和形態(tài)等內在因素的影響，還與使用環(huán)境關系密切：溫度因素，樹脂周圍的介質.

（1）吸水性高分子

高吸水性樹脂的研究始于60年代，世界上最早開發(fā)的一種高吸水性樹脂是淀粉-丙烯氰接枝共聚水解產(chǎn)物，即在淀粉上接枝丙烯腈然后水解而成。

通常情況下，纖維素類高吸水性樹脂的吸水能力比淀粉類樹脂低，但是吸水速度快是其特點之一，在一些特殊情況下卻是淀粉類樹脂所不能取代的。

高吸水性樹脂的結構特征：

1.分子中具有強親水性基團，如羥基、羧基，能夠與水分子形成氫鍵；

2.樹脂具有交聯(lián)結構；

3.聚合物內部具有較高的離子濃度；

4.聚合物具有較高的分子量

（2）吸油性高分子

高吸油性樹脂是一種新型的功能高分子材料,對于不同種類的油，少則可吸自重的幾倍,多則近百倍,吸油量大、吸油速度快且保油能力強，在工業(yè)的廢液處理以及環(huán)境保護方面具有廣泛的用途。另外可作橡膠改性劑、油霧過濾材料、芳香劑和殺蟲劑的基材、紙張?zhí)砑觿┑取?/p>

高吸油性樹脂的結構特征：高分子之間形成一種三維的交聯(lián)網(wǎng)狀結構，材料內部具有一定微孔結構。由于分子內親油基的鏈段和油分子的溶劑化作用，高吸油性樹脂發(fā)生膨潤?；诮宦?lián)的存在，該樹脂不溶于油中。由此可見,交聯(lián)度和親油性基團與高吸油性樹脂的性能有密切關系。

（3）其他高分子吸附劑

聚丙烯酰胺分類聚丙烯酰胺產(chǎn)品簡介：聚丙烯酰胺（PAM）為水溶性高分子聚合物，不溶于大多數(shù)有機溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的磨擦阻力，按離子特性分可分為非離子、陰離子、陽離子和兩性型四種類型。

陰離子聚丙烯酰胺

陰離子聚丙烯酰胺（APAM）產(chǎn)品描述：陰離子聚丙烯酰胺（APAM）外觀為白色粉粒，分子量從600萬到2500萬水溶解性好，能以任意比例溶解于水且不溶于有機溶劑。有效的PH值范圍為7到14，在中性堿性介質中呈高聚合物電解質的特性，與鹽類電解質敏感，與高價金屬離子能交聯(lián)成不溶性凝膠體。

工業(yè)廢水處理：對于懸浮顆粒，較出、濃度高、粒子帶陽電荷，水的PH值為中性或堿性的污水，鋼鐵廠廢水，電鍍廠廢水，冶金廢水，洗煤廢水等污水處理，效果最好。飲用水處理：我國很多自來水廠的水源來自江河，泥沙及礦物質含量高，比較渾濁，雖經(jīng)過沉淀過濾，仍不能達到要求，需要投加絮凝劑，投加量是無機絮凝劑的1/50，但效果是無機絮凝劑的幾倍，對于有機物污染嚴重的江河水可采用無機絮凝劑和陽離子聚丙烯酰胺配合使用效果更好。陰離子聚丙烯酰胺，使淀粉微粒絮凝沉淀，然后將沉淀物經(jīng)壓濾機壓濾變成餅狀，可作飼料，酒精廠的酒精也可采用陰離子聚丙烯酰胺脫水，壓濾進行回收。用于河水泥漿沉降。用于造紙干強劑。

用于造紙助劑、助率劑。在造紙前泵口式儲漿池中加入微量PAM-LB-3陰離子聚丙烯酰胺可使水中填料與細小纖維在網(wǎng)上存留提高20-30%。每噸可節(jié)約紙漿20-30kg。

舉例：在洗煤過程中產(chǎn)生大量廢水，直接排放污染環(huán)境，必須沉清后循環(huán)利用，回收水中煤泥，也很有價值，但靠自然沉降，費時費力，同時水也不清。

另外，陰離子聚丙烯酰胺在制香行業(yè)的應用也越來越受歡迎，陰離子聚丙烯酰胺產(chǎn)品特點：具溶解性好，粘度高，韌性強，易燃無（少）煙、燃燒無異味、無毒等特點；產(chǎn)品性能穩(wěn)定，避免了其它植物膠粉和普通淀粉因產(chǎn)地、時間不同，粘結質量參差不齊，在香業(yè)生產(chǎn)時需要反復調試配方，以免造成產(chǎn)品質量不穩(wěn)定的現(xiàn)象；香制品外表光潔平整、成型好、不易破碎；尤其是其冷水可糊化性，無需煮糊，將物料直接混和均勻、加水攪拌既可生產(chǎn)，而且加水混合后的物料較長時間放置也不會有物料干硬無法使用的現(xiàn)象發(fā)生，有效地節(jié)約了能源和方便了生產(chǎn)操作。

使用效果：使用本產(chǎn)品做成的香坯（香制品）外觀平整、無斷裂、無霉斑，抗折力強，產(chǎn)品成色好、烘曬后不褪色，燃點時間足，可燃性好，過鐵齒盤不“斷頭”熄火，有利于蚊香有效成份的揮散率的提高及可減少成品在烘干過程中的損失，同時，可大大減輕工人的勞動強度、提高工作效率。此外，本品對環(huán)境無污染，可滿足綠色環(huán)保方面對產(chǎn)品的要求。

經(jīng)濟效益：使用本產(chǎn)品可減少原料成本5—12%,節(jié)約能耗20—30%。

陽離子聚丙烯酰胺

陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）產(chǎn)品特性：陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）外觀為白色粉粒，離子度從20%到55%水溶解性好，能以任意比例溶解于水且不溶于有機溶劑。呈高聚合物電解質的特性，適用于帶陰電荷及富含有機物的廢水處理。適用于染色、造紙、食品、建筑、冶金、選礦、煤粉、油田、水產(chǎn)加工與發(fā)酵等行業(yè)有機膠體含量較高的廢水處理，特別適用于城市污水、城市污泥、造紙污泥及其它工業(yè)污泥的脫水處理。

用途

1.用于污泥脫水根據(jù)污泥性質可選用本產(chǎn)品的相應型號，可有效在污泥進入壓濾之前進行污泥脫水，脫水時，產(chǎn)生絮團大，不粘濾布，壓濾時不散，流泥餅較厚，脫水效率高，泥餅含水率在80%以下。

2.用于生活污水和有機廢水的處理，本產(chǎn)品在配性或堿性介質中均呈現(xiàn)陽電性，這樣對污水中懸浮顆粒帶陰電荷的污水進行絮凝沉淀，澄清很有效。如生產(chǎn)糧食酒精廢水，造紙廢水，城市污水處理廠的廢水，啤酒廢水，味精廠廢水，制糖廢水，有機含量高廢水、