高分子設(shè)計與合成

1、1,高分子設(shè)計與合成,田梅,2,聯(lián)系方式,E-mail： Tel: 8368-7671 Lab: 化學(xué)館202 Mobile:3,第一章 序言,4,引,水滴在荷葉上隨意滾動，卻不沾濕荷葉,愛蓮說 周敦頤 水陸草木之花, 可愛者甚蕃. 晉陶淵明獨愛菊,自李唐來， 世人盛愛牡丹. 予獨愛蓮之出淤泥而不染,濯清漣而不妖,5,荷葉不沾泥也不沾水, 如何能制造出具有荷葉特性的材料。 首先，清楚荷葉不沾泥不沾水的原理。,6,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)是因其葉面并非平滑表面，而是具備規(guī)則排列且均一大小突起物，統(tǒng)稱為“粗糙面”或“粗糙層”，經(jīng)放大后可看到一根根盤交錯節(jié)的纖毛狀物。此“粗糙層”能將空氣

2、保留在突起物間的底部，使外在的污染物或液體五法完全沾附於蓮葉上。被局限在這微米粗糙層中的空氣，猶如是在蓮葉表面形成一層氣墊,污染物或液體是由空氣所支撐著。,7,荷葉表面盤交錯節(jié)的纖毛狀“臘質(zhì)”，由於其組成成分為一疏水性非常高的碳氫化合物物質(zhì)（屬低表面能材料），與水滴間的界面張力非常大，水滴不易沾粘。 基此兩大原因，使蓮葉形成一超疏水表面，水滴接觸角度大于150度以上。即使污物附著於其上，也可輕易地以水沖刷洗凈，達到自潔效果 。,8,9,10,11,12,設(shè)計低表面能的聚合物：在共聚物中引入低表面能結(jié)構(gòu)單元(主要是含氟結(jié)構(gòu)和含硅結(jié)構(gòu)) 。 采用相應(yīng)工藝，使高分子材料表面具有荷葉表面粗糙的結(jié)構(gòu)特征

3、。,13,高分子設(shè)計（Macromolecular Design）一詞源出美國麻省理工學(xué)院材料科學(xué)教研室，由霍恩赫貝爾教授（Professor Hobel）在 20 世紀 70 年代提出，基本概念很簡單，即為使材料適其所用，首先要了解材料的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性能之間的相互關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)要求合成出具有所需物性的特定化學(xué)結(jié)構(gòu)的材料。 簡言之，高分子設(shè)計就是： 按照聚合物及其材料的指定性能 設(shè)計分子結(jié)構(gòu) 進行合成和加工。,14,15,作為高分子材料，經(jīng)過研究的有成千上萬種，而真正具有應(yīng)用價值的只有1%左右，主要應(yīng)用于光電子通訊技術(shù)、能源系統(tǒng)、液晶顯示材料、生物醫(yī)用材料、離子交換樹脂、包裝、建

4、筑涂料、運輸?shù)阮I(lǐng)域。 這1%的高分子材料中應(yīng)用廣泛的不過十余種，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙稀、聚酰胺（尼龍）、聚酯、聚異戊二烯等。,16,高分子設(shè)計方法,由于高分子的多樣性，高分子的分子設(shè)計難度非常大。高分子設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，具體為： 1) 需要用已積累和歸納的有關(guān)高分子結(jié)構(gòu)與性能、結(jié)構(gòu)與合成、性能與加工的關(guān)系，從定性到定量、從一次結(jié)構(gòu)到高次結(jié)構(gòu)、從靜態(tài)特性與動態(tài)性能等方面的理論和應(yīng)用的豐富數(shù)據(jù)中找出內(nèi)在的基本規(guī)則、規(guī)律。 2) 以找出的基本規(guī)律為依據(jù)，用數(shù)理方法或者模型方法求出滿足指定性能的高分子結(jié)構(gòu)模型。 3) 擬定設(shè)計、合成指定結(jié)構(gòu)高分子所需的合成方法、加工條件等，用盡可能少

5、的實驗、較低的成本、準(zhǔn)確地實現(xiàn)指定結(jié)構(gòu)和指定性能的高分子化合物的合成。,17,數(shù)理方法-基團貢獻,18,數(shù)理方法-基團貢獻,19,數(shù)理方法-基團貢獻,20,數(shù)理方法-基團貢獻,21,高分子設(shè)計方法,22,高分子設(shè)計方法,23,數(shù)理方法-基團貢獻,24,數(shù)理方法-基團貢獻,25,高分子設(shè)計方法,26,高分子設(shè)計方法,27,高分子設(shè)計方法,28,一個近似高分子設(shè)計的實例,第四纖維（卡納）,1935年，Carothers發(fā)明尼龍66，1938年工業(yè)化。 存在的問題：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）較低，只有 50oC，作衣料用時遇洗滌或加熱到 100oC 左右就不能充分保持形態(tài)，而且耐洗滌性、穩(wěn)定性都不很好，

6、用作工業(yè)纖維時或多或少存在著楊氏模量較低與剛性系數(shù)較低的問題。,尼龍66,29,模量與楊氏模量,一條長度為L、截面積為S的金屬絲在力F作用下伸長L。 F/S叫應(yīng)力，其物理意義是金屬絲單位截面積所受到的力； L/L叫應(yīng)變，其物理意義是金屬絲單位長度所對應(yīng)的伸長量。 應(yīng)力與應(yīng)變的比叫（彈性）模量。 楊氏模量，它是沿縱向的彈性模量，用E表示。楊氏模量(Youngs modulus)是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。 彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大 。 從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀

7、角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。凡影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、微觀組織、溫度等。,30,杜邦公司曾以提高 Tg 為目的，首先制成芳香族聚酰胺，即在尼龍主鏈結(jié)構(gòu)中引入苯環(huán)，減少分子鏈的柔性，提高熔點 Tm 和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg。,主鏈結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)上的共軛雙鍵又使纖維產(chǎn)生泛黃的缺點，后又改用環(huán)己烷環(huán)取代苯環(huán)，終于制成了第四纖維卡納，卡納的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 140oC，熔點從尼龍 66 的 230oC 提升到275oC。,31,從工業(yè)角度出發(fā)，高分子設(shè)計就更為復(fù)雜，其方法 可分為三個階段： 1) 適應(yīng)市場的產(chǎn)品功能和價格的產(chǎn)品設(shè)計 2)

8、 研究性能和價格并加以可選擇的材料設(shè)計 3) 制作材料的分子設(shè)計,32,高分子設(shè)計與合成中存在的困難,設(shè)計方面的困難：所積累的資料大都是定性的、經(jīng)驗性的或半定量的，高分子材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系還存在很多的空白，沒有完整系統(tǒng)的規(guī)律可尋，因而只能對某種結(jié)構(gòu)或物性作出局部或分段的分子設(shè)計，遠末達到按照結(jié)構(gòu)模型實施系統(tǒng)分子設(shè)計的程度。 合成方面的困難：高分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（如僅由 A和 B 兩種重復(fù)結(jié)構(gòu)單元連接而成的最簡單的共聚物，也有四種不同的連接方式，即嵌段共聚物、交替共聚物、無序共聚物和接枝共聚物）使得合成過程中合成目標(biāo)的控制也十分困難；合成還經(jīng)常涉及催化劑（或引發(fā)劑）問題，而催化劑的選擇本身是個難度極大的課題。,33,設(shè)計功能高分子材料的基本途徑: 化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計:即設(shè)計含有功能基團的高分子。 將特定的功能基團設(shè)計于高分子結(jié)構(gòu)中,使之成為功能高分子材料。 (2) 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計: 即從高分子分子鏈間的堆砌方式角度出發(fā)設(shè)計具有特定功能的高分子材料。 (3