新型功能材料2讲解

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1、第三单元 新型功能材料 3.5 光导纤维 3.5.1 光导纤维及光导原理 光导纤维是一种由折射率较大的纤芯和折 射率较小的包层构成的可以自由弯曲的导光 材料。 光纤的作用是将始端的入射光线传输到终 端，利用光来传输信息和图像。 1871年，英国物理学家 丁达尔作的演讲实验 1) 光导纤维的特性 传输损耗小 引起损耗的主要原因是光的吸收与散射 传输频带宽 机械性能好 光纤极细且很长，要求它具有很高的强度和 抗疲劳能力 2)分类 一类是芯皮型结构光导纤维。中央有一根芯，直径只 有几十微米，芯的四周是一圈包覆层。芯是用折射率 高的透明玻璃材料做成的，包覆层则是用折射率低的 玻璃或塑料做成的。 另一类

2、光导纤维叫目聚焦纤维，这类光导纤维好像是 由许多微型透镜组成的，能迫使入射光线逐渐自动地 向纤维的中心轴方向靠拢，进行聚焦，由此保证入射 光线不会从纤维材料中漏出去。 光纤横截面结构示意图 n1 n2 光导纤维 光纤传输像 光在光导纤维中的传播 在光纤中，光的传送利用光的全反射原 理， 当入射进光纤芯子中的光与光纤轴线的 交角小于一定值时，光线在界面上发生全反射 。这时，光将在光纤的芯子中沿锯齿状路径曲 折前进，但不会穿出包层，完全避免了光在传 输过程中的 折射损耗。 Ray Picture of Optical Fibers (N.A) （2）聚合物光纤 3.5.2 光纤材料 （1）石英玻璃

3、光纤 （3）非氧化物光纤 （4）晶体光纤 石英光纤母体材料的制备方法示意图 化学气相沉积法制石英光纤 2000左右 加热熔化预型件 拉丝过程最重要的是 控制纤维直径的恒定。 为此必须严格稳定 炉温和控制气氛的变化。 拉丝装置 3.5.3 光导纤维的应用 上图为6芯光缆 上图为现代通信用的光缆， 是光导纤维制作的左图为48 芯光缆的横断面 工业内窥镜 光学纤维变换器 医学纤维镜 电耦合器件连接器 交通信号指示灯 光学纤维板 传感和传能光纤 用光导纤维制作的内窥 镜，可以观察人体的内 脏 3.6 液晶材料 4,4-二甲氧基氧化偶氮苯 熔点116，形成浑浊液体；134时突变为透明液体 液晶物质的相态

4、变化 液晶 Liquid Crystal 液晶小分子 液晶高分子 高分子量 分子取向 特 性 高强度、高模量航天，航空 膨胀系数小光导纤维被覆 微波吸收系数小，耐热性好微波炉具 铁电性显示器件 高流动 3.6.1 液晶的化学结构 液晶基元：高分子液晶中具有一定长径比的结构单元。 液晶 基元 棒状(或条状) 长径比大于4 双亲性分子 盘状 轴比小于1/4 热致型：依靠升高温度，在某一温度范围内形成 溶致型：依靠溶剂溶解，在一定的浓度范围内形成 早期的液晶大多是刚性棒状的 分子 中心桥键的结构与液晶性能密 切相关 苯六正烷基羧酸酯 无中心桥键，对光、电具 有很高的稳定性，粘度特 别低 聚对苯二甲酰

5、对苯二胺 高分子液晶 3.6.2 分类 近晶型：分子排列方向一致，成层状。分子层之间 可以相对滑动，分子在本层内可以活动。各方向上 粘度都很大。 向列型：分子轴平行排列，棒状分子很容易沿流动 方向取向而具有很好的流动性。 胆甾型：分子平行排列成层状，各层的分子轴向依 次规则地转过一定的角度，形成螺旋结构。 根据液晶分子的排列形式与有序性 近晶型 向列型 胆甾型 液晶的扭曲效应液晶的扭曲效应 6.3 应用 目前广泛普及的LCD的一种就是基于这种方式，在白的背 景下可以显示黑，在黑的背景下可以显示白。 液晶电子表液晶电子表 液晶显示器 液晶显示器的构造 图为用于仪表数字显示的反射式TN型LCD的端

6、面结构。 反射式TN型LCD的端面结构 玻璃基板 透明电极 外周封接剂 分子取向层 偏振片 偏振片 分子取向层 液晶 透明电极 玻璃基板 反射板 液晶显示器的驱动 各种驱动电极的结构各种驱动电极的结构 液晶显示器驱动用电极结构及其用途： 1、段电极段电极，主要用于数字显示、模拟图形显示 ； 2、固定图案电极固定图案电极，用于符号显示、图案显示； 3、矩阵电极矩阵电极，字符显示、图形显示、电视画面 显示。 液晶显示器 垂直线性偏光 器 玻璃薄片 透明X电极 校准层 液态晶体流 校准层 透明Y电极 玻璃薄片 水平线性偏光 器 DSTN（dual-scan twisted nematic， 双扫描交

7、错液晶显示） ， 被动矩阵（无源矩阵） TFT（thin film transistor，薄膜晶体 管显示）， 积极矩阵（有源矩阵） 红、绿、蓝三色液晶混合，形成一个象素。 控制红 、绿、蓝三个色点的电压，让不同浓度的三色混合， 就形成所需的各种颜色。 整个TFT显示器的屏幂就 是由一格格的像素点构成，每一个点都有一个晶体管 控制。 3.7 分离膜 分离膜：一种能有效选择分离提取所需 物质的高功能膜。 高的透过速率，高的分离系数，节能， 环保。 广泛用于饮食、医药卫生、生物技术、 化工冶金、空气分离、环境等领域。 3.7.1 膜分离技术的发展简史 其发展的历史大致为： 30年代微孔过滤；40年

8、代透析； 50年代电渗析；60年代反渗透； 70年代超滤和液膜；80年代气体分离； 90年代渗透汽化。 此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分 离与其它分离过程结合的集成过程(Integrated Membrane Process)也日益得到重视和发展。 1950年W.Juda试制出选择透过性能的离子交换膜 ，奠定了电渗析的实用化基础。1960年洛布 (Loeb)和索里拉简 (Souriringan)首次研制成世界上 具有历史意义的非对称反渗透膜，这在膜分离技 术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入 了大规模工业化应用的时代。 3.7.2 膜的分类 按孔径大小分：致密膜、多孔膜、纤维质

9、膜。 致密膜：聚合物填充成分子状，孔径0-1.5nm， 适合于反渗透、渗析、电渗析等操作。 多孔膜：孔径5nm-1微米，孔大小既是胶体粒子 的大小。适合超过滤、膜过滤等操作。 纤维质膜：孔径2微米以上，相当于纸的二次结 构，用于大分散质的过滤操作。 按结构分类 1. 对称膜： 结构与方向无关的膜，孔径不规则 或一定。 2. 非对称膜： 分离层（活性膜）和多孔支持膜 ， 活性膜要朝向待浓缩的原液层， 两层膜是 同一种材料。 3 复合膜： 活性膜层沉积于具有微孔的底膜（ 支撑层）表面上， 表层与底层是不同的材料， 膜的性能与活性膜和底层膜都有关系 4. 荷电膜（离子交换膜）： 含有溶胀胶载 着固定

10、的正电荷或负电荷。 阴离子交换膜：带正电荷 阳离子交换膜：带负电荷 5. 微孔膜（0.0520m） 6. 动态膜： 在多孔介质上沉积一层颗粒物 作为有选择作用的膜， 沉积层与溶液处于 动态平衡， 可在高温下应用，膜更新容易 ，不稳定。 典型的非对称膜结构 3.7.3 膜的分离原理 1 渗透（osmosis）和透（渗）析（dialysis） 渗透是一个扩散过程，在膜两边渗透压差的 作用下溶剂产生流动。 透析是利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质 从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧 从而得到分离的过程。 2. 反渗透（reverse osmosis） 在膜的两边造成一个压力差，并使其大于 渗透压

11、，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的溶 液进一步浓缩。 3. 超滤（ultrafiltration） 应用孔径为10到200 的超过滤膜来过滤含 有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细 粒子从溶液中分离。 4. 微过滤（microfiltration） 利用孔径大于0.02m直到l0m的多孔膜来过滤 。应用领域极其广阔，目前的销售额在各类膜 中占据首位。 5. 电渗析（electrodialysis） 在电场中交替装配的阴离子和阳离子交 换膜，在电场中形成一个个隔室， 使 溶液中的离子有选择地分离或富集。目 前主要用于水溶液中除去电解质(如盐水 的淡化等) 6. 气体透过（gas permeat

12、ion） 气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解 和扩散性能的不同，即渗透速率的不同 来实现分离的技术，具有很大的发展前 景。 几种主要分离膜的分离过过程 膜过过程推动动力传递传递 机理透过过物截留物膜类类型 微滤滤压压力差颗颗粒大小形状水、溶剂剂溶解物悬悬浮物颗颗粒纤维纤维 多孔膜 超滤滤压压力差分子特性大小形状水、溶剂剂小分子 胶体和超过过 截留分子量 的分子 非对对称性膜 纳滤纳滤压压力差离子大小及电电荷 水、一价离子、 多价离子 有机物复合膜 反渗透压压力差溶剂剂的扩扩散传递传递水、溶剂剂溶质质、盐盐 非对对称性膜复 合膜 膜过过程推动动力传递传递 机理透过过物截留物膜类类型 渗析浓浓度差

13、溶质质的扩扩散传递传递低分子量物、离子溶剂剂非对对称性膜 电电渗析电电位差 电电解质质离子的 选择传递选择传递 电电解质质离子 非电电解质质， 大分子物质质 离子交换换膜 气体分离压压力差 气体和蒸汽的 扩扩散渗透 气体或蒸汽 难难渗透性气 体或蒸汽 均相膜、复合 膜，非对对称膜 渗透蒸 发发 压压力差选择传递选择传递易渗溶质质或溶剂剂 难难渗透性溶 质质或溶剂剂 均相膜、复合 膜，非对对称膜 液膜分离浓浓度差 反应应促进进和 扩扩散传递传递 杂质杂质溶剂剂 乳状液膜、支 撑液膜 续上表 3.7.4 膜材料及膜的制备 1 膜材料 用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合 成的有机高分子材料和无

14、机材料。 原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料 均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化 膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要 求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜 的制备技术。 目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯 类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说， 已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已 被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类 膜占53，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占11.7，其 他材料的膜占2，可见纤维素酯类材料在膜材料中 占主要地位。 1） 纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1, 4甙(dai)链连接起来的天然线性

15、高分子化合物 ， 其结构式为： 从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。 在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能 与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维 素或三醋酸纤维素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH 醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。 醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在 下易发生水解。为了改进其性能，进一步提高分离 效率和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤 维素的混合物来制膜，也可采用醋酸纤维素与硝酸 纤维素的混合物来制

16、膜。此外，醋酸丙酸纤维素、 醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。 纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范 围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因 此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。 2） 非纤维素酯类膜材料 （1）非纤维素酯类膜材料的基本特性 分子链中含有亲水性的极性基团； 主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有 高的抗压密性和耐热性； 化学稳定性好； 具有可溶性； 常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、 聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。 （2）主要的非纤维素酯类膜材料 （i）聚砜类 聚砜结构中的特征基团为 ，为了引入亲水基 团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行 磺化。 聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、 二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。 聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定 性，强度也很高，pH值适应范围为1