功能高分子材料ppt

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1、第 7 章 功能高分子材料 7.1 概述 7.2 物理功能高分子材料 7.3 化学功能高分子材料 7.4 生物功能高分子材料 7.5 功能转换型高分子材料 7.6 其他功能高分子材料17.1 概 述 功能高分子材料的含义： 除了力学功能、表面和界面功能及部分 热学功能的高分子材料，主要包括物理 功能、化学功能、生物功能和功能转换 型高分子材料 分类：P255，图7-127.2 物理功能高分子材料 7.2.1 导电高分子材料 物质的导电性是由于物质内部的载流子（带 电粒子）的移动引起的 电导率：单位截面积、单位长度电阻的倒数 根据物质的电导率可把材料分为四类： （1）导体：102106/ -1

2、cm-1 （2）半导体： 10-10102/ -1 cm-13（3）绝缘体： 10-10/ -1 cm-1（4）超导体：在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料导电高分 子材料结构型填充型共轭高分子材料电荷转移高分子材料有机金属高分子材料 高分子电解质在高分子材料中添加 导电性物质如金属、 石墨后具有导电性47.2.1.1 共轭高分子导电材料载流子：高分子材料中的自由电子或空穴电子存在形式：（1）内层电子：紧靠原子核的内层，在正常电场下没有迁移能力（2）电子： 形成C-C单键的电子，处在成键原子的中间（3） n电子： 与杂原子结合，孤立时没有离域性5（4） 电子： p电子重叠产生，孤立存在时具

3、有有限离域性，电子可 在原子核周围运动，随 着共轭体系的增大，离 域性增加只有具有共轭电子体 系，高分子材料才可能 具有导电性（非充分而 是必要条件）6带隙为零是高分子材料成为导体的另一必要条件7减小带隙的方法：掺杂、减小键长交替作用和电子给体受体重复单元（1）掺杂所谓掺杂就是在具有共轭电子体系的高分子材料中发生电荷转移或氧化还原反应氧化型掺杂：p-型掺杂掺杂剂有碘、溴、三氯化铁和五氟化砷，电子受体还原型掺杂：n-型掺杂8掺杂剂为碱金属，电子给体掺杂后的电导率，P257，表7-2（2）减小键长交替作用聚乙炔的结构如果聚乙炔中所有的碳原子是等距离的，成键轨道 和反键轨道的能隙为零，电子可以自由运

4、动，聚乙 炔是导体；如果聚乙炔中的C-C单键的长度大于C=C双键，则聚乙炔是半导体，这就是键长交替作用 9 例如，聚噻吩 减小键长交替作用的方法： （1）增加双键特征10 例如，聚异萘噻吩 （2）芳香化 例如，聚对苯11 （3）掺杂 例如，聚苯胺的酸掺杂1213（3）强电子给体（D）-受体（A）相互作用增加双键特征引入电子给体-受体单元可减小带隙147.2.1.2 高分子电解质高分子电解质是指在高分子链上带有可离子化基团 的物质，属于离子导电型高分子材料载流子：离子，可以带正电荷，也可是负电荷分类：（1）按照形态可分为固体凝胶多孔聚苯乙烯磺酸盐、聚乙二醇或 聚氧化乙烯-锂离子、无规聚 醚-锂离

5、子电解质、无规梳状 聚醚-锂离子电解质聚丙烯腈-EC/PC-锂离子组成 的凝胶电解质；偏氟乙烯-六 氟丙烯共聚物的锂离子凝胶电 解质 15（2）按照离子类 型可分为阳离子型阴离子型双亲型16 7.2.2 有机高分子磁体 物质的磁性分为：抗磁性 顺磁性 反铁磁性 亚铁磁性 铁磁性强磁弱磁 居里温度Tc是表征材料磁性的一个临界温度 磁性材料是指在常温下表现为铁磁性的材料，典型 磁性材料的电子自旋源于金属或金属离子的d或f电 子轨道17 有机高分子材料具有铁或亚铁磁性满足条件 （1）获得高自旋 （2）使高自旋分子间产生铁磁性自旋偶合排列 有机高分子磁体分为两类： （1）纯有机高分子磁体 （2）金属络

6、合型有机高分子磁体 金属络合型有机高分子磁体包括：桥联型、 希夫碱型、二茂铁型和电荷转移盐型18 7.2.3 光学功能高分子材料 材料的光学性能包括光的透过、光的吸收、光的 散射、光的传输和发光 材料的透光率大于80%的是透明材料 透明高分子材料可应用于透镜、光纤等 材料在强光场作用下将产生非线性光学效应 光学功能高分子材料包括透明高分子材料、光纤通 讯高分子材料、光数据存储高分子材料、非线性光 学高分子材料、发光高分子材料、液晶高分子材料 和感光树脂197.2.3.1 光数据存储高分子材料光存储高分子材料：是以聚甲基丙烯酸甲酯或 聚丙二酸酯等为主链，分别含两类侧链的无定形聚 合物。分为两类：

7、（1）侧链含对光敏感的偶氮苯和菁基联苯等生色团分子信息存储机理是光化学激发偶氮苯的顺-反异构体变化诱导双折射20 受光激发后，偶氮 苯从反式变为顺式 ，利用光致异构化 可逆反应实现信息 的记录和删除。21（2）侧链含液晶基元液晶基元的作用是提高生色团的分子运动和稳定生色团吸收偏振光的取向，液晶基元和生色团在吸收偏振光后均倾向于取向，可以实现数据的存储和删除。P264，图7-9227.2.3.2 非线性光学高分子材料材料介质的电极化强度（P）与光波电场（E）的关 系P=0 (1)E + (2)E2+ (3)E3+其中，0为真空介电常数； (1)为线性光学极化率； (2)和(3)分别为第二阶和第三

8、阶非线性光学极化率当光强很弱时，P和E为线性关系当采用高能量光波辐射材料时会产生与光强有关的 光学效应，即非线性光学效应23 材料的极化响应与E不再是线性关系 非极性极化导致不同频率光波之间能量偶合 二阶非线性极化产生光倍频 三阶非线性极化产生三倍频 二阶非线性光学高分子材料的非线性光学性质是由 于受到入射光波作用后分子产生的电荷分布不对称 性而导致的二阶极化 产生有效二阶非线性光学性质的高分子材料是含有 杂环共轭单元或多烯桥与具有电子给体和受体基团 或非中心对称性结构的生色团分子组合的高分子材 料。P265，表7-3和7-10 24 解决二阶非线性光学高分子材料在高温条件下具有稳定非线性光学

9、响应和低光损失的途径： （1）在光型主链结构高分子材料的基础上接枝具有高玻璃化转变温度的生色团分子侧链； （2）引入交联的生色团分子键 三阶非线性光学高分子材料不要求分子具有非 中心对称性，但具有共轭键和电子给体-受体结构是有利的。257.2.3.3 光传输高分子材料高分子光纤光传输机理有阶跃型和梯度型两类阶跃型是用折射率低的包层包覆折射率高的芯层构 成两层结构，入射到芯层的光通过在芯层和包层的 界面上反复反射而被传播梯度型是折射率按从芯的中心部分向外以约为半径 的二次方的反比例逐渐降低，光会像透镜一样反复 聚焦于一点而传输光传输的速度和材料的折射率有关，折射率越大， 光传输的速度越慢 26

10、7.2.4 液晶聚合物 液晶态与晶态的区别是部分或全部失去结构的平移 有序性 液晶态与液态的区别是存在取向有序性 液晶即具有 液体的流动性又具有晶体的各向异性 液晶高分子材料是在一定条件下以液晶态存在的高 分子材料按生成条件热致液晶聚合物溶致液晶聚合物场致液晶聚合物 27根据液晶相态有序性向列型近晶型胆甾型见图7-1128 液晶聚合物大都含有液晶基元和柔性间隔基 液晶基元具有刚性和有利于取向的外形，如长棒 状和盘碟状 常见的液晶基元的核心成分是1,4-亚苯基 根据液晶基元在高分子链结构的位置主要可分为 ：主链型、侧链型、复合型和树枝型 （1）主链型液晶聚合物 由液晶基元和间隔基组成 主链型液晶

11、聚合物显示了高强度、高模量的特点 ，既可以作为结构材料也可作为功能材料应用29 例如，聚对苯二甲酰对苯二胺、液晶聚酯 （2）侧链型液晶聚合物 由高分子主链、液晶基元和间隔基组成 主链型液晶聚合物显示了特殊的光、电、磁性能 ，可以作为信息显示、信息存贮、非线性光学等 功能材料应用 例如，聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯类30 （3）盘状液晶聚合物 含盘状液晶基元的聚合物 （4）手性液晶聚合物 含不对称碳原子的液晶聚合物3132 含薄荷酮基团的手性液晶聚合物在光照下可发生E -Z异构转变33 7.2.5 固-固相转变高分子材料 高分子材料从结晶态转变到无定形态和从一种晶型 转变到另一种晶型属于固-固相变

12、 相转变材料：具有热能贮存和温度调节功能的物质 相转变高分子材料：利用物质相变的热量进行热能 贮存和温度调节的高分子材料 主要种类： （1）交联高密度聚乙烯 （2）高分子/多元醇复合物 （3）聚乙二醇复合纤维 （4）PEG/纤维素共混物 347.3 化学功能高分子材料 7.3.1 高分子试剂和高分子催化剂 高分子试剂是通过官能基化把有机合成反 应中的试剂或反应底物键合到高分子链上， 并用该高分子支载的试剂或反应底物进行有 机化学反应35 分类： （1）高分子支载的反应底物 将反应底物通过化学反应结合到高分子载体上得到 高分子支载的底物，然后与小分子试剂反应得到高 分子支载的产物 （2）高分子支

13、载的小分子试剂 根据用途，分为以下几类： 氧化还原试剂：醌型、硫醇型、吡啶型、聚合三茂铁型和聚合多核杂芳环型36 氧化试剂：聚苯乙烯过氧酸、高分子硒 还原试剂：聚苯乙烯金属锂化合物、聚苯乙烯磺酸肼 卤代试剂：二卤化磷型、N-卤化亚胺型和三价碘型 酰基化试剂：高分子活性酯、高分子酸酐 烷基化试剂：硫甲基锂型、高分子金属络合物和叠氮型 亲核试剂：37 高分子催化剂：是将具有催化活性的功能基 或小分子通过共价键、配位键或离子键结合到 高分子载体上形成的固体催化剂 作用是降低化学反应的活化能加快反应速度 主要有四类： （1）离子交换树脂 即高分子酸碱催化剂，在化学反应中取代小分 子酸碱进行应用38 （

14、2）高分子金属催化剂 高分子负载催化剂：将具有催化作用的金属物质 以物理方式固定到高分子链上得到的高分子金属催 化剂 高分子键合催化剂：将具有催化作用的金属物质 以化学键和的方式固定到高分子链上得到的高分子 金属催化剂 树枝高分子催化剂：将具有催化作用的金属物质引 入到树枝高分子的表面、支化单元或芯上得到的高 分子金属催化剂39 （3）有机-水相催化剂 指在反应中能与阴离子形成离子对或与阳离 子形成络合物，从而增加这些离子化合物在 有机相的溶解度使反应速度提高的催化剂 含亲酯性的季铵盐、磷鎓盐、非离子型的冠 醚类 （4）手性催化剂 合成手性化合物用的催化剂40 7.3.2 高分子分离膜和膜反应

15、器 高分子分离膜是能起到膜分离作用的膜材料 膜分离就是利用薄膜对混合物组分的选择性 透过使混合物分离 判断高分子分离膜效率的指标： （1）膜的透过性（透过速度） 透过性是指测定物质在单位时间和单位压力 差下透过单位面积分离膜的绝对量，用mol或 ml表示41 （2）膜的选择性（分离系数） 选择性是指在同等条件下测定物质（B）透过 量与参考物质（A）透过量之比42 膜分离过程的形式： （1）过滤式分离 由于组份分子的大小和性质不同，透过膜的速 度不同，因而透过部分和留下部分的组成不同 ，实现组份分离 （2）渗析式分离 料液中的某些溶质或离子在浓度差或电位差的 推动下，透过膜进入接受液中而被分离43 （3）液膜分离 液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相间的 传质分离类似于萃取和反萃取，溶质从料液进 入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接受液 相当于反萃取 （4）蒸发分离 利用料液两组份的沸点不同，当通过分离膜时 组分1从液相变为气相，而组分2维持液相得到 分离。441. 液体分离膜 分为三类： （1）微滤膜