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1、功能高分子杨 武 利复旦大学高分子科学系第一章 引言1.1 材料的重要性人类一切活动的物质基础，三大材料人类文明的发展标志石器时代，青铜时代，铁器时代，高分子时代，新石器时代(精细陶瓷)新技术革命 三大方面：电子工业，生物工程，新材料开发新材料是新技术发展的基础，先行官。例：i). 硅单晶材料ii). 超导材料，1911，超导理论各国对新材料开发的重视美、法、日等国当今新材料开发的特征之一 材料的功能化1.2. 高分子发展历史的简要回顾 19世纪中叶20世纪初，纤维素塑料，酚醛树脂，PVAc 20s，高分子概念的提出(Staudinger)纤维素分子量的测定：端基法，渗透压法，粘度法30s，N
2、ylon-66(1934, Carothers), PS(1931), PVC(1931).40s，二次大战，SBR50s，Z-Ncat60s，耐高温高分子Polymer chemistryPolymer physicsPolymer engineeringFunctional polymerChemistry Life sciencesEngineeringPhysics 50s80spolymer70s，高分子工业的低谷时期 PVC工厂关门石油危机，价格暴涨。油田高分子兴起80s90s，时代特征能源5%石油用作高分 子工业原料天然高分子的深度 开发，微生物植物 光合作用制备高分 子(PHB
3、) 材料轻量化，节能 ，高性能，特 种功能，功能高分子 环保与保健可持续发展战略， 绿色化学生物降解高分子 医用高分子可见高分子化学的发展方向与上述的三个时代特征都 是密切相关。聚合反应的优化：可控(立构、MW、MWD)，高效Cat，高反应速率。聚合产物的优化：接枝、嵌段、共混、复合、有机/无机杂化。活性阴离子，活性阳离子，活性卡宾聚合(ROMP)活性配位聚合，80s，Kaminsky Cat(茂金属Cat)90s，Brookhart Cat(非茂金属Cat)活性自由基聚合 (ATRP，RAFT) 基团转移聚合(GTP)21世纪，时代特征同80s，更强调环境与健康。医用高分子绿色化学 绿色反应
4、，绿色技术 绿色材料 合成生物活性物质生命化学反应，功能的研究，化学生物学 功能高分子 医用高分子新的药物 生物工程材料组织工程材料 软材料(智能水凝胶)纳米材料。EMEH和生命科学相结合材料科学的发展1.3. 定义，分类 (一)定义Speciality polymer，强调特种性能耐高温，高强度，高绝缘，等等。Fine polymer， 精细，产量小，价格高Functional polymer，Cf. High performance polymer在合成或天然高分子原有机械性能的基础上，再赋予 通用性能以外的特殊的物理、化学、生物等性能的高分子。对外来的(诸如光、电、压力、化学等等)刺激(
5、Stimuli) 能作出选择性和特征性的积极反应(active-reaction responses) 的高分子。 (二)分类 (今天的情况)1. 高分子分离功能材料 离子交换树脂，高分子膜，2. 光功能高分子 光致抗蚀剂，光能转换高分子，高分子光敏剂，稳定剂，光降解高分子，高分子导光纤维，等等 。 3. 电磁功能高分子 导电高分子，光导(电)高分子，超导高分子，高分子磁性体，高分子驻电体，隐形材料。4. 催化功能高分子 高分子试剂，高分子载体，模板聚合，固定化酶，高分子金属催化剂，模拟酶。5. 生物功能高分子 医用高分子：体内、体外；人工脏器等等药用高分子：药物的高分子化；高分子药物。生物降
6、解高分子，仿生高分子，人造血液6. 其他 高分子液晶，高吸水性树脂，高分子絮凝剂，减阻高分子，智能水凝胶，等等。(电子聚合物)化学刺激引起化学变化高分子试剂高分子固相合成模拟酶固定酶高分子催化剂功能高分子物理刺激引起化学变化换能材料信息转化材料射线化学能转换力化学能转换光化学能转换热敏性高分子光敏性高分子化学变化反应性 高分子材料应性材料 生物体适分离材料 物质移动物理变化 功能性高分子材料医用高分子 人工脏器，医用材料 医疗诊断材料医用高分子 医药 农药 药物控释体系应用技术 信息高分子的合和 仿生模拟 生物大分子DNARNA蛋白质多糖等光电磁功能材料非线性光学材料 高分子液晶显示材料 电致
7、发光材料 光电转换高分子 导光高分子 高分子磁性材料 性、热电性材料) 介电高分子(压电超导高分子 导电高分子 半导体高分子热力学功能 材料应力感应材料导热高分子环境感应性 高分子智能水凝胶高吸水性树脂功 能 高 分 子 分 类90s 高分子纳米 材料能动输送性 仿生膜选择透过性 分离膜选择吸收性吸附剂凝聚剂离子交换性 离子交换 树脂分子识别性 分子筛 离子交换纤维 活性炭 纤维1.4 意义和发展前景21世纪是生命科学的世纪生物高分子：多糖、蛋白质、核酸、类脂物。结构材料：纤维素、肽聚糖、角朊、骨胶原、生物膜。功能材料：贮存营养 糖元、淀粉、蛋白质、甘油三酸脂。信息存储与感知： DNA，m-R
8、NA，t-RNA, etc.呈现功能 ： 酶，抗体、血红朊、激素、核糖体、生物膜。功能器官：眼、耳、鼻、肠胃、肝、肾、细胞膜、神经、脑。(都是缩聚高分子！)光致抗蚀剂对电子工业发展的作用光刻胶的水平和电子工业发展的关系106105104103102 196065707580851K (15 )4K10K (10 )64K (5 )256K (1- 2 )16M (0.25 ) 64M 256M今后50年有关功能高分子发展的一些目标课题(部分)目标课题 预计实现年份 目标课题 预计实现年份多米诺型高分子的合成高生理活性的合成激素 和基因 (cf. 克隆技术？)高抗血栓性的材料人造肌肉新的聚合物药
9、物导热性高分子绝缘材料超导高分子高分子仿生感觉元件高分子太阳能电池浓缩海水中铀的高分子 吸附剂19952020199520311990200020002040199520151995202020002040199520251995201519902000自身修复高分子高分子识别力的人工酶可任意调节药物释放的高分子人工神经植入型人工肾高导电性高分子高分子强磁性体分子水平高密度存储元件分子筛功能的高分子膜高效气体交换膜(水中呼吸器、人工鳃)20002040199520151990200020102040199020001993200520002040200020401995200519952010
10、 80s以来，功能高分子是高分子科学研究中最活跃的领域。 功能高分子材料是各种功能材料中领域最为宽广，发展潜力最大。 仿生是功能高分子发展的重要方向。 功能高分子的发展将会给人类的生产、生活活动带来巨大变革(低材耗、低能耗、高性能、保护自然生态环境，等等)21世纪的发展分子电子器件 (纳米科技和纳米材料)分子功能材料(磁电、光电、热电)LB膜组装技术(分子电阻、分子整流、分子二极管、分子开关，等等)仿生技术 大脑： 10131015 bits/5050 cm2 41091011 bits/cm2现今集成电路水平： 1 chip (55) mm2 线宽：0.2 4107 bits/cm2随着纳米
11、科技的发展，分子电子器件得以实现的话，那么储存密 度达到大脑水平是可能的，不是太遥远的事！高分子工业的大品种： 热塑性塑料： PE, PP, PVC, PS热固性塑料：酚醛， 环氧， 氨基， 不饱和树脂合成纤维：PET, Nylon, PAN, PVA(占纤维总量的50)合成橡胶：SBR, 顺丁，氯丁，丁腈 ，丁基，乙丙(占橡胶总量的66%)产量(1995) 世界 中国1.19亿吨0.18亿吨0.1亿吨0.04亿吨0.02亿吨0.0043亿吨高分子材料大品种的优化，精细化，功能化。高附加价值化：中国石化总公司，世界排名第三 (第一，英，Shell, 第二，美，Exxon)1995，利税300亿(其中利润 3104 才有效
