第一章 功能材料概论

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1、1,功能高分子材料 Functional polymers,北理工珠海学院化工与材料学院 王莹,2,主要参考资料,1、功能高分子材料，焦剑 姚军燕主编，化学工业出版社，2007年 2、功能高分子材料化学（第二版），赵文元、王亦军编，化学工业出版社，2003年9月。 3、功能高分子材料，马建标、李晨曦编，化学工业出版社，2000年5月。,3,1986年，我国制定了高技术发展计划纲要，被评选列入的七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。,4,一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、超导材料、碳纤维、能量

2、转换材料等。 新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。,功能材料被誉为2l世纪人类文明的重要支柱,5,随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，更需要用高科技的方法和手段来生产新型的、功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。近年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。,第一章 绪论,6,日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。,7,近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5以上的速度增长，

3、相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。,8,功能高分子： 与常规聚合物相比具有明显不同的物理化学性能，并具有某些特殊功能（如化学活性、光敏性、导电性、催化活性、生物相容性、药理性能、选择分类性能等）的聚合物大分子。,1.1 .1 功能高分子材料的定义与研究内容,9,功能高分子与高性能高分子 性能：材料对外部作用或外部刺激的表征与抵抗的特性。 例如，对外力的抵抗表现为材料的强度、模量等；对热的抵抗表现为耐热性；对光、电、化学药品的抵抗，则表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。,10,功能：下图为材料的功能显示示意图。,指

4、向材料输入某种能量和信息，材料内部发生质和量的变化或其中任何一种变化（经过材料的储存、传输或转换等过程，）而产生的输出的特性。,例如，材料在受到外部光的输入时，材料可以输出电性能，称为材料的光电功能；材料在受到多种介质作用时，能有选择地分离出其中某些介质，称为材料的选择分离性。此外，如压电性、药物缓释性等，都属于功能的范畴。,11,1.1.2 功能高分子材料的特点,一、产量小、产值高、制造工艺复杂； 二、具有与常规聚合物明显不同的物理化学性能，并具有某些特殊功能； 三、既可以单独使用，也可以与其他材料复合制作成结构件，实现结构/功能一体化。,12,材料的功能按其功能的显示过程又可分为一次功能和

5、二次功能。,13,当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。 以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。,、一次功能,14,一次功能主要有下面的八种。 力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。 声功能。如隔音性、吸音性。 热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。 电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。,15,磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。 光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。 化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用

6、、生物化学反应、酶反应等。 其他功能。如放射特性、电磁波特性等。,16,当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。,、二次功能,17,二次功能按能量的转换系统可分为如下五类。,光能与其他形式能量的转换； 电能与其他形式能量的转换； 磁能与其他形式能量的转换； 热能与其他形式能量的转换； 机械能与其他形式能量的转换。,18,如光合成反应、光分解反应、光化学反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。,光能与其他形式能量的转换,19,如电磁效应、电阻发热效应、热

7、电效应、光电效应、电化学效应和电光效应等。,电能与其他形式能量的转换,20,磁能与其他形式能量的转换,如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。,21,热能与其他形式能量的转换,如激光加热、热刺激发光、热化学反应等。,22,机械能与其他形式能量的转换。,如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。,23,功能高分子材料至少应具有-,物理功能：导电、热电、压电、超导、形状记忆、磁化、光致变色等 化学功能：离子交换、催化、光分解等 介于化学和物理之间的功能：吸附、膜分离、高吸水、表面活性等 生物或生理功能：组织适应性、血液适

8、应性等,24,功能高分子材料科学是一门应用性很强的综合性学科，其主要研究内容： 功能高分子的分子结构、二次结构及高次结构的设计以及这些层次的结构与聚合物功能与性能之间的关系 功能高分子材料的合成原理与制备方法，多种功能结构的复合及加工工艺 功能高分子材料的应用，各种功能及性能的表征及研究方法,25,1.1.3 功能高分子材料的分类,（1）按照功能划分主要为： 物理功能高分子： 化学功能高分子： 生物功能和医用高分子： 其他功能高分子材料：,26,（2）按照性质和功能划分主要为9种类型 反应型功能高分子材料： 光敏型功能高分子： 电活性高分子材料： 膜型高分子材料： 吸附型高分子材料： 高性能工

9、程材料： 高分子智能材料： 医用高分子： 其他功能高分子：,27,（3）按照实际用途分类 医用、分离用 、高分子化学反应试剂、高分子染料等等高分子材料： 兼具多种功能； 不同功能之间相互转换和交叉； 智能化的特点。,28,功能高分子材料的结构与性能之间存在着密切的联系，材料的化学组成、分子结构、聚合物的微观形态、聚集态以及宏观形态直接影响着材料的宏观结构与材料的功能。 研究功能高分子材料的结构与功能之间的关系，可以指导开发更为先进、新颖的功能高分子材料。,1.2 功能高分子材料的结构与功能的关系,29,归纳功能高分子材料的结构，可分为以下几个结构层次： 、功能高分子的元素组成； 、功能高分子官

10、能团结构； C、功能高分子的链结构和分子结构； D、功能高分子的微观构象和聚集态； E、功能高分子的宏观结构；,1.2.1 功能高分子材料的结构层次,30,在功能高分子材料中，官能团一般起以下几种作用： 1、官能团的性质对高分子的功能起主要作用； 2、官能团与聚合物骨架协同作用； 3、聚合物骨架本身具有官能团的作用； 4、官能团起辅助作用。,1.2.2 化学组成和官能团与功能的关系,31,物理效应：挥发性，溶解性，熔点和沸点下降 支撑作用：使官能团疏密可调 模板效应：建立独特的局部空间环境 邻位效应：骨架的邻位效应 包络作用和半透性：选择透过 其他作用：,1.2.3 微观结构与功能的关系,32

11、,宏观结构包括聚合物的形态，如粉末、颗粒或球形、膜结构或块结构等，更细微的包括表面的粗糙度、微孔的数目和形态以及空隙率等。,1.2.4 宏观结构与功能的关系,33,1、通过已知结构和功能设计功能高分子 2、用仿生方式设计功能高分子,1.3 功能高分子的设计,34,功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。 功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型： 通过小分子或高分子的化学反应； 是普通聚合物与功能材料的复合，制备复合型功能高分子材料； 是通过特殊加工赋予高分子的功能特性 。,1.4 功能高分子材料的制备与加工,35,（1）功能型小分子的高分子化

12、（2）已有通用高分子材料的功能化 （3）在功能高分子引入多种功能基,1.4.1 化学方法制备功能高分子材料,36,（1）聚合包埋法 （2）已有通用高分子材料的功能化的物理方法 （3）功能高分子再度功能化的物理方法,1.4.2 物理方法制备功能高分子材料,37,掺混各种助剂填料，使其具有一定功能性。 液体-混合、悬浮、乳化或注射成型 固体-粉末化技术、造粒技术、薄膜、型材表面加工技术等,1.4.3 功能高分子材料加工,38,复合就是把两种以上组分材料组成一种新材料的方法；杂化的基本思想就是将原子、分子集团在几埃到几千埃的数量级上进行复合。,复合和杂化,39,杂化是在纳米数量级上进行，从而使各原材

13、料间的相互作用力与整体复合时不同，引起量子效应、表面能量效应等。这些现象对材料里的载流子的传输过程会产生很大的影响，使杂化材料的电学性质不再是各原材料的电学性质相加后的平均值，而可以说是相乘的结果。可以出现各向异性、超导电性等现象。,40,例如，在绝缘性高分子薄膜表面镀上一层薄金属层，以此做成电极进行吡咯的电解聚合，生成的聚毗咯在生成的同时形成了高分子薄膜中的导电通路，从而得到导电薄膜。 采用杂化技术，还可以制得具有特殊功能的非线性光学有机薄膜等等。杂化技术可以应用于高分子科学领域，也可以广泛地应用于其他领域。,41,1.5 功能高分子材料发展概况与展望,虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述

14、到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的历史。但是作为一门独立的完整的学科，功能高分子是从20世纪80年代中后期开始发展的。,42,最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的发明。 20世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子工业。 1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。 1966年little提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性。,43,1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯

15、一报道的超导性有机高分子。 20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。 1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。 这一切都反映了功能高分子日新月异的发展。,44,其中从20世纪50年代发展起来的光敏高分子化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去20多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、以及光致发光和光致变

16、色高分子材料都已经工业化。 近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性的进展。,45,反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。,46,电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物，聚合物电解质，聚合物电极的出现。此外超导、电致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成果，其中以电致发光材料制作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。,47,高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，也为电化学工业和医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在海水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备18万吨/日纯水设备的能力。,