功能高分子材料 课件-1功能高分子概述

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1、2019/1/17,1,功能高分子材料 Functional polymers,2019/1/17,2,参考书,1、马建标. 功能高分子材料M. 化学工业出版社. 2002. 2、赵文元, 王亦军. 功能高分子材料化学M.化学工业出版社. 2003. 3、林保平. 功能高分子, 自编讲义.,2019/1/17,3,第一章 功能高分子概述,1、绪言 1.1 高分子科学的历史回顾 高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。 1839年，美国人Goodyear发明硫化橡胶。 1855年，英国人Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。 1889年，法国人De Chardonnet（夏尔多内）发

2、明人造丝。 1907年，酚醛树脂诞生。,2019/1/17,4,第一章 功能高分子概述,1920年，德国人Staudinger发表了“论聚合”的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。 1935年，Carothes发明尼龙66，1938年工业化。 30年代，一系列烯烃类加聚物被合成出来并工业化，PVC（19271937），PVAc（1936），PMMA（19271931），PS（19341937），LDPE（1939），自由基聚合得到了蓬勃发展。,2019/1/17,5,第一章 功能高分子概述,高分子溶液理论在30年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。Flo

3、ry为此获得诺贝尔奖。 40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（1937），丁腈橡胶（1937），丁基橡胶（1940），有机氟材料（1943），ABS（1947），涤纶树脂（19401950）。 50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂，制得高密度PE和有规PP，低级烯烃得到利用。,2019/1/17,6,第一章 功能高分子概述,1956年，美国人Szwarc发明活性阴离子聚合，开创了高分子结构设计的先河。 50年代后期至60年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（1956）、聚碳酸酯（1957）、聚酰亚胺（1962）、聚砜（1965）

4、、聚苯醚（1964）。 60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。 特种高分子：高强度、耐高温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。,2019/1/17,7,第一章 功能高分子概述,功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜 等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。 80年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现和发展。 新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、活性自由基聚合、等离子聚合等等； 新结构的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含C60聚合物等等。,2019/1/17,8,第一章

5、功能高分子概述,1.2 基本概念 功能高分子与高性能高分子 性能：材料对外部作用的抵抗特性。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。,2019/1/17,9,第一章 功能高分子概述,功能：指从外部向材料输入信号时，材料内部发生 质和量的变化而产生输出的特性。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、药物缓释放性等，都属于功 能的范畴。,2019/1/17,10,第

6、一章 功能高分子概述,因此： 功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出响应的高分子材料。 高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。 它们都属于特种高分子材料的范畴。,2019/1/17,11,第一章 功能高分子概述,特种高分子是相对于通用高分子而言的。 通用高分子材料：应用面广量大，价格较低。 根据其性质和用途可分为五个大类：化学纤维、塑 料、橡胶、油漆涂料、粘合剂。 特种高分子材料：带有特殊物理、力学、化学 性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超 出了原有通用高分子材料的范畴。,2019/1/17,12,第一章 功能高分子概述,从实用的角度看，对功能材料来

7、说，人们着眼 于它们所具有的独特的功能；而对高性能材料，人 们关心的是它与通用材料在性能上的差异。 特种高分子和功能高分子是目前高分子 学科中发展最快、研究最活跃的新领域。,2019/1/17,13,第一章 功能高分子概述,1.2 功能高分子材料的类型 日本著名功能高分子专家中村茂夫教授认为， 功能高分子可从以下几个方面分类： 1. 力学功能材料 1) 强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等； 2) 弹性功能材料，如热塑性弹性体等。,2019/1/17,14,第一章 功能高分子概述,2. 化学功能材料 1) 分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分 子络合物等； 2) 反应功能材料，如高分

8、子催化剂、高分子试剂； 3) 生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。,2019/1/17,15,第一章 功能高分子概述,3. 物理化学功能材料 1) 耐高温高分子，高分子液晶等； 2) 电学功能材料，如导电性高分子、超导高分子， 感电子性高分子等； 3) 光学功能材料，如感光高分子、导光性高分子， 光敏性高分子等； 4) 能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高 分子等。,2019/1/17,16,第一章 功能高分子概述,4. 生物化学功能材料 1) 人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等； 2) 高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等； 3) 生物分解材料，如可降解性

9、高分子材料等。 这一分类，实际上包括了所有特种高 分子材料。,2019/1/17,17,第一章 功能高分子概述,国内一般采用按其性质、功能或实际用途划分 特种和功能高分子材料的划分普遍采用的方法，具 体可划分为8种类型。 1. 反应性高分子材料，包括高分子试剂、高分子催 化剂和高分子染料，特别是高分子固相合成试剂和 固定化酶试剂等。 2. 光敏型高分子，包括各种光稳定剂、光刻胶，感 光材料、非线性光学材料、光导材料和光致变色材 料等。,2019/1/17,18,第一章 功能高分子概述,3. 电性能高分子材料，包括导电聚合物、能量转换 型聚合物、电致发光和电致变色材料以及其他电敏 感性材料等。

10、4. 高分子分离材料，包括各种分离膜、缓释膜和其 他半透性膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、 高分子絮凝剂等。,2019/1/17,19,第一章 功能高分子概述,5. 高分子吸附材料，包括高分子吸附性树脂、高吸 水性高分子、高吸油性高分子等。 6. 高分子智能材料，包括高分子记忆材料、信息存 储材料和光、磁、pH、压力感应材料等。 7. 医药用高分子材料，包括医用高分子材料、药用 高分子材料和医药用辅助材料等。 8. 高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高温高 分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子 材料和功能纤维材料、生物降解高分子等。,2019/1/17,20,第一章 功能高分子概

11、述,1.3 功能高分子材料的发展与展望 1.3.1 功能高分子发展的背景 1. 经济发展的需要 自从1920年施道丁格（H.Staudinger）建立大分 子概念以来，高分子材料以惊人的速度得到发展。 至20世纪60年代，高分子材料工业化已基本完善， 解决了人们的衣着、日用品和工业材料等需求。通 用高分子和工程用高分子的世界总产量已超过几千 万吨/年，特种高分子则为几十万吨/年。,2019/1/17,21,第一章 功能高分子概述,1973年和1978年两次世界性的石油大危机，使 原油价格猛涨。以石油为主要原料的高分子材料成 本呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。在 这样的经济背景下，迫使人

12、们试图用同样的原材 料，去制备价值更高的产品。功能高分子在这种外 部条件促使下迅速地发展了起来。 从表11的数据可以看出，发展功能高分子材料 可以获得较高的经济效益。,2019/1/17,22,第一章 功能高分子概述,表11 各种高分子材料的产量和价格比*,* 价格比以通用高分子为1计。,2019/1/17,23,第一章 功能高分子概述,2. 科学技术发展的需求 8090年代，科学技术有了迅速发展。能源、信 息、电子和生命科学等领域的发展，对高分子材料 提出了新的要求。即要求高分子材料具有迄今还不 曾有过的高性能和高功能，甚至要求既具有高功能 亦具有高性能的高分子材料。,2019/1/17,2

13、4,第一章 功能高分子概述,新能源的要求: 太阳能和氢将成为今后的主要能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅材料已进入了实用阶段。然而，按现在的能量转换效率，对单晶硅的需要量实在太大。以日本为例，若利用太阳能达到当前日本电力的1，就需单晶硅至少2.7万吨。这相当于日本目前单晶硅总产量的90倍。为此，人们把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子分离膜的利用。,2019/1/17,25,第一章 功能高分子概述,2019/1/17,26,第一章 功能高分子概述,2019/1/17,27,第一章 功能高分子概述,交通和宇航技术的要求: 既高速又节约能源是 交通运输和宇航事业迫

14、切需要解决的课题。采用功 能高分子材料，在一定程度上解决了该难题。就目 前的成就来看，波音757，767飞机采用Kavlar增强 材料（一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强 的材料），可省油50。汽车工业采用高分子材料 而实现轻型化，从而达到省油和高速的目的。,2019/1/17,28,第一章 功能高分子概述,微电子技术的要求: 高度集成化是微电子工业发展的趋势。存储容量迅速增加, 相应的电路细度迅速减少。因此，高功能的光致抗蚀材料（感光高分子）已成为微电子工业的关键材料之一。,2019/1/17,29,第一章 功能高分子概述,2019/1/17,30,第一章 功能高分子概述,前基板,汇流电

15、极透明电极,透明介质层,黑条,MgO保护层,后基板,数据电极,障壁,荧光粉,封接浆料的涂布烧结,前 工 序,后 工 序,排气充气封孔,检测,2019/1/17,31,第一章 功能高分子概述,生命科学的要求: 人类对生命奥秘的探索，对 建立一个洁净、安全的世界的渴望，对征服癌症等 疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。 例如，生物分离介质的研制成功，使生命组成的各 种组分能得以精细地分级，对生命科学的贡献将是 十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大 减缓白色公害对人类的危害。,2019/1/17,32,第一章 功能高分子概述,总之，功能高分子材料在国民经济建设和日常 生活中将发挥越来

16、越重要的作用，发展前景不可估 量。当然，目前的成就尚处于十分初级的阶段，有 待于进一步研究和探索。,2019/1/17,33,第一章 功能高分子概述,1.3.2 功能高分子的发展历程与展望 虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到 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。,2019/1/17,34,第一章 功能高分子概述,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。,2019/1/17,35,第一章 功能高分子概述,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 一报道的超导性有机高分子。