功能高分子材料及制备幻灯片

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1、精细化工试验技术,第十六章 功能高分子材料 一、功能高分子材料及其分类 二、功能高分子材料的应用 三、功能高分子材料的发展概况 实验三十四 高吸水性树脂的制备 实验三十五 光致变色聚合物的制备,功能高分子材料,一、功能高分子材料及其分类 功能高分子材料称为精细高分子或特种高分子，至今还没有一个准确的定义，一般是指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有特殊的物理功能和化学功能的高分子及其复合材料。 功能高分子材料与普通聚合物材料相比，具有明显不同的物理化学性质和某些特殊功能（例如光、电、磁、吸附、分离、催化、着色等性能）的聚合物材料

2、。,功能高分子材料,功能高分子材料的分类方法有多种，这里我们只只介绍一种(用途分类)： （1）高分子催化剂 一类具有化学反应催化功能并主要用于有机化学反应的功能高分子材料，主要包括 高分子酸碱催化剂 高分子金属络合物催化剂 高分子相转移催化剂,（2）高分子试剂 一类参与有机化学反应并充当反应底物或试剂的功能高分子材料，该类功能高分子材料往往可以通过再生循环使用。,高分子还原剂,高分子氧化剂,高分子卤代试剂,高分子酰基化试剂,高分子氧化还原剂,（3)离子交换高分子材料（离子交换树脂） 一类能够与溶液中的阴离子或阳离子发生交换的功能高分子材料。 阴离子型离子交换树脂 阳离子型离子交换树 两性离子交

3、换树脂,（4）导电高分子材料 一类具有较高导电率的功能高分子材料，主要包括电子型导电高分子材料. 聚乙炔在参杂下的导电率能和铜媲美，但是不稳定，不过目前已研制出一种加压性导电橡胶，只有加压下才有导电性。,（5）液晶高分子材料 一类既具有液体的流动性又具有晶体的有序性的功能高分子材料，主要包括 向列型高分子液晶 近晶型高分子液晶 胆甾醇型高分子液晶,（6）吸附高分子材料 一类具有多孔结构、对某些物质分子或离子具有特定吸附能力的功能高分子材料。 非极性吸附树脂 中极性吸附树脂 极性吸附树脂 强极性吸附树脂,(7) 高分子分离膜材料 一类对气体分子或液体分子具有选择性透过的功能高分子材料。,离子交换

4、膜 渗析膜 超滤膜 反渗透膜 渗透蒸发膜 气体渗透膜,（8）医用高分子材料 一类在医学上使用并具有治疗、修复等作用的功能高分子材料。 人造血管、人造心肺、人造皮肤、人造关节、人造尿道,（9）光敏高分子材料 在光（主要是紫外光）作用下发生物理化学反应并能改变聚合物分子结构的功能高分子材料 光敏涂料 光刻胶 高分子光稳定剂 高分子荧光剂 光能转换材料,（10）高分子电解质 在极性溶剂（例如水）中能够离解、生成许多小分子离子、而本身成为聚合物离子的功能高分子材料 阴离子高分子电解质、阳离子高分子电解质和两性高分子电解质。,（11）高分子染料 一类分子结构上具有发色体并具有染色能力的功能高分子材料，广

5、泛应用于油墨、涂料、纺织品、塑料、化妆品等领域。,功能高分子材料,二、功能高分子材料的应用 功能高分子材料的关键在于实现其中的“功能”。关于功能高分子材料的应用囊括领域甚广，不能一一谈到，下面举出几个具体实例：做成絮凝剂利用其吸附功能提取稀有金属，制成雅典高分子利用其力电效应功能做机器人触感材料，制成光弹材料利用其光力效应应用于无损探伤等。 功能高分子材料也可以应用到生物传感器中，C.Malitesta等人第一次成功地利用葡萄糖作为模板进行电聚合反应合成印迹聚合物，该聚合物被应用到硝酸盐选择性电位差传感器装置中。,三、功能高分子材料的发展概况 高分子材料可以人为合成，那是不是代表着人们可以随心

6、所欲的合成自己需要的材料呢？答案当然是否定的。就目前人类的科学发展水平来看，想随心所欲的合成高分子材料是不可能的。 随着高分子材料合成与加工的技术进步塑料在各行业得到广泛、深入的应用。各行业所采用的塑料制品大不相同对制品的材质、性能等方面的要求各有其特殊性。塑料助剂、树脂原料和塑料加工机械一起组成了塑料加工的三大基本要素。此外加工工艺水平、配方技术以及相关配套服务设施也成为完美展现塑料制品性能的不可或缺的因素。那么功能高分子究竟会有怎么样的发展呢？,功能高分子材料,我们必须改善高分子材料对资源的依赖。使之成为低碳资源，易回收再利用；另外开辟新型功能材料产业，进军高分子导电材料的新进展方向，高分

7、子材料生物降解性能的进展方向。最后，智能高分子材料是材料研究的新领域，科研人员将会对这一新领域投入更多研究。,功能高分子材料,实验三十四 高吸水性树脂的制备 一、实验目标 1理解高吸水性树脂制备的基本原理； 2掌握实验室中沉析、真空干燥等常见的操作。 二、产品特性与用途 高吸水性树脂或称超吸水性树脂（SAR），是指能吸收自身质量几百倍甚至上千倍水分的高分子聚合物，在日常生活、农业、医药及其他工业部门有广泛用途。例如，高吸水树脂可用作香料载体、尿不湿的吸水材料；农业上用作园艺保水剂；工业上用作油水分离材料、污水处理剂、溶剂脱水剂；医药上用作人工肾脏过滤材料、血液吸附剂等，其很多用途正处于开发研究

8、之中。,高吸油性树脂,功能高分子材料,三、实验原理 本实验以淀粉、丙烯腈为原料制备高吸水性树脂，主要的化学反应有两个，即接枝反应和水解反应。接枝反应是以水为介质，以铈盐为引发剂，将丙烯腈接枝到已糊化的淀粉链上。水解反应是在氢氧化钠的作用下，将接枝聚合物侧链上的腈基转变为酰胺基和羧酸盐基。其反应式如下： 接枝反应： Rst+Ce4+Rst+Ce3+ (Rst代表淀粉，下同),功能高分子材料,水解反应： 作为吸水材料必须具备两个条件：一个是自身带有较多的吸水基团；二是本身不溶于水。本实验制备的树脂是以淀粉为骨架，与丙烯腈接枝共聚成高分子化合物，不溶于水，侧链上的腈基又经过水解转化为亲水性很强的羧酸

9、盐基和酰胺基，使其具有极强的吸水性。因此，水解反应是使接枝共聚物实现其吸水性关键的一步反应，而水解反应条件选择的好坏直接影响到高吸水性树脂吸水性的高低。,功能高分子材料,四、主要仪器与药品 1主要仪器 电热恒温水浴锅，电动搅拌器，500mL三口烧瓶以及氮气钢瓶等。 2主要药品 玉米淀粉，市售；丙烯腈，AR；硝酸铈铵，AR；氢氧化钠，AR；硝酸，AR；95%(v/v)乙醇，CP。 五、实验内容与操作步骤 1. 称量淀粉10克装入三口烧瓶内，加200mL蒸馏水搅拌制成淀粉浆。在氮气保护下，在8085糊化3040min，然后冷却到2040。,与丁二烯-苯乙烯共聚可以得到ABS热塑型高分子材料,功能高

10、分子材料,2. 将硝酸铈铵用1mol/L的硝酸配成0.1g/mL的溶液，取3mL硝酸铈铵溶液与16克丙烯腈混合，配制成丙烯腈的硝酸铈铵溶液。 3. 将丙烯腈的硝酸铈铵溶液加入到淀粉糊中，在2040下搅拌反应12 h。 4. 用稀氢氧化钠溶液调节pH值至7，加40mL蒸馏水，加热至80，保温30 min,除去未反应的丙烯腈。然后加入2 mol/L氢氧化钠溶液160mL，于100皂化2 h。 5. 冷却至室温，用乙酸调节pH值至77.5，用乙醇沉析， 真空抽滤，于6080下真空干燥，粉碎即得到高吸水树脂。 6准确称取树脂约0.1g置于烧杯中，加去离子水约150mL，静置1h后，滤去水分，称重，计算

11、吸水倍率。,功能高分子材料,六、实验记录与数据处理 高吸水性树脂的吸水倍率用下式计算： 吸水倍率= 式中：m2吸水后树脂质量，g； m1干树脂质量，g。 七、安全与环保 丙烯腈的蒸气有毒，实验时保持室内通风。,功能高分子材料,实验三十五 光致变色聚合物的制备 一、实验目标 1理解光致变色的基本原理。 2掌握光致变色聚合物的制备方法。 二、产品特性与用途 聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷，一种光致变色聚合物，在光照下（特别是紫外光或可见光），偶氮键发生顺反式的改变，从而导致聚合物颜色的改变。主要应用于光电子器件、记录存储介质和全息照相等高科技方面。,功能高分子材料,三、实验原理 光致变色高分子是在高

12、分子侧链上引入可逆变色基团，由于光照时化学结构产生变化，使其对可见光吸收的波长也发生变化，因而产生颜色的变化。在停止光照后，又恢复原来的颜色。本实验中，4-氨基偶氮苯、十一烯-10-酰氯、聚甲基硅氧烷为反应性物料；甲苯为溶剂，甲醇为沉淀剂；环戊二烯二聚体铂铱复合物是硅氢化反应的催化剂。反应生成的最终产物聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷，在光照下，偶氮键发生顺反式的改变，从而导致聚合物颜色的改变。,功能高分子材料,四、主要仪器与药品 1主要仪器 电热恒温水浴锅，电动搅拌器，冰水浴，300mL三口烧瓶，布氏漏斗、抽滤瓶以及滤纸等。 2主要药品 4-氨基偶氮苯，AR；十一烯-10-酰氯，AR；环戊二烯二

13、聚体铂铱复合物，AR；聚甲基硅氧烷，AR；甲苯，AR；甲醇，AR。,功能高分子材料,五、实验内容与操作步骤 1中间产物的合成 称量4-氨基偶氮苯20克，十一烯-10-酰氯30.4克，加入到三口烧瓶中。在60下搅拌反应30min， 反应生成中间产物4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯。 2重结晶 将生成的4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯溶于热的甲苯中，制成饱和溶液，趁热过滤。将滤液置于冰水浴中降温，这时有结晶析出。用布氏漏斗过滤，得到4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯晶体。,功能高分子材料,3硅氢化反应 在烧瓶中加入100mL蒸馏水，取4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯晶体20克，与10克聚甲基硅氧烷混合，加入

14、到烧瓶中，并加适量的催化剂环戊二烯二聚体铂铱复合物，在50下搅拌反应1h，生成聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷。 4沉淀 将反应混合液冷却到室温，加100克甲醇，此时有沉淀聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷生成。 5干燥 将沉淀过滤、干燥，得光致变色聚合物聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷。,功能高分子材料,六、实验记录与数据处理 分别用可见光和紫外光照射本实验产品，观察并记录其颜色的变化。 七、安全与环保 本实验所用溶剂甲苯有毒，操作过程中保证实验室通风良好。含有甲苯的废液统一回收处理。,参考文献： 1李伟方,东宇等.新型功能高分子材料及其应用J.浙江大学：材料与化工学院.2002. 2焦剑,姚军燕 .功能高分子材料.化学工业出版社.2009.1. 3杨北平,陈利强等.功能高分子材料发展现状及展望.黑龙江学院物理化学系.2011.,