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1、第五章第五章功能高分子材料功能高分子材料 某些物质的结晶受热熔融或被溶剂溶解之后，虽某些物质的结晶受热熔融或被溶剂溶解之后，虽然失去固态物质的刚性，而然失去固态物质的刚性，而获得液态物质的流动性获得液态物质的流动性，却仍然保存着却仍然保存着晶态物质分子的有序排列晶态物质分子的有序排列。在物理性质。在物理性质上呈现各向异性。上呈现各向异性。形成一种兼有形成一种兼有晶体晶体和和液体液体部分性质的部分性质的过渡状态过渡状态，这种中间状态称为这种中间状态称为液晶态液晶态。处在这种状态下的物质称为处在这种状态下的物质称为液晶。液晶。1.液晶态液晶态一、一、 基体概念基体概念5.1液晶高分子液晶高分子偏光
2、显微镜下的高分子液晶SONY104OLEDTVTransparentwhiteOLEDsbyPhilips Samsung14-inchTransparent-OLED-LaptopOLEDITRI4.1FlexibleAMOLEDprototypehttp:/www.oled- (由由于晶格的排列使得晶体各个方向的性能于晶格的排列使得晶体各个方向的性能 不不同，例如石英的导热速率同，例如石英的导热速率) )，又具有液态的，又具有液态的流动性流动性2.小分子液晶的分类小分子液晶的分类 向列型：分子排列只有取向有序，向列型：分子排列只有取向有序， 分子排列一维有序分子排列一维有序 近晶型近晶型
3、胆甾型胆甾型 碟型碟型感应性物质：感应性物质：本身不是液晶物质，但在一定外界本身不是液晶物质，但在一定外界条件下，可形成液晶相。条件下，可形成液晶相。按在空间排列不同分类：按在空间排列不同分类：按液晶相形成的条件不同分类：按液晶相形成的条件不同分类：热致液晶：相转变由温度变化引起的。热致液晶：相转变由温度变化引起的。 从晶态到液晶态的转变温度称为从晶态到液晶态的转变温度称为熔点或转变点熔点或转变点。 从液晶态转变为各向同性液体的温度称为从液晶态转变为各向同性液体的温度称为 澄清点或清亮点澄清点或清亮点溶致液晶：要在溶剂中，在一定浓度下才能呈液晶性溶致液晶：要在溶剂中，在一定浓度下才能呈液晶性
4、临界浓度：在临界浓度以上，液晶相才能形成。临界浓度：在临界浓度以上，液晶相才能形成。3.液晶态的化学结构液晶态的化学结构大多数液晶是长棒状或长条状大多数液晶是长棒状或长条状其基本结构一般为其基本结构一般为 分子结构具有分子结构具有两个显著特征：两个显著特征：a分子的几何形状具有不对称性，长径比一般大于分子的几何形状具有不对称性，长径比一般大于4b分子间具有各向异性的相互作用分子间具有各向异性的相互作用3.还有一种液晶是双亲性分子的溶液。还有一种液晶是双亲性分子的溶液。其一端是亲水的极性头，另一段是疏水的非极性链其一端是亲水的极性头，另一段是疏水的非极性链2.碟状或盘状分子，如：苯碟状或盘状分子
5、，如：苯-六正烷基羧酸酯六正烷基羧酸酯二、二、液晶高分子液晶高分子1.定义定义某些某些液晶分子液晶分子可连接成大分子，或者可通可连接成大分子，或者可通过官能团的过官能团的化学反应化学反应连接到高分子骨架上。这些高连接到高分子骨架上。这些高分子化的液晶在一定条件下仍可能分子化的液晶在一定条件下仍可能保持液晶保持液晶的特征，的特征，就形成高分子液晶。就形成高分子液晶。显示出一般液晶分子的特点显示出一般液晶分子的特点有聚合物的多性能以及多用途有聚合物的多性能以及多用途结构复杂结构复杂2.液晶高分子的分类液晶高分子的分类溶致主链型溶致主链型热致主链型热致主链型主链型液晶高分子：主链型液晶高分子：指介晶
6、基元处于主链上的一类高指介晶基元处于主链上的一类高 分子分子u主链型液晶大多数为主链型液晶大多数为高强度、高模量材料高强度、高模量材料（1 1）溶致主链型液晶高分子）溶致主链型液晶高分子 最重要的类型是最重要的类型是芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺。 溶剂是强质子酸，也可以是酰胺类溶剂。溶剂是强质子酸，也可以是酰胺类溶剂。 合成方法：胺和酰氯的缩合反应合成方法：胺和酰氯的缩合反应p180 p180 （2 2）热致主链型液晶高分子）热致主链型液晶高分子 多是由多是由聚酯类聚酯类高分子形成，包括芳香族聚酯及高分子形成，包括芳香族聚酯及共聚酯，还有含有偶氮苯、氧化偶氮苯和苄连氮等共聚酯，还有含有偶氮苯、氧化
7、偶氮苯和苄连氮等特征基团的共聚酯。特征基团的共聚酯。侧链型液晶高分子：侧链型液晶高分子：介晶基元位于大分子侧链的液晶高介晶基元位于大分子侧链的液晶高 分子分子形状受大分子主链的影响程度较小。形状受大分子主链的影响程度较小。 上面一行是主链聚合物上面一行是主链聚合物下面一行是侧链聚合物下面一行是侧链聚合物u侧链型液晶大多数为侧链型液晶大多数为功能性材料功能性材料侧链型分为侧链型分为 非双亲非双亲侧链型液晶高分子和侧链型液晶高分子和 双亲双亲侧链型液晶高分子侧链型液晶高分子（1）非双亲侧链液晶高分子）非双亲侧链液晶高分子介晶基元与主链的连接方式：介晶基元与主链的连接方式：端接、侧接端接、侧接和并列
8、接上和并列接上两个两个介晶基元的孪生侧链液晶介晶基元的孪生侧链液晶可通过加聚、缩聚及大分子反应制得。可通过加聚、缩聚及大分子反应制得。p182（2）双亲侧链液晶高分子（聚皂）双亲侧链液晶高分子（聚皂）相结构与双亲相结构与双亲介晶基元介晶基元与大分子与大分子主链主链的的连接方式：连接方式：A.憎水一端与主链相接；憎水一端与主链相接；B.亲水一端与主链相接亲水一端与主链相接主链型液晶和侧链型高分子液晶中根据主链型液晶和侧链型高分子液晶中根据介晶基元介晶基元的连接方式和形态不同又有的连接方式和形态不同又有许多种类型许多种类型与小分子液晶相比，液晶高分子具有下列特殊性：与小分子液晶相比，液晶高分子具有
9、下列特殊性：1）热稳定性大幅度提高；）热稳定性大幅度提高；2）热致性高分子液晶有较大的）热致性高分子液晶有较大的相区间相区间温度；温度；3）独特的流动性，流动行为与一般溶液显著）独特的流动性，流动行为与一般溶液显著不同不同3.高分子液晶的特性与应用高分子液晶的特性与应用许多特性中，特别有意义的是许多特性中，特别有意义的是独特的流动性。独特的流动性。粘度粘度随随浓度浓度的变化规律与一般高分子浓溶液体系的变化规律与一般高分子浓溶液体系不同不同。一般体系一般体系的粘度随浓度增加而的粘度随浓度增加而单调增大单调增大的，的，而液晶溶液在而液晶溶液在低浓度范围内低浓度范围内粘度随浓度增加粘度随浓度增加急剧
10、上升急剧上升，出现一个粘度极大值。出现一个粘度极大值。随后随后浓度增加浓度增加，粘度反而，粘度反而急剧下降急剧下降，出现极小值；，出现极小值；最后，粘度有随浓度的增大而上升。最后，粘度有随浓度的增大而上升。根据液晶态溶液的浓度根据液晶态溶液的浓度- -温度温度- -粘度关系，创造出新技术粘度关系，创造出新技术- -液晶纺丝液晶纺丝解决了纺丝中的难题解决了纺丝中的难题- -高浓度高粘度问题。高浓度高粘度问题。同时由于液晶分子的取向特征，纺丝可在较低牵伸倍数下获得同时由于液晶分子的取向特征，纺丝可在较低牵伸倍数下获得较高的取向度。较高的取向度。液晶显示技术：液晶显示技术：利用了向列型液晶灵敏的电响
11、应特性和光学特性的例子。利用了向列型液晶灵敏的电响应特性和光学特性的例子。应用：应用：4.液晶高分子材料的发展趋势液晶高分子材料的发展趋势（1）热致液晶高分子结构材料）热致液晶高分子结构材料（2）发展分子复合材料和原位复合材料）发展分子复合材料和原位复合材料（3）功能液晶高分子）功能液晶高分子（4）新型液晶高分子）新型液晶高分子5.25.2离子交换高分子材料与吸附性高分子材料离子交换高分子材料与吸附性高分子材料5.2.1离子交换树脂和离子交换纤维离子交换树脂和离子交换纤维1.基本概念基本概念指具有离子交换基团的高分子化合物。指具有离子交换基团的高分子化合物。它具有一般聚合物所没有的新功能它具有
12、一般聚合物所没有的新功能离子交换功能，离子交换功能，本质上属于反应性聚合物。本质上属于反应性聚合物。离子交换纤维离子交换纤维是在离子交换树脂基础上发展起来是在离子交换树脂基础上发展起来的一类新型材料。的一类新型材料。基本特点与离子交换树脂相同，但外观为基本特点与离子交换树脂相同，但外观为纤维状纤维状。2.离子交换树脂的结构离子交换树脂的结构离子交换树脂是一类离子交换树脂是一类带有可离子化基团的带有可离子化基团的三维网状三维网状高分子材料。高分子材料。外形一般为外形一般为颗粒状颗粒状，不溶于水和一般的酸、，不溶于水和一般的酸、碱，也不溶于普通的有机溶剂，如乙醇、丙碱，也不溶于普通的有机溶剂，如乙
13、醇、丙酮和烃类溶剂。酮和烃类溶剂。常见的离子交换树脂的粒径为常见的离子交换树脂的粒径为0.31.2nm。树脂的网络骨架树脂的网络骨架3 3 离子交换树脂的分类：离子交换树脂的分类：根据根据离子交换树脂所带离子化基团的不同离子交换树脂所带离子化基团的不同（1 1）阳离子交换树脂：按交换强弱分为强酸性，）阳离子交换树脂：按交换强弱分为强酸性， 中等酸性及弱酸性中等酸性及弱酸性（2 2）阴离子交换树脂：有强碱、弱碱及强弱碱混合）阴离子交换树脂：有强碱、弱碱及强弱碱混合 树脂之分树脂之分（3 3）特殊的粒子交换树脂：包括螯合树脂，两性离子）特殊的粒子交换树脂：包括螯合树脂，两性离子 交换树脂（蛇笼树脂
14、），交换树脂（蛇笼树脂）， 氧化还原树脂氧化还原树脂 “蛇笼树脂蛇笼树脂”在这类树脂中，分别含有在这类树脂中，分别含有两种聚合物两种聚合物，一种带有阳离子交，一种带有阳离子交换基团，一种带有阴离子交换基团。其中一种聚合物换基团，一种带有阴离子交换基团。其中一种聚合物是是交联的交联的，而另一种是，而另一种是线型的线型的，恰似蛇被关在笼网，恰似蛇被关在笼网中，不能漏出，故形象地称为中，不能漏出，故形象地称为“蛇笼树脂蛇笼树脂”。在蛇笼树。在蛇笼树脂中，可以是脂中，可以是交联的阴离子树脂为笼，线型的阳离子交联的阴离子树脂为笼，线型的阳离子树脂为蛇树脂为蛇，也可以是，也可以是交联的阳离子树脂为笼，线型
15、的交联的阳离子树脂为笼，线型的阴离子树脂为蛇阴离子树脂为蛇。蛇笼树脂的特性与两性树脂类似，也可通过水洗蛇笼树脂的特性与两性树脂类似，也可通过水洗而再生。而再生。根据孔结构分为：根据孔结构分为：（1 1）凝胶型：不加致孔剂）凝胶型：不加致孔剂 孔径一般为孔径一般为2-4nm2-4nm（2 2）大孔型）大孔型: : 加入致孔剂加入致孔剂 孔径几个纳米到几百纳米孔径几个纳米到几百纳米 甚至为微米级甚至为微米级树脂再生树脂再生是指是离子交换树脂重新具有交换能力的是指是离子交换树脂重新具有交换能力的过程过程酸性阳离子树脂酸性阳离子树脂 酸酸- -碱碱- -酸酸- -缓冲溶液淋洗缓冲溶液淋洗碱性阴离子树脂
16、碱性阴离子树脂 碱碱- -酸酸- -碱碱- -缓冲溶液淋洗缓冲溶液淋洗方式有：顺流再生和逆流再生方式有：顺流再生和逆流再生4. 4. 制备方法制备方法具有微细网状结构的高分子骨架上引入具有微细网状结构的高分子骨架上引入离子交换基团离子交换基团合成方法分两类：合成方法分两类：（1 1）在交联高分子骨架上通过高分子反应引入交换基团）在交联高分子骨架上通过高分子反应引入交换基团（2 2）带有离子交换基团的单体聚合或缩聚反应）带有离子交换基团的单体聚合或缩聚反应（1）水处理）水处理水处理包括水处理包括水质的软化、水的脱盐和高水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备纯水的制备等。水处理是离子交换树脂最等。水处
17、理是离子交换树脂最基本的用途之一。基本的用途之一。5 5 离子交换高分子材料的用途离子交换高分子材料的用途（2）冶金工业）冶金工业离子交换是冶金工业的重要单元操作离子交换是冶金工业的重要单元操作之一。在之一。在铀、钍铀、钍等超铀元素、稀土金属、等超铀元素、稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的分分离、提纯和回收离、提纯和回收方面，离子交换树脂均起方面，离子交换树脂均起着十分重要的作用。着十分重要的作用。（3）海洋资源利用海洋资源利用利用离子交换树脂，可从许多海洋生利用离子交换树脂，可从许多海洋生物（例如海带）中物（例如海带）中提取提取碘、溴、镁等重要碘、
18、溴、镁等重要化工原料化工原料。在海洋航行和海岛上，用离子。在海洋航行和海岛上，用离子交换树脂以交换树脂以海水制取淡水海水制取淡水是十分经济和方是十分经济和方便的。便的。吸附树脂：吸附树脂：是指一类是指一类多孔性的多孔性的、高度交联高度交联的高分子的高分子共聚物，又称为共聚物，又称为高分子吸附剂。高分子吸附剂。这类高分子材料具有较大的这类高分子材料具有较大的比表面积比表面积和适当的和适当的孔径孔径，可从可从气相或溶液中吸附某些物质气相或溶液中吸附某些物质。活性碳纤维：活性碳纤维：以高聚物为原料，经高温碳化和活化以高聚物为原料，经高温碳化和活化而制成的而制成的一种纤维状高效吸附分离材料一种纤维状高
19、效吸附分离材料5.2.2吸附树脂与活性碳纤维吸附树脂与活性碳纤维1.定义定义2.吸附树脂的结构吸附树脂的结构吸附树脂的吸附树脂的外观外观一般为直径为一般为直径为0.31.0mm的小圆球的小圆球，表面，表面光滑光滑，根据品种和性能的不同可为，根据品种和性能的不同可为乳白色、乳白色、浅黄色或深褐色。浅黄色或深褐色。吸附树脂的颗粒的大小对性能影响很大。吸附树脂的颗粒的大小对性能影响很大。粒径越小、越均匀，树脂的吸附性能越好。但是粒粒径越小、越均匀，树脂的吸附性能越好。但是粒径太小，使用时对流体的阻力太大，过滤困难，径太小，使用时对流体的阻力太大，过滤困难，并且容易流失。并且容易流失。3. 3. 吸附
20、树脂的分类：吸附树脂的分类：按化学结构分可分为：按化学结构分可分为：（1 1）非极性吸附树脂：非极性单体聚合而成）非极性吸附树脂：非极性单体聚合而成（2 2）中极性吸附树脂：含脂基、羟基一类单体聚合）中极性吸附树脂：含脂基、羟基一类单体聚合（3 3）极性吸附树脂：含有酰胺基、亚砜基和氰基）极性吸附树脂：含有酰胺基、亚砜基和氰基 （4 4）强极性吸附树脂：含吡啶基、氨基等强极性基团）强极性吸附树脂：含吡啶基、氨基等强极性基团4. 4. 吸附树脂具有选择性，一般规律：吸附树脂具有选择性，一般规律：（1 1）水溶性不大的有机物易被吸附，在水中的）水溶性不大的有机物易被吸附，在水中的 溶解度越小越易被
21、吸附溶解度越小越易被吸附（2 2）吸附树脂不能吸附溶于有机溶剂的有机物）吸附树脂不能吸附溶于有机溶剂的有机物（3 3）当吸附树脂与有机物能形成氢键时，可增）当吸附树脂与有机物能形成氢键时，可增 加吸附量和吸附选择性加吸附量和吸附选择性5.45.4 感光性高分子（感光性树脂）感光性高分子（感光性树脂）具有感光性质的高分子物质具有感光性质的高分子物质感光现象：感光现象：指高分子吸收了光能量后，指高分子吸收了光能量后， 分子内产生化学的或结构的变化，分子内产生化学的或结构的变化， 如降解、交联、重排如降解、交联、重排1.1.分类分类 p191p1912.2.根据光照后物性的变化：根据光照后物性的变化
22、：3.3.光致溶化型、光致不溶化型、光降解型、光导电型光致溶化型、光致不溶化型、光降解型、光导电型4.4.光致变色性型光致变色性型5.5.根据感光基团的种类：根据感光基团的种类：6.6.根据骨架聚合物的类型：根据骨架聚合物的类型：7.7.根据光反应种类：根据光反应种类：8.8.根据聚合物的形态或组成：根据聚合物的形态或组成： 2. 2. 合成方法合成方法（1 1）带有感光基团的单体进行聚合或缩聚反应）带有感光基团的单体进行聚合或缩聚反应（2 2）通过高分子反应，使高分子骨架上带感光基团）通过高分子反应，使高分子骨架上带感光基团5.9高分子功能膜材料高分子功能膜材料 以天然或合成的高分子化合物为
23、以天然或合成的高分子化合物为基材基材，用特殊，用特殊工艺制备成膜状材料。使其具有对某些小分子工艺制备成膜状材料。使其具有对某些小分子物质有选择性透过功能物质有选择性透过功能包括对包括对气体分子气体分子、离子离子和其他和其他微粒微粒性物质性物质 的透过选择性的透过选择性 1.分类分类2.根据使用功能划分根据使用功能划分混合物分离的分离膜混合物分离的分离膜3.药物定量释放的缓释膜药物定量释放的缓释膜4.分隔作用的保护膜分隔作用的保护膜5.根据被分离物质性质不同根据被分离物质性质不同气体分离膜气体分离膜6.液体分离膜液体分离膜7.固体分离膜固体分离膜8.离子分离膜离子分离膜9.微生物分离膜微生物分离
24、膜根据被分离物质的粒度大小根据被分离物质的粒度大小超细膜超细膜超虑膜超虑膜微虑膜微虑膜根据膜的形成过程划分：沉积膜根据膜的形成过程划分：沉积膜熔融拉伸膜熔融拉伸膜溶剂注膜溶剂注膜界面膜界面膜动态形成膜动态形成膜根据膜的性质分为：密度膜根据膜的性质分为：密度膜相变形成膜相变形成膜乳化膜乳化膜多孔膜多孔膜2. 2. 膜分离原理及应用膜分离原理及应用膜分离作用主要依靠膜分离作用主要依靠过筛作用过筛作用和和溶解扩散溶解扩散作用两种，作用两种，(1)(1)过筛作用过筛作用与常见的筛网材料相比，不同点在于膜的孔径小与常见的筛网材料相比，不同点在于膜的孔径小被分离物质能否通过筛网取决于被分离物质能否通过筛网
25、取决于 物质粒径尺寸物质粒径尺寸和和网孔网孔的大小。的大小。(2) (2) 溶解扩散作用溶解扩散作用膜材料对某些物质具有一定的溶解能力，膜材料对某些物质具有一定的溶解能力，在外力作用下被溶解物质能够在膜中在外力作用下被溶解物质能够在膜中扩散运动扩散运动，从膜的一侧扩散到另一侧，从膜的一侧扩散到另一侧，再离开分离膜再离开分离膜分离过程需要有外力的参与，外力包括分离过程需要有外力的参与，外力包括浓度差驱动浓度差驱动力力、压力驱动力和、压力驱动力和电场驱动力电场驱动力应用应用:医学透析：医学透析：人工肾脏：人工肾脏：环保水处理环保水处理:海水脱盐海水脱盐化学工业：气体和液体分离化学工业：气体和液体分
26、离医用输液的消毒等医用输液的消毒等液晶的发现液晶的发现19世纪末期，奥地利植物学家世纪末期，奥地利植物学家莱尼茨尔莱尼茨尔测定有机测定有机物的熔点时，发现某些有机物（物的熔点时，发现某些有机物（胆甾胆甾zai醇的苯甲醇的苯甲酸脂和醋酸脂酸脂和醋酸脂）熔化后会经历一个不透明的）熔化后会经历一个不透明的呈白呈白色浑浊液体状态色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有继续加热到某一温度才会变成只有继续加热到某一温度才会变成透明清亮的液透明清亮的液体体。第二年，德国物理学家雷曼使用他亲自设计，在第二年，德国物理学家雷曼使用他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的当
27、时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜偏光显微镜对对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各显示出各向异性晶体特有的双折射性向异性晶体特有的双折射性。1904年于是雷曼将年于是雷曼将其命名为其命名为“液态晶体液态晶体”，这就是，这就是“液晶液晶”名称的名称的由来。由来。起先称为软晶体，后称晶态流体起先称为软晶体，后称晶态流体 发展到现在，商业上称为液晶之父的是夏普（发展到现在，商业上称为液晶之父的是夏普（sharp）,就是液晶领域的老大就是液晶领域的老大 创始者：日本人创始者
28、：日本人 早川德次早川德次 1912年，一家普通的金属手工业作坊，年，一家普通的金属手工业作坊， 他在承袭传统工艺的基础之上，制作出精巧的女性金属发饰，他在承袭传统工艺的基础之上，制作出精巧的女性金属发饰，19岁便跻身有名匠人行列，其天份令人咂舌。岁便跻身有名匠人行列，其天份令人咂舌。随后，他又自行设计了独特的随后，他又自行设计了独特的搭扣式皮带扣搭扣式皮带扣，取名，取名“德尾锁德尾锁”，并以此取得了新发明专利，这种便利的皮带扣沿用至今。并以此取得了新发明专利，这种便利的皮带扣沿用至今。夏普的夏普的液晶面板为了防止液晶技术外泄，从研发到制造都采取为了防止液晶技术外泄，从研发到制造都采取“黑盒策略黑盒策略”，包括在台湾的代工厂也只负责组装而已。包括在台湾的代工厂也只负责组装而已。 购买夏普液晶电视便是冲着购买夏普液晶电视便是冲着“日本原装液晶面板日本原装液晶面板”而来。而来。
