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1、功能功能(gngnng)(gngnng)高分子材料高分子材料Functional Polymer Materials Functional Polymer Materials 第一页，共50页。第一章第一章 功能高分子材料功能高分子材料(cilio)(cilio)总总论论第一节第一节 功能高分子材料概述功能高分子材料概述1.1.功能高分子材料的研究功能高分子材料的研究(ynji)(ynji)内容内容 常规常规(chnggu)(chnggu)高分子高分子材料材料 合成纤维合成纤维 合成橡胶合成橡胶 塑料塑料 涂料涂料 高分子粘合剂高分子粘合剂 第二页，共50页。功能高分子材料是具有光、电、磁、生
2、物功能高分子材料是具有光、电、磁、生物(shngw)(shngw)活性、吸水等特殊功能的聚合物材料。活性、吸水等特殊功能的聚合物材料。 与常规高分子材料相比，在原有性能的基础上与常规高分子材料相比，在原有性能的基础上还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物生物(shngw)(shngw)相容性、药理性、选择分离性、相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能。能量转换性、磁性等功能。第三页，共50页。第四页，共50页。第五页，共50页。2. 2. 功能高分子材料的发展历程功能高分子材料的发展历程 特种与功能高分子材料是一门涉及范围广泛，
3、与众多学科特种与功能高分子材料是一门涉及范围广泛，与众多学科相关的新兴边缘学科，涉及到有机化学、无机化学、光学、相关的新兴边缘学科，涉及到有机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、生物化学、电子学、甚至医学等众多学科，电学、结构化学、生物化学、电子学、甚至医学等众多学科，是目前国内外异常活跃的一个研究领域。是目前国内外异常活跃的一个研究领域。 虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到很久以前，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。但是作为为(zuwi)(zuwi)一门独立的完整的学科，
4、功能高分子是从一门独立的完整的学科，功能高分子是从2020世纪世纪8080年代中后期开始发展的。年代中后期开始发展的。第六页，共50页。最早的功能高分子可追述到最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂年离子交换树脂的发明。的发明。20世纪世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印年代，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。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年发现了聚乙烯基咔唑(k zu)的光电导性，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打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。念。1966年年litt
5、le提出了超导高分子模型，预计了高分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，随后在子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年年发现了聚氮化硫的超导性。发现了聚氮化硫的超导性。第七页，共50页。1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙年，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的超导性有机(yuj)高分子。高分子。20世纪世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分年代，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。离膜等技术得到快速发展。1991
6、年发现了尼龙年发现了尼龙11的铁电性，的铁电性，1994年塑料柔性太阳年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年发现聚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。咯等一系列导电高分子的问世。 这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。第八页，共50页。3. 功能高分子材料的分类功能高分子材料的分类(fn li) 化学活性高分子材料化学活性高分子材料 高分子试剂和高分子催化剂高分子试剂和高分子催化剂 第九页，共50页。光活性高
7、分子材料光活性高分子材料(cilio) 光稳定剂、光敏涂料、光刻胶、感光材料光稳定剂、光敏涂料、光刻胶、感光材料(cilio)、非线性光学材料非线性光学材料(cilio)、光导材料、光导材料(cilio)、光、光致变色材料致变色材料(cilio) 第十页，共50页。第十一页，共50页。导电聚合物、高分子电解质、高分子驻极体、高分子导电聚合物、高分子电解质、高分子驻极体、高分子介电材料、能量转换介电材料、能量转换(zhunhun)用聚合物、电致发用聚合物、电致发光和电致变色等材料。光和电致变色等材料。 电活性高分子材料电活性高分子材料(cilio)第十二页，共50页。膜型高分子材料膜型高分子材料
8、(cilio)多孔分离多孔分离(fnl)膜、密度膜、超滤膜、微滤膜、膜、密度膜、超滤膜、微滤膜、纳滤膜纳滤膜第十三页，共50页。吸附吸附(xf)型高分子材料型高分子材料高分子吸附性树脂高分子吸附性树脂(shzh)、离子交换树脂、离子交换树脂(shzh)、高分子螯合剂、高分子絮凝剂、吸水性高吸水树脂高分子螯合剂、高分子絮凝剂、吸水性高吸水树脂(shzh)第十四页，共50页。高分子液晶高分子液晶(yjng)材料材料第十五页，共50页。生物生物(shngw)活性高分子材料活性高分子材料生物生物(shngw)相容性、生物相容性、生物(shngw)可降解性、药物可降解性、药物活性活性第十六页，共50页。
9、高分子智能高分子智能(zh nn)材料材料高分子形状记忆材料高分子形状记忆材料(cilio)、信息存储材料、信息存储材料(cilio)和光、电、磁、和光、电、磁、pH、压力感应材料、压力感应材料(cilio)。第十七页，共50页。第二节第二节 功能高分子材料的结构功能高分子材料的结构(jigu)与性能的关系与性能的关系1.功能高分子材料的结构层次功能高分子材料的结构层次2. （1）构成材料的元素）构成材料的元素(yun s)组成组成3. （2）材料分子中的官能团结构）材料分子中的官能团结构4. （3） 聚合物的链段结构聚合物的链段结构5. （4）高分子的微观构象结构）高分子的微观构象结构6.
10、（5） 材料的超分子结构和聚集态材料的超分子结构和聚集态7. （6）材料的宏观结构）材料的宏观结构8. 第十八页，共50页。（1）官能团的性质与聚合物功能之间的关系）官能团的性质与聚合物功能之间的关系 功能高分子材料的性质主要取决于所含功能高分子材料的性质主要取决于所含官能团的种类和性质官能团的种类和性质 当官能团的性质对材料的功能起主要作当官能团的性质对材料的功能起主要作用时，高分子仅仅起支撑、分隔、固定和用时，高分子仅仅起支撑、分隔、固定和降低溶解度等辅助作用。如高分子过氧酸，降低溶解度等辅助作用。如高分子过氧酸，电活性聚合物中的电活性聚合物中的N，N二取代联吡啶结二取代联吡啶结构构(ji
11、gu)，侧链聚合物液晶中的刚性侧，侧链聚合物液晶中的刚性侧链等。链等。2.功能(gngnng)高分子材料构效关系分析 第十九页，共50页。 功能高分子材料的性质取决于聚合物骨架与所含功能高分子材料的性质取决于聚合物骨架与所含官能团的协同作用。官能团的协同作用。 官能团的作用需要通过与高分子的结合或者通官能团的作用需要通过与高分子的结合或者通过高分子与其它官能团相互结合而发挥作用，如固过高分子与其它官能团相互结合而发挥作用，如固相合成相合成(hchng)用高分子试剂是比较有代表性的用高分子试剂是比较有代表性的例子。例子。第二十页，共50页。官能团与聚合物骨架不能区分官能团与聚合物骨架不能区分官能
12、团是聚合物的一部分，或者说聚合物本身起着官官能团是聚合物的一部分，或者说聚合物本身起着官能团的作用，如具有共轭结构的导电高分子聚乙炔、能团的作用，如具有共轭结构的导电高分子聚乙炔、芳香烃以及芳香杂环聚合物、高分子聚电解质、主芳香烃以及芳香杂环聚合物、高分子聚电解质、主链型聚合物液晶等。链型聚合物液晶等。官能团在功能高分子材料中仅起辅助官能团在功能高分子材料中仅起辅助(fzh)作用作用 以聚合物为完成功能过程的主体，官能团只起以聚合物为完成功能过程的主体，官能团只起辅助辅助(fzh)效应，利用引入官能团改善溶解性能、效应，利用引入官能团改善溶解性能、降低玻璃化温度、改变润湿性和提高机械强度等，降
13、低玻璃化温度、改变润湿性和提高机械强度等，如在主链型液晶高分子的芳香环上引入一定体积的如在主链型液晶高分子的芳香环上引入一定体积的取代基以降低液晶相温度。在高分子膜材料中引入取代基以降低液晶相温度。在高分子膜材料中引入极性基团可以改变润极性基团可以改变润第二十一页，共50页。（2）功能高分子材料中聚合物骨架的作用）功能高分子材料中聚合物骨架的作用高分子效应高分子效应溶解度下降效应溶解度下降效应高分子骨架的机械支撑作用高分子骨架的机械支撑作用高分子骨架的模板高分子骨架的模板(mbn)效应效应高分子骨架的稳定作用高分子骨架的稳定作用 高分子骨架在功能高分子材料中的其他作用高分子骨架在功能高分子材料
14、中的其他作用第二十二页，共50页。（3）聚合物骨架的种类和形态的影响）聚合物骨架的种类和形态的影响高分子骨架类型高分子骨架类型 饱和碳链型聚合物饱和碳链型聚合物 (PP、PS、POM) 聚酯、聚酰胺骨架的聚合物聚酯、聚酰胺骨架的聚合物 天然高分子天然高分子 （多糖和肽链）（多糖和肽链）线性共轭结构的聚合物（聚吡咯线性共轭结构的聚合物（聚吡咯(blu)、聚乙炔、聚苯）聚乙炔、聚苯）梯形聚合物（聚芳香内酰胺）梯形聚合物（聚芳香内酰胺） 第二十三页，共50页。聚合物骨架聚合物骨架(gji)的形态的形态线性聚合物线性聚合物分支型聚合物分支型聚合物交联聚合物交联聚合物 微孔型或溶胶型，大孔树脂，米花状树
15、，大网微孔型或溶胶型，大孔树脂，米花状树，大网状聚合物状聚合物脂脂 第二十四页，共50页。3. 高分子材料与功能相关的其他性质高分子材料与功能相关的其他性质（1）聚合物的溶胀和溶解性质）聚合物的溶胀和溶解性质 聚合物溶解过程：溶剂聚合物溶解过程：溶剂(rngj)的种的种类、聚合物的结晶度、类、聚合物的结晶度、 温度、聚合温度、聚合物骨架的组成与性质有关。物骨架的组成与性质有关。交联聚合物溶胀交联聚合物溶胀表观表观(bio un)密度密度溶剂溶剂(rngj)密度密度骨架密度骨架密度溶胀度溶胀度第二十五页，共50页。（2）聚合物的多孔性聚合物中孔聚合物中孔占据占据(zhnj)总体积总体积聚合物的总
16、表面积聚合物的总表面积聚合物的百分聚合物的百分(bi fn)孔隙率孔隙率第二十六页，共50页。（3）聚合物的渗透性）聚合物的渗透性透过透过(tu u)量量渗透系数渗透系数体积体积(tj)分数分数毛细管曲折毛细管曲折(qzh)系数系数第二十七页，共50页。透过透过(tu u)物质的物质的质量通量质量通量物质物质(wzh)的的扩散系数扩散系数透过透过(tu u)物质的物质的局部浓度局部浓度扩散的垂直距离扩散的垂直距离第二十八页，共50页。第三节第三节 功能高分子材料功能高分子材料(cilio)的的制备策略制备策略1. 功能型小分子功能型小分子(fnz)材料的高分子材料的高分子(fnz)化策略化策略
17、2. 普通普通(ptng)高分子材料的功能化策略高分子材料的功能化策略3. 功能高分子材料的其他制备策略功能高分子材料的其他制备策略第二十九页，共50页。（1）通过功能型可聚合单体的聚合法）通过功能型可聚合单体的聚合法 通常是在一些通常是在一些(yxi)功能性小分子中引入可聚功能性小分子中引入可聚合的基团，如乙烯基、吡咯基、羧基、羟基、氨基等，合的基团，如乙烯基、吡咯基、羧基、羟基、氨基等，然后通过均聚或共聚反应生成功能聚合物。然后通过均聚或共聚反应生成功能聚合物。 1. 功能型小分子功能型小分子(fnz)材料的高分材料的高分子子(fnz)化策略化策略小分子小分子(fnz) 材料材料化化第三十
18、页，共50页。双双羟基取代基取代单体体 双氨基双氨基(nj)取代取代单体体 双双羧基取代基取代单体体 常用于合成功能性高分子的功能性小分子常用于合成功能性高分子的功能性小分子结构示意构示意图加成聚合加成聚合缩聚反应缩聚反应(su j fn yn)第三十一页，共50页。（2）聚合物包埋法）聚合物包埋法生成生成(shn chn)聚合物分子的束缚作用将聚合物分子的束缚作用将功能型小分子包埋固定来制备功能高分子材功能型小分子包埋固定来制备功能高分子材料。料。特点：没有化学键连接，固化作用通过聚合特点：没有化学键连接，固化作用通过聚合物包络物包络 作用来完成。作用来完成。第三十二页，共50页。优点：方法
19、简单，小分子的性质优点：方法简单，小分子的性质(xngzh)不受聚不受聚 合物合物 性质性质(xngzh)的影响。的影响。 例如：酶的固化。例如：酶的固化。缺点：包络过程中小分子功能化合物容易缺点：包络过程中小分子功能化合物容易 逐步失去，特别是在溶胀条件逐步失去，特别是在溶胀条件(tiojin)下使下使 用将加快功能高分子的失活过程。用将加快功能高分子的失活过程。第三十三页，共50页。通过通过(tnggu)高分子化方法制备功能高分子材料的优点高分子化方法制备功能高分子材料的优点1.1.生成的功能高分子功能基分布均匀；生成的功能高分子功能基分布均匀；2.2.聚合物结构可以聚合物结构可以(ky)
20、(ky)通过小分子分析和聚合机理加以测定；通过小分子分析和聚合机理加以测定；3.3.产物的稳定性较好。产物的稳定性较好。第三十四页，共50页。通过高分子化方法通过高分子化方法(fngf)制备功能高分子材料的缺点制备功能高分子材料的缺点1.1.功能小分子需要引入可聚合单体，过程需要复杂功能小分子需要引入可聚合单体，过程需要复杂(fz)(fz)的合的合成反应；成反应；2.2.要求反应中不能破坏原有分子结构和功能；要求反应中不能破坏原有分子结构和功能；3.3.功能基稳定性不好时需要加以保护；功能基稳定性不好时需要加以保护；4.4.还需考虑功能基的引入对单体聚合活性的影响。还需考虑功能基的引入对单体聚
21、合活性的影响。第三十五页，共50页。通过通过(tnggu)高分子化方法注意事项高分子化方法注意事项1.1.引入高分子骨架后应有利于小分子原有功能的发挥，两者不引入高分子骨架后应有利于小分子原有功能的发挥，两者不 能相互影响，并能弥补其不足。能相互影响，并能弥补其不足。2.2.过程尽量不破坏小分子功能材料的作用部分；过程尽量不破坏小分子功能材料的作用部分；3.3.功能小分子结构特征与选取的高分子骨架结构类型是否功能小分子结构特征与选取的高分子骨架结构类型是否(sh fu)(sh fu)匹配。匹配。第三十六页，共50页。2. 普通高分子材料普通高分子材料(cilio)的功能化策略的功能化策略 通过
22、化学或物理方法对已有普通聚合物进行功通过化学或物理方法对已有普通聚合物进行功能化处理，赋予能化处理，赋予(fy)(fy)这些常见的高分子材料特定这些常见的高分子材料特定功能，成为功能高分子材料。功能，成为功能高分子材料。优点：商品化、性能比较保障的聚合物通过改性得优点：商品化、性能比较保障的聚合物通过改性得到功能化处理。到功能化处理。 化学改性化学改性 物理共物理共混混第三十七页，共50页。 聚苯乙烯的功能化聚苯乙烯的功能化（1）高分子材料）高分子材料(cilio)的化学改性功能化的化学改性功能化第三十八页，共50页。聚氯乙烯聚氯乙烯(j l y x)的功能化反应的功能化反应第三十九页，共50
23、页。聚乙烯醇聚乙烯醇(j y x chn)的功能化反应的功能化反应第四十页，共50页。聚环氧氯丙烷的功能化反应聚环氧氯丙烷的功能化反应(fnyng)第四十一页，共50页。缩合缩合(suh)型聚合物的功能化方法型聚合物的功能化方法第四十二页，共50页。（2）聚合物功能化的物理）聚合物功能化的物理(wl)方法方法1.物理方法简单、快速，不受场地和设备限制物理方法简单、快速，不受场地和设备限制(xinzh)。2.不受聚合物和功能小分子官能团反应活性限制不受聚合物和功能小分子官能团反应活性限制(xinzh)。3.功能性小分子没有与高分子骨架形成化学键，不影响其功能性小分子没有与高分子骨架形成化学键，不
24、影响其功能发挥。功能发挥。4.功能化聚合物其功能基的分布比较均匀。功能化聚合物其功能基的分布比较均匀。特殊活性的金属和无机(wj)非金属材料结合构成材料。通过小分子功能化合物与聚合物的共混与复合来实现。第四十三页，共50页。溶液共混：向单体溶液中加入功能性化合物，在聚合溶液共混：向单体溶液中加入功能性化合物，在聚合过程中完成与功能性小分子的复合；过程中完成与功能性小分子的复合；熔融共混：聚合物处于熔融状态时与其它的功能性化熔融共混：聚合物处于熔融状态时与其它的功能性化合物混合。合物混合。 在这类功能性高分子材料中，聚合物与功能性在这类功能性高分子材料中，聚合物与功能性化合物之间不存在化学键合力
25、化合物之间不存在化学键合力(hl)(hl)，固化作用是，固化作用是通过包络及分子间的作用力来实现的。通过包络及分子间的作用力来实现的。特殊活性的金属和无机(wj)非金属材料结合构成材料。如导热材料、导电材料。第四十四页，共50页。3. 功能高分子材料的其他制备功能高分子材料的其他制备(zhbi)策略策略（1）功能高分子的多功能复合）功能高分子的多功能复合 两种或以上的功能高分子材料以某种方式结合，两种或以上的功能高分子材料以某种方式结合，产生新的性质。产生新的性质。（2）在同一分子中引入多种功能基）在同一分子中引入多种功能基 在同一种功能材料中，甚至同一个分子中引入在同一种功能材料中，甚至同一
26、个分子中引入两种以上的功能基团两种以上的功能基团(j tun)制备新型功能聚合物。制备新型功能聚合物。第四十五页，共50页。（1）功能）功能(gngnng)高分子的高分子的多功能多功能(gngnng)复合复合第四十六页，共50页。第四节第四节 功能高分子材料的功能高分子材料的研究内容研究内容(nirng)和方法和方法1.制备制备(zhbi)方法研究方法研究（1）单体制备）单体制备(zhbi)方法研究方法研究 （2）高分子化方法研究）高分子化方法研究 （3）聚合物的功能化、聚合物微观结构和）聚合物的功能化、聚合物微观结构和宏观结宏观结 构成型构成型第四十七页，共50页。2.功能高分子材料的结构和
27、组成方法功能高分子材料的结构和组成方法(fngf)研究研究 （1）功能高分子材料的化学成分分析）功能高分子材料的化学成分分析 （2）功能高分子材料的化学结构分析）功能高分子材料的化学结构分析 （3）功能高分子晶态结构分析）功能高分子晶态结构分析 （4）功能高分子聚集态结构分析）功能高分子聚集态结构分析 （5）功能高分子材料的热性能分析）功能高分子材料的热性能分析 （6）功能高分子材料的宏观结构分析）功能高分子材料的宏观结构分析第四十八页，共50页。3. 功能高分子材料的构效关系研究功能高分子材料的构效关系研究(ynji)方法方法（1）功能高分子的性能测定）功能高分子的性能测定 （2）功能高分子作用机理研究）功能高分子作用机理研究(ynji)第四十九页，共50页。4. 功能功能(gngnng)高分子材料的应用研究高分子材料的应用研究（1）作为新型替代）作为新型替代(tdi)材料材料 （2）作为全新功能材料）作为全新功能材料第五十页，共50页。
