1、功能高分子材料功能高分子材料(Functional Polymeric Materials-FPM)哈爾濱工業大學化工學院胡 楨第一章緒論 (Introduction)第一節功能高分子材料的概念和分類第一節功能高分子材料的概念和分類（Concept and Classification of FPM)性能材料對外部作用的抵抗能力。 如強度.模量功能從根本上說指的是向材料輸入某種能量，經過材料的傳輸轉換等過程，再向外部輸出的一種作用。如導電性，高分子膜分離特性11概念概念 (Concept)功能高分子材料，一般認為，是指除了具有一定的力學性能之外，還具有特定功能(如導電性、光敏性、化學性、催化性

2、和生物活性等)的高分子材料特種（精細）高分子(specialtypolymers)“特種”：具有特定的性能“精細”：產量少，價格高，制造工藝復雜高性能高分子功能高分子離子交換樹脂高分子液晶發光字1.2.1 功能高分子材料從組成和結構上分類。功能高分子材料從組成和結構上分類。1) 結構型2) 復合型1.2 分類分類 (Classification)1.2.2 按其功能性和應用特點進行分類：按其功能性和應用特點進行分類： 1) 化學功能高分子材料2) 光功能高分子材料3) 電磁功能高分子材料4) 聲功能高分子材料5) 生物醫用高分子材料1.2.3 按材料來源分類按材料來源分類1) 天然功能高分子材

3、料2) 半合成功能高分子材料3) 合成功能高分子材料第二節功能設計原理和方法第二節功能設計原理和方法（Theory and methods of functional design)2.1 一次功能一次功能 聲學功能；熱學功能；電磁學功能；光學功能；化學功能；其它功能2.2 二次功能二次功能1) 機械能與其它形式能量的轉換 2) 電能和其它形式能量的轉換 3) 磁能和其它形式能量的轉換 4) 熱能和其它形式能量的轉換 5) 光能和其它形式能量的轉換 太陽能電池為設備充電單兵作戰系統2.3 功能設計功能設計 2.3.1 通過分子設計分子設計合成功能高分子 這里包括高分子結構設計和官能團設計。為此

4、目的，必須掌握高分子結構與功能性之間的關系。例如，在高分子結構中引入感光功能基團，可以合成感光高分子。2.3.1.1 利用現有的合成或天然高分子，通過高分子化學反應引入預期的功能基團2.3.1.2 含有功能基的單體經過加聚或縮聚等反應制取CH2CHCHCOOH+CH2CH2CHCH2CHCH2COOHCHCH2CH合成途徑優點缺點含有功能基的單體經過加聚或縮聚等反應制取1)功能基含量高（每一個鏈節都含有功能基)2)功能基在分子鏈上分布均勻功能基單體合成比較困難利用現有的合成或天然高分子，通過高分子化學反應引入預期的功能基合成或天然高分子骨架是現成的，可選擇的高分子母體品種多，價格低廉，原料來源

5、廣。1)反應不可能百分之百地完成，制得的產物中含有未反應的官能團2)功能基在高分子鏈上的分布也不均勻2.3.1.3 分子內交聯和分子間交聯 (1) 分子內交聯 最常見的分子內交聯是由乙烯類高聚物的環化反應形成的 (2) 分子間交聯 天然橡膠的硫化效應 2.3.2 通過特殊加工賦予高分子的功能特性。例如:高分子材料通過薄膜化可制用各種分離膜，這些分離膜廣泛應用于反滲透、透析，超過濾等膜分離工藝中。某些高分子材料纖維化可制得光導纖維(塑料光纖)。1)高分子在一定溫度下置于直流電場中可制得駐極體等等。 2.3.3 通過二種或二種以上材料進行復合 這是目前制造功能樹脂廣泛采用方法，這種方法具有工藝簡單

6、、材料來源豐富、價格低廉的優點。例如:1) 在絕緣高分子材料中并混入導電填料(碳黑、金屬)可制得導電高分子材料2) 混入磁性填料(如鐵氧體或稀土類磁粉)可制得高分子磁性材料3) 在共軛共聚物(如聚乙烯)中加入少量的摻雜劑(如入AsF5、Na等)，其導電率有很大的增加，以致具有導體的性能 第三節功能高分子材料的發展第三節功能高分子材料的發展(Development of FPM)3.1 功能高分子材料發展簡史 (Brief History of FPM)1839年，美國人Goodyear發明硫化橡膠。1855年，英國人Parks用硝化纖維素與樟腦混合制得賽璐珞。1889年，法國人De Chard

7、onnet（夏爾多內）發明人造絲。1907年，酚醛樹脂誕生。高分子溶液理論在30年代建立，并成功測定了聚合物的分子量。Flory為此獲得諾貝爾獎。 最早的功能高分子可追述到1935年離子交換樹脂的發明。 20世紀50年代，美國人開發了感光高分子用于印刷工業，后來又發展到電子工業和微電子工業。1957年發現了聚乙烯基咔唑的光電導性，打破了多年來認為高分子材料只能是絕緣體的觀念。1966年little提出了超導高分子模型，預計了高分子材料超導和高溫超導的可能性，隨后在1975年發現了聚氮化硫的超導性。 1993年，俄羅斯科學家報道了在經過長期氧化的聚丙烯體系中發現了室溫超導體。20世紀80年代，高

8、分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜等技術得到快速發展。新的聚合方法和新結構的聚合物不新的聚合方法和新結構的聚合物不斷出現和發展。斷出現和發展。 1991年發現了尼龍11的鐵電性，1994年塑料柔性太陽能電池在美國阿爾貢實驗室研制成功，1997年發現聚乙炔經過摻雜具有金屬導電性，導致了聚苯胺、聚吡咯等一系列導電高分子的問世。特別是2000年，Alan J. Heeger、Alan G. MacDiarmid和Hideki Shirakawa 由于對導電高分子的貢獻獲得了諾貝爾化學獎。對化學家，特別是高分子科研工作者是一個極大的鼓舞。3.2 功能高分子材料特點及競爭風險 (Character an

9、d Crisis of FPM)特點：1:消費量相對來說要小很多；2：單位重量(或體積)的價格一般較高；3：多數實用化歷史較短，開發余地很大；4：競爭激烈更新速度快；5：是一種多學科交叉研究的產物。 競爭風險：1：通用材料的發展； 2：更新、更優越的功能高分子的不斷涌現 品 種主要產品舉例產量 /萬噸/年價格比通用高分子材料LDPE，HDPE，PVC，PP，PS10001特種高分子材料有機氟材料，耐熱性高分子，各種功能高分子120101003.3 具有發展潛力的功能高分子材料 (Fast developing FPM) 功能性膜材料功能性膜材料 (Functional membrane mat

10、erials) 隨著功能性膜材料的出現，產生了具有高分離效率的膜分離技術膜分離技術包括納濾微濾，超濾，氣體分離，滲透汽化等。膜分離技術可用于物質的分離、濃縮、精制，具有耗能少、效率高的特點。導電功能材料導電功能材料 (Conducted polymeric materials)隨著電子工業和信息技術的發展，對具有導電功能的高分子材料的需求日益增加。導電功能高分子材料可分為二類。一類是添加導電微粒(金屬粉、碳粉)的復合型導電高分子材料；另一類是導電高分子，包括高分子半導體和導體。有人估計現在的高分子半導體材料，在電子工業中所處的地位，正如30多年前無機半導體(硅、鋁)所處的地位，在不久將可實現“

11、高分子電路”，產生新型大規模集成電路。 c. 醫用高分子材料醫用高分子材料 (Medical polymeric materials)醫藥用功能高分子是目前發展非常迅速的一個領域，高分子藥物、高分子人工組織器官、高分子醫用材料在定向給藥、器官替代、整形外科和拓展治療范圍方面做出了相當大的貢獻。 人工器官是醫用高分子材料的重要發展方向。目前用高分子材料制成的人工器官已植入人體的有人工腎、人工血管、人工心臟瓣膜、人工關節、人工骨筋、整形材料等。 高分子輸液袋高分子藥物人造心臟人工腎臟人工腎臟 功能高分子材料是一門涉及范圍廣泛，與眾多學科相關的新興邊緣學科，涉及內容包括有機化學、無機化學、光學、電學、結構