1功能高分子材料

Functionalpolymers2教學要求學時：30參考書目：王國建，劉琳，特種與功能高分子材料。北京：中國石化出版社，2004馬建標，功能高分子材料。北京：化學工業出版社，2010趙文元，王亦軍，功能高分子材料。北京：化學工業出版社，2008張留成，閆衛東，王家喜，高分子材料進展。北京：化學工業出版社，2005何天白，胡漢杰，功能高分子與新技術。北京：化學工業出版社，20013教學內容

系統地介紹離子交換樹脂、功能性分離膜、導電高分子、感光性高分子、生物醫用高分子、高分子液晶、高分子凝膠與智能高分子等七類功能高分子材料。包括各種材料的發展歷史、基本原理、主要應用和發展方向。4567891011唐敖慶1940年畢業于西南聯合大學化學系。1949年獲美國哥倫比亞大學博士學位。國家自然科學基金委員會名譽主任，吉林大學教授、名譽校長，中國量子化學之父。復旦大學兼職教授。于2008年7月15日在北京逝世，享年93歲。唐敖慶等在高分子反應統計理論方面的建樹獲得世界公認,在高分子縮聚、加聚和交聯反應統計理論的成果獲得1989年國家自然科學獎,之后他們又在高分子固化反應研究中,建立了一套較完整的標度理論我國著名的高分子科學家12我國著名的高分子科學家王佛松，高分子化學家。長期致力于高分子合成的工作，在雙烯定向聚合及導電高分子，特別是合成橡膠、聚乙炔及聚苯胺的研究工作中取得了豐碩成果，為中國合成橡膠的研究、開發及工業化和導電高分子的開發應用、人才培養和經濟建設做出了貢獻。13王佛松，1933年5月23日出生，廣東興寧人。高分子化學家。1955年畢業于武漢大學化學系。1960年獲蘇聯化學科學副博士學位。中國科學院研究員，太平洋地區高分子聯合會（PPF）主席，中國石油學會副理事長。從1960年至1988年在中國科學院長春應用化學研究所工作，歷任助研、副研、研究員、實驗室主任及所長等職。1988年至1994年任中國科學院副院長。1984年被授予“國家有突出貢獻科技專家”稱號。1991年當選為中國科學院院士。長期從事定向聚合工作，領導和參與我國合成順式異戊橡膠稀土催化劑。80年代后主要從事導電高分子納米復合材料的研究工作。曾獲國家科技進步特等獎、國家自然科學二等獎兩次及三等獎1次，發表論文200多篇，合編專著1部，譯著1部。我國著名的高分子科學家14錢人元(1917.9.19~2003.12.6)，物理化學家、高分子物理學家，素以對新事物敏感，擅于開拓邊緣學科新領域著稱。他開拓了中國的高分子物理與有機固體電導和光導的應用基礎研究，并結合實際在丙綸纖維的開發等工作中做出了重要貢獻。在化學聚合法制備聚吡咯方面的成果獲1988年國家自然科學獎,隨后他們在聚吡咯方面經多年深入研究,取得了一系列研究成果,受到國際同行的好評,獲1995年國家自然科學獎。我國著名的高分子科學家15在生物活性高分子方面,卓仁禧等在5-氟尿嘧啶為中心鏈節的生物活性聚合物的研究方面取得的成果獲1991年國家自然科學獎。馮新德、何炳林、卓仁禧等在生物醫學高分子的研究成果獲得1999年國家自然科學獎。我國著名的高分子科學家16薛奇及其合作者長期系統地研究了雜環化合物單體在金屬表面進行化學及電化學聚合的基本規律,用BF3/乙醚體系控制噻吩電化學聚合電位,制備了分子有序排列的導電聚噻吩薄膜,其拉伸強度甚至超過金屬鋁,并具有導電性穩定的特點,之后,繼續開展在此領域系統研究,這些成果在國際學術界產生了較大影響。他們成功地將理論研究成果應用于高分子基復合材料的分子設計中,上述成果獲得了2004年國家自然科學獎。我國著名的高分子科學家17在液晶高分子材料研究方面,周其鳳等提出了“甲殼型”側鏈液晶新概念,制備了一系列液晶基元橫掛于主鏈的高分子,它與剛性或半剛性鏈的主鏈型液晶高分子相比性能相似,所發表的論文受到國內外同行關注并多次引用,獲1997年國家自然科學獎.我國著名的高分子科學家18沈家驄、張希及其研究集體,經過15年的不懈努力,在有機聚合物層狀構筑及其功能的研究方面,借鑒自然界分子自組裝和分子自組織的思想,利用各種分子間相互作用,獲得了具有特殊物理和化學性質及多功能集成的組裝體,揭示了分子組裝結構與功能的內在聯系,發展了多種組裝新方法和新技術,實現了對層狀組裝體賦予功能并進行調控。他們的主要研究成果獲得2004年國家自然科學獎。吳奇、江明在稀溶液中高分子的鏈折疊與組裝領域的成果獲得2003年度國家自然科學獎。我國著名的高分子科學家19

“高分子材料”和“功能高分子”的區別在于，前者著重研究通用型材料，使用量大、應用面廣，后者著重研究功能材料，即性能特殊、使用量小、附加價值高的一類材料。第一章緒論1.1基本概念20第一章緒論

功能高分子材料：簡稱功能高分子（FunctionalPolymers),有人又稱它為特種高分子（SpecialtyPolymers）或精細高分子（FinePolymers）。1.1基本概念21第一章緒論1.1基本概念功能高分子與高性能高分子性能：材料對外部作用的抵抗特性。例如，對外力的抵抗表現為材料的強度、模量等；對熱的抵抗表現為耐熱性；對光、電、化學藥品的抵抗，則表現為材料的耐光性、絕緣性、防腐蝕性等。

22第一章緒論功能：指從外部向材料輸入信號時，材料內部發生質和量的變化而產生輸出的特性。例如，材料在受到外部光的輸入時，材料可以輸出電性能，稱為材料的光電功能；材料在受到多種介質作用時，能有選擇地分離出其中某些介質，稱為材料的選擇分離性。此外，如壓電性、藥物緩釋放性等，都屬于功能的范疇。

23第一章緒論因此：

功能高分子是指當有外部刺激時，能通過化學或物理的方法做出響應的高分子材料。

高性能高分子則是對外力有特別強的抵抗能力的高分子材料。

它們都屬于特種高分子材料的范疇。24第一章緒論特種高分子是相對于通用高分子而言的。通用高分子材料：應用面廣量大，價格較低。根據其性質和用途可分為五個大類：化學纖維、塑料、橡膠、油漆涂料、粘合劑。特種高分子材料：帶有特殊物理、力學、化學性質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疇。

25第一章緒論

從實用的角度看，對功能材料來說，人們著眼于它們所具有的獨特的功能；而對高性能材料，人們關心的是它與通用材料在性能上的差異。

特種高分子和功能高分子是目前高分子學科中發展最快、研究最活躍的新領域。26第一章緒論1.反應性高分子材料，包括高分子試劑、高分子催化劑和高分子染料，特別是高分子固相合成試劑和固定化酶試劑等。2.光敏型高分子，包括各種光穩定劑、光刻膠，感光材料、非線性光學材料、光導材料和光致變色材料等。1.2功能高分子材料的類型國內一般采用按其性質、功能或實際用途劃分特種和功能高分子材料，具體可劃分為8種類型。27第一章緒論3.電性能高分子材料，包括導電聚合物、能量轉換型聚合物、電致發光和電致變色材料以及其他電敏感性材料等。

4.高分子分離材料，包括各種分離膜、緩釋膜和其他半透性膜材料、離子交換樹脂、高分子螯合劑、高分子絮凝劑等。28第一章緒論5.高分子吸附材料，包括高分子吸附性樹脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。6.高分子智能材料，包括高分子記憶材料、信息存儲材料和光、磁、pH、壓力感應材料等。7.生物醫用高分子材料，包括醫用高分子材料、藥用高分子材料和醫藥用輔助材料等。8.高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高溫高分子材料、高強高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纖維材料、生物降解高分子等。29第一章緒論1.3功能高分子材料的發展與展望1.3.1功能高分子發展的背景1.經濟發展的需要自從1920年施道丁格（H.Staudinger）建立大分子概念以來，高分子材料以驚人的速度得到發展。至20世紀60年代，高分子材料工業化已基本完善，解決了人們的衣著、日用品和工業材料等需求。通用高分子和工程用高分子的世界總產量已超過幾千萬噸/年，特種高分子則為幾十萬噸/年。30第一章緒論

1973年和1978年兩次世界性的石油大危機，使原油價格猛漲。以石油為主要原料的高分子材料成本呈直線上升，商品市場陷入極為困難的處境。在這樣的經濟背景下，迫使人們試圖用同樣的原材料，去制備價值更高的產品。功能高分子在這種外部條件促使下迅速地發展了起來。

31第一章緒論表1—1各種高分子材料的產量和價格比*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，PS＞10001中間高分子材料ABS，PMMA100～10001～2工程高分子材料PA，PC，POM，PBT，PPO20～802～4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1～2010～100*價格比以通用高分子為1計。從表1—1的數據可以看出，發展功能高分子材料可以獲得較高的經濟效益。32第一章緒論80～90年代，科學技術有了迅速發展。能源、信息、電子和生命科學等領域的發展，對高分子材料提出了新的要求。即要求高分子材料具有迄今還不曾有過的高性能和高功能，甚至要求既具有高功能亦具有高性能的高分子材料。2.科學技術發展的需求33第一章緒論

新能源的要求。太陽能和氫將成為今后的主要能源。光電轉換材料就成為太陽能利用的關鍵。硅材料已進入了實用階段。然而，按現在的能量轉換效率，對單晶硅的需要量實在太大。為此，人們把注意力轉向可高效轉換太陽能的功能高分子材料。如換能型高分子分離膜的利用。34第一章緒論

交通和宇航技術的要求。既高速又節約能源是交通運輸和宇航事業迫切需要解決的課題。采用功能高分子材料，在一定程度上解決了該難題。就目前的成就來看，波音757，767飛機采用Kavlar增強材料（一種由高分子液晶紡絲而成的高強纖維增強的材料），可省油50％。汽車工業采用高分子材料而實現輕型化，從而達到省油和高速的目的。35第一章緒論

微電子技術的要求。高度集成化是微電子工業發展的趨勢。存儲容量將從目前的16K發展到256K。此時相應的電路細度僅為1.5μm。因此，高功能的光致抗蝕材料（感光高分子）已成為微電子工業的關鍵材料之一。36第一章緒論

生命科學的要求。人類對生命奧秘的探索，對建立一個潔凈、安全的世界的渴望，對征服癌癥等疾病的努力，均對高分子材料提出了功能的要求。例如，生物分離介質的研制成功，使生命組成的各種組分能得以精細地分級，對生命科學的貢獻將是十分重大的?？山到庑愿叻肿硬牧系膯柺溃瑢⒋蟠鬁p緩白色公害對人類的危害。37第一章緒論

總之，功能高分子材料在國民經濟建設和日常生活中將發揮越來越重要的作用，發展前景不可估量。當然，目前的成就尚處于十分初級的階段，有待于進一步研究和探索。38第一章緒論

雖然特種與功能高分子材料的發展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和離子交換樹脂都有很長的歷史。但是作為一門獨立的完整的學科，功能高分子是從20世紀80年代中后期開始發展的。1.3.2功能高分子的發展歷程與展望39第一章緒論

最早的功能高分子可追溯到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。40第一章緒論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，這是迄今為止唯一報道的超導性有機高分子。

20世紀80年代，高分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜等技術得到快速發展。

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。這一切都反映了功能高分子日新月異的發展。41第一章緒論

其中從20世紀50年代發展起來的光敏高分子化學，在光聚合、光交聯、光降解、熒光以及光導機理的研究方面都取得了重大突破，特別在過去20多年中有了飛快發展，并在工業上得到廣泛應用。比如光敏涂料、光致抗蝕劑、光穩定劑、光可降解材料、光刻膠、感光性樹脂、以及光致發光和光致變色高分子材料都已經工業化。近年來高分子非線性光學材料也取得了突破性的進展。42第一章緒論一、具有選擇分離功能的高分子材料離子交換樹脂高分子分離膜高分子吸附劑1.3.3功能高分子材料簡介43第一章緒論一、具有選擇分離功能的高分子材料離子交換樹脂屬于離子型高分子材料。根據鍵合到高分子骨架上的離子基團的性質不同，可分為陽離子和陰離子交換樹脂兩大類。前者的交換基團如磺酸基、羧酸基等酸性基團，具有交換金屬陽離子的能力；后者的交換基團如季銨鹽基，具有交換溶液中酸根離子的作用。44第一章緒論一、具有選擇分離功能的高分子材料高分子分離膜是以天然的或合成的高分子為基材，經過特殊工藝制備的膜材料。由于材料本身的物理、化學性質和膜的微觀結構特征，具有對某些小分子物質選擇性透過的能力，因此可對多組分氣體、液體進行有選擇的分離，并可進行能量轉化。1.3.3功能高分子材料簡介45第一章緒論一、具有選擇分離功能的高分子材料高分子吸附劑又稱吸附樹脂，可對藥物進行提取、分離和脫色，對工業廢水進行分離凈化。生物分離介質則是生命科學研究中不可缺少的材料，如用于分離干擾素等。1.3.3功能高分子材料簡介46第一章緒論二、光敏功能高分子光敏功能高分子又稱感光高分子，是指在光照作用下能發生交聯、分解或官能團變化等光化學反應，從而引起材料的物理性質和化學性質變化的高分子材料。1.3.3功能高分子材料簡介47第一章緒論二、光敏功能高分子1、光能轉換用材料：這類材料能夠直接參與光能吸收、儲存和轉換過程，用于光能轉換。利用光能轉換裝置可以將太陽能轉換成熱能、化學能、電能、機械能等幾種常見能源。1.3.3功能高分子材料簡介48第一章緒論二、光敏功能高分子2、光刻用光敏樹脂和光敏涂料：光刻膠是一種在光照射下可以發生光分解或光交聯反應的高分子材料，反應后溶解性能發生較大變化，對于特定溶劑，從不溶性變為可溶性（光分解反應）或者從可溶性變為不溶性（光交聯反應），是大規模集成電路、印刷電路板和激光制版技術中的關鍵材料。1.3.3功能高分子材料簡介49第一章緒論二、光敏功能高分子3、光致變色聚合物材料：這種高分子材料在光照條件下聚合物內部結構發生變化，導致聚合物對光的最大吸收波長發生變化，從而產生顏色改變。1.3.3功能高分子材料簡介50第一章緒論二、光敏功能高分子4、光導電高分子材料：指那些在無光照條件下基本上是絕緣的，而當被光照射后其導電能力則大幅提高。引起導電能力大幅度提高的原因是光照激發過程大量產生電子型載流子。1.3.3功能高分子材料簡介51第一章緒論4、光導電高分子材料：具有光導電能力的高分子材料其結構需要滿足以下條件：首先是材料的最大吸收波長應該是在可見光或照射用光的波長范圍之內，并且有較大的消光系數，以保證光能的最大吸收；其次是生成的激發態電子應該有一定的穩定性和壽命，以提供數量足夠多的載流子。此外，高分子材料還有提供載流子定向遷移的必要通道。1.3.3功能高分子材料簡介52第一章緒論三、導電高分子和電活性高分子導電高分子材料根據其結構組成可分為由普通高分子材料與導電材料粉末復合構成的復合型導電高分子材料和分子本身具有導電性質的本征導電高分子材料兩類。后者根據其導電方式，還可以分成三種類型：電子導電型聚合物、離子導電型聚合物以及氧化還原型導電聚合物。1.3.3功能高分子材料簡介53第一章緒論三、導電高分子和電活性高分子

電活性高分子材料是指那些在電場參量作用下能夠顯示特殊物理化學性質的高分子材料。如導電性能的突然變化、電致變色、電致發光等。利用這些功能可以制備出各種敏感元件、光電顯示器件、有機分子半導體器件等。1.3.3功能高分子材料簡介54第一章緒論四、高吸水性高分子

高吸水性樹脂是利用樹脂結構的親水性和交聯結構的不溶性，以及結構中所含同種離子的相斥性，使樹脂很容易大量吸收水分形成凝膠。其特點是具有非常高的吸水性和優異的保水性。1.3.3功能高分子材料簡介55第一章緒論五、生物醫用高分子1、醫用高分子材料：屬于生物活性材料，是指符合醫用要求，在醫療領域應用到人體上，以醫療為目的的高分子材料。從廣義上說包括醫療器械用高分子材料、治療用高分子材料和人造組織器官三類。1.3.3功能高分子材料簡介56第一章緒論五、生物醫藥用高分子2、高分子藥物：原則上講在藥物制劑中采用的高分子材料都應該稱為藥用高分子材料。一般認為高分子藥物可以分成幾類。首先是高分子本身具有藥用作用的，如生物活性多肽、肝素、帶陰離子或陽離子的聚合物，它們或者擁有抗腫瘤、抗病毒作用，或者具有殺菌消毒作用。第二類是高分子與小分子藥物復合，作為藥物釋放控制材料使用，其目的是利用高分子的某些特性。第三類是用于藥物制劑中的高分子賦型劑和導向劑等。1.3.3功能高分子材料簡介57第一章緒論六、高分子液晶

高分子液晶是介于液體和晶體之間的一種中介態，具有獨特的性能。高分子液晶通過柔性聚合物鏈將小分子液晶連接起來構成，可以克服小分子液晶穩定性差，機械強度低的缺點。根據其特征剛性結構在聚合物鏈上所處位置，可分為主鏈型、側鏈型、混合型液晶。根據形成過程，分為熱致型和溶致型液晶。根據晶態結構分為向列型、近晶型和膽甾醇型液晶等類別。1.3.3功能高分子材料簡介58第一章