第九章功能高分子材料膜分離材料2023/7/171第1頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)膜分離材料

一概述1分離膜與膜分離技術的概念

分離膜是指能以特定形式限制和傳遞流體物質的分隔兩相或兩部分的界面。膜的形式可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的。被膜分割的流體物質可以是液態(tài)的，也可以是氣態(tài)的。膜至少具有兩個界面，膜通過這兩個界面與被分割的兩側流體接觸并進行傳遞。分離膜對流體可以是完全透過性的，也可以是半透過性的，但不能是完全不透過性的。膜在生產和研究中的使用技術被稱為膜技術。第2頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

隨著科學技術的迅猛發(fā)展和人類對物質利用廣度的開拓，物質的分離已成為重要的研究課題。分離的類型包括同種物質按不同大小尺寸的分離；異種物質的分離；不同物質狀態(tài)的分離等。在化工單元操作中，常見的分離方法有篩分、過濾、蒸餾、蒸發(fā)、重結晶、萃取、離心分離等。然而，對于高層次的分離，如分子尺寸的分離、生物體組分的分離等，采用常規(guī)的分離方法是難以實現(xiàn)的，或達不到精度，或需要損耗極大的能源而無實用價值。第3頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

具有選擇分離功能的高分子材料的出現(xiàn)，使上述的分離問題迎刃而解。膜分離過程的主要特點是以具有選擇透過性的膜作為分離的手段，實現(xiàn)物質分子尺寸的分離和混合物組分的分離。膜分離過程的推動力有濃度差、壓力差和電位差等。膜分離過程可概述為以下三種形式：①滲析式膜分離料液中的某些溶質或離子在濃度差、電位差的推動下，透過膜進入接受液中，從而被分離出去。屬于滲析式膜分離的有滲析和電滲析等；第4頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月②過濾式膜分離利用組分分子的大小和性質差別所表現(xiàn)出透過膜的速率差別，達到組分的分離。屬于過濾式膜分離的有超濾、微濾、反滲透和氣體滲透等；③液膜分離液膜與料液和接受液互不混溶，液液兩相通過液膜實現(xiàn)滲透，類似于萃取和反萃取的組合。溶質從料液進入液膜相當于萃取，溶質再從液膜進入接受液相當于反萃取。第5頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

膜分離技術是利用膜對混合物中各組分的選擇滲透性能的差異來實現(xiàn)分離、提純和濃縮的新型分離技術。膜分離過程的共同優(yōu)點是成本低、能耗少、效率高、無污染并可回收有用物質，特別適合于性質相似組分、同分異構體組分、熱敏性組分、生物物質組分等混合物的分離，因而在某些應用中能代替蒸餾、萃取、蒸發(fā)、吸附等化工單元操作。實踐證明，當不能經濟地用常規(guī)的分離方法得到較好的分離時，膜分離作為一種分離技術往往是非常有用的。并且膜技術還可以和常規(guī)的分離方法結合起來使用，使技術投資更為經濟。第6頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

膜分離過程沒有相的變化(滲透蒸發(fā)膜除外)，常溫下即可操作；由于避免了高溫操作，所濃縮和富集物質的性質不容易發(fā)生變化，因此在膜分離過程食品、醫(yī)藥等行業(yè)使用具有獨特的優(yōu)點；膜分離裝置簡單、操作容易，對無機物、有機物及生物制品均可適用，并且不產生二次污染。由于上述優(yōu)點，近二三十年來，膜科學和膜技術發(fā)展極為迅速，目前已成為工農業(yè)生產、國防、科技和人民日常生活中不可缺少的分離方法，越來越廣泛地應用于化工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥、電子、電力、冶金、輕紡、海水淡化等領域。第7頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2功能膜的分類（1）按膜的材料分類

膜材料的分類類別膜材料舉例纖維素酯類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他殼聚糖，聚電解質等第8頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）按膜的分離原理及適用范圍分類根據(jù)分離膜的分離原理和推動力的不同，可將其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。（3）按膜斷面的物理形態(tài)分類根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為對稱膜，不對稱膜、復合膜、平板膜、管式膜、中空纖維膜等。第9頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）按功能分類日本著名高分子學者清水剛夫將膜按功能分為分離功能膜（包括氣體分離膜、液體分離膜、離子交換膜、化學功能膜）、能量轉化功能膜（包括濃差能量轉化膜、光能轉化膜、機械能轉化膜、電能轉化膜，導電膜）、生物功能膜（包括探感膜、生物反應器、醫(yī)用膜）等。第10頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月二膜材料及膜的制備1膜材料

用作分離膜的材料包括廣泛的天然的和人工合成的有機高分子材料和無機材料。原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機材料均可用于制備分離膜。但實際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術。第11頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前，實用的有機高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已被用于工業(yè)和實驗室中。以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。第12頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2膜的制備（1）分離膜制備工藝類型膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別很大。合理的、先進的制膜工藝是制造優(yōu)良性能分離膜的重要保證。目前，國內外的制膜方法很多，其中最實用的是相轉化法（流涎法和紡絲法）和復合膜化法。第13頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）相轉化制膜工藝相轉化是指將均質的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉變?yōu)楣滔嗟倪^程。相轉化制膜工藝中最重要的方法是L—S型制膜法。它是由加拿大人勞勃（S.Leob）和索里拉金（S.Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造醋酸纖維素膜。將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸發(fā)，經過相轉化就形成了由液相轉化為固相的膜，其工藝框圖可表示如下：第14頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月聚合物溶劑添加劑均質制膜液流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑凝固液浸漬水洗后處理非對稱膜L—S法制備分離膜工藝流程框圖第15頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）復合制膜工藝由L-S法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.25～1μm，相當于總厚度的1/100左右。理論研究表明可知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用L—S法制備表面層小于0.1μm的膜極為困難。為此，發(fā)展了復合制膜工藝，其方框圖如圖所示。第16頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月多孔支持膜涂覆交聯(lián)加熱形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆復合膜形成超薄膜的溶液交聯(lián)劑復合制膜工藝流程框圖第17頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月三典型的膜分離技術及應用領域典型的膜分離技術有微孔過濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、滲析(D)、電滲析(ED)、液膜(LM)及滲透蒸發(fā)(PV)等，下面分別介紹之。1微孔過濾技術（1）微孔過濾和微孔膜的特點微孔過濾技術始于十九世紀中葉，是以靜壓差為推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質膜的“篩分”作用進行分離的膜過程。實施微孔過濾的膜稱為微孔膜。第18頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，過濾粒徑在0.025～10μm之間，操作壓在0.01～0.2MPa。到目前為止，國內外商品化的微孔膜約有13類，總計400多種。微孔膜的主要優(yōu)點為：①孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；②孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質快幾十倍；第19頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月③無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150μm之間，因而吸附量很少，可忽略不計。④無介質脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。微孔膜的缺點：①顆粒容量較小，易被堵塞；②使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。第20頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）微孔過濾技術應用領域

微孔過濾技術目前主要在以下方面得到應用：微粒和細菌的過濾。可用于水的高度凈化、食品和飲料的除菌、藥液的過濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣凈化和除菌等。微粒和細菌的檢測。微孔膜可作為微粒和細菌的富集器，從而進行微粒和細菌含量的測定。第21頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月氣體、溶液和水的凈化。大氣中懸浮的塵埃、纖維、花粉、細菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。食糖與酒類的精制。微孔膜對食糖溶液和啤、黃酒等酒類進行過濾，可除去食糖中的雜質、酒類中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類產品的清澈度，延長存放期。由于是常溫操作，不會使酒類產品變味。第22頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是熱壓法滅菌時，細菌的尸體仍留在藥品中。而且對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況，微孔膜有突出的優(yōu)點，經過微孔膜過濾后，細菌被截留，無細菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會引起藥物的受熱破壞和變性。許多液態(tài)藥物，如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的過濾技術難以達到要求，必須采用微濾技術。第23頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2超濾技術（1）超濾和超濾膜的特點超濾技術始于1861年，其過濾粒徑介于微濾和反滲透之間，約5～10nm，在0.1～0.5MPa的靜壓差推動下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質、酶等相對分子質量大于500的大分子及膠體，形成濃縮液，達到溶液的凈化、分離及濃縮目的。超濾技術的核心部件是超濾膜，分離截留的原理為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過膜上的微孔，而大于孔徑的微粒則被截留。膜上微孔的尺寸和形狀決定膜的分離效率。第24頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

超濾膜均為不對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。超濾膜的結構一般由三層結構組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為0.1～1.5μm，其中細孔孔徑一般小于10nm；中間的過渡層，具有大于10nm的細孔，厚度一般為1～10μm；最下面的支撐層，厚度為50～250μm，具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機械強度。膜的分離性能主要取決于表面活性層和過度層。第25頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

中空纖維狀超濾膜的外徑為0.5～2μm。特點是直徑小，強度高，不需要支撐結構，管內外能承受較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜的內表面積很大，能有效提高滲透通量。制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的材質，如醋酸纖維素超濾膜適用于pH=3～8，三醋酸纖維素超濾膜適用于pH=2～9，芳香聚酰胺超濾膜適用于pH=5～9，溫度0～40℃，而聚醚砜超濾膜的使用溫度則可超過100℃。第26頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）超濾膜技術應用領域超濾膜的應用也十分廣泛，在作為反滲透預處理、飲用水制備、制藥、色素提取、陽極電泳漆和陰極電泳漆的生產、電子工業(yè)高純水的制備、工業(yè)廢水的處理等眾多領域都發(fā)揮著重要作用。超濾技術主要用于含分子量500～500,000的微粒溶液的分離，是目前應用最廣的膜分離過程之一，它的應用領域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化等。主要可歸納為以下方面。第27頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月純水的制備。超濾技術廣泛用于水中的細菌、病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無菌水等。汽車、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理。汽車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有1％～2％的涂料（高分子物質），用超濾裝置可分離出清水重復用于清洗，同時又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。食品工業(yè)中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超濾技術可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應用超濾技術可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質，使果汁和酒在凈化處理的同時保持原有的色、香、味，操作方便，成本較低。在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質，分離濃縮生物活性物質，從生物中提取藥物等。造紙廠的廢水處理。第28頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月三反滲透技術1.反滲透原理及反滲透膜的特點滲透是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前就已經自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物質。目前，反滲透技術已經發(fā)展成為一種普遍使用的現(xiàn)代分離技術。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術有其他方法不可比擬的優(yōu)勢。第29頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

滲透和反滲透的原理如圖所示。如果用一張只能透過水而不能透過溶質的半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側遷移，這一現(xiàn)象稱滲透（圖a）。這一過程的推動力是低濃度溶液中水的化學位與高濃度溶液中水的化學位之差，表現(xiàn)為水的滲透壓。隨著水的滲透，高濃度水溶液一側的液面升高，壓力增大。當液面升高至H時，滲透達到平衡，兩側的壓力差就稱為滲透壓（圖b）。滲透過程達到平衡后，水不再有滲透，滲透通量為零。如果在高濃度水溶液一側加壓，使高濃度水溶液側與低濃度水溶液側的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側，這一過程就稱為反滲透（圖c）。第30頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月滲透與反滲透原理示意圖第31頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

反滲透技術所分離的物質的分子量一般小于500，操作壓力為2～100MPa。用于實施反滲透操作的膜為反滲透膜。反滲透膜大部分為不對稱膜，孔徑小于0.5nm，可截留溶質分子。第32頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。反滲透膜的分離機理至今尚有許多爭論，主要有氫鍵理論、選擇吸附—毛細管流動理論、溶解擴散理論等。第33頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2.反滲透與超濾、微孔過濾的比較反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差為推動力使溶劑通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級膜分離過程。一般來說，分離溶液中分子量低于500的低分子物質，應該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于500的大分子或極細的膠體粒子可以選擇超濾膜，而分離溶液中的直徑0.1～10μm的粒子應該選微孔膜。以上關于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是十分嚴格、明確的，它們之間可能存在一定的相互重疊。第34頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月微孔過濾、超濾和反滲透技術的原理和操作特點比較如下表所示。反滲透、超濾和微孔過濾技術的原理和操作特點比較分離技術類型反滲透超濾微孔過濾膜的形式表面致密的非對稱膜、復合膜等非對稱膜，表面有微孔微孔膜膜材料纖維素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等纖維素、PVC等操作壓力/MPa2～1000.1～0.50.01～0.2分離的物質分子量小于500的小分子物質分子量大于500的大分子和細小膠體微粒0.1～10μm的粒子分離機理非簡單篩分，膜的物化性能對分離起主要作用篩分，膜的物化性能對分離起一定作用篩分，膜的物理結構對分離起決定作用水的滲透通量/(m3.m-2.d-1)0.1～2.50.5～520～200第35頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月3.反滲透膜技術應用領域反滲透膜最早應用于苦咸水淡化。隨著膜技術的發(fā)展，反滲透技術已擴展到化工、電子及醫(yī)藥等領域。反滲透過程主要是從水溶液中分離出水，分離過程無相變化，不消耗化學藥品，這些基本特征決定了它以下的應用范圍。（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水軟化制備鍋爐用水，高純水的制備。近年來，反滲透技術在家用飲水機及直飲水給水系統(tǒng)中的應用更體現(xiàn)了其優(yōu)越性。第36頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）在醫(yī)藥、食品工業(yè)中用以濃縮藥液、果汁、咖啡浸液等。與常用的冷凍干燥和蒸發(fā)脫水濃縮等工藝比較，反滲透法脫水濃縮成本較低，而且產品的療效、風味和營養(yǎng)等均不受影響。（3）印染、食品、造紙等工業(yè)中用于處理污水，回收利用廢業(yè)中有用的物質等。第37頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月四離子交換膜1.離子交換膜的分類（1）按可交換離子性質分類與離子交換樹脂類似，離子交換膜按其可交換離子的性能可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極離子交換膜。這三種膜的可交換離子分別對應為陽離子、陰離子和陰陽離子。第38頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）按膜的結構和功能分類按膜的結構與功能可將離子交換膜分為普通離子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對一價離子的選擇性滲透進行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽離子交換層和陰離子交換層復合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進行鹽的濃縮、有機物質的分離等。第39頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2.離子交換膜的工作原理（1）電滲析在鹽的水溶液（如氯化鈉溶液）中置入陰、陽兩個電極，并施加電場，則溶液中的陽離子將移向陰極，陰離子則移向陽極，這一過程稱為電泳。如果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜（陽離子交換膜或陰離子交換膜），則陽離子或陰離子會選擇性地通過膜，這一過程就稱為電滲析。第40頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

電滲析的核心是離子交換膜。在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來，實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮及鈍化；也可通過電滲析實現(xiàn)鹽的電解，制備氯氣和氫氧化鈉等。

第41頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月食鹽生產電滲析器示意圖A：陰離子膜，K：陽離子膜；D：稀室，C：濃室第42頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）膜電解膜電解的基本原理可以通過NaCl水溶液的電解來說明。在兩個電極之間加上一定電壓，則陰極生成氯氣，陽極生成氫氣和氫氧化鈉。陽離子交換膜允許Na+滲透進入陽極室，同時阻攔了氫氧根離子向陰極的運動，在陽極室的反應是：2Na++2H2O+2e=2NaOH+H2在陰極室的反應為：2Cl－－2e=Cl2第43頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

用氟代烴單極或雙極膜制備的的電滲析器已成為用于制備氫氧化鈉的主要方法，取代了其他制備氫氧化鈉的方法。如果在膜的一面涂上一層陰極的催化劑，在另一面涂一層陽極催化在這兩個電極上加上一定的電壓，則可電解水，在陽極產生氫氣，而在陰極產生氧氣。第44頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月3.電滲析技術應用領域

自電滲析技術問世后，其在苦咸水淡化，飲用水及工業(yè)用水制備方面展示了巨大的優(yōu)勢。隨著電滲析理論和技術研究的深入，我國在電滲析主要裝置部件及結構方面都有巨大的創(chuàng)新，僅離子交換膜產量就占到了世界的1/3。我國的電滲析裝置主要由國家海洋局杭州水處理技術開發(fā)中心生產，現(xiàn)可提供200m3/d規(guī)模的海水淡化裝置。第45頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

電滲析技術在食品工業(yè)、化工及工業(yè)廢水的處理方面也發(fā)揮著重要的作用。特別是與反滲透、納濾等精過濾技術的結合，在電子、制藥等行業(yè)的高純水制備中扮演重要角色。此外，離子交換膜還大量應用于氯堿工業(yè)。全氟磺酸膜（Nafion）以化學穩(wěn)定性著稱，是目前為止唯一能同時耐40％NaOH和100℃溫度的離子交換膜，因而被廣泛應用作食鹽電解制備氯堿的電解池隔膜。第46頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

全氟磺酸膜還可用作燃料電池的重要部件。燃料電池是將化學能轉變?yōu)殡娔苄首罡叩哪茉矗赡艹蔀?1世紀的主要能源方式之一。經多年研制，Nafion膜已被證明是氫氧燃料電池的實用性質子交換膜，并已有燃料電池樣機在運行。但Nafion膜價格昂貴（700美元/m2），故近年來正在加速開發(fā)磺化芳雜環(huán)高分子膜，用于氫氧燃料電池的研究，以期降低燃料電池的成本。第47頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月五滲透蒸發(fā)技術1.滲透蒸發(fā)技術和滲透蒸發(fā)膜的特點滲透蒸發(fā)是近十幾年中頗受人們關注的膜分離技術。滲透蒸發(fā)是指液體混合物在膜兩側組分的蒸氣分壓差的推動力下，透過膜并部分蒸發(fā)，從而達到分離目的的一種膜分離方法。可用于傳統(tǒng)分離手段較難處理的恒沸物及近沸點物系的分離。具有一次分離度高、操作簡單、無污染、低能耗等特點。第48頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

滲透蒸發(fā)的實質是利用高分子膜的選擇性透過來分離液體混合物。其原理如圖所示。由高分子膜將裝置分為兩個室，上側為存放待分離混合物的液相室，下側是與真空系統(tǒng)相連接或用惰性氣體吹掃的氣相室。混合物通過高分子膜的選擇滲透，其中某一組分滲透到膜的另一側。由于在氣相室中該組分的蒸氣分壓小于其飽和蒸氣壓，因而在膜表面汽化。蒸氣隨后進入冷凝系統(tǒng)，通過液氮將蒸氣冷凝下來即得滲透產物。滲透蒸發(fā)過程的推動力是膜內滲透組分的濃度梯度。第49頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月滲透蒸發(fā)分離示意圖(真空氣化)第50頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月滲透蒸發(fā)分離示意圖(惰性氣體吹掃)第51頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2.制備滲透蒸發(fā)膜的材料用于制備滲透蒸發(fā)膜的材料包括天然高分子物質和合成高分子物質。天然高分子膜主要包括醋酸纖維素（CA）、羧甲基纖維素（CMC）、膠原、殼聚糖等。這類膜的特點是親水性好，對水的分離系數(shù)高，滲透通量也較大，對分離醇—水溶液很有效。但這類膜的機械強度較低，往往被水溶液溶脹后失去機械性能。如羧甲基纖維素是水溶性的，只能分離低濃度的水溶液。采用加入交聯(lián)劑可增強膜的機械性能，但同時會降低膜性能。第52頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

用于制備滲透蒸發(fā)膜的合成高分子材料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PSt）、聚四氟乙烯（PTFE）等非極性材料和聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等極性材料。非極性膜大多被用于分離烴類有機物，如苯與環(huán)己烷、二甲苯異構體，甲苯與庚烷以及甲苯與醇類等，但選擇性一般較低。第53頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

極性膜一般用于醇—水混合物的分離。其中聚乙烯醇是最引人注目的一種分離醇—水混合物的膜材料。聚乙烯醇對水有很強的親和力，而對乙醇的溶解度很小，因此有利于對水的選擇吸附。該膜在分離低濃度水—乙醇溶液時有很高的選擇性。但當水的濃度大于40％時，膜溶脹加劇，導致選擇性大幅度下降。第54頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

聚丙烯腈對水也顯示出很高的選擇性，但滲透通量較小，所以通常被用作復合膜的多孔支撐層。在工業(yè)發(fā)酵罐得到的是約5％的乙醇—水溶液，這時采用優(yōu)先透醇膜顯然更為經濟實用。最常用的透醇膜材料是聚二甲基硅氧烷。但其對醇的滲透速率與選擇性都比較低，選擇性α一般在10以下。第55頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月3.滲透蒸發(fā)技術應用領域滲透蒸發(fā)作為一種無污染、高能效的膜分離技術已經引起廣泛的關注。該技術最顯著的特點是很高的單級分離度，節(jié)能且適應性強，易于調節(jié)。目前滲透蒸發(fā)膜分離技術已在無水乙醇的生產中實現(xiàn)了工業(yè)化。與傳統(tǒng)的恒沸精餾制備無水乙醇相比，可大大降低運行費用，且不受汽—液平衡的限制。第56頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

除了以上用途外，滲透蒸發(fā)膜在其他領域的應用尚都處在實驗室階段。預計有較好應用前景的領域有：工業(yè)廢水處理中采用滲透蒸發(fā)膜去除少量有毒有機物（如苯、酚、含氯化合物等）；在氣體分離、醫(yī)療、航空等領域用于富氧操作；從溶劑中脫除少量的水或從水中除去少量有機物；石油化工工業(yè)中用于烷烴和烯烴、脂肪烴和芳烴、近沸點物、同系物、同分異構體等的分離等。第57頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月六氣體分離膜1氣體分離膜有兩種類型：非多孔均質膜和多孔膜。第58頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2.制備氣體分離膜的材料根據(jù)不同的分離對象，氣體分離膜采用不同的材料制備。1）H2的分離美國Monsanto公司1979年首創(chuàng)Prism中空纖維復合氣體分離膜，主要用于氫氣的分離。其材料主要有醋酸纖維素、聚砜、聚酰亞胺等。其中聚酰亞胺是近年來新開發(fā)的高效氫氣分離膜材料。它是由二聯(lián)苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有抗化學腐蝕、耐高溫和機械性能高等優(yōu)點。第59頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2）O2的分離富集制備富氧膜的材料主要兩類：聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性產品和含三甲基硅烷基的高分子材料。

PDMS是目前工業(yè)化應用的氣體分離膜中最高的膜材料，美中不足的是它有兩大缺點：一是分離的選擇性低，二是難以制備超薄膜。

第60頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

含有三甲基硅烷基的聚[1—(三甲基硅烷)—1—丙炔]（PTMSP）的比PDMS的要高一個數(shù)量級。從分子結構來看，三甲基硅烷基的空間位阻較大，相鄰分子鏈無法緊密靠近，因此膜中出現(xiàn)大量分子級的微孔隙，擴散系數(shù)增大。第61頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

此外，富氧膜大部分可作為CO2分離膜使用，若在膜材料中引入親CO2的基團，如醚鍵、苯環(huán)等，可大大提高CO2的透過性。同樣，若在膜材料中引入親SO2的亞砜基團（如二甲亞砜、環(huán)丁砜等），則能夠大大提高SO2分離膜的滲透性能和分離性能。具有親水基團的芳香族聚酰亞胺和磺化聚苯醚等對H2O有較好的分離作用。第62頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月3.氣體分離膜的應用領域氣體分離膜是當前各國均極為重視開發(fā)的產品，已有不少產品用于工業(yè)化生產。如美國DuPont公司用聚酯類中空纖維制成的H2氣體分離膜，對組成為70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合氣體進行分離，可獲得含90％H2的分離效果。第63頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

此外，富氧膜、分離N2，CO2，SO2，H2S等氣體的膜，都已有工業(yè)化的應用。例如從天然氣中分離氮、從合成氨尾氣中回收氫、從空氣中分離N2或CO2，從煙道氣中分離SO2、從煤氣中分離H2S或CO2等等，均可采用氣體分離膜來實現(xiàn)。第64頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月七液膜1.液膜的概念和特點液膜分離技術是1965年由美國埃克森（Exssen）研究和工程公司的黎念之博士提出的一種新型膜分離技術。直到80年代中期，奧地利的J.Draxler等科學家采用液膜法從粘膠廢液中回收鋅獲得成功，液膜分離技術才進入了實用階段。液膜是一層很薄的液體膜。它能把兩個互溶的、但組成不同的溶液隔開，并通過這層液膜的選擇性滲透作用實現(xiàn)物質的分離。根據(jù)形成液膜的材料不同，液膜可以是水性的，也可是溶劑型的。第65頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

液膜的特點是傳質推動力大，速率高，且試劑消耗量少，這對于傳統(tǒng)萃取工藝中試劑昂貴或處理能力大的場合具有重要的經濟意義。另外，液膜的選擇性好，往往只能對某種類型的離子或分子的分離具有選擇性，分離效果顯著。目前存在的最大缺點是強度低，破損率高，難以穩(wěn)定操作，而且過程與設備復雜。第66頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2.液膜的組成與類型（1）液膜的組成

1）膜溶劑膜溶劑是形成液膜的基體物質。選擇膜溶劑主要考慮膜的穩(wěn)定性和對溶劑的溶解性。為了保持膜的穩(wěn)定性，就要求膜溶劑具有一定的粘度。膜溶劑對溶質的溶解性則首先希望它對欲提取的溶質能優(yōu)先溶解，對其他欲除去溶質的溶解度盡可能小。當然膜溶劑不能溶于欲被液膜分隔的溶液，并希望膜溶劑與被其分隔的溶液有一定的相對密度差（一般要求相差0.025g/cm3）。第67頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2）表面活性劑表面活性劑是分子中含有親水基和疏水基兩個部分的化合物，在液體中可以定向排列，顯著改變液體表面張力或相互間界面張力。表面活性劑是制備液膜的最重要的組分，它直接影響膜的穩(wěn)定性、滲透速度等性能。在實際使用中，表面活性劑的選擇是一個較復雜的問題，需根據(jù)不同的應用對象進行實驗選擇。第68頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月3）流動載體流動載體的作用使指定的溶質或離子進行選擇性遷移，對分離指定的溶質或離子的選擇性和滲透通量起著決定性的影響，其作用相當于萃取劑。它的研究是液膜分離技術的關鍵。第69頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）液膜的類型從形狀來分類，可將液膜分為支撐型液膜和球形液膜兩類，后者又可分為單滴型液膜和乳液型液膜兩種。

1）支撐型液膜把微孔聚合物膜浸在有機溶劑中，有機溶劑即充滿膜中的微孔而形成液膜（見5-10圖）。第70頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-10支撐型液膜示意圖第71頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

此類液膜目前主要用于物質的萃取。當支撐型液膜作為萃取劑將料液和反萃液分隔開時，被萃組分即從膜的料液側傳遞到反萃液側，然后被反萃液萃取，從而完成物質的分離。這種液膜的操作雖然較簡便，但存在傳質面積小，穩(wěn)定性較差，支撐液體容易流失的缺點。第72頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2）單滴型液膜單滴型液膜的形狀如圖5-11所示。其結構為單一的球面薄層，根據(jù)成膜材料可分為水膜和油膜兩種。圖5-11a為水膜，即O/W/O型，內、外相為有機物；圖5-11b為油膜，即W/O/W型，內、外相為水溶液。這種單滴型液膜壽命較短，所以目前主要用于理論研究，尚無實用價值。第73頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月ab圖5-11單滴型液膜示意圖第74頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月3）乳液型液膜首先把兩種互不相溶的液體在高剪切下制成乳液，然后再將該乳液分散在第三相（連續(xù)相），即外相中。乳狀液滴內被包裹的相為內相，內、外相之間的部分是液膜。一般情況下乳液顆粒直徑為0.1～1mm，液膜本身厚度為1～10μm。根據(jù)成膜材料也分為水膜和油膜兩種。

第75頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

如圖所示的是一種油膜，即W/O/W型乳液型液膜。它是由表面活性劑，流動載體和有機膜溶劑（如烴類）組成的，膜溶劑與含有水溶性試劑的水溶液在高速攪拌下形成油包水型小液滴，含有水溶性試劑的水溶液形成內相。將此油包水型乳液分散在另一水相（料液），就形成一種油包水再水包油的復合結構，兩個水相之間的膜即為液膜。料液中的物質即可穿過兩個水相之間的油性液膜進行選擇性遷移而完成分離過程。第76頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月乳液型液膜示意圖上述三種液膜中，乳液型液膜的傳質比表面最大，膜的厚度最小，因此傳質速度快，分離效果較好，具有較好的工業(yè)化前景。第77頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月4.液膜分離技術應用領域（1）在生物化學中的應用在生物化學中，為了防止酶受外界物質的干擾而常常需要將酶“固定化”。利用液膜封閉來固定酶比其他傳統(tǒng)的酶固定方法有如下的優(yōu)點：①容易制備；②便于固定低分子量的和多酶的體系；③在系統(tǒng)中加入輔助酶時，無需借助小分子載體吸附技術（小分子載體吸附往往會降低輔助酶的作用）。第78頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

黎念之博士曾成功地將已提純的酚酶用液膜包裹，再將液膜分散在含酚水相中，酚則有效地擴散穿過膜與酶接觸后轉變?yōu)檠趸锒e累在內相中。而且液膜的封閉作用不會降低酶的活性。第79頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）在醫(yī)學中的應用液膜在醫(yī)學上用途也很廣泛。如液膜人工肺、液膜人工肝、液膜人工腎以及液膜解毒、液膜緩釋藥物等。目前，液膜在青霉素及氨基酸的提純回收領域也較為活躍，（3）在萃取分離方面的應用液膜分離技術可用于萃取處理含鉻、硝基化合物、含酚等的廢水。我國利用液膜處理含酚廢水的技術已經比較成熟。其他如石油、氣體分離、礦物浸出液的加工和稀有元素的分離等方面也有應用。第80頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

電和磁功能高分子材料

一.導電高分子材料1導電高分子的基本概念

物質按電學性能分類可分為絕緣體、半導體、導體和超導體四類。高分子材料通常屬于絕緣體的范疇。但1977年美國科學家黑格（A.J.Heeger）、麥克迪爾米德（A.G.MacDiarmid）和日本科學家白川英樹（H.Shirakawa）發(fā)現(xiàn)摻雜聚乙炔具有金屬導電特性以來，有機高分子不能作為導電材料的概念被徹底改變。第81頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

導電性聚乙炔的出現(xiàn)不僅打破了高分子僅為絕緣體的傳統(tǒng)觀念，而且為低維固體電子學和分子電子學的建立打下基礎，而具有重要的科學意義。上述三位科學家因此分享2000年諾貝爾化學獎。第82頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

所謂導電高分子是由具有共軛π鍵的高分子經化學或電化學“摻雜”使其由絕緣體轉變?yōu)閷w的一類高分子材料。它完全不同于由金屬或碳粉末與高分子共混而制成的導電塑料。通常導電高分子的結構特征是由有高分子鏈結構和與鏈非鍵合的一價陰離子或陽離子共同組成。即在導電高分子結構中，除了具有高分子鏈外，還含有由“摻雜”而引入的一價對陰離子（p型摻雜）或對陽離子（n型摻雜）。第83頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

導電高分子不僅具有由于摻雜而帶來的金屬特性（高電導率）和半導體（p和n型）特性之外，還具有高分子結構的可分子設計性，可加工性和密度小等特點。為此，從廣義的角度來看，導電高分子可歸為功能高分子的范疇。導電高分子具有特殊的結構和優(yōu)異的物理化學性能使它在能源、光電子器件、信息、傳感器、分子導線和分子器件、電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術方面有著廣泛、誘人的應用前景。

第84頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

導電高分子自發(fā)現(xiàn)之日起就成為材料科學的研究熱點。經過近三十年的研究，導電高分子無論在分子設計和材料合成、摻雜方法和摻雜機理、導電機理、加工性能、物理性能以及應用技術探索都已取得重要的研究進展，并且正在向實用化的方向邁進。第85頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2導電高分子的類型按照材料的結構與組成，可將導電高分子分成兩大類。一類是結構型（本征型）導電高分子，另一類是復合型導電高分子。（1）結構型導電高分子結構型導電高分子本身具有“固有”的導電性，由聚合物結構提供導電載流子（包括電子、離子或空穴）。這類聚合物經摻雜后，電導率可大幅度提高，其中有些甚至可達到金屬的導電水平。第86頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

迄今為止，國內外對結構型導電高分子研究得較為深入的品種有聚乙炔、聚對苯硫醚、聚對苯撐、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及TCNQ傳荷絡合聚合物等。其中以摻雜型聚乙炔具有最高的導電性，其電導率可達5×103～104Ω-1·cm-1（金屬銅的電導率為105Ω-1·cm-1）。第87頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前，對結構型導電高分子的導電機理、聚合物結構與導電性關系的理論研究十分活躍。應用性研究也取得很大進展，如用導電高分子制作的大功率聚合物蓄電池、高能量密度電容器、微波吸收材料、電致變色材料，都已獲得成功。第88頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

但總的來說，結構型導電高分子的實際應用尚不普遍，關鍵的技術問題在于大多數(shù)結構型導電高分子在空氣中不穩(wěn)定，導電性隨時間明顯衰減。此外，導電高分子的加工性往往不夠好，也限制了它們的應用。科學家們正企圖通過改進摻雜劑品種和摻雜技術，采用共聚或共混的方法，克服導電高分子的不穩(wěn)定性，改善其加工性。第89頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）復合型導電高分子

復合型導電高分子是在本身不具備導電性的高分子材料中摻混入大量導電物質，如炭黑、金屬粉、箔等，通過分散復合、層積復合、表面復合等方法構成的復合材料，其中以分散復合最為常用。第90頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

與結構型導電高分子不同，在復合型導電高分子中，高分子材料本身并不具備導電性，只充當了粘合劑的角色。導電性是通過混合在其中的導電性的物質如炭黑、金屬粉末等獲得的。由于它們制備方便，有較強的實用性，因此在結構型導電高分子尚有許多技術問題沒有解決的今天，人們對它們有著極大的興趣。復合型導電高分子用作導電橡膠、導電涂料、導電粘合劑、電磁波屏蔽材料和抗靜電材料，在許多領域發(fā)揮著重要的作用。第91頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月2.磁性高分子材料磁性高分子材料包括結構型和復合型兩種。結構型磁性高分子材料是指具有強磁性的聚合物。復合型磁性高分子材料主要是以橡膠或合成樹脂與金屬磁粉混合加工而成的磁性材料。第92頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)光敏高分子材料

感光性高分子是指在吸收了光能后，能在分子內或分子間產生化學、物理變化的一類功能高分子材料。而且這種變化發(fā)生后，材料將輸出其特有的功能。從廣義上講，按其輸出功能，感光性高分子包括光導電材料、光電轉換材料、光能儲存材料、光記錄材料、光致變色材料和光致抗蝕材料等。第93頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

其中開發(fā)比較成熟并有實用價值的感光性高分子材料主要是指光致抗蝕材料和光致誘蝕材料，產品包括光刻膠、光固化粘合劑、感光油墨、感光涂料等。

本節(jié)中主要光致抗蝕材料和光致誘蝕材料。感電子束和感X射線高分子在本質上與感光高分子相似，故略作介紹。光導電材料和光電轉換材料歸屬于導電高分子一類，本節(jié)不作介紹。

第94頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

所謂光致抗蝕，是指高分子材料經過光照后，分子結構從線型可溶性轉變?yōu)榫W(wǎng)狀不可溶性，從而產生了對溶劑的抗蝕能力。而光致誘蝕正相反，當高分子材料受光照輻射后，感光部分發(fā)生光分解反應，從而變?yōu)榭扇苄浴Ｈ缒壳皬V泛使用的預涂感光版，就是將感光材料樹脂預先涂敷在親水性的基材上制成的。曬印時，樹脂若發(fā)生光交聯(lián)反應，則溶劑顯像時未曝光的樹脂被溶解，感光部分樹脂保留了下來。反之，曬印時若發(fā)生光分解反應，則曝光部分的樹脂分解成可溶解性物質而溶解。第95頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

作為感光性高分子材料，應具有一些基本的性能，如對光的敏感性、成像性、顯影性、膜的物理化學性能等。但對不同的用途，要求并不相同。如作為電子材料及印刷制版材料，對感光高分子的成像特性要求特別嚴格；而對粘合劑、油墨和涂料來說，感光固化速度和涂膜性能等則顯得更為重要。第96頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月光刻膠是微電子技術中細微圖形加工的關鍵材料之一。特別是近年來大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，更是大大促進了光刻膠的研究和應用。印刷工業(yè)是光刻膠應用的另一重要領域。1954年首先研究成功的聚乙烯醇肉桂酸酯就是首先用于印刷技術，以后才用于電子工業(yè)的。與傳統(tǒng)的制版工業(yè)相比，用光刻膠制版，具有速度快、重量輕、圖案清晰等優(yōu)點。尤其是與計算機配合后，更使印刷工業(yè)向自動化、高速化方向發(fā)展。第97頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

感光性粘合劑、油墨、涂料是近年來發(fā)展較快的精細化工產品。與普通粘合劑、油墨和涂料等相比，前者具有固化速度快、涂膜強度高、不易剝落、印跡清晰等特點，適合于大規(guī)模快速生產。尤其對用其他方法難以操作的場合，感光性粘合劑、油墨和涂料更有其獨特的優(yōu)點。例如牙齒修補粘合劑，用光固化方法操作，既安全又衛(wèi)生，而且快速便捷，深受患者與醫(yī)務工作者歡迎。第98頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

感光性高分子作為功能高分子材料的一個重要分支，自從1954年由美國柯達公司的Minsk等人開發(fā)的聚乙烯醇肉桂酸酯成功應用于印刷制版以后，在理論研究和推廣應用方面都取得了很大的進展，應用領域已從電子、印刷、精細化工等領域擴大到塑料、纖維、醫(yī)療、生化和農業(yè)等方面，發(fā)展之勢方興未艾。第99頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)醫(yī)用高分子材料一醫(yī)用高分子的概念及其發(fā)展簡史生命科學是21世紀備受關注的新型學科。而與人類健康休戚相關的醫(yī)學在生命科學中占有相當重要的地位。醫(yī)用材料是生物醫(yī)學的分支之一，是由生物、醫(yī)學、化學和材料等學科交叉形成的邊緣學科。而醫(yī)用高分子材料則是生物醫(yī)用材料中的重要組成部分，主要用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷檢查、患疾治療等醫(yī)療領域。第100頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

眾所周知，生物體是有機高分子存在的最基本形式，有機高分子是生命的基礎。動物體與植物體組成中最重要的物質——蛋白質、肌肉、纖維素、淀粉、生物酶和果膠等都是高分子化合物。因此，可以說，生物界是天然高分子的巨大產地。高分子化合物在生物界的普遍存在，決定了它們在醫(yī)學領域中的特殊地位。在各種材料中，高分子材料的分子結構、化學組成和理化性質與生物體組織最為接近，因此最有可能用作醫(yī)用材料。第101頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

醫(yī)用高分子材料發(fā)展的動力來自醫(yī)學領域的客觀需求。當人體器官或組織因疾病或外傷受到損壞時，需要器官移植。然而，只有在很少的情況下，人體自身的器官（如少量皮膚）可以滿足需要。采用同種異體移植或異種移植，往往具有排異反應，嚴重時導致移植失敗。在此情況下，人們自然設想利用其他材料修復或替代受損器官或組織。第102頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

早在公元前3500年，埃及人就用棉花纖維、馬鬃縫合傷口。墨西哥印地安人用木片修補受傷的顱骨。公元前500年的中國和埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙、假鼻、假耳。進入20世紀，高分子科學迅速發(fā)展，新的合成高分子材料不斷出現(xiàn)，為醫(yī)學領域提供了更多的選擇余地。1936年發(fā)明了有機玻璃后，很快就用于制作假牙和補牙，至今仍在使用。1943年，賽璐珞薄膜開始用于血液透析。

第103頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月1949年，美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子的展望性論文。在文章中，第一次介紹了利用PMMA作為人的頭蓋骨、關節(jié)和股骨，利用聚酰胺纖維作為手術縫合線的臨床應用情況。50年代，有機硅聚合物被用于醫(yī)學領域，使人工器官的應用范圍大大擴大，包括器官替代和整容等許多方面。

第104頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

此后，一大批人工器官在50年代試用于臨床。如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心臟瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人工關節(jié)（1954年）、人工肝（1958年）等。進入60年代，醫(yī)用高分子材料開始進入一個嶄新的發(fā)展時期。第105頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月60年代以前，醫(yī)用高分子材料的選用主要是根據(jù)特定需求，從已有的材料中篩選出合適的加以應用。由于這些材料不是專門為生物醫(yī)學目的設計和合成的，在應用中發(fā)現(xiàn)了許多問題，如凝血問題、炎癥反應、組織病變問題、補體激活與免疫反應問題等。人們由此意識到必須針對醫(yī)學應用的特殊需要，設計合成專用的醫(yī)用高分子材料。

第106頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

美國國立心肺研究所在這方面做了開創(chuàng)性的工作，他們發(fā)展了血液相容性高分子材料，以用于與血液接觸的人工器官制造，如人工心臟等。從70年代始，高分子科學家和醫(yī)學家積極開展合作研究，使醫(yī)用高分子材料快速發(fā)展起來。至80年代以來，發(fā)達國家的醫(yī)用高分子材料產業(yè)化速度加快，基本形成了一個嶄新的生物材料產業(yè)。第107頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

醫(yī)用高分于作為一門邊緣學科，融和了高分子化學、高分子物理、生物化學、合成材料工藝學、病理學、藥理學、解剖學和臨床醫(yī)學等多方面的知識，還涉及許多工程學問題，如各種醫(yī)療器械的設計、制造等。上述學科的相互交融、相互滲透，促使醫(yī)用高分子材料的品種越來越豐富，性能越來越完善，功能越來越齊全。

第108頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

高分子材料雖然不是萬能的，不可能指望它解決一切醫(yī)學問題，但通過分子設計的途徑，合成出具有生物醫(yī)學功能的理想醫(yī)用高分子材料的前景是十分廣闊的。有人預計，在21世紀，醫(yī)用高分子將進入一個全新的時代。除了大腦之外，人體的所有部位和臟器都可用高分子材料來取代。仿生人也將比想象中更快地來到世上。第109頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前用高分子材料制成的人工器官中，比較成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心臟瓣膜、人工關節(jié)、人工骨、整形材料等。巳取得重大研究成果，但還需不斷完善的有人工腎、人工心臟、人工肺、人工胰臟、人工眼球、人造血液等。另有一些功能較為復雜的器官，如人工肝臟、人工胃、人工子宮等。則正處于大力研究開發(fā)之中。

第110頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

從應用情況看，人工器官的功能開始從部分取代向完全取代發(fā)展，從短時間應用向長時期應用發(fā)展，從大型向小型化發(fā)展，從體外應用向體內植入發(fā)展、人工器官的種類從與生命密切相關的部位向人工感覺器官、人工肢體發(fā)展。

第111頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

醫(yī)用高分子材料研發(fā)過程中遇到的一個巨大難題是材料的抗血栓問題。當材料用于人工器官植入體內時，必然要與血液接觸。由于人體的自然保護性反應將產生排異現(xiàn)象，其中之一即為在材料與肌體接觸表面產生凝血，即血栓，結果將造成手術失敗，嚴重的還會引起生命危險。對高分子材料的抗血栓性研制是醫(yī)用高分子研究中的關鍵問題，至今尚未完全突破。將是今后醫(yī)用高分子材料研究中的首要問題。第112頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月二醫(yī)用高分子的分類醫(yī)用高分子是一門較年輕的學科，發(fā)展歷史不長，因此醫(yī)用高分子的定義至今尚不十分明確。另外，由于醫(yī)用高分子是由多學科參與的交叉學科，根據(jù)不同學科領域的習慣出現(xiàn)了不同的分類方式。目前醫(yī)用高分子材料隨來源、應用目的等可以分為多種類型。各種醫(yī)用高分子材料的名稱也很不統(tǒng)一。第113頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

日本醫(yī)用高分子專家櫻井靖久將醫(yī)用高分子分成如下的五大類：（1）與生物體組織不直接接觸的材料這類材料用于制造雖在醫(yī)療衛(wèi)生部門使用，但不直接與生物體組織接觸的醫(yī)療器械和用品。如藥劑容器、血漿袋、輸血輸液用具、注射器、化驗室用品、手術室用品等。第114頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）與皮膚、粘膜接觸的材料用這類材料制造的醫(yī)療器械和用品，需與人體肌膚與粘膜接觸，但不與人體內部組織、血液、體液接觸，因此要求無毒、無刺激，有一定的機械強度。用這類材料制造的物品如手術用手套、麻醉用品（吸氧管、口罩、氣管插管等）、診療用品（洗眼用具、耳鏡、壓舌片、灌腸用具、腸、胃、食道窺鏡導管和探頭、腔門鏡、導尿管等）、繃帶、橡皮膏等。人體整容修復材料，例如假肢、假耳、假眼、假鼻等，也都可歸入這一類中。第115頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）與人體組織短期接觸的材料這類材料大多用來制造在手術中暫時使用或暫時替代病變器官的人工臟器，如人造血管、人工心臟、人工肺、人工腎臟滲析膜、人造皮膚等。這類材料在使用中需與肌體組織或血液接觸，故一般要求有較好的生物體適應性和抗血栓性。第116頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）長期植入體內的材料用這類材料制造的人工臟器或醫(yī)療器具，一經植入人體內，將伴隨人的終生，不再取出。因此要求有非常優(yōu)異的生物體適應性和抗血栓性，并有較高的機械強度和穩(wěn)定的化學、物理性質。用這類材料制備的人工臟器包括：腦積水癥髓液引流管、人造血管、人工瓣膜、人工氣管、人工尿道、人工骨骼、人工關節(jié)、手術縫合線、組織粘合劑等。第117頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）藥用高分子這類高分子包括大分子化藥物和藥物高分子。前者是指將傳統(tǒng)的小分子藥物大分子化，如聚青霉素；后者則指本身就有藥理功能的高分子，如陰離子聚合物型的干擾素誘發(fā)劑。第118頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

除此之外，還有以下一些常用的分類方法。（1）按材料的來源分類

1）天然醫(yī)用高分子材料如膠原、明膠、絲蛋白、角質蛋白、纖維素、多糖、甲殼素及其衍生物等。

2）人工合成醫(yī)用高分子材料如聚氨酯、硅橡膠、聚酯等。第119頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月3）天然生物組織與器官①取自患者自體的組織，例如采用自身隱靜脈作為冠狀動脈搭橋術的血管替代物；②取自其他人的同種異體組織，例如利用他人角膜治療患者的角膜疾病；③來自其他動物的異種同類組織，例如采用豬的心臟瓣膜代替人的心臟瓣膜，治療心臟病等。第120頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）按材料與活體組織的相互作用關系分類

1）生物惰性高分子材料在體內不降解、不變性、不會引起長期組織反應的高分子材料，適合長期植入體內。

2）生物活性高分子材料指植入生物體內能與周圍組織發(fā)生相互作用，促進肌體組織、細胞等生長的材料。第121頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月

3）生物吸收高分子材料

這類材料又稱生物降解高分子材料。這類材料在體內逐漸降解，其降解產物能被肌體吸收代謝，獲通過排泄系統(tǒng)排出體外，對人體健康沒有影響。如用聚乳酸制成的體內手術縫合線、體內粘合劑等。第122頁，課件共137頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）按生物醫(yī)學用途分類

1）硬組織相容性高分子材料如骨科、齒科用高分子材料；

2