功能高分子材料一课件

1高分子材料科学的历史回顾高分子材料科学的历史回顾高分子的概念始于高分子的概念始于20世纪世纪20年代，但应用更早。年代，但应用更早。v1839年，美国人年，美国人Goodyear发明硫化橡胶。发明硫化橡胶。v1855年，英国人年，英国人Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。赛璐珞。v1889年，法国人年，法国人De Chardonnet（夏尔多内）发明（夏尔多内）发明人造丝人造丝。v1907年，酚醛树脂诞生。年，酚醛树脂诞生。1高分子材料科学的历史回顾2v1920年，德国人年，德国人Staudinger发表了发表了“论聚合论聚合”的论的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。v1935年，年，Carothes发明尼龙发明尼龙66，1938年工业化。年工业化。v30年代，一系列烯烃类加聚物被合成出来并工业化，年代，一系列烯烃类加聚物被合成出来并工业化，PVC（19271937），），PVAc（1936），），PMMA（19271931），），PS（19341937），），LDPE（1939）。自由基聚合发展。）。自由基聚合发展。21920年，德国人Staudinger发表了“论聚合”的论3v高分子溶液理论在高分子溶液理论在30年代建立，并成功测定了聚合年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。物的分子量。Flory为此获得诺贝尔奖。为此获得诺贝尔奖。v40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（1937），丁腈橡胶（），丁腈橡胶（1937），丁基橡胶（），丁基橡胶（1940），），有机氟材料（有机氟材料（1943），），ABS（1947），涤纶树脂），涤纶树脂（19401950）。）。v50年代，年代，Ziegler和和Natta发明配位聚合催化剂，制得发明配位聚合催化剂，制得高密度高密度PE和有规和有规PP，低级烯烃得到利用，低级烯烃得到利用。3高分子溶液理论在30年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。4v1956年，美国人年，美国人Szwarc发明活性阴离子聚合，开创发明活性阴离子聚合，开创了高分子结构设计的先河。了高分子结构设计的先河。v50年后期至年后期至60年代，大量高分子工程材料问世。聚年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（甲醛（1956），聚碳酸酯（），聚碳酸酯（1957），聚砜（），聚砜（1965），），聚苯醚（聚苯醚（1964），聚酰亚胺（），聚酰亚胺（1962）。）。v60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。特种高分子：高强度、耐高温、耐辐射、高频绝缘、特种高分子：高强度、耐高温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。半导体等。41956年，美国人Szwarc发明活性阴离子聚合，开创了高5 功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜 等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。子液晶等。v80年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现和发展。断出现和发展。v新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、活性自由基聚合、等离子聚合等等；活性自由基聚合、等离子聚合等等；v新结构的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共新结构的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含物、含C60聚合物等等。聚合物等等。5 功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜6高分子的高分子的发展方向：发展方向：通用高分子的高性能化和高分子的多功能化通用高分子的高性能化和高分子的多功能化6高分子的发展方向：7偏光显微镜下的高分子液晶功能高分子功能高分子7偏光显微镜下的高分子液晶功能高分子8电致发光高分子8电致发光高分子9910随着时代的发展，人类将进入一个信息时代随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，更需要用高科技的方法和手段来生产更需要用高科技的方法和手段来生产新型的新型的、功能性的功能性的产品，产品，以获得各种优良的综合性能。近年来以获得各种优良的综合性能。近年来新型功能材料新型功能材料层出不穷，层出不穷，得到了突破性的进展。得到了突破性的进展。功能材料概论功能材料概论10随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决生产11日本和欧美各国对日本和欧美各国对新型功能材料新型功能材料的研究十分的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等电子、激光等现代科学的基础现代科学的基础，功能材料在未来，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。的社会发展中具有重大战略意义。11日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为12 近近10年来，功能材料成为年来，功能材料成为材料科学和工程领材料科学和工程领域中域中最为活跃的部分。每年以最为活跃的部分。每年以5以上的速度增以上的速度增长，相当于每年有长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。在渗透到现代生活的各个领域。12 近10年来，功能材料成为材料科学和工程领13 一、功能材料的概念一、功能材料的概念 功能材料是指通过功能材料是指通过光光光光、电电电电、磁磁磁磁、热热热热、化学化学化学化学、生化生化生化生化等作用等作用后具有后具有特定功能特定功能特定功能特定功能的材料。的材料。在国外，常将这类材料称为在国外，常将这类材料称为功能材料功能材料功能材料功能材料(Functional Materials)、特种材料特种材料特种材料特种材料(Speciality Materials)或或精细材料精细材料精细材料精细材料(Fine Materials)。功能材料的概念与分类功能材料的概念与分类功能材料的概念与分类功能材料的概念与分类13 一、功能材料的概念 功能材料的概念与分类14功能材料功能材料功能材料功能材料涉及面较广，具体包括涉及面较广，具体包括光光光光、电功能电功能电功能电功能，磁功能磁功能磁功能磁功能，分离功能分离功能分离功能分离功能，形状记忆功能形状记忆功能形状记忆功能形状记忆功能等。等。这类材料相对于通常的这类材料相对于通常的结构材料结构材料结构材料结构材料而言，一般除而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。14功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离15材料的材料的特定的功能特定的功能特定的功能特定的功能与材料的与材料的特定结构特定结构特定结构特定结构是相联系的。是相联系的。如对于如对于导电聚合物导电聚合物来说，它一般具有来说，它一般具有长链共轭双键长链共轭双键；金属结构中由于金属结构中由于弹性马氏体相变弹性马氏体相变能产生记忆效应，能产生记忆效应，因此出现了因此出现了形状记忆合金形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极；压电陶瓷晶体必须有极轴等。轴等。15材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对于导16功能高分子的功能高分子的特点特点1.1.1.1.用途特殊，专一性强用途特殊，专一性强用途特殊，专一性强用途特殊，专一性强2.2.2.2.品种多，用量不大品种多，用量不大品种多，用量不大品种多，用量不大3.3.3.3.质量轻（与其它功能材料相比）质量轻（与其它功能材料相比）质量轻（与其它功能材料相比）质量轻（与其它功能材料相比）4.4.4.4.制备途径多，可设计性强制备途径多，可设计性强制备途径多，可设计性强制备途径多，可设计性强16功能高分子的特点17 二、二、功能材料的分类功能材料的分类 随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从法。从功能的不同功能的不同功能的不同功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。考虑，可将功能材料分为以下四类。17 二、功能材料的分类18(1)力学功能力学功能 主要是指主要是指强化功能材料强化功能材料强化功能材料强化功能材料和和弹性功能材料弹性功能材料弹性功能材料弹性功能材料，如高，如高结晶材料、超高强材料等。结晶材料、超高强材料等。18(1)力学功能 19(2)化学功能化学功能分离分离分离分离功能材料：如功能材料：如分离膜分离膜，离子交换树脂离子交换树脂、高分子络合物高分子络合物；反应反应反应反应功能材料；如功能材料；如高分子试剂高分子试剂、高分子催化剂高分子催化剂；生物生物生物生物功能材料：如功能材料：如固定化菌固定化菌，生物反应器生物反应器等等。19(2)化学功能20（3）物理化学功能物理化学功能电学电学电学电学功能材料：如功能材料：如超导体超导体，导电高分子导电高分子等；等；光学光学光学光学功能材料：如功能材料：如光导纤维光导纤维、感光性高分子感光性高分子等等；能量转换能量转换能量转换能量转换材料：如材料：如压电材料压电材料、光电材料光电材料。20（3）物理化学功能21(4)生物化学功能生物化学功能医用医用医用医用功能材料：人工脏器用材料如功能材料：人工脏器用材料如人工肾人工肾、人工心肺人工心肺，可降解的可降解的医用缝合线医用缝合线、骨钉骨钉、骨板骨板等；等；功能性药物功能性药物功能性药物功能性药物：如：如缓释性高分子缓释性高分子，药物活性高分子药物活性高分子，高分高分子农药子农药等；等；生物降解生物降解生物降解生物降解材料材料21(4)生物化学功能22 反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来的方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来的固相固相合成方法合成方法和和固定化酶技术固定化酶技术开创了有机合成机械化、开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。研究方面起到了关键性作用。反应型高分子材料反应型高分子材料22 反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的反23电活性高分子材料电活性高分子材料 电活性高分子材料的发展导致了电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物导电聚合物，聚合物电解质聚合物电解质，聚合物电极聚合物电极的出现。此外的出现。此外超导、电超导、电致发光、电致变色聚合物致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成也是近年来的重要研究成果，其中以果，其中以电致发光材料电致发光材料制作的彩色显示器已经被制作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于得益于电活性聚合物和修饰电极电活性聚合物和修饰电极技术的发展。技术的发展。23电活性高分子材料 电活性高分子材料的发展导致24高分子分离膜高分子分离膜材料材料 高分子分离膜高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体材料与分离技术的发展在复杂体系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦气体分离、苦咸水脱盐、液体消毒咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，也为电化学工业和医药工业提供了新离替代技术，也为电化学工业和医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在海海水淡化水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备方面已经成为主角，已经拥有制备18万吨万吨/日日纯水设备的能力。纯水设备的能力。24高分子分离膜材料 高分子分离膜材料与分离技术25医药用功能高分子材料医药用功能高分子材料 医药用功能高分子医药用功能高分子是目前发展非常迅速的一个是目前发展非常迅速的一个领域，领域，高分子药物、高分子人工组织器官在定向给高分子药物、高分子人工组织器官在定向给药、器官替代、整形外科和拓展治疗药、器官替代、整形外科和拓展治疗范围方面做出范围方面做出了相当大的贡献。了相当大的贡献。25医药用功能高分子材料 医药用功能高分子是目前26光敏高分子光敏高分子化学，在化学，在光聚合、光交联、光降解、光聚合、光交联、光降解、荧光荧光以及以及光导机理光导机理的研究方面都取得了重大突破，的研究方面都取得了重大突破，特别在过去特别在过去20多年中有了飞快发展，并在工业上得多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如到广泛应用。比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、以及以及光光致发光致发光和和光致变色高分子材料光致变色高分子材料都已经工业化。都已经工业化。近年近年来来高分子非线性光学材料高分子非线性光学材料也取得了突破性进展。也取得了突破性进展。光敏高分子材料光敏高分子材料26光敏高分子化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机27 下图为材料显示功能的示意图。下图为材料显示功能的示意图。输输入入材材料料输输出出 功能设计的原理和方法功能设计的原理和方法材料的材料的功能显示过程功能显示过程功能显示过程功能显示过程是指向材料输入某种能量，经过材料是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。27 下图为材料显示功能的示意图。输入材料输出 功能设计28功能材料按其功能材料按其功能的显示过程功能的显示过程功能的显示过程功能的显示过程又可分为又可分为一次功能材料一次功能材料一次功能材料一次功能材料和和二次功能材料二次功能材料二次功能材料二次功能材料。28功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次29当向材料当向材料输入的能量输入的能量输入的能量输入的能量和从材料和从材料输出的能量输出的能量输出的能量输出的能量属于属于同一种形式同一种形式同一种形式同一种形式时，材料起到时，材料起到能量传输能量传输能量传输能量传输部件的部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。作用。材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料载体材料载体材料载体材料。、一次功能、一次功能29当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时30一次功能主要有下面的八种一次功能主要有下面的八种一次功能主要有下面的八种一次功能主要有下面的八种。力学力学力学力学功能。如功能。如惯性惯性、粘性粘性、流动性流动性、润滑性润滑性、成型性成型性、超塑性超塑性、恒弹性恒弹性、高弹性高弹性、振动性振动性和和防震性防震性。声声声声功能。如功能。如隔音隔音性、性、吸音吸音性。性。热热热热功能。如功能。如传热传热性、性、隔热隔热性、性、吸热吸热性和性和蓄热蓄热性等。性等。电电电电功能。如功能。如导电导电性、性、超导超导性、性、绝缘绝缘性和性和电阻电阻等。等。30一次功能主要有下面的八种。31磁磁磁磁功能。如功能。如硬磁性硬磁性、软磁性软磁性、半硬磁性半硬磁性等。等。光光光光功能。如功能。如遮光性遮光性、透光性透光性、折射光性折射光性、反射光性反射光性、吸吸光性光性、偏振光性偏振光性、分光性分光性、聚光性聚光性等。等。化学化学化学化学功能。如功能。如吸附作用吸附作用、气体吸收性气体吸收性、催化作用催化作用、生物生物化学反应化学反应、酶反应酶反应等。等。其他其他其他其他功能。如功能。如放射特性放射特性、电磁波特性电磁波特性等。等。31磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。32 当向材料当向材料输入的能量输入的能量输入的能量输入的能量和从材料和从材料输出的能量输出的能量输出的能量输出的能量属于属于不同形式不同形式不同形式不同形式时，材料起时，材料起能量的转换能量的转换能量的转换能量的转换部件作用，材部件作用，材料的这种功能称为料的这种功能称为二次功能二次功能或或高次功能高次功能。有人认为。有人认为这种材料才是真正的功能材料。这种材料才是真正的功能材料。、二次功能、二次功能32 当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形33二次功能按二次功能按能量的转换系统能量的转换系统能量的转换系统能量的转换系统可分为如下四类可分为如下四类。光光光光能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；电电电电能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；磁磁磁磁能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；机械机械机械机械能与其他形式能量的转换。能与其他形式能量的转换。33二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。光能与其他形式34如如光合成光合成光合成光合成反应、反应、光分解光分解光分解光分解反应、反应、光化光化光化光化反应、反应、光致抗蚀光致抗蚀光致抗蚀光致抗蚀、化学发光化学发光化学发光化学发光，感光感光感光感光反应，反应，光致伸缩光致伸缩光致伸缩光致伸缩，光生伏特光生伏特光生伏特光生伏特效应和效应和光导电光导电光导电光导电效应。效应。光光能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换34如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光35如如电磁电磁电磁电磁效应、效应、电阻发热电阻发热电阻发热电阻发热效应、效应、热电热电热电热电效应、效应、光电光电光电光电效应、效应、场致发光场致发光场致发光场致发光效应、效应、电化学电化学电化学电化学效应和效应和电光电光电光电光效应等效应等。电电能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换35如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效36磁磁能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换如如光磁光磁光磁光磁效应、效应、热磁热磁热磁热磁效应、效应、磁冷冻磁冷冻磁冷冻磁冷冻效应和效应和磁性转变磁性转变磁性转变磁性转变效应等。效应等。36磁能与其他形式能量的转换如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效37机械机械能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换。如如形状记忆形状记忆形状记忆形状记忆效应、效应、热弹性热弹性热弹性热弹性效应、效应、机械化学机械化学机械化学机械化学效应、效应、压电压电压电压电效应、效应、电致伸缩电致伸缩电致伸缩电致伸缩、光压光压光压光压效应、效应、声光声光声光声光效应、效应、光弹性光弹性光弹性光弹性效应和效应和磁致伸缩磁致伸缩磁致伸缩磁致伸缩效应等。效应等。37机械能与其他形式能量的转换。如形状记忆效应、热弹性效应38 功能高分子材料的制备一般是指通过功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化物理的或化物理的或化物理的或化学的方法学的方法学的方法学的方法将将功能基团功能基团功能基团功能基团与与聚合物骨架聚合物骨架聚合物骨架聚合物骨架相结合的过程。相结合的过程。功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型：功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型：是是功能性小分子功能性小分子功能性小分子功能性小分子固定在骨架材料上；固定在骨架材料上；是是大分子材料大分子材料大分子材料大分子材料的功能化；的功能化；是是已有的功能高分子材料已有的功能高分子材料已有的功能高分子材料已有的功能高分子材料的功能扩展。的功能扩展。2 2功能高分子材料的制备方法功能高分子材料的制备方法功能高分子材料的制备方法功能高分子材料的制备方法38 功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的39功能性小分子的高分子化功能性小分子的高分子化(1)功能性小分子单体直接发生功能性小分子单体直接发生聚合反应聚合反应(2)功能性小分子通过功能性小分子通过聚合包埋聚合包埋与高分子材料结合与高分子材料结合39功能性小分子的高分子化40优点优点v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v聚合物结构可以通过聚合机理预先设计聚合物结构可以通过聚合机理预先设计v产物的稳定性较好产物的稳定性较好缺点缺点v在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入常常在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入常常需要复杂的合成反应需要复杂的合成反应v要求在反应中要求在反应中不破坏原有结构和功能不破坏原有结构和功能v当需要引入的功能基稳定性不好时当需要引入的功能基稳定性不好时需要加以保护需要加以保护v有时引入功能基后对有时引入功能基后对单体聚合的活性会有影响单体聚合的活性会有影响40优点41(1)功能性小分子单体直接发生功能性小分子单体直接发生聚合反应聚合反应 通过在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体，通过在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体，然后进行均聚或共聚反应生成功能聚合物这些可聚合然后进行均聚或共聚反应生成功能聚合物这些可聚合功能性单体中的可聚合基团一般为功能性单体中的可聚合基团一般为双键、羟基、羧基、双键、羟基、羧基、氨基、环氧基、酰氯基、吡咯基、噻吩基氨基、环氧基、酰氯基、吡咯基、噻吩基等基团。等基团。发生发生加成聚合加成聚合反应，反应，开环聚合开环聚合反应，反应，缩聚缩聚反应以及反应以及氧化偶合氧化偶合反应。反应。41(1)功能性小分子单体直接发生聚合反应42吡咯基、噻吩基吡咯基、噻吩基Z为连接基团，为连接基团，R为功能型小分子为功能型小分子42吡咯基、噻吩基Z为连接基团，R为功能型小分子43 丙烯酸丙烯酸分子中带有双键，同时又带有活性羧基。分子中带有双键，同时又带有活性羧基。经过自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共经过自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共聚物，可以作为聚物，可以作为弱酸性离子交换树脂、高吸水性树弱酸性离子交换树脂、高吸水性树脂脂等应用。这是带有功能性基团的单体聚合制备功等应用。这是带有功能性基团的单体聚合制备功能高分子的简单例子。能高分子的简单例子。43 丙烯酸分子中带有双键，同时又带有活性羧基。44 将含有环氧基团的低分子量双酚将含有环氧基团的低分子量双酚A型环氧树脂型环氧树脂与丙烯酸反应，得到与丙烯酸反应，得到含双键的环氧丙烯酸酯含双键的环氧丙烯酸酯，这种，这种单体在制备光敏高分子材料方面有广泛的应用。单体在制备光敏高分子材料方面有广泛的应用。44 将含有环氧基团的低分子量双酚A型环氧树脂45 除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，采用多采用多种单体进行共聚反应制备功能高分子种单体进行共聚反应制备功能高分子也是一种常见也是一种常见的方法。特别是当需要控制聚合物中功能基团的分的方法。特别是当需要控制聚合物中功能基团的分布和密度时，或者需要调节聚合物的物理化学性质布和密度时，或者需要调节聚合物的物理化学性质时，共聚可能是最行之有效的解决办法。时，共聚可能是最行之有效的解决办法。45 除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，采用多46该方法是利用生成高分子的束缚作用将功该方法是利用生成高分子的束缚作用将功能性小分子以某种形式包埋固定在高分子材能性小分子以某种形式包埋固定在高分子材料中来制备功能高分子材料。在聚合反应之料中来制备功能高分子材料。在聚合反应之前，向单体溶液中加入小分子功能化合物，前，向单体溶液中加入小分子功能化合物，在聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。在聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。在在高分子药物、固定化酶高分子药物、固定化酶的制备方面有独到的制备方面有独到的优势。的优势。(2)(2)功能性小分子通过聚合包埋与高分子功能性小分子通过聚合包埋与高分子 材料结合材料结合46该方法是利用生成高分子的束缚作用将功能性小分子以某种形式47用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架与小分子功能化合物之间没有化学键连接，固化架与小分子功能化合物之间没有化学键连接，固化作用通过聚合物的包络作用来完成。这种方法制备作用通过聚合物的包络作用来完成。这种方法制备的功能高分子类似于用共混方法制备的高分子材料，的功能高分子类似于用共混方法制备的高分子材料，但是均匀性更好。此方法的优点是但是均匀性更好。此方法的优点是方法简便，功能方法简便，功能小分子的性质不受聚合物性质的影响，因此特别适小分子的性质不受聚合物性质的影响，因此特别适宜酶等对环境敏感材料的固化宜酶等对环境敏感材料的固化。缺点是在。缺点是在使用过程使用过程中包络的小分子功能化合物容易逐步失去中包络的小分子功能化合物容易逐步失去，特别是，特别是在溶胀条件下使用，将加快固化酶的失活过程。在溶胀条件下使用，将加快固化酶的失活过程。47用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架与小分子功能化48例如，维生素例如，维生素C在在空气中极易被氧化而变黄空气中极易被氧化而变黄。采用溶剂蒸发法研制以乙基纤维素、羟丙基甲基纤采用溶剂蒸发法研制以乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素苯二甲酸酯等聚合物为外壳材料的维生素维素苯二甲酸酯等聚合物为外壳材料的维生素C微微胶囊，达到了延缓氧化变黄的效果。将维生素胶囊，达到了延缓氧化变黄的效果。将维生素C微微胶囊胶囊暴露于空气中一个月，外观可保持干燥状态，暴露于空气中一个月，外观可保持干燥状态，色泽略黄色泽略黄。这种维生素。这种维生素C微胶囊进入人体后，两小微胶囊进入人体后，两小时内可完全溶解释放。时内可完全溶解释放。48例如，维生素C在空气中极易被氧化而变黄。492.已有高分子材料的功能化已有高分子材料的功能化(1)(1)利用利用化学反应化学反应将将活性功能基活性功能基引入聚合引入聚合物骨架物骨架(2)(2)功能性小分子功能性小分子与聚合物与聚合物共混共混 492.已有高分子材料的功能化(1)利用化学反应将活性50l价格低廉的通用材料价格低廉的通用材料l较容易地接上功能性基团较容易地接上功能性基团l来源丰富来源丰富l具有机械、热、化学稳定性具有机械、热、化学稳定性可选材料的特点可选材料的特点50价格低廉的通用材料可选材料的特点51目前常见的品种目前常见的品种聚苯乙烯聚苯乙烯u聚氯乙烯聚氯乙烯u聚乙烯醇聚乙烯醇u聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物u聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺u聚环氧氯丙烷及其共聚物聚环氧氯丙烷及其共聚物u纤维素纤维素51目前常见的品种聚苯乙烯52(1)(1)利用利用化学反应化学反应将将活性功能基活性功能基引引入聚合物骨架入聚合物骨架例子：例子：小分子过氧酸是常用的强氧化剂，在有机合成小分子过氧酸是常用的强氧化剂，在有机合成中是重要的试剂。但是，这种小分子过氧酸的主要中是重要的试剂。但是，这种小分子过氧酸的主要缺点在于缺点在于稳定性不好稳定性不好，容易发生，容易发生爆炸和失效爆炸和失效，不便，不便于储存。反应后产生的羧酸也不容易除掉，经常影于储存。反应后产生的羧酸也不容易除掉，经常影响产品的纯度。将其引入高分子骨架后形成的高分响产品的纯度。将其引入高分子骨架后形成的高分子过氧酸，子过氧酸，挥发性和溶解性挥发性和溶解性下降，下降，稳定性稳定性提高。提高。52利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架例子：53小分子氧化剂：小分子氧化剂：不稳定。易爆，易燃，易分解不稳定。易爆，易燃，易分解失效，贮存、运输、使用困难失效，贮存、运输、使用困难高分子氧化剂：高分子氧化剂：稳定性好，稳定性好，贮存、运输、使用贮存、运输、使用方便方便53小分子氧化剂：不稳定。易爆，易燃，易分解失效，贮存、运输545455聚苯乙烯聚苯乙烯芳环上的取代反应芳环上的取代反应聚苯乙烯分子中的苯环比较活泼，可以进聚苯乙烯分子中的苯环比较活泼，可以进行一系列的芳香取代反应，如行一系列的芳香取代反应，如磺化、氯甲基化、磺化、氯甲基化、卤化、硝化、锂化、烷基化、羧基化、氨基化卤化、硝化、锂化、烷基化、羧基化、氨基化等等，因此是功能高分子制备中最常用的骨架等等，因此是功能高分子制备中最常用的骨架母体。母体。55聚苯乙烯芳环上的取代反应56聚苯乙烯磺化、氯甲基化聚苯乙烯磺化、氯甲基化56聚苯乙烯磺化、氯甲基化57聚乙烯醇的变化聚乙烯醇的变化聚乙烯醇可多种低分子化合物反应，形成各种聚乙烯醇可多种低分子化合物反应，形成各种各样的功能高分子各样的功能高分子聚醋酸乙烯酯的醇解制备聚乙烯醇聚醋酸乙烯酯的醇解制备聚乙烯醇57聚乙烯醇的变化聚乙烯醇可多种低分子化合物反应，形成各种各58可用于在聚乙烯可用于在聚乙烯醇结构中引入活醇结构中引入活性基团的反应性基团的反应 58可用于在聚乙烯醇结构中引入活性基团的反应 59例子：例子：青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十分普遍。它具有易吸收，见效快菌素，应用十分普遍。它具有易吸收，见效快的特点，但也有排泄快的缺点。利用青霉素结的特点，但也有排泄快的缺点。利用青霉素结构中的构中的羧基羧基、氨基氨基与高分子反应，可得到疗效与高分子反应，可得到疗效长的高分子青霉素。例如将青霉素与长的高分子青霉素。例如将青霉素与乙烯醇乙烯醇乙烯胺乙烯胺共聚物以共聚物以酰胺键酰胺键相结合，得到水溶性的相结合，得到水溶性的药物高分子，这种高分子青霉素在人体内的停药物高分子，这种高分子青霉素在人体内的停留时间为低分子青霉素的留时间为低分子青霉素的3040倍。倍。59例子：青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十分普遍。60带有功能性基团的小分子与高分子骨带有功能性基团的小分子与高分子骨架的结合架的结合这种制备方法的好处是可以这种制备方法的好处是可以利用廉价的商利用廉价的商品化聚合物品化聚合物，并且通过对高分子材料的选择，并且通过对高分子材料的选择，使得到的功能高分子材料使得到的功能高分子材料机械性能比较有保障机械性能比较有保障。主要是通过小分子功能化合物与聚合物的主要是通过小分子功能化合物与聚合物的共混和复合共混和复合来实现。来实现。60带有功能性基团的小分子与高分子骨架的结合这种制备方法的好61 比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧化比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧化物的固化等。与化学法相比，通过与聚合物共混制物的固化等。与化学法相比，通过与聚合物共混制备功能高分子的主要缺点是备功能高分子的主要缺点是共混物不够稳定，在使共混物不够稳定，在使用条件下（如溶胀、成膜等）功能聚合物容易由于用条件下（如溶胀、成膜等）功能聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性功能性小分子的流失而逐步失去活性。61 比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧62 功能材料的发展现状功能材料的发展现状 一一.新型功能材料国外发展现状新型功能材料国外发展现状 当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如如超导超导材料、材料、微电子微电子材料、材料、光子光子材料、材料、信息信息材料、材料、能源转换能源转换及储能及储能材料、材料、生态环境生态环境材料、材料、生物医用生物医用材料及材料的材料及材料的分子分子、原子设计原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。62 功能材料的发展现状 一.新型功能材料国外发展现状63以以NbTi、Nb3Sn为为代代表表的的实实实实用用用用超超超超导导导导材材材材料料料料已已实实现现了了商商品品化化，在在核核核核磁磁磁磁共共共共振振振振人人人人体体体体成成成成像像像像（NMRI）、超超超超导导导导磁磁磁磁体体体体及及大大大大型型型型加加加加速速速速器器器器磁磁磁磁体体体体等多个领域获得了应用。等多个领域获得了应用。高温高温氧化物超导体氧化物超导体氧化物超导体氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（提高到液氮（77K）温区。高温超导温区。高温超导材料的研究工作已在材料的研究工作已在单晶单晶、薄膜薄膜、体材料体材料、线材线材和和应用应用等方等方面取得了重要进展。面取得了重要进展。超导材料超导材料63以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商64作为高技术重要组成部分的作为高技术重要组成部分的生物医用材料生物医用材料生物医用材料生物医用材料已进入一个已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%16%的速度递的速度递增，预计增，预计2020年内，生物医用材料所占的份额将赶上年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物药物药物药物市市场，成为一个支柱产业。场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷生物活性陶瓷生物活性陶瓷生物活性陶瓷已成为已成为医用生物陶医用生物陶瓷瓷的主要方向；的主要方向；生物降解高分子材料生物降解高分子材料生物降解高分子材料生物降解高分子材料是医用高分子材料的是医用高分子材料的重要方向。重要方向。生物医用材料生物医用材料64作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发65太阳能电池材料太阳能电池材料太阳能电池材料太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，是新能源材料研究开发的热点，IBMIBM公司研制的公司研制的多层复合太阳能电池多层复合太阳能电池，转换率高达，转换率高达40%40%。美国能源部在全部美国能源部在全部氢能研究氢能研究经费中，大约有经费中，大约有50%50%用于用于储氢储氢储氢储氢技术技术。固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如材料，如固体电解质薄膜固体电解质薄膜和和电池阴极材料电池阴极材料，还有质子交，还有质子交换膜型燃料电池用的换膜型燃料电池用的有机质子交换膜有机质子交换膜等，都是目前研究等，都是目前研究的热点。的热点。能源材料能源材料65太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司66是是2020世纪世纪9090年代在国际高技术新材料研究中年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要有发达国家十分活跃，主要有三个研究方向三个研究方向三个研究方向三个研究方向：生态环境材料生态环境材料66是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个67直接面临的直接面临的与环境问题相关与环境问题相关与环境问题相关与环境问题相关的材料技术，例的材料技术，例如，如，生物可降解生物可降解材料技术，材料技术，CO CO 2 2 气体的固化气体的固化技术，技术，SOSOx x、NONOx x催化转化催化转化技术、技术、废物的再资源化废物的再资源化技术，技术，环环境污染修复境污染修复技术，材料制备加工中的技术，材料制备加工中的洁净技术洁净技术以及以及节省资源节省资源、节省能源节省能源的技术。的技术。67直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降68开发能使经济可持续发展的开发能使经济可持续发展的环境协调性材料环境协调性材料环境协调性材料环境协调性材料，如如仿生材料仿生材料、环境保护材料环境保护材料、氟里昂、石棉等、氟里昂、石棉等有害有害物质的替代材料物质的替代材料、绿色新材料绿色新材料等；等；材料的材料的环境协调性评价环境协调性评价环境协调性评价环境协调性评价。68开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料69智智能能材材料料是是继继天天然然材材料料、合合成成高高分分子子材材料料、人人工工设设计计材材料料之之后后的的第第第第四四四四代代代代材材材材料料料料，是是现现代代高高技技术术新新材材料料发发展展的的重重要要方方向向之之一一，将将支支撑撑未未来来高高技技术术的的发发展展，使使传传统统意意义义下下的的功功能能材材料料和和结结构构材材料料之之间间的的界界线线逐逐渐消失，实现渐消失，实现结构功能化结构功能化结构功能化结构功能化、功能多样化的功能多样化的功能多样化的功能多样化的目标。目标。智能材料智能材料69智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之70国外智能材料国外智能材料国外智能材料国外智能材料的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇航公司在航公司在导线传感器导线传感器导线传感器导线传感器，可用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情，可用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金，寿命期具有百万，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为1010秒钟；在秒钟；在压电材料压电材料压电材料压电材料、磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料、导电高分子材料导电高分子材料导电高分子材料导电高分子材料等在航空等在航空上的应用取得大量创新成果。上的应用取得大量创新成果。70国外智能材料的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇航71我我国国非非常常重重视视功功能能材材料料的的发发展展，在在国国家家攻攻关关、“863”、“973”、国国家家自自然然科科学学基基金金等等计计划划中中，功功能能材材料料都都占占有有很很大大比比例例。在在“九九五五”、“十十五五”国国防防计计划划中中还还将将特特特特种种种种功功功功能能能能材材材材料料料料列列为为“国国防防尖尖端端”材材料料。这这些些科科技技行行动动的的实实施施，使使我我国国在功能材料领域取得了丰硕的成果。在功能材料领域取得了丰硕的成果。国内功能材料发展的现状国内功能材料发展的现状71我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“863”72在在“863”计划支持下，开辟了计划支持下，开辟了超导材料超导材料超导材料超导材料、平板显示材料平板显示材料平板显示材料平板显示材料、稀土功能材料稀土功能材料稀土功能材料稀土功能材料、生物医用材料生物医用材料生物医用材料生物医用材料、储氢储氢储氢储氢等新能源材料，等新能源材料，金刚石金刚石金刚石金刚石薄膜薄膜薄膜薄膜，高性能固体推进剂材料高性能固体推进剂材料，红外隐身材料红外隐身材料红外隐身材料红外隐身材料，材料设计与材料设计与材料设计与材料设计与性能预测性能预测性能预测性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。72在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料73镍氢电池镍氢电池镍氢电池镍氢电池、锂离子电池锂离子电池锂离子电池锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件片式电子组件片式电子组件片式电子组件为目为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料低烧瓷料低烧瓷料低烧瓷料和和贱金属电极贱金属电极贱金属电极贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式片式电容材料电容材料及其及其组件组件进入了世界先进行列。进入了世界先进行列。73镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达