功能高分子材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,功能高分子材料,Functional polymers,1,4.1 高分子材料科学的历史回顾,高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。,1839年，美国人,Goodyear,发明硫化橡胶。,1855年，英国人Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。,1889年，法国人De,Chardonnet（夏尔多内）,发明,人造丝,。,1907年，酚醛树脂诞生。,第四章 功能高分子材料,2,1920年，德国人,Staudinger,发表了“论聚合”的论文，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。,1935年，,Carothes,发明尼龙66，1938年工业化。,30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。,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。,Flory,为此获得诺贝尔奖。,40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（1937），丁腈橡胶（1937），丁基橡胶（1940），有机氟材料（1943），ABS（1947），涤纶树脂（19401950）。,50年代，,Ziegler,和,Natta,发明配位聚合催化剂，制得高密度PE和有规PP，低级烯烃得到利用,。,4,1956年，美国人Szwarc发明活性阴离子聚合，开创了高分子结构设计的先河。,50年后期至60年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚（1964），聚酰亚胺（1962）。,60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、半导体等。,5,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、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。,80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。,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；,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、超支化聚合物、含C,60,聚合物等等。,6,4.2 功能高分子材料概述,4.2.1基本概念,功能高分子与高性能高分子,性能,：,材料对外部作用的抵抗特性。例如，对,外力的抵抗表现为材料的强度、模量等；对热的抵,抗表现为耐热性；对光、电、化学药品的抵抗，则,表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。,第四章 功能高分子材料,7,功能：,指从外部向材料输入信号时，材料内部发生,质和量的变化而产生输出的特性。例如，材料在受,到外部光的输入时，材料可以输出电性能，称为材,料的光电功能；材料在受到多种介质作用时，能有,选择地分离出其中某些介质，称为材料的选择分离,性能。此外，如压电性、药物缓释放性等，都属于功能的范畴。,8,因此：,功能高分子,是指当有外部刺激时，能通过化学或,物理的方法做出响应的高分子材料。,高性能高分子,则是对外力有特别强的抵抗能力的,高分子材料,。,它们都属于特种高分子材料的范畴。,9,特种高分子是相对于通用高分子而言的。,通用高分子材料：,应用面广量大，价格较低。,根据其性质和用途可分为五个大类：化学纤维、塑,料、橡胶、油漆涂料、粘合剂。,特种高分子材料：,带有特殊物理、力学、化学,性质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畴。,10,从实用的角度看，对功能材料来说，人们着眼,于它们所具有的独特的功能；而对高性能材料，人,们关心的是它与通用材料在性能上的差异。,特种高分子是目前高分子学科中发展最快、研究最活跃的新领域。,11,4.2.2 功能高分子材料的类型,日本著名功能高分子专家中村茂夫教授认为，,功能高分子可从以下几个方面分类。,1. 力学功能材料,1),强化功能材料,，如超高强材料、高结晶材料等；,2),弹性功能材料,，如热塑性弹性体等。,12,2. 化学功能材料,1),分离功能材料,，如分离膜、离子交换树脂、高分,子络合物等；,2),反应功能材料,，如高分子催化剂、高分子试剂；,3),生物功能材料,，如固定化酶、生物反应器等。,13,3. 物理化学功能材料,1),耐高温高分子,，高分子液晶等；,2),电学功能材料,，如导电性高分子、超导高分子,等；,3),光学功能材料,，如感光高分子、导光性高分子，,光敏性高分子等；,4),能量转换功能材料,，如压电性高分子、热电性高,分子等。,14,4. 生物化学功能材料,1),人工脏器用材料,，如人工肾、人工心肺等；,2),高分子药物,，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；,3),生物分解材料,，如可降解性高分子材料等。,这一分类，实际上包括了所有特种高,分子材料。,15,国内一般采用按其性质、功能或实际用途划分,具体可划分为8种类型。,1. 反应性高分子材料,，,包括高分子试剂、高分子催,化剂和高分子染料，特别是高分子固相合成试剂和,固定化酶试剂等。,2. 光敏型高分子,，包括各种光稳定剂、光刻胶，感,光材料、非线性光学材料、光导材料和光致变色材,料等。,16,3. 电性能高分子材料,，包括导电聚合物、能量转换,型聚合物、电致发光和电致变色材料以及其他电敏,感性材料等。,4. 高分子分离材料,，包括各种分离膜、缓释膜和其,他半透性膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、,高分子絮凝剂等。,17,5. 高分子吸附材料,，包括高分子吸附性树脂、高吸,水性高分子、高吸油性高分子等。,6. 高分子智能材料,，包括高分子记忆材料、信息存,储材料和光、磁、pH、压力感应材料等。,7. 医药用高分子材料,，包括医用高分子材料、药用,高分子材料和医药用辅助材料等。,8. 高性能工程材料,，如高分子液晶材料，耐高温高,分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子,材料和功能纤维材料、生物降解高分子等。,18,4.3 功能高分子材料的发展与展望,4.3.1 功能高分子发展的背景,1. 经济发展的需要,自从1920年施道丁格（H.Staudinger）建立大分,子概念以来，高分子材料以惊人的速度得到发展。,至20世纪60年代，高分子材料工业化已基本完善，,解决了人们的衣着、日用品和工业材料等需求。通,用高分子和工程用高分子的世界总产量已超过几千,万吨/年，特种高分子则为几十万吨/年。,第四章 功能高分子材料,19,1973年和1978年两次世界性的石油大危机，使,原油价格猛涨。以石油为主要原料的高分子材料成,本呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。在,这样的经济背景下，迫使人们试图用同样的原材,料，去制备价值更高的产品。功能高分子在这种外,部条件促使下迅速地发展了起来。,从表11的数据可以看出，,发展功能高分子材料,可以获得较高的经济效益,。,20,表41 各种高分子材料的产量和价格比*,品 种,主要产品举例,产量 /万吨/年,价格比,通用高分子材料,LDPE，HDPE，PVC，PP，PS,1000,1,中间高分子材料,ABS，PMMA,1001000,12,工程高分子材料,PA，PC，POM，PBT，PPO,2080,24,特种高分子材料,有机氟材料，耐热性高分子，各种功能高分子,120,10100,* 价格比以通用高分子为1计。,21,2. 科学技术发展的需求,80,90年代，科学技术有了迅速发展。能源、信,息、电子和生命科学等领域的发展，对高分子材料,提出了新的要求。即,要求高分子材料具有迄今还不,曾有过的高性能和高功能,，甚至要求既具有高功能,亦具有高性能的高分子材料。,22,新能源的要求,。太阳能和氢将成为今后的主要,能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅,材料已进入了实用阶段。然而，按现在的能量转换,效率，对单晶硅的需要量实在太大。以日本为例，,若利用太阳能达到当前日本电力的1，就需100 ,的单晶硅至少2.7万吨。这相当于日本目前单晶硅总,产量的90倍。为此，人们把注意力转向可高效转换,太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子分离膜,的利用,。,23,交通和宇航技术的要求,。既高速又节约能源是,交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。采用功,能高分子材料，在一定程度上解决了该难题。就目,前的成就来看，波音757，767飞机采用Kavlar增强,材料（一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强,的材料），可省油50。汽车工业采用高分子材料,而实现轻型化，从而达到省油和高速的目的。,24,微电子技术的要求,。高度集成化是微电子工业,发展的趋势。存储容量将从目前的16K发展到256K。,此时相应的电路细度仅为1.5m。因此，高功能的,光致抗蚀材料（感光高分子）已成为微电子工业的,关键材料之一。,25,生命科学的要求,。人类对生命奥秘的探索，对,建立一个洁净、安全的世界的渴望，对征服癌症等,疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。,例如，生物分离介质的研制成功，使生命组成的各,种组分能得以精细地分级，对生命科学的贡献将是,十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大,减缓白色公害对人类的危害。,26,总之，功能高分子材料在国民经济建设和日常,生活中将发挥越来越重要的作用，发展前景不可估,量。当然，,目前的成就尚处于十分初级的阶段,，有,待于进一步研究和探索。,27,4.3.2 功能高分子的发展历程与展望,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。,但是作为一门独立的完整的学科，,功,能高分子是从20世纪80年代中后期开始发展的,。,28,最早的功能高分子可追述到1935年,离子交换树,脂,的发明。,20世纪50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。,1957年发现了,聚乙烯基咔唑的光电导性,，打破,了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。,1966年little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1975年,发现了聚氮化硫的超导性。,29,1993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,一报道的超导性有机高分子。,20世纪80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。,1991年发现了,尼龙11的铁电性,，1994年,塑料柔性,太阳能电池,在美国阿尔贡实验室研制成功，1997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。,30,其中从20世纪50年代发展起来的,光敏高分子,化,学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机,理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去20多,年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比,如,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、以及光致发光和光致变,色高分子材料,都已经工业化。,近年来,高分子非线性光学材料,也取得了突破性的,进展。,31,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,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,方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来的固相,合成方法和固定化酶技术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,研究方面起到了关键性作用。,32,电活性高分子材料,的发展导致了,导电聚合物,，,聚合物电解质，聚合物电极,的出现。此外,超导、电,致发光、电致变色聚合物,也是近年来的重要研究成,果，其中以电致发光材料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,件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也,得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。,33,高分子分离膜材料,与分离技术的发展在复杂体,系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦,咸水脱盐、液体消毒等快速、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,型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在海,水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备18万吨/日,纯水设备的能力。,34,医药用功能高分子,是目前发展非常迅速的一个,领域，,高分子药物、高分子人工组织器官、高分子,医用材料在定向给药、器官替代、整形外科,和拓展,治疗范围方面做出了相当大的贡献。,35,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,内容包括有,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,，是目前国内,外异常活跃的一个研究领域。,可以说，特种与功能高分子材料在高分子科学,中的地位，相当于精细化工在化工领域内的地位。,因此也,有人称特种与功能高分子为精细高分子,，其,内涵指其产品的,产量小，产值高，制造工艺复杂,。,36,特种与功能高分子材料之所以能成为国内外材,料学科的重要研究热点之一，最主要的原因在于它,们具有独特的“性能”和“功能”，可用于替代其他功,能材料，并提高或改进其性能，使其成为具有全新,性质的功能材料。,可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与,功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主,要方向。,37,