功能高分子chapter1

1、功能高分子功能高分子楊楊 武武 利利 復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系第一章第一章 引言引言1.1 材料的重要性材料的重要性人類(lèi)一切活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類(lèi)一切活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，三大材料三大材料人類(lèi)文明的發(fā)展標(biāo)志人類(lèi)文明的發(fā)展標(biāo)志石器時(shí)代，青銅時(shí)代，鐵器時(shí)代，石器時(shí)代，青銅時(shí)代，鐵器時(shí)代，高分子時(shí)代，新石器時(shí)代高分子時(shí)代，新石器時(shí)代(精細(xì)陶瓷精細(xì)陶瓷)新技術(shù)革命新技術(shù)革命 三大方面：電子工業(yè)，生物工程，新材料開(kāi)發(fā)三大方面：電子工業(yè)，生物工程，新材料開(kāi)發(fā)新材料是新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，先行官。新材料是新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，先行官。例：例：i). 硅單晶材料硅單晶材料 ii). 超導(dǎo)材料，超導(dǎo)材料，191

2、1，超導(dǎo)理論，超導(dǎo)理論各國(guó)對(duì)新材料開(kāi)發(fā)的重視各國(guó)對(duì)新材料開(kāi)發(fā)的重視美、法、日等國(guó)美、法、日等國(guó)當(dāng)今新材料開(kāi)發(fā)的特征之一當(dāng)今新材料開(kāi)發(fā)的特征之一 材料的功能化材料的功能化1.2. 高分子發(fā)展歷史的簡(jiǎn)要回顧高分子發(fā)展歷史的簡(jiǎn)要回顧 19世紀(jì)中葉世紀(jì)中葉20世紀(jì)初，世紀(jì)初， 纖維素塑料，酚醛樹(shù)脂，纖維素塑料，酚醛樹(shù)脂，PVAc 20s，高分子概念的提出，高分子概念的提出(Staudinger) 纖維素分子量的測(cè)定：端基法，滲透壓法，粘度法纖維素分子量的測(cè)定：端基法，滲透壓法，粘度法30s，Nylon-66(1934, Carothers), PS(1931), PVC(1931).40s，二次大戰(zhàn)，

3、二次大戰(zhàn)，SBR50s，Z-Ncat60s，耐高溫高分子，耐高溫高分子406070809050Polymer chemistryPolymer physicsPolymer engineeringFunctional polymerChemistry Life sciencesEngineeringPhysics 50s80spolymer70s，高分子工業(yè)的低谷時(shí)期，高分子工業(yè)的低谷時(shí)期 PVC工廠關(guān)門(mén)工廠關(guān)門(mén) 石油危機(jī)，價(jià)格暴漲。油田高分子興起石油危機(jī)，價(jià)格暴漲。油田高分子興起80s90s，時(shí)代特征，時(shí)代特征能源能源5%石油用作高分石油用作高分子工業(yè)原料子工業(yè)原料天然高分子的深度天然高分子

4、的深度開(kāi)發(fā)，微生物植物開(kāi)發(fā)，微生物植物光合作用制備高分光合作用制備高分子子(PHB) 材料材料輕量化，節(jié)能，輕量化，節(jié)能，高性能，特種高性能，特種功能，功能，功能高分子功能高分子 環(huán)保與保健環(huán)保與保健可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，綠色化學(xué)綠色化學(xué)生物降解高分子生物降解高分子 醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子可見(jiàn)高分子化學(xué)的發(fā)展方向與上述的三個(gè)時(shí)代特征都可見(jiàn)高分子化學(xué)的發(fā)展方向與上述的三個(gè)時(shí)代特征都是密切相關(guān)。是密切相關(guān)。聚合反應(yīng)的優(yōu)化：聚合反應(yīng)的優(yōu)化： 可控可控(立構(gòu)、立構(gòu)、MW、MWD)，高效，高效Cat，高反應(yīng)速率。，高反應(yīng)速率。聚合產(chǎn)物的優(yōu)化：聚合產(chǎn)物的優(yōu)化： 接枝、嵌段、共混、復(fù)合、有機(jī)接枝、嵌

5、段、共混、復(fù)合、有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化。無(wú)機(jī)雜化。活性陰離子，活性陽(yáng)離子，活性卡賓聚合活性陰離子，活性陽(yáng)離子，活性卡賓聚合(ROMP)活性配位聚合，活性配位聚合，80s，Kaminsky Cat(茂金屬茂金屬Cat) 90s，Brookhart Cat(非茂金屬非茂金屬Cat)活性自由基聚合活性自由基聚合 (ATRP，RAFT) 基團(tuán)轉(zhuǎn)移聚合基團(tuán)轉(zhuǎn)移聚合(GTP)21世紀(jì)，時(shí)代特征同世紀(jì)，時(shí)代特征同80s，更強(qiáng)調(diào)環(huán)境與健康。，更強(qiáng)調(diào)環(huán)境與健康。 醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子綠色化學(xué)綠色化學(xué)綠色反應(yīng)，綠色技術(shù)綠色反應(yīng)，綠色技術(shù)綠色材料綠色材料 合成生物活性物質(zhì)合成生物活性物質(zhì)生命化學(xué)反應(yīng)，功能的研究，化學(xué)生物學(xué)

6、生命化學(xué)反應(yīng)，功能的研究，化學(xué)生物學(xué) 功能高分子功能高分子 醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子新的藥物新的藥物 生物工程材料生物工程材料組織工程材料組織工程材料 軟材料軟材料(智能水凝膠智能水凝膠)納米材料。納米材料。EMEH和生命科學(xué)相結(jié)合和生命科學(xué)相結(jié)合材料科學(xué)的發(fā)展材料科學(xué)的發(fā)展1.3. 定義，分類(lèi)定義，分類(lèi) (一一)定義定義Speciality polymer，強(qiáng)調(diào)特種性能，強(qiáng)調(diào)特種性能 耐高溫，高強(qiáng)度，高絕緣，等等。耐高溫，高強(qiáng)度，高絕緣，等等。Fine polymer， 精細(xì)，產(chǎn)量小，價(jià)格高精細(xì)，產(chǎn)量小，價(jià)格高Functional polymer，Cf. High performance pol

7、ymer 在合成或天然高分子原有機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，再賦予在合成或天然高分子原有機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，再賦予通用性能以外的特殊的物理、化學(xué)、生物等性能的高分子。通用性能以外的特殊的物理、化學(xué)、生物等性能的高分子。 對(duì)外來(lái)的對(duì)外來(lái)的(諸如光、電、壓力、化學(xué)等等諸如光、電、壓力、化學(xué)等等)刺激刺激(Stimuli)能作出選擇性和特征性的積極反應(yīng)能作出選擇性和特征性的積極反應(yīng)(active-reaction responses)的高分子。的高分子。 (二二)分類(lèi)分類(lèi) (今天的情況今天的情況)1. 高分子分離功能材料高分子分離功能材料 離子交換樹(shù)脂，高分子膜，離子交換樹(shù)脂，高分子膜，2. 光功能高分子光功能

8、高分子 光致抗蝕劑，光能轉(zhuǎn)換高分子，高分子光敏劑，光致抗蝕劑，光能轉(zhuǎn)換高分子，高分子光敏劑， 穩(wěn)定劑，光降解高分子，高分子導(dǎo)光纖維，等等。穩(wěn)定劑，光降解高分子，高分子導(dǎo)光纖維，等等。3. 電磁功能高分子電磁功能高分子 導(dǎo)電高分子，光導(dǎo)導(dǎo)電高分子，光導(dǎo)(電電)高分子，超導(dǎo)高分子，高分子，超導(dǎo)高分子， 高分子磁性體，高分子駐電體，隱形材料。高分子磁性體，高分子駐電體，隱形材料。4. 催化功能高分子催化功能高分子 高分子試劑，高分子載體，模板聚合，高分子試劑，高分子載體，模板聚合， 固定化酶，高分子金屬催化劑，模擬酶。固定化酶，高分子金屬催化劑，模擬酶。5. 生物功能高分子生物功能高分子 醫(yī)用高分子

9、：體內(nèi)、體外；人工臟器等等醫(yī)用高分子：體內(nèi)、體外；人工臟器等等 藥用高分子：藥物的高分子化；高分子藥物。藥用高分子：藥物的高分子化；高分子藥物。 生物降解高分子，仿生高分子，人造血液生物降解高分子，仿生高分子，人造血液6. 其他其他 高分子液晶，高吸水性樹(shù)脂，高分子絮凝劑，高分子液晶，高吸水性樹(shù)脂，高分子絮凝劑， 減阻高分子，智能水凝膠，等等。減阻高分子，智能水凝膠，等等。(電子聚合物電子聚合物)化學(xué)刺激引起化學(xué)變化化學(xué)刺激引起化學(xué)變化高分子試劑高分子試劑高分子固相合成高分子固相合成模擬酶模擬酶固定酶固定酶高分子催化劑高分子催化劑功能高分子功能高分子物理刺激引起化學(xué)變化物理刺激引起化學(xué)變化換能

10、材料信息轉(zhuǎn)化材料換能材料信息轉(zhuǎn)化材料射線射線化學(xué)能轉(zhuǎn)換化學(xué)能轉(zhuǎn)換力力化學(xué)能轉(zhuǎn)換化學(xué)能轉(zhuǎn)換光光化學(xué)能轉(zhuǎn)換熱化學(xué)能轉(zhuǎn)換熱敏性高分子敏性高分子光敏性高分子光敏性高分子化學(xué)變化反應(yīng)性化學(xué)變化反應(yīng)性高分子材料高分子材料應(yīng)性材料應(yīng)性材料生物體適生物體適分離材料分離材料物質(zhì)移動(dòng)物質(zhì)移動(dòng)物理變化物理變化功能性高分子材料功能性高分子材料醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子人工臟器，醫(yī)用材料人工臟器，醫(yī)用材料醫(yī)療診斷材料醫(yī)療診斷材料醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子醫(yī)藥醫(yī)藥 農(nóng)藥農(nóng)藥藥物控釋體系藥物控釋體系應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)信息高分子的合和信息高分子的合和仿生模擬仿生模擬生物大分子生物大分子 DNARNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)多糖等多糖等 光電磁功能材料

11、光電磁功能材料非線性光學(xué)材料非線性光學(xué)材料高分子液晶顯示材料高分子液晶顯示材料電致發(fā)光材料電致發(fā)光材料光電轉(zhuǎn)換高分子光電轉(zhuǎn)換高分子導(dǎo)光高分子導(dǎo)光高分子高分子磁性材料高分子磁性材料性、熱電性材料性、熱電性材料)介電高分子介電高分子(壓電壓電超導(dǎo)高分子超導(dǎo)高分子導(dǎo)電高分子導(dǎo)電高分子半導(dǎo)體高分子半導(dǎo)體高分子熱力學(xué)功能熱力學(xué)功能材料材料應(yīng)力感應(yīng)材料應(yīng)力感應(yīng)材料導(dǎo)熱高分子導(dǎo)熱高分子環(huán)境感應(yīng)性環(huán)境感應(yīng)性高分子高分子智能水凝膠智能水凝膠高吸水性樹(shù)脂高吸水性樹(shù)脂功功 能能 高高 分分 子子 分分 類(lèi)類(lèi)90s 高分子納米高分子納米材料材料能動(dòng)輸送性能動(dòng)輸送性 仿生膜仿生膜選擇透過(guò)性選擇透過(guò)性 分離膜分離膜選擇吸

12、收性選擇吸收性吸附劑吸附劑凝聚劑凝聚劑離子交換性離子交換性 離子交換離子交換 樹(shù)脂樹(shù)脂 分子識(shí)別性分子識(shí)別性 分子篩分子篩離子交換纖維離子交換纖維 活性炭活性炭纖維纖維1.4 意義和發(fā)展前景意義和發(fā)展前景21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)生物高分子：生物高分子：多糖、蛋白質(zhì)、核酸、類(lèi)脂物。多糖、蛋白質(zhì)、核酸、類(lèi)脂物。結(jié)構(gòu)材料：結(jié)構(gòu)材料：纖維素、肽聚糖、角朊、骨膠原、生物膜。纖維素、肽聚糖、角朊、骨膠原、生物膜。功能材料功能材料：貯存營(yíng)養(yǎng)貯存營(yíng)養(yǎng) 糖元、淀粉、蛋白質(zhì)、甘油三酸脂。糖元、淀粉、蛋白質(zhì)、甘油三酸脂。信息存儲(chǔ)與感知：信息存儲(chǔ)與感知： DNA，m-RNA，t-RNA, etc.

13、呈現(xiàn)功能呈現(xiàn)功能 ： 酶，抗體、血紅朊、激素、核糖體、生物膜。酶，抗體、血紅朊、激素、核糖體、生物膜。功能器官：功能器官：眼、耳、鼻、腸胃、肝、腎、細(xì)胞膜眼、耳、鼻、腸胃、肝、腎、細(xì)胞膜、神經(jīng)、腦。神經(jīng)、腦。(都是縮聚高分子！都是縮聚高分子！)光致抗蝕劑對(duì)電子工業(yè)發(fā)展的作用光致抗蝕劑對(duì)電子工業(yè)發(fā)展的作用光刻膠的水平和電子工業(yè)發(fā)展的關(guān)系光刻膠的水平和電子工業(yè)發(fā)展的關(guān)系106105104103102196065707580851K(15 )4K10K(10 )64K(5 )256K(1- 2 )16M(0.25 )64M256M今后今后50年有關(guān)功能高分子發(fā)展的一些目標(biāo)課題年有關(guān)功能高分子發(fā)展的一

14、些目標(biāo)課題(部分部分)目標(biāo)課題目標(biāo)課題 預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年份預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年份 目標(biāo)課題目標(biāo)課題 預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年份預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年份多米諾型高分子的合成多米諾型高分子的合成高生理活性的合成激素高生理活性的合成激素和基因和基因 (cf. 克隆技術(shù)？克隆技術(shù)？)高抗血栓性的材料高抗血栓性的材料人造肌肉人造肌肉新的聚合物藥物新的聚合物藥物導(dǎo)熱性高分子絕緣材料導(dǎo)熱性高分子絕緣材料超導(dǎo)高分子超導(dǎo)高分子高分子仿生感覺(jué)元件高分子仿生感覺(jué)元件高分子太陽(yáng)能電池高分子太陽(yáng)能電池濃縮海水中鈾的高分子濃縮海水中鈾的高分子吸附劑吸附劑1995202019952031199020002000204019952015199520202000204

15、0199520251995201519902000自身修復(fù)高分子自身修復(fù)高分子高分子識(shí)別力的人工酶高分子識(shí)別力的人工酶可任意調(diào)節(jié)藥物釋放的高分子可任意調(diào)節(jié)藥物釋放的高分子人工神經(jīng)人工神經(jīng)植入型人工腎植入型人工腎高導(dǎo)電性高分子高導(dǎo)電性高分子高分子強(qiáng)磁性體高分子強(qiáng)磁性體分子水平高密度存儲(chǔ)元件分子水平高密度存儲(chǔ)元件分子篩功能的高分子膜分子篩功能的高分子膜高效氣體交換膜高效氣體交換膜(水中呼吸器、人工鰓水中呼吸器、人工鰓)20002040199520151990200020102040199020001993200520002040200020401995200519952010 80s以來(lái)，功能高分

16、子是高分子科學(xué)研究中最活躍的領(lǐng)域。以來(lái)，功能高分子是高分子科學(xué)研究中最活躍的領(lǐng)域。 功能高分子材料是各種功能材料中領(lǐng)域最為寬廣，功能高分子材料是各種功能材料中領(lǐng)域最為寬廣， 發(fā)展?jié)摿ψ畲?。發(fā)展?jié)摿ψ畲蟆?仿生是功能高分子發(fā)展的重要方向。仿生是功能高分子發(fā)展的重要方向。 功能高分子的發(fā)展將會(huì)給人類(lèi)的生產(chǎn)、生活活動(dòng)帶來(lái)巨大變革功能高分子的發(fā)展將會(huì)給人類(lèi)的生產(chǎn)、生活活動(dòng)帶來(lái)巨大變革 (低材耗、低能耗、高性能、保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，等等低材耗、低能耗、高性能、保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，等等)21世紀(jì)的發(fā)展世紀(jì)的發(fā)展分子電子器件分子電子器件 (納米科技和納米材料納米科技和納米材料) 分子功能材料分子功能材料(磁電、

17、光電、熱電磁電、光電、熱電) LB膜組裝技術(shù)膜組裝技術(shù) (分子電阻、分子整流、分子二極管、分子開(kāi)關(guān)，等等分子電阻、分子整流、分子二極管、分子開(kāi)關(guān)，等等)仿生技術(shù)仿生技術(shù) 大腦：大腦： 10131015 bits/5050 cm2 41091011 bits/cm2 現(xiàn)今集成電路水平：現(xiàn)今集成電路水平： 1 chip (55) mm2 線寬：線寬：0.2 4107 bits/cm2隨著納米科技的發(fā)展，分子電子器件得以實(shí)現(xiàn)的話，那么儲(chǔ)存密隨著納米科技的發(fā)展，分子電子器件得以實(shí)現(xiàn)的話，那么儲(chǔ)存密度達(dá)到大腦水平是可能的，不是太遙遠(yuǎn)的事！度達(dá)到大腦水平是可能的，不是太遙遠(yuǎn)的事！高分子工業(yè)的大品種：高分子

18、工業(yè)的大品種： 熱塑性塑料：熱塑性塑料： PE, PP, PVC, PS熱固性塑料：熱固性塑料：酚醛，酚醛， 環(huán)氧，環(huán)氧， 氨基，氨基， 不飽和樹(shù)脂不飽和樹(shù)脂合成纖維：合成纖維：PET, Nylon, PAN, PVA (占纖維總量的占纖維總量的50)合成橡膠：合成橡膠：SBR, SBR, 順丁，氯丁，丁腈順丁，氯丁，丁腈 ，丁基，乙丙，丁基，乙丙 (占橡膠總量的占橡膠總量的66%)產(chǎn)量產(chǎn)量(1995)世界世界 中國(guó)中國(guó)1.19億噸億噸0.18億噸億噸0.1億噸億噸0.04億噸億噸0.02億噸億噸0.0043億噸億噸高分子材料大品種的優(yōu)化，精細(xì)化，功能化。高附加價(jià)值化：高分子材料大品種的優(yōu)化，

19、精細(xì)化，功能化。高附加價(jià)值化：中國(guó)石化總公司，世界排名第三中國(guó)石化總公司，世界排名第三 (第一，英，第一，英，Shell, 第二，美，第二，美，Exxon) 1995，利稅，利稅300億億(其中利潤(rùn)其中利潤(rùn) 100億億) 2006，利稅，利稅1390億億(其中利潤(rùn)其中利潤(rùn) 670億億)世界塑料產(chǎn)量世界塑料產(chǎn)量 1995年年 1.2億噸億噸 2000年年 1.5億噸億噸四大材料之比：四大材料之比： 1950年年 1970年年 1990年年塑料塑料鋼鐵鋼鐵木材木材水泥水泥1126700891208819173310通用高分子通用高分子 工程高分子工程高分子 功能高分子功能高分子產(chǎn)量產(chǎn)量(噸噸)價(jià)格比價(jià)格比1081106141051021031.5. 功能高分子的制備功能高分子的制備1.5.1. 功能基的引入功能基的引入 1. 含功能基單體的聚合含功能基單體的聚合CH2CHCH2ClCH2CRCOOCH2CHOCH2OHCOHOCH2CHOOOOOCH2CHC CH2CH3OHOHNNNNNN 2. 大分子的化學(xué)反應(yīng)大分子的化學(xué)反應(yīng)常用高分子骨架：常用高分子骨架： PS (