功能高分子材料分析和應(yīng)用

1、2022/7/19功能高分子材料分析和應(yīng)用2022/7/19目錄一、概述二、具有化學(xué)反應(yīng)和分離功能的高分子材料三、膜分離材料四、導(dǎo)電高分子材料五、醫(yī)用高分子材料六、復(fù)合材料2022/7/19三大支柱產(chǎn)業(yè)能源材料信息是能源和信息發(fā)展的基礎(chǔ)有機(jī)合成材料是材料工業(yè)的一個重要方面時(shí)代 的劃分常以材料為標(biāo)志2022/7/19材料的功能 向材料給予某種作用或輸入某種能量之后，經(jīng)過材料的傳輸與轉(zhuǎn)換，再將其輸出而提供外部不同或相同的一種作用。材料的性能 材料對外部作用的抵抗特性。例如，對外力的抵抗表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度；對熱的抵抗表現(xiàn)為耐熱性；對光、電、化學(xué)藥品的抵抗，則表現(xiàn)為材料的耐光性、絕緣性、防腐蝕性等。 一

2、、概述9.1.1 基本概念2022/7/19功能高分子 - 在高分子化合物的基礎(chǔ)上，由于其結(jié)構(gòu)的特異，敏銳的表現(xiàn)出物質(zhì)、能量、信息的傳遞、轉(zhuǎn)換或儲存作用的特異性能。包含導(dǎo)電高分子、光電高分子、光敏高分子、高分子催化劑、高分子試劑、強(qiáng)吸附水材料等。功能高分子材料 - 一類在外部環(huán)境作用下，敏銳的表現(xiàn)出高選擇性和特異性能的高分子化合物及高分子材料。2022/7/19功能種類的不同：(1)力學(xué)功能 主要是指強(qiáng)化功能材料和彈性功能材料，如高結(jié)晶材料、超高強(qiáng)材料等。(2)化學(xué)功能分離功能材料：如分離膜，離子交換樹脂、高分子絡(luò)合物；反應(yīng)功能材料；如高分子試劑、高分子催化劑；生物功能材料：如固定化菌，生物反

3、應(yīng)器等。、功能高分子材料的分類2022/7/19（3）物理化學(xué)功能電學(xué)功能材料：如超導(dǎo)體，導(dǎo)電高分子等；光學(xué)功能材料：如光導(dǎo)纖維、感光性高分子等；能量轉(zhuǎn)換材料：如壓電材料、光電材料。(4)生物化學(xué)功能醫(yī)用功能材料：人工臟器用材料如人工腎、人工心肺，可降解的醫(yī)用縫合線、骨釘、骨板等；功能性藥物：如緩釋性高分子，藥物活性高分子，高分子農(nóng)藥等；生物降解材料2022/7/19輸入輸出功能的異同：（1）一次功能材料向某一種材料給予的作用或輸入的能量與通過材料輸出而給予外部作用能量屬于同一類（2）二次功能材料向某一種材料給予的作用或者輸入的能量，當(dāng)其通過功能材料之后，所給予的作用或者輸入的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)換2

4、022/7/19、功能高分子材料設(shè)計(jì)及制備（1）通過分子設(shè)計(jì)（包括高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和官能團(tuán)設(shè)計(jì)），用化學(xué)方法合成具有某種功能的高分子（2）將已有的高分子材料予以特殊工藝加工，賦予材料某種功能。（3）通過兩種或者兩種以上具有不同功能或性能的材料進(jìn)行復(fù)合，獲得新的功能材料。（4）高分子（或無機(jī)）材料采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行表面改性2022/7/19、具有化學(xué)反應(yīng)和分離功能的高分子材料、離子交換樹脂一類能夠與溶液中的陰離子或陽離子發(fā)生交換的功能高分子材料包括基體、官能團(tuán)、助劑2022/7/19我國“離子交換樹脂之父”何炳林 廣東省番禹縣人，高分子化學(xué)家和化學(xué)教育家，中國科學(xué)院院士。1942年畢業(yè)于西南聯(lián)

5、合大學(xué)。1952年獲美國印第安納大學(xué)博士學(xué)位。1956年回國，任南開大學(xué)教授，兼任青島大學(xué)校長。 2022/7/191958年 合成出大孔型離子交換樹脂，用于原子彈的研制1970年 在華藥用于鏈霉素精制至今1980年開始 用于血液灌流去除安眠藥 用于從肝損傷患者腹水中去除膽紅素 去除血液中的抗DNA救治紅斑狼瘡病 固定某些酶，將氨基酸進(jìn)行光學(xué)拆分 2022/7/19離子交換樹脂的主要性能參數(shù)：交聯(lián)度。具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)，在任何條件下不溶解、不熔融機(jī)械強(qiáng)度。以減少使用過程中的破碎親水性交換容量2022/7/19孔隙尺寸。在水中具有足夠大的孔隙，以保證離子能以適當(dāng)?shù)乃俣仍谄渲袛U(kuò)散熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。以

6、保證其在使用過程中不發(fā)生降解和破壞粒度分布2022/7/19離子交換樹脂的分類（1）根據(jù)合成方法分類 縮聚型離子交換樹脂（例如甲醛與苯酚縮聚物） 加聚型離子交換樹脂（例如苯乙烯和二乙烯基苯共聚物）。2022/7/19（2）根據(jù)樹脂的孔結(jié)構(gòu)分類 凝膠型離子交換樹脂 大孔型離子交換樹脂 載體型離子交換樹脂2022/7/19（3）根據(jù)交換離子的性質(zhì)分類 陰離子交換樹脂 陽離子交換樹脂 兩性離子交換樹脂 鰲形樹脂2022/7/19離子交換樹脂的功能：（1）離子交換（2）脫水作用（3）催化作用（4）脫色作用（5）吸附作用2022/7/19離子交換樹脂的主要應(yīng)用1.在水處理中的應(yīng)用2.食品工業(yè)4.原子能工

7、業(yè)3.工業(yè)廢水處理5.催化劑6.制藥工業(yè)7.石油化工2022/7/19在水處理中的應(yīng)用（1）純水的制備（2）水的軟化（3）廢水處理2022/7/19（1）純水的制備強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂采用的離子交換樹脂2022/7/19（1）純水的制備 陽離子交換樹脂塔和陰離子交換樹脂塔串聯(lián)，普通水依次流過兩塔制備工藝2022/7/19（1）純水的制備常見的純水制備設(shè)備圖2022/7/19（1） 純水的制備主要反應(yīng)式2022/7/19（2）水的軟化 天然水中含有Ca2+、Mg2+等 在鍋爐壁上生成碳酸鈣、硫酸鈣、硅酸鈣、硅酸鎂和氫氧化鎂等水垢降低傳熱系數(shù)，增加能耗可能引起鍋爐爆炸，造成人員

8、傷亡2022/7/19（2）水的軟化Na型陽離子交換樹脂軟水法常用方法強(qiáng)酸性H-Na型陽離子交換樹脂軟化法2022/7/19Na型陽離子交換樹脂軟水法Na型離子交換樹脂軟水法的主要化學(xué)反應(yīng)2022/7/19Na型陽離子交換樹脂軟水法 單級軟化系統(tǒng) 雙級軟化系統(tǒng)2022/7/19Na型陽離子交換樹脂軟水法 設(shè)備簡單，操作簡單，樹脂再生容易適用對象 低硬度（5mmol/L）、低堿度（2mmol/L）的原水軟化優(yōu) 點(diǎn)2022/7/19（2） 食品工業(yè)中的應(yīng)用應(yīng)用于果汁提高果汁色值、透光率、降低濁度增加果汁穩(wěn)定性提高果汁品質(zhì)有效去除果汁內(nèi)的棒曲霉素，減少農(nóng)殘 2022/7/19用于蜂蜜處理脫除蜂蜜中的

9、抗生素 提高蜂蜜色值、透光率等提高蜂蜜貯存穩(wěn)定性 2022/7/19時(shí)代周刊評出20世紀(jì)最偉大的100項(xiàng)發(fā)明，其中“尿不濕” 榜上有名、高吸水性樹脂2022/7/19太空服之父唐鑫源2022/7/19航天員專用“尿不濕”1克能吸收約1000克水 ，吸水性遠(yuǎn)強(qiáng)于一般嬰兒使用的“尿不濕” 2022/7/19 “尿不濕”是航天產(chǎn)品“下凡”的成功典范！現(xiàn)在不僅是嬰幼兒使用，還有供特殊成人使用的，更有趣的是有些寵物也系上了“尿不濕”出門溜達(dá)，以保護(hù)公共衛(wèi)生。 資料顯示：1987年，英國一次性尿布銷售利潤達(dá)2億英鎊。設(shè)想一下我們中國這樣一個人口大國，利潤有多么驚人！ 2022/7/19吸水前吸水后尿不濕吸

10、水前后的變化2022/7/19既然安上super這個頭銜,那我們就要看看它們和傳統(tǒng)吸水材料的區(qū)別何在了V.S普通吸水材料SAP2022/7/19紙、棉花和海綿以及后來的泡沫塑料等。吸水能力通常很低，所吸水量最多僅為自身重量的20倍左右，一旦受到外力作用，則很容易脫水，保水性很差。超強(qiáng)吸水高分子材料普通吸水材料2022/7/19纖維素的結(jié)構(gòu)簡式 傳統(tǒng)吸水性的材料棉花為何有一定的吸水性？ 發(fā)現(xiàn)其每個鏈節(jié)上都有OH，它是一種親水基 2022/7/19 60年代末期，美國首先開發(fā)成功高吸水性樹脂。這是一種含有強(qiáng)親水性基團(tuán)并通常具有一定交聯(lián)度的高分子材料;它不溶于水和有機(jī)溶劑，吸水能力可達(dá)自身重量的50

11、02000倍，最高可達(dá)5000倍;吸水后立即溶脹為水凝膠，有優(yōu)良的保水性，即使受壓也不易擠出;吸收了水的樹脂干燥后，吸水能力仍可恢復(fù)。超強(qiáng)吸水高分子材料2022/7/19吸水能力高:可達(dá)自身重量的幾百倍至幾千倍。SAP優(yōu)點(diǎn)吸水前吸水后超強(qiáng)吸水高分子材料2022/7/19從化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)看，高吸水性樹脂是分子中含有親水性基團(tuán)和疏水性基團(tuán)的交聯(lián)型高分子。從直觀上理解，當(dāng)親水性基團(tuán)與水分子接觸時(shí)，會相互作用形成各種水合狀態(tài)。2022/7/19水分子與親水性基團(tuán)中的金屬離子形成配位水合，與電負(fù)性很強(qiáng)的氧原子形成氫鍵等。高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的疏水基團(tuán)因疏水作用而易于將水分子斥向網(wǎng)格內(nèi)側(cè)，形成局部不溶性的

12、微粒狀結(jié)構(gòu)，使進(jìn)入網(wǎng)格的水分子由于極性作用而局部凍結(jié)，失去活動性，形成“偽冰”（False ice）結(jié)構(gòu)。親水性基團(tuán)和疏水性基團(tuán)的這些作用，顯然都為高吸水性樹脂的吸水性能作了貢獻(xiàn)。2022/7/19 高吸水性樹脂加交聯(lián)劑的目的是變線型結(jié)構(gòu)為體型結(jié)構(gòu)，使其既有吸水性而又不溶于水，耐擠壓。吸水前吸水后加交聯(lián)劑的目的是什么？2022/7/19 研究發(fā)現(xiàn)，高吸水性樹脂中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對吸水性有很大的影響：未經(jīng)交聯(lián)的樹脂基本上沒有吸水功能。而少量交聯(lián)后，吸水率則會成百上千倍地增加。但隨著交聯(lián)密度的增加，吸水率反而下降。2022/7/19高吸水性樹脂的結(jié)構(gòu)特征：a.分子中具有強(qiáng)親水性基團(tuán)，如羥基、羧基，能夠與

13、水分子形成氫鍵；b.樹脂具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)；c.聚合物內(nèi)部具有較高的離子濃度；d.聚合物具有較高的分子量 2022/7/19 主鏈或側(cè)鏈上含有親水性基團(tuán)，如 -3、 -、 -2、 -等 吸水能力：-3-2- 低交聯(lián)度的三維網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的骨架可以是淀粉、纖維素等天然高分子，也可以是合成樹脂(如聚丙烯酸類）。從化學(xué)結(jié)構(gòu)看：從物理結(jié)構(gòu)看：2022/7/19高吸水性樹脂的基本特性 高吸水性 加壓保水性吸氨性2022/7/191 高吸水性 作為高吸水性樹脂，高的吸水能力是其最重要的特征之一。從目前已經(jīng)研制成功的高吸水性樹脂來看，吸水率均在自身重量的50012000倍左右，一般可達(dá)4000倍以上，是紙和棉花等材料

14、吸水能力的100倍左右。2022/7/19紙張、棉花和海綿等材料：物理吸水作用高吸水性樹脂的吸水能力是由化學(xué)作用和物理作用共同貢獻(xiàn)的。即利用分子中大量的羧基、羥基和酰氧基團(tuán)與水分子之間的強(qiáng)烈范得華力吸收水分子，并由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的橡膠彈性作用將水分子牢固地束縛在網(wǎng)格中。一旦吸足水后，即形成溶脹的凝膠體。這種凝膠體的保水能力很強(qiáng)，即使在加壓下也不易擠出來。2 加壓保水性2022/7/19 高吸水性樹脂一般為含羧酸基的陰離子高分子，為提高吸水能力，必須進(jìn)行皂化，使大部分羧酸基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)轸人猁}基團(tuán)。但通常樹脂的水解度僅70左右，另有30左右的羧酸基團(tuán)保留下來，使樹脂呈現(xiàn)一定的弱酸性。這種弱酸性使得它們對氨那

15、樣的堿性物質(zhì)有強(qiáng)烈的吸收作用。3 吸氨性2022/7/19膜分離（membrane separation） 是利用具有一定選擇性透過特性的過濾介質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)的分離純化，是人類最早進(jìn)行的分離技術(shù)之一。 膜還沒有一個完整精確的定義，一種通用的廣義上的定義是膜是兩相之間的不連續(xù)區(qū)間。 、膜分離材料（ P407)2022/7/19膜分離方法-天然的或人工合成的高分子膜，在外界能量或化學(xué)位差推動下下，對雙組份或多組分的物質(zhì)進(jìn)行分離、分級、提純或富集的方法2022/7/19常見的分離方法篩分過濾萃取離心蒸餾重結(jié)晶柱層析膜分離離子交換對于高層次的分離，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

16、難以實(shí)現(xiàn)的，或達(dá)不到精度，或需要損耗極大的能源而無實(shí)用價(jià)值。2022/7/19主要的膜分離法：微濾（Microfiltration, MF）超濾（Ultrafiltration, UF）反滲透（Reverse osmosis, RO）透析（Dialysis, DS）電滲析（Electrodialysis, ED）滲透氣化（Pervaporation, PV）2022/7/191) 反滲透（Reverse osmosis, RO） 膜兩側(cè)壓力相等的情況下，在濃差的作用下作為溶劑的水分子從溶質(zhì)濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)通過，這種現(xiàn)象稱為滲透。促使水分子透過的推動力稱為滲透壓。 溶質(zhì)濃度越高，滲透壓

17、越大。 如果欲使高濃度溶液中的溶劑透過膜到低濃度的一側(cè)，則可在高濃度的一側(cè)施加壓力，壓力必需大于此滲透壓，這種操作稱為反滲透。 滲透壓2022/7/19 應(yīng)用：海水淡化，工業(yè)用水軟化，直飲水2022/7/192) 超濾和微濾 膜分離技術(shù)的主要代表。 超濾和微濾都是利用膜的篩分性質(zhì)，以壓差為傳質(zhì)推動力。膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu)，主要用于截留高分子溶質(zhì)或固體微粒。 2022/7/19 超濾主要用于高分子溶質(zhì)之間或高分子與小分子之間的分離，利用分子量的差別進(jìn)行分離。濃縮，脫鹽，或純化。 微濾一般用于懸浮液的過濾，在生物分離中廣泛用于菌體的分離和濃縮，細(xì)胞碎片的去除。2022/7/193) 透析（Dial

18、ysis, DS） 利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其它小分子溶質(zhì)的溶液與純水或緩沖液分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，高分子溶液中的小分子溶質(zhì)（例如無機(jī)鹽）透向水側(cè)，水側(cè)的水分子透向溶液側(cè)，這即為透析。 性質(zhì)：透析膜一般為親水膜，例如纖維素膜、聚丙烯腈膜和聚酰胺膜等，孔徑一般510nm。 2022/7/19 應(yīng)用： 常用于臨床的血液透析，生物分離方面，用于大分子溶液的脫鹽。 血液透析2022/7/19669.4.1 導(dǎo)電高分子的基本概念 物質(zhì)按電學(xué)性能分類可分為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體四類。高分子材料通常屬于絕緣體的范疇。但1977年美國科

19、學(xué)家黑格（）、麥克迪爾米德（A.G. MacDiarmid）和日本科學(xué)家白川英樹（）發(fā)現(xiàn)摻雜聚乙炔具有金屬導(dǎo)電特性以來，有機(jī)高分子不能作為導(dǎo)電材料的概念被徹底改變。、導(dǎo)電高分子材料2022/7/1902導(dǎo) 電 高 分 子 分 類 主鏈結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)電功能的高分子，一般以電子高度離域的共軛聚合物經(jīng)過適當(dāng)電子受體或供體的摻雜后得到。(廣義)導(dǎo)電高分子材料結(jié)構(gòu)型(本征型)(狹義導(dǎo)電高分子)復(fù)合型 將碳素、金屬、金屬氧化物等導(dǎo)電粒子引入到絕緣高分子材料基材中，得到具有導(dǎo)電性能的多相復(fù)合體系。 在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電學(xué)和力學(xué)性能，成本較低，易于成型和大規(guī)模生產(chǎn)。 不僅具有由于摻雜而帶來的金屬特性（高電導(dǎo)率）和半

20、導(dǎo)體（p和n型）特性之外，還具有分子可設(shè)計(jì)性，可加工性和密度小等特點(diǎn)。2022/7/1902導(dǎo) 電 高 分 子 分 類（PAn )2022/7/1970 目前，對結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電機(jī)理、聚合物結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性關(guān)系的理論研究十分活躍。應(yīng)用性研究也取得很大進(jìn)展，如用導(dǎo)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。2022/7/1971為什么結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的實(shí)際應(yīng)用尚不普遍？ 大多數(shù)結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子在空氣中不穩(wěn)定，導(dǎo)電性隨時(shí)間明顯衰減。此外，導(dǎo)電高分子的加工性往往不夠好，也限制了它們的應(yīng)用。 科學(xué)家們正企圖通過改進(jìn)摻雜劑品種和摻雜技術(shù)，采用共聚或共混的方法，克服導(dǎo)電高分子的不穩(wěn)定性，改善其加工性。2022/7/1972復(fù)合型導(dǎo)電高分子用作導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電粘合劑、電磁波屏蔽材料和抗靜電材料，在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。復(fù)合型導(dǎo)電高分子應(yīng)用？由于它們制備方便，有較強(qiáng)的實(shí)用性，因此在結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子尚有許多技術(shù)問題沒有解決的今天，人們對它們有著極大的興