功能高分子材料及制備課件

1、精細(xì)化工試驗(yàn)技術(shù)第十六章功能高分子材料 一、功能高分子材料及其分類(lèi)二、功能高分子材料的應(yīng)用三、功能高分子材料的發(fā)展概況實(shí)驗(yàn)三十四高吸水性樹(shù)脂的制備實(shí)驗(yàn)三十五光致變色聚合物的制備 1.功能高分子材料一、功能高分子材料及其分類(lèi)功能高分子材料稱(chēng)為精細(xì)高分子或特種高分子，至今還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的定義，一般是指具有傳遞、轉(zhuǎn)換或貯存物質(zhì)、能量和信息作用的高分子及其復(fù)合材料，或具體地指在原有力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，還具有特殊的物理功能和化學(xué)功能的高分子及其復(fù)合材料。功能高分子材料與普通聚合物材料相比，具有明顯不同的物理化學(xué)性質(zhì)和某些特殊功能（例如光、電、磁、吸附、分離、催化、著色等性能）的聚合物材料。 2.功能高分子

2、材料功能高分子材料的分類(lèi)方法有多種，這里我們只只介紹一種(用途分類(lèi))：（1）高分子催化劑 一類(lèi)具有化學(xué)反應(yīng)催化功能并主要用于有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的功能高分子材料，主要包括 高分子酸堿催化劑 高分子金屬絡(luò)合物催化劑 高分子相轉(zhuǎn)移催化劑3.（2）高分子試劑一類(lèi)參與有機(jī)化學(xué)反應(yīng)并充當(dāng)反應(yīng)底物或試劑的功能高分子材料，該類(lèi)功能高分子材料往往可以通過(guò)再生循環(huán)使用。高分子還原劑高分子氧化劑高分子鹵代試劑高分子?；噭└叻肿友趸€原劑4.（3)離子交換高分子材料（離子交換樹(shù)脂） 一類(lèi)能夠與溶液中的陰離子或陽(yáng)離子發(fā)生交換的功能高分子材料。陰離子型離子交換樹(shù)脂 陽(yáng)離子型離子交換樹(shù) 兩性離子交換樹(shù)脂 5.（4）導(dǎo)電高分子

3、材料 一類(lèi)具有較高導(dǎo)電率的功能高分子材料，主要包括電子型導(dǎo)電高分子材料. 聚乙炔在參雜下的導(dǎo)電率能和銅媲美，但是不穩(wěn)定，不過(guò)目前已研制出一種加壓性導(dǎo)電橡膠，只有加壓下才有導(dǎo)電性。 聚乙炔導(dǎo)電高分子材料聚苯胺導(dǎo)電高分子材料聚吡咯導(dǎo)電高分子材料聚噻吩導(dǎo)電高分子材料離子型導(dǎo)電高分子材料6.（5）液晶高分子材料 一類(lèi)既具有液體的流動(dòng)性又具有晶體的有序性的功能高分子材料，主要包括 向列型高分子液晶近晶型高分子液晶 膽甾醇型高分子液晶7.（6）吸附高分子材料 一類(lèi)具有多孔結(jié)構(gòu)、對(duì)某些物質(zhì)分子或離子具有特定吸附能力的功能高分子材料。 非極性吸附樹(shù)脂 中極性吸附樹(shù)脂 極性吸附樹(shù)脂 強(qiáng)極性吸附樹(shù)脂8.(7) 高

4、分子分離膜材料 一類(lèi)對(duì)氣體分子或液體分子具有選擇性透過(guò)的功能高分子材料。 離子交換膜 滲析膜 超濾膜 反滲透膜 滲透蒸發(fā)膜 氣體滲透膜9.（8）醫(yī)用高分子材料 一類(lèi)在醫(yī)學(xué)上使用并具有治療、修復(fù)等作用的功能高分子材料。 人造血管、人造心肺、人造皮膚、人造關(guān)節(jié)、人造尿道10. （9）光敏高分子材料 在光（主要是紫外光）作用下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)并能改變聚合物分子結(jié)構(gòu)的功能高分子材料 光敏涂料 光刻膠 高分子光穩(wěn)定劑 高分子熒光劑 光能轉(zhuǎn)換材料11.（10）高分子電解質(zhì) 在極性溶劑（例如水）中能夠離解、生成許多小分子離子、而本身成為聚合物離子的功能高分子材料 陰離子高分子電解質(zhì)、陽(yáng)離子高分子電解質(zhì)和兩性

5、高分子電解質(zhì)。12. （11）高分子染料 一類(lèi)分子結(jié)構(gòu)上具有發(fā)色體并具有染色能力的功能高分子材料，廣泛應(yīng)用于油墨、涂料、紡織品、塑料、化妝品等領(lǐng)域。13.功能高分子材料二、功能高分子材料的應(yīng)用功能高分子材料的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)其中的“功能”。關(guān)于功能高分子材料的應(yīng)用囊括領(lǐng)域甚廣，不能一一談到，下面舉出幾個(gè)具體實(shí)例：做成絮凝劑利用其吸附功能提取稀有金屬，制成雅典高分子利用其力電效應(yīng)功能做機(jī)器人觸感材料，制成光彈材料利用其光力效應(yīng)應(yīng)用于無(wú)損探傷等。 功能高分子材料也可以應(yīng)用到生物傳感器中，C.Malitesta等人第一次成功地利用葡萄糖作為模板進(jìn)行電聚合反應(yīng)合成印跡聚合物，該聚合物被應(yīng)用到硝酸鹽選擇性電

6、位差傳感器裝置中。14. 三、功能高分子材料的發(fā)展概況 高分子材料可以人為合成，那是不是代表著人們可以隨心所欲的合成自己需要的材料呢？答案當(dāng)然是否定的。就目前人類(lèi)的科學(xué)發(fā)展水平來(lái)看，想隨心所欲的合成高分子材料是不可能的。 隨著高分子材料合成與加工的技術(shù)進(jìn)步塑料在各行業(yè)得到廣泛、深入的應(yīng)用。各行業(yè)所采用的塑料制品大不相同對(duì)制品的材質(zhì)、性能等方面的要求各有其特殊性。塑料助劑、樹(shù)脂原料和塑料加工機(jī)械一起組成了塑料加工的三大基本要素。此外加工工藝水平、配方技術(shù)以及相關(guān)配套服務(wù)設(shè)施也成為完美展現(xiàn)塑料制品性能的不可或缺的因素。那么功能高分子究竟會(huì)有怎么樣的發(fā)展呢？15.功能高分子材料 我們必須改善高分子材

7、料對(duì)資源的依賴(lài)。使之成為低碳資源，易回收再利用；另外開(kāi)辟新型功能材料產(chǎn)業(yè)，進(jìn)軍高分子導(dǎo)電材料的新進(jìn)展方向，高分子材料生物降解性能的進(jìn)展方向。最后，智能高分子材料是材料研究的新領(lǐng)域，科研人員將會(huì)對(duì)這一新領(lǐng)域投入更多研究。16.功能高分子材料實(shí)驗(yàn)三十四高吸水性樹(shù)脂的制備一、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)1理解高吸水性樹(shù)脂制備的基本原理；2掌握實(shí)驗(yàn)室中沉析、真空干燥等常見(jiàn)的操作。二、產(chǎn)品特性與用途高吸水性樹(shù)脂或稱(chēng)超吸水性樹(shù)脂（SAR），是指能吸收自身質(zhì)量幾百倍甚至上千倍水分的高分子聚合物，在日常生活、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及其他工業(yè)部門(mén)有廣泛用途。例如，高吸水樹(shù)脂可用作香料載體、尿不濕的吸水材料；農(nóng)業(yè)上用作園藝保水劑；工業(yè)上用作油水

8、分離材料、污水處理劑、溶劑脫水劑；醫(yī)藥上用作人工腎臟過(guò)濾材料、血液吸附劑等，其很多用途正處于開(kāi)發(fā)研究之中。高吸油性樹(shù)脂17.功能高分子材料三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)以淀粉、丙烯腈為原料制備高吸水性樹(shù)脂，主要的化學(xué)反應(yīng)有兩個(gè)，即接枝反應(yīng)和水解反應(yīng)。接枝反應(yīng)是以水為介質(zhì)，以鈰鹽為引發(fā)劑，將丙烯腈接枝到已糊化的淀粉鏈上。水解反應(yīng)是在氫氧化鈉的作用下，將接枝聚合物側(cè)鏈上的腈基轉(zhuǎn)變?yōu)轷０坊汪人猁}基。其反應(yīng)式如下：接枝反應(yīng)：Rst+Ce4+Rst+Ce3+(Rst代表淀粉，下同)18.功能高分子材料水解反應(yīng)：作為吸水材料必須具備兩個(gè)條件：一個(gè)是自身帶有較多的吸水基團(tuán)；二是本身不溶于水。本實(shí)驗(yàn)制備的樹(shù)脂是以淀粉為

9、骨架，與丙烯腈接枝共聚成高分子化合物，不溶于水，側(cè)鏈上的腈基又經(jīng)過(guò)水解轉(zhuǎn)化為親水性很強(qiáng)的羧酸鹽基和酰胺基，使其具有極強(qiáng)的吸水性。因此，水解反應(yīng)是使接枝共聚物實(shí)現(xiàn)其吸水性關(guān)鍵的一步反應(yīng)，而水解反應(yīng)條件選擇的好壞直接影響到高吸水性樹(shù)脂吸水性的高低。 19.功能高分子材料四、主要儀器與藥品1主要儀器電熱恒溫水浴鍋，電動(dòng)攪拌器，500mL三口燒瓶以及氮?dú)怃撈康取?主要藥品玉米淀粉，市售；丙烯腈，AR；硝酸鈰銨，AR；氫氧化鈉，AR；硝酸，AR；95%(v/v)乙醇，CP。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作步驟1. 稱(chēng)量淀粉10克裝入三口燒瓶?jī)?nèi)，加200mL蒸餾水?dāng)嚢柚瞥傻矸蹪{。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在8085糊化3040mi

10、n，然后冷卻到2040。 與丁二烯-苯乙烯共聚可以得到ABS熱塑型高分子材料20.功能高分子材料2. 將硝酸鈰銨用1mol/L的硝酸配成0.1g/mL的溶液，取3mL硝酸鈰銨溶液與16克丙烯腈混合，配制成丙烯腈的硝酸鈰銨溶液。3. 將丙烯腈的硝酸鈰銨溶液加入到淀粉糊中，在2040下攪拌反應(yīng)12 h。4. 用稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至7，加40mL蒸餾水，加熱至80，保溫30 min,除去未反應(yīng)的丙烯腈。然后加入2 mol/L氫氧化鈉溶液160mL，于100皂化2 h。5. 冷卻至室溫，用乙酸調(diào)節(jié)pH值至77.5，用乙醇沉析， 真空抽濾，于6080下真空干燥，粉碎即得到高吸水樹(shù)脂。6準(zhǔn)確稱(chēng)取樹(shù)脂

11、約0.1g置于燒杯中，加去離子水約150mL，靜置1h后，濾去水分，稱(chēng)重，計(jì)算吸水倍率。 21.功能高分子材料六、實(shí)驗(yàn)記錄與數(shù)據(jù)處理高吸水性樹(shù)脂的吸水倍率用下式計(jì)算：吸水倍率=式中：m2吸水后樹(shù)脂質(zhì)量，g；m1干樹(shù)脂質(zhì)量，g。七、安全與環(huán)保丙烯腈的蒸氣有毒，實(shí)驗(yàn)時(shí)保持室內(nèi)通風(fēng)。 22.功能高分子材料實(shí)驗(yàn)三十五光致變色聚合物的制備一、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)1理解光致變色的基本原理。2掌握光致變色聚合物的制備方法。二、產(chǎn)品特性與用途聚甲基十一碳?；嫉焦柩跬椋环N光致變色聚合物，在光照下（特別是紫外光或可見(jiàn)光），偶氮鍵發(fā)生順?lè)词降母淖?，從而?dǎo)致聚合物顏色的改變。主要應(yīng)用于光電子器件、記錄存儲(chǔ)介質(zhì)和全息照相等高

12、科技方面。 23.功能高分子材料三、實(shí)驗(yàn)原理光致變色高分子是在高分子側(cè)鏈上引入可逆變色基團(tuán)，由于光照時(shí)化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，使其對(duì)可見(jiàn)光吸收的波長(zhǎng)也發(fā)生變化，因而產(chǎn)生顏色的變化。在停止光照后，又恢復(fù)原來(lái)的顏色。本實(shí)驗(yàn)中，4-氨基偶氮苯、十一烯-10-酰氯、聚甲基硅氧烷為反應(yīng)性物料；甲苯為溶劑，甲醇為沉淀劑；環(huán)戊二烯二聚體鉑銥復(fù)合物是硅氫化反應(yīng)的催化劑。反應(yīng)生成的最終產(chǎn)物聚甲基十一碳?；嫉焦柩跬?，在光照下，偶氮鍵發(fā)生順?lè)词降母淖?，從而?dǎo)致聚合物顏色的改變。 24.功能高分子材料四、主要儀器與藥品1主要儀器電熱恒溫水浴鍋，電動(dòng)攪拌器，冰水浴，300mL三口燒瓶，布氏漏斗、抽濾瓶以及濾紙等。2主要藥

13、品4-氨基偶氮苯，AR；十一烯-10-酰氯，AR；環(huán)戊二烯二聚體鉑銥復(fù)合物，AR；聚甲基硅氧烷，AR；甲苯，AR；甲醇，AR。25.功能高分子材料五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作步驟1中間產(chǎn)物的合成 稱(chēng)量4-氨基偶氮苯20克，十一烯-10-酰氯30.4克，加入到三口燒瓶中。在60下攪拌反應(yīng)30min， 反應(yīng)生成中間產(chǎn)物4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯。 2重結(jié)晶 將生成的4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯溶于熱的甲苯中，制成飽和溶液，趁熱過(guò)濾。將濾液置于冰水浴中降溫，這時(shí)有結(jié)晶析出。用布氏漏斗過(guò)濾，得到4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯晶體。26.功能高分子材料3硅氫化反應(yīng) 在燒瓶中加入100mL蒸餾水，取4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯晶體20克，與10克聚甲基硅氧烷混合，加入到燒瓶中，并加適量的催化劑環(huán)戊二烯二聚體鉑銥復(fù)合物，在50下攪拌反應(yīng)1h，生成聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷。 4沉淀 將反應(yīng)混合液冷卻到室溫，加100克甲醇，此時(shí)有沉淀聚甲基十一碳?；嫉焦柩跬樯?。5干燥 將沉淀過(guò)濾、干燥，得光致變色聚合物聚甲基十一碳?；嫉焦柩跬椤?27.功能高分子材料六、實(shí)驗(yàn)記錄與數(shù)據(jù)