教學(xué)設(shè)計 功能高分子材料

功能高分子材料曹步云【導(dǎo)入】美國的時代周刊在2000年的時候評選出了20世紀(jì)最偉大的100項發(fā)明，比如說原子彈、氫彈、航天飛機(jī)、電腦、移動電話、照相機(jī)、哈勃望遠(yuǎn)鏡、彩色電視機(jī)。但是呢有一項最不起眼的發(fā)明，如果我說出來的話，大家可能也會質(zhì)疑，它怎么會入選呢？它就是“尿不濕”，在生活中這么普通的尿不濕怎么會被列入20世紀(jì)最偉大的100項發(fā)明了呢？其實尿不濕在最開始發(fā)明的時候并不是給嬰兒使用的，其實是給宇航員使用的，美國20世紀(jì)60年代航天事業(yè)飛速崛起，開始了它們的載人登月計劃，在太空中待得時間久了難免想上廁所，在太空中穿著厚厚的太空服想要上個廁所非常的不方便，太空服在最初設(shè)計的時候也沒有考慮到這個問題，有時候宇航員呢就只能方便在太空服里，這個問題一直困擾著人們。直到一位非常偉大的科學(xué)家出現(xiàn)才解決了這一難題，他就是美籍華裔科學(xué)家、太空服之父唐鑫源，他發(fā)明了能吸水1400ml的紙尿片，將它加入到了太空服中，徹底解決了宇航員的排尿問題，大家也許會覺得1400ml也不多呀，大家可以想想一瓶可口可樂有多少毫升？（250ml）也就是一小片紙尿片要吸收相當(dāng)于六瓶可口可樂的水分，是不是很神奇呢。究竟在紙尿片中含有什么物質(zhì)竟然會吸收這么多水，那么今天呢我們就來學(xué)習(xí)第五章第三節(jié)功能高分子材料來尋找一下答案。【講】首先我們來看一下什么樣的高分子才會被稱之為功能高分子呢，在天然或合成高分子的主鏈或支鏈上接上帶有顯示某種功能的官能團(tuán)，使高分子具有特殊的功能，這類高分子統(tǒng)稱為功能高分子。由功能高分子合成的材料也就是功能高分子材料。【講】我們通常都說一個物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了它的性質(zhì)，它含有怎樣的結(jié)構(gòu)那么它就具有怎樣的性質(zhì)。功能高分子一般含有多種官能團(tuán)，那么它就表現(xiàn)出了多種性質(zhì)，結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，所以就不能簡單地按照它的官能團(tuán)來分類了，我們要按照它的功能來進(jìn)行分類，一般我們將功能高分子材料分成以下幾類，高吸水性樹脂、導(dǎo)電高分子、生物醫(yī)藥高分子等，今天呢我們主要來學(xué)習(xí)高吸水性樹脂?！局v】既然說是高吸水性樹脂，那么它具有怎樣的功能呢（吸水），我們來看它的英文表達(dá)，superabsorbentpolymer，可以簡寫為SAP，超級吸水性高分子，既然給它安上了super這個頭銜，那么我們就來比較一下它與傳統(tǒng)的吸水材料區(qū)別何在呢？它又super在了哪里？【講】傳統(tǒng)上我們使用的吸水材料有棉花、紙張和海綿【問】大家思考一下，它們?yōu)槭裁磿形阅?？比如說紙張，他怎么會有吸水性呢，我們從它的原料入手?！局v】這些材料的主要成分是纖維素，纖維素的結(jié)構(gòu)中含有羥基，羥基是親水基團(tuán)，它就會與水分子通過一種分子間作用力結(jié)合在一起，這種作用力就是氫鍵，所以他們就有一定的吸水性了，它們雖然具有一定的吸水性，但是它們的吸水能力只有本身質(zhì)量的20~40倍，而且對它施加外力的話，其中的水分很容易便會流出，保水性很差。這是科學(xué)家們就想要合成高吸水性材料，可以吸收更多的水份，而且保水性要好。【講】我們一般采用兩種方法來獲取這種高吸水性能的材料，第一種方法就是我們剛才提到的以天然吸水性高分子為原料這里我們用到的是淀粉，以淀粉的結(jié)構(gòu)作為主鏈，再接上含強(qiáng)親水性原子團(tuán)的支鏈，這里我們使用的是丙烯酸鈉，在引發(fā)劑的作用下發(fā)生了聚合反應(yīng)，合成出來的物質(zhì)稱為接枝共聚物。這里我們得到了以淀粉為主鏈的接枝共聚物，這時我們看到了它是線型結(jié)構(gòu)還是體型結(jié)構(gòu)？（線型結(jié)構(gòu)），那么我們再將得到的接枝共聚物與交聯(lián)劑進(jìn)行反應(yīng)，交聯(lián)劑的作用就是在每個線型結(jié)構(gòu)之間架起一個橋梁，生成了具有網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)的接枝共聚物，這樣才能有更好的吸水性，這樣便得到了高吸水性樹脂?！局v】第二種方法我們是讓帶有親水性原子團(tuán)的化合物自身發(fā)生聚合反應(yīng)，再在引發(fā)劑的作用下發(fā)生聚合，得到聚丙烯酸鈉，大家在下面試著寫一下由單體丙烯酸鈉得到聚丙烯酸鈉的反應(yīng)方程式。這時我們得到的還是一個線型結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸鈉，加入交聯(lián)劑，這樣就得到了具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸鈉。一般工業(yè)上我們加入的交聯(lián)劑是1，3—丁二烯?！局v】我們看合成出來的高吸水性樹脂在吸水前是一個平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但是在吸水后體積發(fā)生了膨脹，變成了立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，下面是高吸水性樹脂的實物圖，在吸水前聚丙烯酸鈉是呈小顆粒狀的，而在吸水后我們發(fā)現(xiàn)每個小顆粒都發(fā)生了膨脹。【講】相比于傳統(tǒng)的吸水材料，高吸水性樹脂具有以下幾個優(yōu)點，它無毒、無害、無污染，不溶于水和有機(jī)溶劑，我們拿它是吸水用的，不能把它放到了水中不僅不吸水反而自身發(fā)生了溶解，傳統(tǒng)的吸水材料吸水能力只有自重的20~40倍，而高吸水性樹脂的吸水能力可達(dá)自身重量的500~2000倍，最高可達(dá)5000倍，所以我們才給它冠以super的頭銜;吸水后立即溶脹為水凝膠，有優(yōu)良的保水性，它的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就像一個個的小籠子一樣牢牢地把水分子困在了里面，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)，所以它可以反復(fù)使用。【講】我們來看一下在生活中高吸水性樹脂的應(yīng)用，由于它具有很好的吸水性，所以生活中的尿不濕它的主要成分就是高吸水性樹脂，我們來看一個魔術(shù)……大家聯(lián)系一下剛才所學(xué)的知識，我們來揭秘這個魔術(shù)，其實這個魔術(shù)的機(jī)關(guān)就在這個紙杯當(dāng)中，一個圓形的紙片將紙杯分為了上下兩個部分，上層我們加入的是果汁，而下層加入了高吸水性樹脂，魔術(shù)師用手輕輕捏動紙杯，這時紙片與杯壁之間就會出現(xiàn)縫隙，果汁就會流到下層的高吸水性樹脂當(dāng)中，由于其具有很好的吸水性可以瞬間將果汁吸收，這時將紙杯倒過來果汁也不會留出來；這里說到了果汁其實果汁當(dāng)中也含有一種高吸水性樹脂，我們平時所喝的果汁只含有5%的果汁，剩余的95%都是水，但是我們卻發(fā)現(xiàn)它很粘稠，就是加入了以羥甲基纖維素鈉為單體的高吸水性樹脂，它加入到果汁里之后會牢牢拽住果汁當(dāng)中的水分子，使整個液體變?yōu)檎吵淼哪z狀，隱形眼鏡的主要成分也是高吸水性樹脂，我們說隱形眼鏡是要與眼角膜直接進(jìn)行接觸的，所以它必須具有一定的吸水性，否則便會對眼角膜造成傷害，要求隱形眼鏡必須吸收相當(dāng)于自身重量80%的水才是合格產(chǎn)品，隱形眼鏡的原料是丙烯酸羥乙酯，留一個作業(yè)寫出丙烯酸羥乙酯發(fā)生聚合反應(yīng)的方程式。我們說高吸水性樹脂可以反復(fù)吸水，釋水，所以它也被稱為微型水庫，它還可以吸收肥料、農(nóng)藥，并緩慢的釋放出來，所以它代替了土壤的作用，很多盆栽當(dāng)中都使用了高吸水性樹脂?！局v】下面我們來學(xué)習(xí)生物醫(yī)藥高分子材料，它是對生物體進(jìn)行診斷治療和置換損壞組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。我們首先來看一張圖表，生物材料在世界醫(yī)療器械市場中占有很大的比重，并且每年以20%的增長速率增長，由于我國是世界上人口最多的國家，所以我國的醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)市場前景十分廣闊。我們對于要植入人體的高分子材料有兩點要求，就是具有優(yōu)異的相容性較少受到排斥，人體的免疫系統(tǒng)對于外來的異物會有排斥反應(yīng)，會不斷的進(jìn)行攻擊，最終導(dǎo)致其無法工作逐漸地壞死，科學(xué)家們通過在高分子的主鏈上接枝一些親水基團(tuán)和疏水集團(tuán)，并調(diào)節(jié)二者的比例，使其達(dá)到一個最佳值，可以改善材料與血液的相容性?！局v】21世紀(jì)生物醫(yī)藥高分子已經(jīng)發(fā)展到了除了大腦之外，其它人體器官都可以人工合成的程度，我們來看一下在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域我們常用到的高分子材料，人工心臟用到的材料是聚氨酯橡膠和鈦合金，2022年美國猶太醫(yī)院完成了首例人工心臟的移植，由電池供電，可將病人的生命延長60天到5年，這位病人最終存活了6個月。在這方面中國起步較晚，但是也取得了很多成果，2022年5月中國對試驗羊完成了人工心臟的移植手術(shù)，存活了61天，2022年12月法國進(jìn)行了世界第一例永久性心臟移植手術(shù)?！局v】有很多患有腎臟疾病的患者，比如說尿毒癥患者，他們無法無法將體內(nèi)的毒素通過尿液排到體外，只能通過血液透析治療，血液透析機(jī)中的半透膜是賽璐玢，它具有很好的選擇透過性?！局v】有些患有動脈瘤的患者需要切除掉癌變的部分血管，將人工血管接上，來治療這種惡疾。但是無論是更換人工心臟還是人工血管，都有可能會在血管橫截面處有血栓產(chǎn)生，這種血塊可能會影響血液的正常流動，這一問題是醫(yī)學(xué)界現(xiàn)在急于解決的，硅橡膠制成人工耳，骨頭的硬度非常大，所以人們會選用硬度很大的合金材料來制造假肢?！局v】下面我們來講一下導(dǎo)電高分子材料，我們將物質(zhì)按照導(dǎo)電能力進(jìn)行分類，可分為以下四大類：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體，通常我們認(rèn)為有機(jī)高分子材料屬于絕緣體，但是科學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)了具有半導(dǎo)體性質(zhì)的有機(jī)高分子材料。20世紀(jì)70年代，日本科學(xué)家白川英樹的學(xué)生在一次做聚乙炔實驗時，誤將催化劑的用量多加了1000倍，結(jié)果在反應(yīng)液的表面形成了一層銀白色發(fā)亮的薄膜，白川英樹對這一偶然發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了更深入的研究，后來美國的兩位科學(xué)家馬克迪爾米德和黑格教授也參與其中，發(fā)現(xiàn)以碘摻雜的聚乙炔具有與金屬一樣的導(dǎo)電性，比原來偶然發(fā)現(xiàn)的聚乙炔膜提高了一百多萬倍，在2000年諾貝爾化學(xué)獎便授予了這三位科學(xué)家?！局v】由于聚乙炔中存在雙鍵，所以它具有順式和反式兩種異構(gòu)體，由順式聚乙炔制成的導(dǎo)電材料是銅色的，由反式制成的材料是銀白色的，反式異構(gòu)體具有更好的導(dǎo)電性。我們說一種物質(zhì)是否導(dǎo)電有兩個不可或缺的條件：電荷的自由移動和流動通道，在聚乙炔中長長的碳碳雙鍵鏈提供了電子流動的通道，而摻入碘則促進(jìn)了電荷的自由移動，這樣才使得聚乙炔突破了絕緣區(qū)成為了導(dǎo)體?！局v】我們來看一下導(dǎo)電高分子材料在生活當(dāng)中的一些應(yīng)用，用摻雜聚乙炔制成的塑料電池與傳統(tǒng)的金屬電池相比，它具有密度更小，質(zhì)量更輕，電流密度大，功率更高的優(yōu)點。未來塑料電池很有可能應(yīng)用到手機(jī)領(lǐng)域，改變電池的厚度以及大小，未來的手機(jī)真的可以薄如信