功能高分子總論

功能高分子總論第1頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第一章

功能高分子材料化學(xué)總論

功能高分子材料化學(xué)是研究功能高分子材料化學(xué)規(guī)律的科學(xué)，是高分子材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最快，與其他科學(xué)交叉最多的一個(gè)研究領(lǐng)域?。第2頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)功能高分子材料化學(xué)概述

對(duì)象→→功能高分子材料定義:與常規(guī)高分子比較具有明顯不同的物理,物理化學(xué)性質(zhì)并有一些特殊的功能（電,光,磁等）聚合物大分子都?xì)w屬于功能高分子材料.一、功能高分子材料化學(xué)的研究對(duì)象和內(nèi)容第3頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

常規(guī)聚合物：合成纖維合成橡膠塑料油漆、涂料高分子膠黏劑第4頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日新材料的制備方法物理化學(xué)性能表征結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系應(yīng)用開發(fā)研究?jī)?nèi)容：第5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、功能高分子材料化學(xué)的發(fā)展歷程20世紀(jì)80年代中后期第6頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、功能高分子材料化學(xué)的發(fā)展歷程20世紀(jì)60年代高分子膜材料用于海水淡化20世紀(jì)70年代聚乙炔的導(dǎo)電性能被發(fā)現(xiàn)

1974年由日本科學(xué)家白川首次發(fā)現(xiàn)具有很高導(dǎo)電性能的聚乙炔后，先后出現(xiàn)了一大批導(dǎo)電性高分子材料。高聚物的導(dǎo)電機(jī)理以及應(yīng)用方面也有了很大的突破。第7頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日功能高分子材料化學(xué)的發(fā)展歷程

導(dǎo)電性高分子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用方面作出重大貢獻(xiàn)的日本科學(xué)家白川及兩名美國(guó)科學(xué)家獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第8頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日電致發(fā)光高分子液晶高分子磁性高分子。。。。。。。。。。。二、功能高分子材料化學(xué)的發(fā)展歷程第9頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、功能高分子化學(xué)的分類方法

＊按照性能或功能可分為以下七種類型：1.反應(yīng)型高分子材料2.光敏型高分子材料3.電活性高分子材料4.膜型高分子材料5.吸附型高分子材料6.高性能工程材料7.高分子智能材料第10頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)功能高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系一、結(jié)構(gòu)層次構(gòu)成材料分子的元素組成材料分子中的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)聚合物的鏈段結(jié)果高分子的微觀構(gòu)象結(jié)構(gòu)材料的超分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)材料的宏觀結(jié)構(gòu)第11頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、功能高分子材料構(gòu)效關(guān)系分析

功能高分子材料之所以能夠在應(yīng)用中表現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì)，主要是因?yàn)樗鼈兩鲜龅慕Y(jié)構(gòu)層次不同。其中較重要的結(jié)構(gòu)層次是:

★材料的化學(xué)組成與官能團(tuán)的影響；★聚合物鏈段的影響；★材料超分子結(jié)構(gòu)的影響和宏觀結(jié)構(gòu)的影響第12頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系

（1）功能高分子材料的性質(zhì)主要取決于所含的官能團(tuán)；（2）功能高分子材料的性質(zhì)取決于聚合物骨架與官能團(tuán)的協(xié)同作用；（3）官能團(tuán)與聚合物骨架不能區(qū)分；（4）官能團(tuán)在高分子材料中只起輔助作用；第13頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（1）功能高分子材料的性質(zhì)主要取決于所含的官能團(tuán)

這類高分子材料主要是由功能性小分子聚合形成的，其性質(zhì)主要依賴于官能團(tuán)的性質(zhì)。高分子骨架只起到支撐、分隔、固定和降低溶解度的輔助作用。例如：氧化性能來(lái)自過(guò)氧羧基（-COOOH）

1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系第14頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（2）功能高分子材料的性質(zhì)取決于聚合物骨架與官能團(tuán)的協(xié)同作用

這類高分子材料所期望的性質(zhì)是由分子中所含的官能團(tuán)與高分子骨架的作用相互結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)的；其中固相合成用的高分子試劑是比較有代表性的例子。1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系第15頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（3）官能團(tuán)與聚合物骨架不能區(qū)分

在這種聚合物中官能團(tuán)與聚合物骨架在形態(tài)上不能區(qū)分，官能團(tuán)是聚合物骨架的一部分，或者是聚合物骨架本身起著官能團(tuán)的作用。例如液晶高分子材料、導(dǎo)電高分子材料。1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系第16頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（4）官能團(tuán)在高分子材料中只起輔助作用

這類聚合物中骨架是功能過(guò)程的主題，而官能團(tuán)只是起輔助作用。也就是說(shuō)通過(guò)副助的官能團(tuán)可以使聚合物的溶解性、玻璃化溫度、提高機(jī)械強(qiáng)度等發(fā)生改變。1.官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系第17頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用

具有高分子骨架是功能高分子材料區(qū)分功能小分子的主要標(biāo)志。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)帶有同樣功能基團(tuán)的高分子化合物的化學(xué)和物理性質(zhì)不同與其小分子類似物，這種由于引入高分子骨架后產(chǎn)生的性能差別被定義為高分子效應(yīng)。第18頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

在功能高分子中表現(xiàn)比較突出的高分子效應(yīng)有以下幾種：（1）溶解度下降效應(yīng)（2）高分子骨架的機(jī)械支撐作用（3）高分子骨架的模板效應(yīng)（4）高分子骨架的穩(wěn)定作用（5）高分子骨架的其它作用2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用第19頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（1）溶解度下降效應(yīng)

由于高分子骨架的引入，分子量的增大，分子間的力大大增強(qiáng)，最直接的作用是使它們的溶解性大大下降；特別是引入交聯(lián)性聚合物，在溶劑中只能膨脹而不能溶解。例如：固相反應(yīng)中的功能高分子試劑、吸水劑等第20頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（2）高分子骨架的機(jī)械支撐作用

在大部分功能高分子材料中的功能基團(tuán)是連接在高分子骨架上的，因此支撐作用的高分子骨架對(duì)功能基團(tuán)的性質(zhì)與功能產(chǎn)生許多重要影響。例如：在固相合成法中使用的“無(wú)限稀釋”作用、“高度濃縮”狀態(tài)等第21頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（3）高分子骨架的模板效應(yīng)

模板效應(yīng)指的是利用高分子骨架的空間結(jié)構(gòu)，包括構(gòu)型和構(gòu)象，在其周圍建立起特殊的局部空間環(huán)境，為有機(jī)合成或者其它取得應(yīng)用場(chǎng)合提供一個(gè)類似于工業(yè)上澆鑄過(guò)程中使用的模板的作用，這種作用又類似于酶催化反應(yīng)相似的效應(yīng)。第22頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（4）高分子骨架的穩(wěn)定作用

引入高分子骨架之后材料分子的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都大大程度的降低，揮發(fā)性也大幅度降低，擴(kuò)散速度也隨之降低，這樣就可以提高某些敏感性小分子試劑的穩(wěn)定性。例如：某些易燃易爆的化學(xué)試劑通過(guò)高分子化變?yōu)榉€(wěn)定試劑。第23頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用（5）高分子骨架的其它作用

高分子骨架在高分子材料中除了起到以上幾種常見的作用以外，根據(jù)某些高分子骨架本身結(jié)構(gòu)的特殊性，還可以產(chǎn)生一些比較少見的特殊性能。例如：利用高分子骨架在體內(nèi)的不可吸收性，可以降低色素或甜味素在人體內(nèi)的吸收性，從而降低它們的有害性。第24頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.聚合物骨架的類種類和形態(tài)的影響

作為一種聚合物，功能高分子材料的性能也受到聚合物種類和形態(tài)的影響。第25頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.聚合物骨架的類種類和形態(tài)的影響

目前在功能高分子材料中主要有以下幾種類型骨架得到應(yīng)用。（1）飽和碳鏈性聚合物；通常用加聚反應(yīng)制備，特點(diǎn)是鏈的柔性好。（2）聚酯、聚酰胺骨架為代表的聚合物；通常用縮聚反應(yīng)制備，特點(diǎn)是強(qiáng)度較高。第26頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

（3）天然高分子或改造修飾的天然高分子，特點(diǎn)是生物相容性較好。（4）帶有線性共軛結(jié)構(gòu)的聚合物，通常用化學(xué)或電化學(xué)聚合反應(yīng)制備，骨架具有電子傳導(dǎo)性。（5）梯形聚合物一般具有超強(qiáng)的機(jī)械性能。3.聚合物骨架的種類和形態(tài)的影響第27頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日根據(jù)聚合物的化學(xué)形態(tài)可將聚合物骨架分為以下類型：1.線性聚合物：—聚合物有一條較長(zhǎng)的主鏈，沒(méi)有分支或較少。溶解性較好、玻璃化溫度較低、黏彈性較好；容易加工處理。2.交聯(lián)聚合物：—線性聚合物通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)生成的網(wǎng)狀大分子。溶解性差，只能溶脹、機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)；不宜加工處理。3.聚合物骨架的種類和形態(tài)的影響第28頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念1.聚合物的溶脹和溶解性質(zhì)聚合物的溶解是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)于聚合物的溶劑分為：良性溶劑、溶脹劑和非溶劑三類。在良性溶劑中聚合物分子鏈趨向于伸展?fàn)顟B(tài)，在非溶劑中聚合物分子鏈趨向于收縮狀態(tài)。第29頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念溶脹—交鏈性聚合物不能形成分子形溶液，容積分子擴(kuò)散進(jìn)入聚合物內(nèi)部，通過(guò)溶劑化作用使分子鏈展開，聚合物體積增大，產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，形成聚合物凝膠。溶脹度與交鏈度成反比，與溶劑的親和力成正比。第30頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念溶脹度的計(jì)算公式為：ρa(bǔ)p聚合物的表觀密度

ρρsol

溶劑的密度

聚合物的骨架密度ω

溶脹后聚合物重量/聚合物干重B=ρa(bǔ)pρ+(ｗ-1)ρa(bǔ)pρsol第31頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念2.聚合物的多孔性

對(duì)于高分子吸附劑、高分子試劑、高分子催化劑等功能高分子材料其比表面積的大小對(duì)于它們的使用性影響很大，因?yàn)槲健㈦x子交換或者多相反應(yīng)過(guò)程都是擴(kuò)散控制過(guò)程反應(yīng)都發(fā)生在功能高分子材料的表面，相對(duì)大的比表面有利于上述過(guò)程。第32頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念2.聚合物的多孔性

干燥的多孔性聚合物的空隙率通常用比表面積、空體積和平均孔徑等參數(shù)表示。P=nπrlS=2nπrl,P%=100(1-)

P-表示聚合物中控占據(jù)的總體積；S-表示聚合物的總表面積；n-空的數(shù)量；r–空的平均直徑；l-空的平均長(zhǎng)度；ρa(bǔ)pρ2第33頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念

3.聚合物的滲透性

任何一種高分子材料在一定程度下都是有滲透性的，作為功能高分子骨架的聚合物的滲透性是衡量其性能的另外一個(gè)重要指標(biāo)。特別是對(duì)于高分子分離膜材料，聚合物的滲透性是則是至關(guān)重要的指標(biāo)。第34頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念3.聚合物的滲透性

聚合物的滲透性一般通過(guò)氣體或液體在一定條件下的滲透量來(lái)測(cè)定。主要用滲透系數(shù)來(lái)表示，滲透系數(shù)是指在單位時(shí)間、單位膜面積通過(guò)的被測(cè)物與單位膜厚度所施加的驅(qū)動(dòng)力的比值。q=πr△p448η△χ;P=φβr8η2q-透過(guò)物質(zhì)的透過(guò)量；η-透過(guò)物質(zhì)黏度；r–聚合物中毛細(xì)管半徑；△χ-毛細(xì)管長(zhǎng)度；△p-毛細(xì)管兩端壓力差；φ-毛細(xì)管在聚合物中的體積分?jǐn)?shù)；β-毛細(xì)管曲折系數(shù)；第35頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、與功能高分子性能相關(guān)的理論和概念

4.功能高分子材料的穩(wěn)定性

聚合物的穩(wěn)定性包括化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。在高分子分離膜和聚合物液晶等應(yīng)用場(chǎng)合，機(jī)械穩(wěn)定性是非常關(guān)鍵的參數(shù)。而在其他的應(yīng)用場(chǎng)合，化學(xué)穩(wěn)定性是主要因素。第36頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)功能高分子材料的制備策略

設(shè)計(jì)一種能滿足一定需要的功能高分子材料是功能高分子化學(xué)研究的主要目的之一，具有良好功能于性質(zhì)的高分子材料的制備成功與否，在很大程度上取決于設(shè)計(jì)方法和制備路線的制定。功能高分子材料的制備是通過(guò)化學(xué)或物理的方法按照材料的設(shè)計(jì)要求將功能基團(tuán)與高分子骨架相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。第37頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)功能高分子材料的制備策略

幾種有代表性的功能高分子材料設(shè)計(jì)的基本思路和方法如下：一、功能性小分子材料的高分子化；二、普通高分子材料的功能化；