前途光明的功能高分子材料

前途光明的功能高分子材料第1頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日鯊魚皮泳衣

輕便賽車第2頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日波音757AV8B

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第3頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日內(nèi)容概要功能高分子材料簡介幾種類型的高分子材料導(dǎo)電高分子可降解高分子高分子吸附劑高分子功能膜生物醫(yī)用高分子第4頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日什么是功能高分子?一般說來，利用其力學(xué)性能的高分子，稱為一般高分子，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等；而利用力學(xué)性能以外性能的高分子，叫做功能高分子。功能高分子（FP,FunctionalPolymer）一般帶有官能團，化學(xué)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此，難以按化學(xué)結(jié)構(gòu)來分類，一般按照其功能來分類。第5頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日按照功能來分類:1.化學(xué)功能離子交換樹脂、螯合樹脂、感光性樹脂、氧化還原樹脂、高分子試劑、高分子催化劑、高分子增感劑、分解性高分子等

2.物理功能導(dǎo)電性高分子（包括電子型導(dǎo)電高分子、高分子固態(tài)離子導(dǎo)體、高分子半導(dǎo)體）、高介電性高分子（包括高分子駐極體、高分子壓電體）、高分子光電導(dǎo)體、高分子光生伏打材料、高分子顯示材料、高分子光致變色材料等；第6頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日3.復(fù)合功能高分子、高分子吸附劑、高分子絮凝劑、高分子表面活性劑、高分子染料、高分子穩(wěn)定劑、高分子相溶劑、高分子功能膜和高分子功能電極等4.生物、醫(yī)用功能抗血栓、控制藥物釋放和生物活性等第7頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日按照功能特性通?？煞殖梢韵聨最悾海?）分離材料和化學(xué)功能材料（2）電磁功能高分子材料（3）光功能高分子材料（4）生物醫(yī)用高分子材料從制造和結(jié)構(gòu)的角度考慮：結(jié)構(gòu)型功能高分子復(fù)合型功能高分子

第8頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日種類功能特性應(yīng)用示例1.分離材料和化學(xué)功能高分子材料高分子分離膜和氣液交換膜傳質(zhì)作用化工、制藥、海水淡化、冶金離子交換樹脂和交換膜離子交換作用化工、制藥、水凈化高分子催化劑和高分子固定酶催化作用化工、食品加工、生物工程高分子試劑反應(yīng)性農(nóng)藥、醫(yī)用、環(huán)保貯氫材料吸著作用化工、能源高吸水性材料吸著作用農(nóng)業(yè)、紙制品2.電磁功能高分子材料導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性防靜電材料、屏蔽材料、固體電解質(zhì)材料、面狀發(fā)熱體高分子半導(dǎo)體導(dǎo)電性電子技術(shù)和電子器件光導(dǎo)電材料光電效應(yīng)電子照相、光電池、傳感器壓電高分子力電效應(yīng)開關(guān)材料、儀器儀表測量材料機器人觸感材料高分子磁性體導(dǎo)磁作用塑料磁石、磁性橡膠、中子吸收微型電機磁性記錄材料磁性轉(zhuǎn)換磁帶、磁盤電致變色材料光電效應(yīng)顯示、記錄第9頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日種類功能特性應(yīng)用示例3.光功能高分子材料光致變色、顯示和發(fā)光材料光色、光電效應(yīng)自動調(diào)節(jié)光線明暗的太陽鏡和窗玻璃等、顯示、記錄液晶高分子偏光效應(yīng)顯示、連接器熒光高分子材料光化學(xué)作用情報處理、熒光染料光降解高分子材料光化學(xué)環(huán)境保護光盤基板材料光學(xué)原理高密度記錄和貯存信息4.生物醫(yī)用高分子材料人工器官材料仿人體功能與替代人體臟器修補作用藥物高分子藥理作用治療動脈硬化、抗血栓降解性縫合材料化學(xué)降解非永久性外科材料第10頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)電高分子材料

2000年10月10日，瑞典皇家科學(xué)院宣布了2000年諾貝爾化學(xué)獎獲得者，美國加利福尼亞大學(xué)的物理學(xué)家艾倫.J.黑格教授、美國賓夕法尼亞大學(xué)的化學(xué)家艾倫.G.馬克迪亞米德教授和日本筑波大學(xué)的化學(xué)家白川英樹教授，因為他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電塑料。摻雜聚乙炔第11頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日幾種導(dǎo)電高分子的摻雜情況第12頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是以有機高分子材料為基體,加入一定數(shù)量的導(dǎo)電物質(zhì)(如炭黑、石墨、碳纖維、金屬粉、金屬纖維、金屬氧化物等)組合而成。該類材料兼有高分子材料的易加工特性和金屬的導(dǎo)電性。與金屬相比較,導(dǎo)電性復(fù)合材料具有加工性好、工藝簡單、耐腐蝕、電阻率可調(diào)范圍大、價格低等優(yōu)點。復(fù)合型導(dǎo)電高分子所采用的復(fù)合方法主要有兩種:一種是將親水性聚合物或結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子與基體高分子進行共混；另一種則是將各種導(dǎo)電填料填充到基體高分子中。第13頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日炭黑是天然的導(dǎo)電材料,其體積電阻率約為0.1～100Ω·cm-1。它不僅原料易得,導(dǎo)電性持久穩(wěn)定,而且可以大幅度調(diào)整復(fù)合材料的電阻率(1～108Ω·cm-1)。由炭黑填充制成的復(fù)合型導(dǎo)電高分子是目前用途最廣、用量最大的一種導(dǎo)電高分子材料。金屬纖維的填充量對導(dǎo)電性能的影響規(guī)律與炭黑填充的情形相類似。但由于纖維狀填料的接觸幾率更大,因此在填充量很少的情況下便可獲得較高的導(dǎo)電率。第14頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子是指高分子材料本身或經(jīng)少量摻雜后具有導(dǎo)電性的高分子物質(zhì),一般由電子高度離域的共軛聚合物經(jīng)過適當(dāng)電子給體或受體摻雜后制得。離子型導(dǎo)電高分子通常又叫高分子固體電解質(zhì)，其導(dǎo)電時的載流子主要是離子。電子型導(dǎo)電高分子指的是以共軛高分子為主體的導(dǎo)電高分子材料,導(dǎo)電時的載流子是電子(或空穴)，這類材料是目前世界上導(dǎo)電高分子材料研究開發(fā)的重點。第15頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)電高分子是由含電子的共軛高聚物通過化學(xué)或電化學(xué)摻雜使其由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。

（1）通過控制摻雜度，導(dǎo)電高分子的室溫電導(dǎo)率可在絕緣體-半導(dǎo)體-金屬態(tài)范圍內(nèi)變化。目前最高的室溫電導(dǎo)率可達105S/cm，它可與銅的電導(dǎo)率相比，而重量僅為銅的1/12；（2）導(dǎo)電高分子可拉伸取向。沿拉伸方向電導(dǎo)率隨拉伸度而增加，而垂直拉伸方向的電導(dǎo)率基本不變，呈現(xiàn)強的電導(dǎo)各向異性；（3）盡管導(dǎo)電高分子的室溫電導(dǎo)率可達金屬態(tài)，但它的電導(dǎo)率-溫度依賴性不呈現(xiàn)金屬特性，而服從半導(dǎo)體特性；（4）導(dǎo)電高分子的載流子既不同于金屬的自由電子，也不同于半導(dǎo)體的電子或空穴，而是用孤子、極化子和雙極化子概念描述。與金屬和半導(dǎo)體相比較，導(dǎo)電高分子的電學(xué)性能具有如下特點：

第16頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

對于導(dǎo)電高分子來說，摻雜的概念不同于常見的無機半導(dǎo)體。以單晶硅為例，每個硅原子有四個價電子，若晶格中有一個硅原子被一個僅具有三個價電子的硼原子取代后，由于硼原子是缺電子的，無論硅與硼之間是否發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，在晶格中都有一個正的“空穴”，這即所謂p摻雜；反之，若晶格中有一個硅原子被一個具有五個價電子的磷原子取代后，該格點上就比別的格點多出一個電子，這即所謂n摻雜。第17頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)電高分子的摻雜則是通過氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)的。摻雜的方式主要有兩種：化學(xué)摻雜法，即通過加入第二種不同氧化態(tài)的物質(zhì)，使之與聚合物接觸并反應(yīng)；電化學(xué)摻雜法，即聚合物作為電極，摻雜劑作為電解質(zhì)，在通電條件下使聚合物鏈發(fā)生氧化還原反應(yīng)而直接改變其荷電狀態(tài)。前者簡單易行，有利于了解摻雜前后聚合物結(jié)構(gòu)與性能的變化；后者時間短，效率高，易于得到導(dǎo)電聚合物薄膜。除此之外，還有諸如酸堿化學(xué)摻雜、光摻雜、電荷注入摻雜等方法。第18頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日摻雜對于電子導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電能力的改變具有非常重要的意義，其導(dǎo)電性能往往會增加幾個數(shù)量級。摻雜過程中，摻雜劑分子插入聚合物分子鏈中，通過兩者之間氧化還原反應(yīng)完成電子轉(zhuǎn)移過程p型摻雜劑——在摻雜反應(yīng)中作為電子的接受體。鹵素：Cl2,Br2,I2,IBr等；路易斯酸：PF5,AsF5,BF3,SbF5等；質(zhì)子酸：HF,HCl,HNO3,ClSO3H等；過渡金屬鹵化物：NbF5,TaF5,MoF5,ZrCl4，TeI4等；過渡金屬化合物：四氰基乙烯（TCNE）,四氰基對苯醌二甲烷（TCNQ），四氯對苯醌、二氯二氰代苯醌（DDQ）等。

n型摻雜劑——在摻雜反應(yīng)中作為電子的給予體。常見的有堿金屬：Li,Na,K等；在電化學(xué)摻雜中常用R4N+，R4P+(R=CH3，C6H5等)第19頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日p型摻雜是由于導(dǎo)電高分子的部分氧化，即：x聚合物(聚合物+y)x+(xy)e-n型摻雜則是由于導(dǎo)電高分子的部分還原，即：x聚合物+(xy)e-(聚合物-y)x上述過程可通過電化學(xué)或化學(xué)方法完成。為了維持電中性，p型摻雜和n型摻雜都必須提供一個對離子，如(聚合物+y)x+（xy）A-

(聚合物+y)A-yx(聚合物-y)x+（xy）M+

M+y(聚合物-y)x第20頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)電高分子具有下列特點:(1)與金屬相比,重量輕;(2)成型性好,用澆鑄、模壓等比較簡易的方法就能使其纖維化、薄膜化，制成涂料,以及得到人們所需要的其他形狀，而且易于加工成輕質(zhì)的大面積的可撓性薄膜,以其大的面積/厚度比來補償它的電導(dǎo)率較低的不足；(3)易于合成和進行分子設(shè)計、材料設(shè)計,從而能較好地滿足科學(xué)技術(shù)對這類功能材料提出的各種要求；(4)原料來源廣第21頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日應(yīng)用：電磁波屏蔽隨著各種商用和家用電子產(chǎn)品數(shù)量的迅速增加,電磁波干擾已成為一種新的社會公害，對電子儀器、設(shè)備進行電磁波屏蔽是極為重要的。直接使用混有導(dǎo)電高分子材料的塑料做外殼,因其成形與屏蔽一體，較其他方法,如使用太重又不方便的金屬板作外殼、在塑料外殼上涂一層金屬或含有碳粉、碳纖維的導(dǎo)電涂料、通過電鍍金屬將外殼覆蓋等等更為方便。第22頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日電子元件(二極管、晶體管、場效應(yīng)晶體管等)導(dǎo)電高分子材料在摻雜狀態(tài)具有半導(dǎo)體或金屬的電導(dǎo)性,去摻雜時表現(xiàn)為絕緣體或半導(dǎo)體,而原來禁帶寬度較大的仍為絕緣體,所以可以利用這些性質(zhì)來制作各種類型的元件成為二極管、晶體管及場效應(yīng)晶體管等具有非線性電流-電壓特性的電子元件。微波吸收材料由于可以對導(dǎo)電高分子的厚度、密度和導(dǎo)電性進行調(diào)整,從而可以調(diào)整微波反射系數(shù)、吸收系數(shù),其吸收系數(shù)可達105?cm-1。導(dǎo)電高分子作為微波吸收材料,其薄膜重量輕、柔性好,可作任何設(shè)備(包括飛機)的蒙皮。第23頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日隱身材料所謂隱身材料是指能夠減少軍事目標(biāo)的雷達特征、紅外特征、光電特征及目視特征的材料的總稱。由于雷達是軍事目標(biāo)偵查的主要手段,所以雷達波吸收材料的研制是關(guān)鍵。自從導(dǎo)電聚合物的出現(xiàn),其作為新型的雷達波吸收材料成為研究的熱點。美國、日本、法國、印度及中國相繼開展了導(dǎo)電聚合物雷達波吸收材料的研制,尤其是美國空軍投資開發(fā)的高聚物雷達波吸收材料，為隱身戰(zhàn)斗機和偵察機制造“靈巧蒙皮”的設(shè)想和計劃奠定了基礎(chǔ)，進一步刺激了導(dǎo)電聚合物雷達隱身技術(shù)的發(fā)展。第24頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日可降解高分子材料可降解高分子材料是指在使用后的特定環(huán)境條件下,在一些環(huán)境因素如光、氧、風(fēng)、水、微生物、昆蟲以及機械力等的作用下,使其化學(xué)結(jié)構(gòu)在較短時間內(nèi)發(fā)生明顯變化,從而引起物性下降,最終成為可被環(huán)境所消納的高分子材料。

第25頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日降解高分子生物降解淀粉添加劑天然大分子合成聚合物光降解添加光敏劑型化學(xué)合成氧化降解復(fù)合降解光生物雙降解第26頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(1)生物降解高分子

生物降解高分子材料是指在自然界微生物或人體及動物體內(nèi)的組織細胞、酶和體液的作用下,可使其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,致使分子量下降及性能發(fā)生變化的高分子材料。第27頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

添加型淀粉塑料和橡膠，其生產(chǎn)方法是將淀粉以非偶聯(lián)方式與現(xiàn)行塑料(PE、PP、PS和PVC等)共混，淀粉含量一般為7%-15%。美國的Goodyear公司宣布試銷含有部分淀粉填料的輪胎,該填料可以降低輪胎的滾動阻力和重量,還有利于環(huán)境保護。但是添加型淀粉塑料和橡膠的主要成分仍是石油基類聚合物(PE、PP、PS、PVC等),很快降解的部分主要是淀粉,剩余的樹脂降解仍需幾百年。嚴(yán)格地講,添加淀粉的可降解塑料不具備降解機理和功能，所以該類產(chǎn)品已不再受歡迎。第28頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日熱塑性淀粉材料是完全生物可降解材料，意大利研制出一種淀粉含量為70%的可降解材料，所使用的樹脂是無毒的,分子量在5000～50000，它與淀粉直接交聯(lián)或產(chǎn)生間接物理作用，從而形成一連續(xù)相。此種合金有良好的成型性、二次加工性、力學(xué)性能和優(yōu)良的生物降解性能，缺點是有親水性，不宜用于食品包裝而且價格較高。德國的Battele研究所開發(fā)出了淀粉含量為90%的降解塑料,可作為包裝材料使用,以聚氯乙烯為取代目標(biāo)。美國開發(fā)了一種熱塑性淀粉材料，是以變性淀粉為主，且配有少量其它生物降解性添加劑的天然聚合物材料,淀粉含量高達90%～100%，材料的性能類似于聚苯乙烯，可完全生物降解，且降解可控，產(chǎn)品廣泛用于醫(yī)用器材、包裝材料。

第29頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

化學(xué)合成型生物降解高分子：該類生物降解高分子材料多是在分子結(jié)構(gòu)中引入酯基結(jié)構(gòu)的聚酯。工業(yè)化的有聚乳酸(PLA)和聚己內(nèi)酯(PCL)。PLA在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)被認(rèn)為是最重要的可完全生物降解的高分子。由于制備工藝、成本的限制,該類材料的研究起步較晚,但越來越受到重視。由于可完全降解,所以應(yīng)用前景較好,但是降解機理仍不完全清楚。第30頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日微生物合成高分子材料是由生物通過各種碳源發(fā)酵制得的一類高分子材料，主要包括微生物聚酯、聚乳酸及微生物多糖，此種產(chǎn)品的特點是能完全生物降解。研究發(fā)現(xiàn)，有許多可用于合成微生物聚酯的細菌，一般發(fā)酵底物是C1-C5的化合物。聚β-羥基丁酸酯(PHB)是細菌與藻類的貯存產(chǎn)物，70年代由英國ICI公司開發(fā)成功并進行生產(chǎn)，可以完全生物降解,但力學(xué)和熱學(xué)性能不佳。為了改善這一點，另一家公司開發(fā)了β-羥基丁酸與β-羥基戊酸(HV)的共聚物，得到了性能良好，可完全生物降解的高分子材料。0.025mm厚的PHB或PHB-HV膜在海水中6周已穿孔,堆肥7周可降解70%～80%。PHB-HV可以制成瓶、膜和纖維,應(yīng)用廣泛。第31頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(2)光降解高分子

在制備塑料時,通過向塑料基體中加入光敏劑,使其在光照條件下可誘發(fā)光降解反應(yīng)，此類塑料稱為光降解塑料。光降解引發(fā)劑有很多種,包括過渡金屬的各種化合物,如:鹵化物、乙?；猁}、二硫代氨基甲酸鹽、脂肪酸鹽、羥基化合物、多核芳香族化合物、酯以及其它一些聚合物。

第32頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日不同壽命的降解高分子材料還可以通過改變Ni,Co等穩(wěn)定二硫代氨基甲酸鹽和Fe,Cu等二硫代氨基甲酸鹽的比例得到。此外聯(lián)二茂鐵也可以引發(fā)光降解反應(yīng),其降解速度與光敏劑含量有關(guān)。在自然條件下測試出光敏劑含量與降解速度的曲線，就可以根據(jù)該材料的使用期限選擇適當(dāng)?shù)挠昧俊３艘陨瞎饨到飧叻肿油?還有一類重要的合成光降解高分子，即通過共聚反應(yīng)將羰基型感光基團引入高分子鏈而賦予其光降解特性。光降解活性的控制則是通過改變羰基基團含量來實現(xiàn)。已經(jīng)工業(yè)化的此類合成光降解高分子有乙烯-乙烯酮共聚物和乙烯-CO共聚物。第33頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(3)光和生物雙降解高分子

光-生物雙降解高分子材料，具有光、生物雙降解功能,它將光敏劑體系的光降解機理與淀粉的生物降解機理結(jié)合起來,一方面可以加速降解,另一方面可以利用光敏劑體系可調(diào)的特性達到人為控制降解的目的。光降解和生物降解的結(jié)合不僅提高了材料降解的可控性，而且還克服了單純光降解材料在陽光不足或非光照條件下難降解以及單純淀粉塑料在非微生物環(huán)境條件下難降解的問題。第34頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日生物降解高分子材料的一大應(yīng)用領(lǐng)域是在農(nóng)業(yè)上。在適當(dāng)?shù)臈l件下，可生物降解高分子材料經(jīng)有機降解成為混合肥料,或與有機廢物混合堆肥。特別是用甲殼素/殼聚糖制備的生物降解高分子材料或含有甲殼素/殼聚糖的生物降解高分子材料,其降解產(chǎn)物不但有利于植物生長,還可改良土壤環(huán)境。降解高分子當(dāng)前存在的問題主要是價格昂貴,難以推廣利用。淀粉填充型塑料降而不解,生物降解塑料的用后處理需要全面的堆肥建設(shè)。另外,降解塑料自身技術(shù)如更合理的工藝配方、準(zhǔn)確的降解時控性、用后快速降解性、徹底降解性以及邊角料的回收利用技術(shù)等還有待進一步提高和完善。第35頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日高分子吸附劑吸附劑的分類：(1)非離子型高分子吸附劑非離子型吸附樹脂主要是指在分子結(jié)構(gòu)中不包含離子性基團，主要依靠分子間范德華力進行吸附的高分子樹脂。它主要用在色譜分離中作為載體和固定相、環(huán)境保護中作為污染物富集材料、動植物中有效成分的分離提取與純化過程中。非離子型高分子吸附劑品種較多，根據(jù)極性大小，可以分成非極性、弱極性、中等極性和強極性四種。按照聚合物骨架類型，可分成聚苯乙烯型、聚丙烯酸型等。第36頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(2)金屬陽離子配位型吸附劑金屬陽離子配位型吸附劑又稱為高分子螯合劑，是一類重要的功能高分子。其特征是高分子骨架上連接有能夠?qū)饘匐x子進行配位的螯合功能基，對多種金屬離子具有選擇性螯合作用，因此這類吸附樹脂能夠濃縮和富集各種金屬離子。作為吸附劑使用的高分子螯合劑主要有兩類：一類是合成型高分子螯合樹脂；另一類是天然高分子螯合劑。第37頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日具有螯合功能的高分子需要滿足兩方面的要求：首先是要含有配位基團，其次是配位基團在高分子骨架上排布合理，以保證螯合過程對空間構(gòu)型的要求。螯合基團是一類含有多個配位原子的功能基團，目前最常見的配位原子是具有給電子性質(zhì)的第五族到第七族元素，主要是O、N、S、P、As、Se等。第38頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(3)離子型吸附樹脂這種高分子材料的骨架中含有某些酸性或堿性基團，在溶液中解離后分別能夠與陽離子或陰離子通過靜電引力結(jié)合生成鹽，其中最常見的是離子交換樹脂。離子型吸附樹脂主要有兩部分結(jié)構(gòu)：一部分是高分子骨架，其作用是擔(dān)載離子交換基團以及為離子交換過程提供必要的空間和動力學(xué)條件；另一部分是離子交換基團，它是離子交換能力和吸附選擇性的決定因素。根據(jù)聚合物骨架上所帶離子交換基團的性質(zhì)不同，可以分成強酸型、弱酸型、強堿型、弱堿型、酸堿兩性和氧化還原幾種。另外一種使用更為廣泛的分法是根據(jù)樹脂所交換離子的荷電特征分成陽離子型和陰離子型。

第39頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日離子型吸附樹脂的主要功能之一是對相應(yīng)的離子進行離子交換，交換次序取決于離子交換基團與被交換離子的親和能力的差異，而這些差異又取決于多種因素，例如離子半徑、價態(tài)、軟硬度、化學(xué)組成和立體結(jié)構(gòu)等等。一般來說，由于使用目的和條件的不同，對離子型吸附樹脂有不同的具體要求：a.良好的穩(wěn)定性；b.良好的耐溶劑性質(zhì)；c.良好的機械性能；d.具有一定的離子交換容量；e.對特定離子應(yīng)具有選擇性吸附能力；f.具有較大的比表面積、適宜的孔徑和孔隙率。第40頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日吸水性高分子吸附劑：高吸水性樹脂的研究始于60年代，世界上最早開發(fā)的一種高吸水性樹脂是淀粉-丙烯氰接枝共聚水解產(chǎn)物，即在淀粉上接枝丙烯氰然后水解而成。按原料組成分：改性的天然高分子（包括淀粉類和纖維素類）全人工合成的高分子（包括聚丙烯酸系樹脂、聚丙烯氰系樹脂、聚乙烯醇系樹脂、聚環(huán)氧乙烷系樹脂等）通常情況下，纖維素類高吸水性樹脂的吸水能力比淀粉類樹脂低，但是吸水速度快是其特點之一，在一些特殊情況下卻是淀粉類樹脂所不能取代的。第41頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日高吸水性樹脂的結(jié)構(gòu)特征：a.分子中具有強親水性基團，如羥基、羧基，能夠與水分子形成氫鍵；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第42頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日吸油性高分子：高吸油性樹脂是一種新型的功能高分子材料,對于不同種類的油，少則可吸自重的幾倍,多則近百倍,吸油量大、吸油速度快且保油能力強，在工業(yè)的廢液處理以及環(huán)境保護方面具有廣泛的用途。另外可作橡膠改性劑、油霧過濾材料、芳香劑和殺蟲劑的基材、紙張?zhí)砑觿┑?。?3頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日高吸油性樹脂的結(jié)構(gòu)特征：高分子之間形成一種三維的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，材料內(nèi)部具有一定微孔結(jié)構(gòu)。由于分子內(nèi)親油基的鏈段和油分子的溶劑化作用，高吸油性樹脂發(fā)生膨潤?；诮宦?lián)的存在，該樹脂不溶于油中。由此可見,交聯(lián)度和親油性基團與高吸油性樹脂的性能有密切關(guān)系。第44頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日當(dāng)將高吸油性樹脂投入油中時,剛開始是分子擴散控制,當(dāng)一定量的油分子進入后，油分子和高分子鏈段發(fā)生溶劑化作用，此時由于油分子進入得還比較少，尚不足以使高分子鏈段伸展開，實際上仍然卷曲纏結(jié)著，因此仍然是分子擴散控制；當(dāng)油分子進入足夠多，溶劑化作用也足夠強了，鏈段伸展開來，網(wǎng)絡(luò)中只有共價鍵交聯(lián)的交聯(lián)點存在，這時才開始是由熱力學(xué)推動力推動(即由熱力學(xué)不平衡態(tài)向平衡態(tài)方向進行)。當(dāng)高分子充分溶脹，從高分子彈性力學(xué)模型可知，高分子鏈伸展到一定程度會慢慢回縮,即存在彈性回縮力，最終達到熱力學(xué)平衡態(tài)。第45頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日吸附性高分子材料主要是指那些對某些特定離子或分子有選擇性親和作用的高分子材料，從外觀形態(tài)上看，主要有微孔型、大孔型、米花型和大網(wǎng)狀樹脂幾種。吸附樹脂的吸附性不僅受到結(jié)構(gòu)和形態(tài)等內(nèi)在因素的影響，還與使用環(huán)境關(guān)系密切：溫度因素(2)樹脂周圍的介質(zhì)流動相的流速、溶液黏度和被吸附物質(zhì)的擴散系數(shù)等第46頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日應(yīng)用：水處理水的軟化，脫堿；水的脫鹽；高純水制備糖及多元醇的處理葡萄糖脫色精制，蔗糖、甜菜糖漿的軟化、脫色精制；甘油純化工業(yè)廢水處理含鉻、汞、銅廢水處理；含金、銀廢水處理及回收原子能工業(yè)鈾、釷的提煉；反應(yīng)堆用水的凈化；放射性廢水的處理催化劑蔗糖的轉(zhuǎn)化；酯化反應(yīng)；水解反應(yīng)；烷基化反應(yīng)；縮合反應(yīng)制藥工業(yè)抗菌素的分離提煉精制；生化藥物的分離精制；氨基酸、蛋白質(zhì)的分離；生物堿的分離；藥物添加劑第47頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日在農(nóng)業(yè)方面，由于具有驚人的吸水能力，常常作為農(nóng)用保水劑，施用于土壤中時吸收的水分可以被植物吸收利用，并能在作物根系周圍形成一個局部濕潤的環(huán)境，對作物來說相當(dāng)于一個微型水源。在沙漠和荒漠中進行綠化，高吸水性樹脂能夠發(fā)揮非常重要的作用。水果、蔬菜在一般條件下難以保鮮，用高吸水性樹脂開發(fā)出一種可調(diào)節(jié)水分的包裝薄膜，用于包裝果蔬，可在一定程度上調(diào)節(jié)局部體系的氣氛、濕度，從而控制水果、蔬菜的呼吸代謝。第48頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

建筑方面，將高吸水性樹脂與其他高分子材料混合后，可以加工成止水帶，在土建工程中是理想的止水材料。利用吸水膨脹性能，添加到其他建筑材料中，可以作為水密封材料，用于堵漏。

衛(wèi)生用品制造方面是應(yīng)用最早，也是現(xiàn)在使用量最多的領(lǐng)域之一。采用高吸水性樹脂可以將婦女衛(wèi)生經(jīng)做的更薄，保水效果更好，提高運動自由度和著裝感；做成紙尿褲，由于鎖住水分，感覺更舒適。

在醫(yī)療方面，吸水樹脂凝膠可抑制血漿蛋白質(zhì)和血小板的粘著，因而可作抗血栓材料。另外用高吸水性樹脂制成的人工腎過濾材料，可以調(diào)節(jié)血液中的水分含量。第49頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日三廢處理

由于高吸油性樹脂的密度低,可以浮在水面上,因而處理水面浮油效果非常好,特別是對海洋石油以及運輸泄漏非常有效。當(dāng)和其它材料組合形成的復(fù)合材料,如用無紡布包覆粒狀固體(形狀可調(diào)節(jié)),可以替代傳統(tǒng)的吸油墊,如聚丙烯墊、聚苯乙烯墊等。也有直接應(yīng)用樹脂粒子的懸浮液,粒狀固體水漿(濃度50%～60%),從油水混合體系中分離除去油,將工業(yè)污水經(jīng)過處理后再排放到江湖中。第50頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日芳香劑、殺蟲劑、誘魚劑基材將吸收了如芳香劑的高吸油性樹脂放在空氣中,樹脂中的有機液由于在樹脂與周圍環(huán)境之間存在著濃度梯度,會緩慢地釋放出來。如,日本觸媒制造的外觀透明的片狀固體材料的高吸油性樹脂,可用作芳香劑或殺蟲劑的載體基材。作為合成樹脂的改性添加劑作為儲油設(shè)備密封材料的添加改性劑,將高吸油性樹脂和纖維基材以及合成橡膠粘合劑等混合制成各種形狀的密封材料,具有極好的油封性能,且當(dāng)油溶脹后,強度損失很小，其中高吸油性樹脂占5%～30%(質(zhì)量)。第51頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日高分子功能膜高分子功能膜的分類按構(gòu)成膜的材料分——天然高分子膜、有機合成高分子膜按膜的結(jié)構(gòu)分(a)對稱膜——疏松的多孔膜和致密的無孔膜(b)非對稱膜——多孔膜、疊合膜和復(fù)合膜(c)離子交換膜按分離過程推動力分——壓力差膜、濃度差膜、溫度差膜和電位差膜第52頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(4)按膜材料的宏觀外形結(jié)構(gòu)分(a)管狀膜：容易清洗，適用于分離濃度很高或者污物較多的場合，但是使用密度較小，在一定使用體積下，有效分離面積最小。(b)中空纖維膜：主要應(yīng)用于血液透析設(shè)備和人工腎臟的制備，缺點就是容易在使用中受到污染，一旦污染較難清洗。(c)平面型分離膜：容易制作，使用方便，成本低廉；包括無支撐型、支撐型和增強型三類。第53頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日被分離材料能夠從膜的一側(cè)克服膜材料的阻礙穿過分離膜，需要有特定的內(nèi)在因素與合適的外在條件。從目前掌握的材料看，膜分離作用有兩種形式：即過篩作用和溶解擴散作用。過篩作用類似于物理過篩過程，與常見的篩網(wǎng)材料相比，膜的孔徑要小的多。被分離物能否通過篩網(wǎng)取決于物質(zhì)粒徑尺寸和網(wǎng)孔的大小。

溶解擴散作用是指當(dāng)膜材料對某些物質(zhì)具有一定溶解能力時，在外力作用下被溶解物質(zhì)能夠在膜中擴散運動，從膜的一側(cè)擴散到另一側(cè)，再離開膜。這種作用形式在用密度膜對氣體進行分離和用反滲透膜對溶質(zhì)與溶液進行分離的過程中起主要作用。第54頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日膜制備材料：

天然高分子材料類——主要包括改性纖維素及其衍生物類，原料易得，成膜性能好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，多用于透析、微濾、超濾、反滲透、膜蒸發(fā)和膜電泳等場合。近年來，甲殼素類海藻酸鈉類成為了新的分離膜制備材料。聚烯烴類——包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酰胺等。主要用于制備微濾、超濾、密度膜等。聚酰胺類——尼龍66，機械強度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫性能優(yōu)良。聚砜類含氟高分子材料有機硅聚合物類高分子電解質(zhì)類第55頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(1)反滲透膜反滲透膜主要是不對稱膜、復(fù)合膜和中空纖維膜。不對稱膜的表面活性層上的微孔很?。s2nm），大孔支撐層為海綿狀結(jié)構(gòu)；復(fù)合膜由超薄膜和多孔支撐層等組成。超薄膜很薄，只有0.4m，有利于降低流動阻力，提高透水速率；中空纖維反滲透膜的直徑極小，壁厚與直徑之比比較大，因而不需支持就能承受較高的外壓。第56頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚等。醋酸纖維素膜透水量大，脫鹽率高，價格便宜，應(yīng)用普遍。芳香聚酰胺膜具有優(yōu)越的機械強度，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐壓實，能在pH值4-10的范圍內(nèi)使用。聚苯并咪唑反滲透膜則能耐高溫，吸水性好，適用于在較高溫度下的作業(yè)。第57頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日反滲透裝置已成功地應(yīng)用于海水脫鹽，并達到飲用級的質(zhì)量。海水淡化的原理是利用只允許溶劑透過，不允許溶質(zhì)透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。用RO(ReverseOsmosis

)進行海水淡化時，因其含鹽量較高，除特殊高脫鹽率膜以外，一般均須采用二級RO淡化。但是海水脫鹽成本較高，目前主要用于特別缺水的中東產(chǎn)油國。第58頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(2)超濾膜

超濾膜是指具有從1-20nm細孔的多孔質(zhì)膜，它幾乎可以完全將含于溶液中的病毒、高分子膠體等微粒子截留分離。超濾膜的分離性能就是用它所截留物質(zhì)的分子量大小來定義的。超濾所用的膜為不對稱膜，它的特點是膜斷面形態(tài)的不對稱性。它是由表面活性層與大孔支撐層兩層組成，表面活性層很薄，厚度0.1-1.5m，膜的分離性質(zhì)主要取決于這一層。支撐層的厚度為50-250m，起支撐作用，它決定膜的機械強度，呈多孔狀。第59頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

超濾膜分離技術(shù)主要用于分離溶液中的大分子、膠體微粒。通過膜的篩分作用將溶液中大于膜孔的大分子溶質(zhì)截留，是溶質(zhì)分子與小分子溶劑分離的膜過程

。第60頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(3)微濾膜微濾膜是指孔徑范圍為0.01-10μm的多孔質(zhì)分離膜，它可以把細菌、膠體以及氣溶膠等微小粒子從流體中比較徹底地分離除去。流體中含有粒子的濃度不同，微濾膜的使用方式也不同。當(dāng)濃度較低時，常常使用一次性濾膜；當(dāng)濃度較高時，需要選擇可以反復(fù)使用的膜。

第61頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(4)氣體分離膜氣體分離中常用的高分子膜，是非對稱的或復(fù)合膜，其膜表層為致密高分子層，即非多孔高分子膜。這種膜材料需要具有優(yōu)良的滲透性。第62頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日膜反應(yīng)器和膜催化：膜過程初期的應(yīng)用往往只利用一種膜分離過程以解決實際問題。利用多種膜過程聯(lián)合解決實際問題稱為集成膜過程。膜過程和其他化工過程的聯(lián)合叫雜化膜過程，它代表了膜過程發(fā)展的新趨勢。膜反應(yīng)器是膜和化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)或設(shè)備，在反應(yīng)系統(tǒng)中引入膜技術(shù)，可以實現(xiàn)強化反應(yīng)過程的目標(biāo)。第63頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(1)產(chǎn)物原位分離膜反應(yīng)技術(shù)適用于可逆反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)和產(chǎn)物抑制體系，以提高反應(yīng)效率。第64頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(2)反應(yīng)物控制輸入膜反應(yīng)技術(shù)對于高濃度反應(yīng)物會加速副反應(yīng)速度或影響產(chǎn)物品質(zhì)的體系，控制輸入膜反應(yīng)技術(shù)可以有效的降低反應(yīng)物中B的濃度，達到提高反應(yīng)選擇性的目的。第65頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(3)多相膜反應(yīng)和萃取膜反應(yīng)親水的含有脂肪酶的酶膜將反應(yīng)器分隔為兩部分。酶的一邊流過溶于有機相的L、D酯混合物，另一邊流過水相吹掃流。L-酯通過相間分配傳遞進入酶膜，被脂肪酶水解為水溶性產(chǎn)物L(fēng)-酸。而D-酯因脂肪酶的高水解選擇性而不參與反應(yīng)，也不溶于水相，將隨著底物流離開反應(yīng)器，從而將消旋的L、D酯拆分。第66頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(5)催化膜在膜反應(yīng)器中，利用膜的載體功能將催化劑固定在膜的表面或膜內(nèi)來制備催化膜。有些膜材料本身就具有催化活性。在反應(yīng)涉及加氫、脫氫、氧化以及與氧的生成有關(guān)的體系時，則常采用金屬膜、固體電解質(zhì)膜，這些膜具有選擇性透過氫和氧的能力。隔膜催化技術(shù)有效性的主要特征是生產(chǎn)率和選擇率。生產(chǎn)率是由通過隔膜以及隔膜表面上反應(yīng)物和生成物的分離率來決定的。第67頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日應(yīng)用：(1)環(huán)境保護廢水處理——各種工業(yè)廢水用膜法處理時，可收到回收有用物質(zhì)和使排放污水達標(biāo)的雙重作用。UF（超濾）和RO膜可用于電影照相工業(yè)中廢顯影液的回用、紡織工業(yè)中纖維用乳化油劑的回收、聚乙烯醇退漿水處理及印染廢水中染料的回用、汽車工業(yè)中電泳漆的回收、電鍍工業(yè)含鉻廢水處理、造紙工業(yè)黑液處理、石油工業(yè)含油廢水處理等。城市污水的三級處理采用水池曝曬、生物反應(yīng)器和微濾。第68頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(2)食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)工業(yè)發(fā)達導(dǎo)致的水質(zhì)下降使人們對飲用水的要求愈來愈高，家用凈水器(超濾加活性炭吸附)有著廣闊的市場。瓶裝飲用水已從礦泉水?dāng)U大到蒸餾水、太空水(均系經(jīng)RO過濾的純水)。軟飲料裝瓶前大都已經(jīng)微濾除菌，生啤酒(扎啤)和低度酒(如干葡萄酒等)經(jīng)微濾除菌可延長其保質(zhì)期。第69頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日果汁的濃縮(尤其是我國的一些名貴水果品種)和茗茶汁的濃縮是食品工業(yè)的重要方面。美國南卡羅來納洲農(nóng)業(yè)實驗站已開始用金屬膜直接超濾蘋果漿。將蘋果破碎后，在50℃的溫度下用果膠酶和纖維素酶處理2小時，不經(jīng)榨汁，再以21-70個大氣壓力送入直徑為3.12cm的金屬管狀膜內(nèi)進行超濾。這樣既節(jié)省了榨汁工序，又能得到85%的清汁和86%的芳香物。第70頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日(3)水資源再利用隨著生活水平的提高，人均耗水量也不斷上升，所有大城市幾乎都面臨水荒問題。除節(jié)約用水之外，水資源的再利用也是重要措施。RO（逆滲透）海水脫鹽制水在1988年全球的總能力已超1000萬m3/d。苦咸水的淡化以低壓逆滲透和EDR法為主。工業(yè)用水和生活用水的再利用也可通過UF（超濾）、NF（納濾）來解決。日本大型高層建筑均配備水再利用的裝置。夾帶固體雜質(zhì)較多的還需要有沉降絮凝等輔助設(shè)備。第71頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日日本醫(yī)學(xué)家將蠶絲溶解、干燥制成一種超純絲素膜,附上與抗原反應(yīng)的單克隆抗體后,即可用來診斷癌癥。美國波音公司最近發(fā)明一種能將陽光聚集并轉(zhuǎn)換為電能蓄貯使用的新型薄膜電池。這種薄膜電池分兩層,第一層材料由砷化鎵和銻化鎵組成；第二層材料是銅銦二硒化合物。在模擬太空環(huán)境下工作時,它幾乎把37%的太陽能轉(zhuǎn)換成電能。東京工業(yè)大學(xué)最近開發(fā)出僅有一個分子厚的塑料薄膜，這種薄膜是用聚酰亞胺樹脂制成的,為目前世界上最薄的膜。它可用作砷化鎵半導(dǎo)體的絕緣膜和液晶顯示器的基盤膜等。第72頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日生物、醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子材料是一類可對有機體組織進行修復(fù)、替代與再生的具有特殊功能的合成高分子材料,可以通過聚合等方法進行制備,是生物醫(yī)用材料的重要組成之一。

第73頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日“醫(yī)用級”標(biāo)準(zhǔn)：(a)長期植入體內(nèi)具有穩(wěn)定的物化性能，又有穩(wěn)定的彈性、幾何尺寸和機械強度，耐磨、耐曲撓；短期植入的材料要可生物降解；(b)材料本身無毒、無熱源、無過敏反應(yīng)、不致畸，不致癌、不干擾機體免疫系統(tǒng)、不破壞血液有形成分、不影響體液電解質(zhì)平衡等。第74頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用目的實例長期和短期治療1.受損組織的修復(fù)和替代2.輔助或暫時替代受損器官的生理功能3.一次性醫(yī)療用品人工血管、人工皮膚、人工軟骨、美容填充人工心肺系統(tǒng)、人工心臟、人造血、人工腎、人工胰腺注射器、輸液管、導(dǎo)管、縫合線、醫(yī)用粘合劑等藥物制劑藥物控制釋放部位控制；定位釋放；時間控制；恒速釋放（緩釋藥物）；反饋控制；脈沖釋放診斷控制臨床檢測新技術(shù)快速響應(yīng)、高靈敏度、高精確度的檢測試劑與工具，包括試劑盒、生物傳感器等生物工程1.體外組織培養(yǎng)2.血液成分分離細胞培養(yǎng)基、細胞融合添加劑、生物雜化人工器官、血漿分離、病毒和細菌的清除第75頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日生物活性高分子從廣義上講生物活性高分子是指能對生物體起產(chǎn)生、增強或控制某種特定生物活性作用的化學(xué)體系中用到的高分子物質(zhì)，也就是說生物活性高分子能在與其他分子或與某些活性部位直接或間接地