淺談：功能高分子材料分類與性能應(yīng)用

淺談：功能高分子材料分類與性能應(yīng)用

功能高分子材料一般指具有傳遞、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，還具有化學(xué)反應(yīng)活性、光敏性、導(dǎo)電性、催化性、生物相容性、藥理性、選擇分離性、能量轉(zhuǎn)換性、磁性等功能的高分子及其復(fù)合材料。

通常，人們對(duì)特種和功能高分子的劃分普遍采用按其性質(zhì)、功能或?qū)嶋H用途劃分的方法，可以將其分為八種類型。

1、反應(yīng)性高分子材料包括高分子試劑、高分子催化劑、高分子染料，特別是高分子固相合成試劑和固定化酶試劑等。

2、光敏性高分子材料包括各種光穩(wěn)定劑、光刻膠、感光材料、非線性光學(xué)材料、光電材料及光致變色材料等。

3、電性能高分子材料包括導(dǎo)電聚合物、能量轉(zhuǎn)換型聚合物、電致發(fā)光和電致變色材料及其他電敏感性材料。

4、高分子分離材料包括各種分離膜、緩釋膜和其他半透明膜材料、離子交換樹(shù)脂、高分子絮凝劑、高分子螯合劑等。

5、高分子吸附材料包括高分子吸附樹(shù)脂、吸水性高分子等。

6、高分子智能材料包括高分子記憶材料、信息存儲(chǔ)材料和光、磁、pH值、壓力感應(yīng)材料等。

7、醫(yī)用高分子材料包括醫(yī)用高分子材料、藥用高分子材料和醫(yī)用輔助材料等。

8、高性能工程材料如高分子液晶材料、耐高溫高分子材料、高強(qiáng)度高模量高分子材料、阻燃性高分子材料、生物可降解高分子和功能纖維材料等。

常見(jiàn)的幾種功能高分子材料

離子交換樹(shù)脂

它是最早工業(yè)化的功能高分子材料。經(jīng)過(guò)各種官能化的聚苯乙烯樹(shù)脂，含有H離子結(jié)構(gòu)，能交換各種陽(yáng)離子的稱為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，含有OH-離子結(jié)構(gòu)能交換各種陰離子的稱為陰離子交換樹(shù)脂。它們主要用于水的處理。離子交換膜還可以用于飲用水處理、海水炎化、廢水處理、甘露醇、檸檬酸糖液的鈍化、牛奶和醬油的脫鹽、酸的回收以及作為電解隔膜和電池隔膜。

高分子催化劑

催化生物體內(nèi)多種化學(xué)反應(yīng)的生物酶屬于高分子催化劑。它具有魔法般的催化性能，反應(yīng)在常溫、常壓下進(jìn)行，催化活性極高，幾乎不產(chǎn)生副產(chǎn)物。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多有研究用人工合成的方法模擬酶，將金屬化合物結(jié)合在高分子配體上，開(kāi)發(fā)高活性、高選擇性的高效催化劑，這種高分子催化劑稱為高分子金屬催化劑。已有的研究工作表明，高分子金屬催化劑對(duì)加氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)、硅氫加成反應(yīng)、羰基化反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)、聚合反應(yīng)等具有很高的催化活性和選擇性，而且易與反應(yīng)物分離，可回收重復(fù)使用。

導(dǎo)電高分子材料

復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是以有機(jī)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(jiǎn)單、耐腐蝕、電阻率可調(diào)范圍大、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

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(diǎn)：

1.通過(guò)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(dá)105S/cm，它可與銅的電導(dǎo)率相比，而重量?jī)H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(qiáng)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(dá)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。

應(yīng)用主要有電磁波屏蔽、電子元件(二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等)、微波吸收材料、隱身材料等。

高分子功能膜的分類

(1)反滲透膜

反滲透膜主要是不對(duì)稱膜、復(fù)合膜和中空纖維膜。不對(duì)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0.4mm，有利于降低流動(dòng)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。

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(jià)格便宜，應(yīng)用普遍。芳香聚酰胺膜具有優(yōu)越的機(jī)械強(qiáng)度，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐壓實(shí)，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)。反滲透裝置已成功地應(yīng)用于海水脫鹽，并達(dá)到飲用級(jí)的質(zhì)量。海水淡化的原理是利用只允許溶劑透過(guò)，不允許溶質(zhì)透過(guò)的半透膜，將海水與淡水分隔開(kāi)的。用RO(ReverseOsmosis)進(jìn)行海水淡化時(shí)，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(jí)RO淡化。但是海水脫鹽成本較高，主要用于特別缺水的中東產(chǎn)油國(guó)，例如2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)世界最大的海水淡化廠就位于沙特阿拉伯。

(2)超濾膜

超濾膜是指具有從1-20nm細(xì)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(lái)定義的。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(guò)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(guò)程。

(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(xì)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(shí)，常常使用一次性濾膜；當(dāng)濃度較高時(shí)，需要選擇可以反復(fù)使用的膜。

(4)氣體分離膜

氣體分離中常用的高分子膜，是非對(duì)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。

(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(lái)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(shí)，則常采用金屬膜、固體電解質(zhì)膜，這些膜具有選擇性透過(guò)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(guò)隔膜以及隔膜表面上反應(yīng)物和生成物的分離率來(lái)決定的。

高分子吸附劑

吸附性高分子材料主要是指那些對(duì)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(shù)脂幾種。吸附樹(shù)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，樹(shù)脂周圍的介質(zhì).

（1）吸水性高分子

高吸水性樹(shù)脂的研究始于60年代，世界上最早開(kāi)發(fā)的一種高吸水性樹(shù)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腈然后水解而成。

通常情況下，纖維素類高吸水性樹(shù)脂的吸水能力比淀粉類樹(shù)脂低，但是吸水速度快是其特點(diǎn)之一，在一些特殊情況下卻是淀粉類樹(shù)脂所不能取代的。

高吸水性樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)特征：

1.分子中具有強(qiáng)親水性基團(tuán)，如羥基、羧基，能夠與水分子形成氫鍵；

2.樹(shù)脂具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)；

3.聚合物內(nèi)部具有較高的離子濃度；

4.聚合物具有較高的分子量

（2）吸油性高分子

高吸油性樹(shù)脂是一種新型的功能高分子材料,對(duì)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(qiáng)，在工業(yè)的廢液處理以及環(huán)境保護(hù)方面具有廣泛的用途。另外可作橡膠改性劑、油霧過(guò)濾材料、芳香劑和殺蟲(chóng)劑的基材、紙張?zhí)砑觿┑取?/p>

高吸油性樹(shù)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(shù)脂發(fā)生膨潤(rùn)?；诮宦?lián)的存在，該樹(shù)脂不溶于油中。由此可見(jiàn),交聯(lián)度和親油性基團(tuán)與高吸油性樹(shù)脂的性能有密切關(guān)系。

（3）其他高分子吸附劑

聚丙烯酰胺分類聚丙烯酰胺產(chǎn)品簡(jiǎn)介：聚丙烯酰胺（PAM）為水溶性高分子聚合物，不溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的磨擦阻力，按離子特性分可分為非離子、陰離子、陽(yáng)離子和兩性型四種類型。

陰離子聚丙烯酰胺

陰離子聚丙烯酰胺（APAM）產(chǎn)品描述：陰離子聚丙烯酰胺（APAM）外觀為白色粉粒，分子量從600萬(wàn)到2500萬(wàn)水溶解性好，能以任意比例溶解于水且不溶于有機(jī)溶劑。有效的PH值范圍為7到14，在中性堿性介質(zhì)中呈高聚合物電解質(zhì)的特性，與鹽類電解質(zhì)敏感，與高價(jià)金屬離子能交聯(lián)成不溶性凝膠體。

工業(yè)廢水處理：對(duì)于懸浮顆粒，較出、濃度高、粒子帶陽(yáng)電荷，水的PH值為中性或堿性的污水，鋼鐵廠廢水，電鍍廠廢水，冶金廢水，洗煤廢水等污水處理，效果最好。飲用水處理：我國(guó)很多自來(lái)水廠的水源來(lái)自江河，泥沙及礦物質(zhì)含量高，比較渾濁，雖經(jīng)過(guò)沉淀過(guò)濾，仍不能達(dá)到要求，需要投加絮凝劑，投加量是無(wú)機(jī)絮凝劑的1/50，但效果是無(wú)機(jī)絮凝劑的幾倍，對(duì)于有機(jī)物污染嚴(yán)重的江河水可采用無(wú)機(jī)絮凝劑和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺配合使用效果更好。陰離子聚丙烯酰胺，使淀粉微粒絮凝沉淀，然后將沉淀物經(jīng)壓濾機(jī)壓濾變成餅狀，可作飼料，酒精廠的酒精也可采用陰離子聚丙烯酰胺脫水，壓濾進(jìn)行回收。用于河水泥漿沉降。用于造紙干強(qiáng)劑。

用于造紙助劑、助率劑。在造紙前泵口式儲(chǔ)漿池中加入微量PAM-LB-3陰離子聚丙烯酰胺可使水中填料與細(xì)小纖維在網(wǎng)上存留提高20-30%。每噸可節(jié)約紙漿20-30kg。

舉例：在洗煤過(guò)程中產(chǎn)生大量廢水，直接排放污染環(huán)境，必須沉清后循環(huán)利用，回收水中煤泥，也很有價(jià)值，但靠自然沉降，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)水也不清。

另外，陰離子聚丙烯酰胺在制香行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越受歡迎，陰離子聚丙烯酰胺產(chǎn)品特點(diǎn)：具溶解性好，粘度高，韌性強(qiáng)，易燃無(wú)（少）煙、燃燒無(wú)異味、無(wú)毒等特點(diǎn)；產(chǎn)品性能穩(wěn)定，避免了其它植物膠粉和普通淀粉因產(chǎn)地、時(shí)間不同，粘結(jié)質(zhì)量參差不齊，在香業(yè)生產(chǎn)時(shí)需要反復(fù)調(diào)試配方，以免造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象；香制品外表光潔平整、成型好、不易破碎；尤其是其冷水可糊化性，無(wú)需煮糊，將物料直接混和均勻、加水?dāng)嚢杓瓤缮a(chǎn)，而且加水混合后的物料較長(zhǎng)時(shí)間放置也不會(huì)有物料干硬無(wú)法使用的現(xiàn)象發(fā)生，有效地節(jié)約了能源和方便了生產(chǎn)操作。

使用效果：使用本產(chǎn)品做成的香坯（香制品）外觀平整、無(wú)斷裂、無(wú)霉斑，抗折力強(qiáng)，產(chǎn)品成色好、烘曬后不褪色，燃點(diǎn)時(shí)間足，可燃性好，過(guò)鐵齒盤不“斷頭”熄火，有利于蚊香有效成份的揮散率的提高及可減少成品在烘干過(guò)程中的損失，同時(shí)，可大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率。此外，本品對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可滿足綠色環(huán)保方面對(duì)產(chǎn)品的要求。

經(jīng)濟(jì)效益：使用本產(chǎn)品可減少原料成本5—12%,節(jié)約能耗20—30%。

陽(yáng)離子聚丙烯酰胺

陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）產(chǎn)品特性：陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）外觀為白色粉粒，離子度從20%到55%水溶解性好，能以任意比例溶解于水且不溶于有機(jī)溶劑。呈高聚合物電解質(zhì)的特性，適用于帶陰電荷及富含有機(jī)物的廢水處理。適用于染色、造紙、食品、建筑、冶金、選礦、煤粉、油田、水產(chǎn)加工與發(fā)酵等行業(yè)有機(jī)膠體含量較高的廢水處理，特別適用于城市污水、城市污泥、造紙污泥及其它工業(yè)污泥的脫水處理。

用途

1.用于污泥脫水根據(jù)污泥性質(zhì)可選用本產(chǎn)品的相應(yīng)型號(hào)，可有效在污泥進(jìn)入壓濾之前進(jìn)行污泥脫水，脫水時(shí)，產(chǎn)生絮團(tuán)大，不粘濾布，壓濾時(shí)不散，流泥餅較厚，脫水效率高，泥餅含水率在80%以下。

2.用于生活污水和有機(jī)廢水的處理，本產(chǎn)品在配性或堿性介質(zhì)中均呈現(xiàn)陽(yáng)電性，這樣對(duì)污水中懸浮顆粒帶陰電荷的污水進(jìn)行絮凝沉淀，澄清很有效。如生產(chǎn)糧食酒精廢水，造紙廢水，城市污水處理廠的廢水，啤酒廢水，味精廠廢水，制糖廢水，有機(jī)含量高廢水、