功能高分子緒論01

1、功能高分子材料Functional polymers,吉林大學材料科學與工程學院孫廣平教授,第一章 緒論,1.1功能高分子： 分離材料（離子交換樹脂、分離膜等）、導電高分子、感光高分子、高分子催化劑、高吸水性樹脂、醫(yī)用高分子、藥用高分子、高分子液晶等。80年代以后，新的聚合方法和新結構的聚合物不斷出現(xiàn)和發(fā)展。新的聚合方法：陽離子活性聚合、基團轉移聚合、活性自由基聚合、等離子聚合等等；新結構的聚合物：新型嵌段共聚物

2、、新型接枝共聚物、星狀聚合物、樹枝狀聚合物、超支化聚合物、含C60聚合物等等。,第一章 緒論,1.2 基本概念功能高分子與高性能高分子性能：材料對外部作用的抵抗特性。例如，對外力的抵抗表現(xiàn)為材料的強度、模量等；對熱的抵抗表現(xiàn)為耐熱性；對光、電、化學藥品的抵抗，則表現(xiàn)為材料的耐光性、絕緣性、防腐蝕性等。,第一章 緒論,功能：指從外部向材料輸入信號時，材料內部發(fā)生質和量的變化而產(chǎn)生輸出的特性。例如，材料在受到外部光的輸入時

3、，材料可以輸出電性能，稱為材料的光電功能；材料在受到多種介質作用時，能有選擇地分離出其中某些介質，稱為材料的選擇分離性。此外，如壓電性、藥物緩釋放性等，都屬于功能的范疇。,第一章 緒論,因此： 功能高分子是指當有外部刺激時，能通過化學或物理的方法做出響應的高分子材料。 高性能高分子則是對外力有特別強的抵抗能力的高分子材料。 它們都屬于特種高分子材料的范疇。,第一章 緒論,特種高分子是相對于通

4、用高分子而言的。 通用高分子材料：應用面廣量大，價格較低。根據(jù)其性質和用途可分為五個大類：化學纖維、塑料、橡膠、油漆涂料、粘合劑。 特種高分子材料：帶有特殊物理、力學、化學性質和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料的范疇。,第一章 緒論,從實用的角度看，對功能材料來說，人們著眼于它們所具有的獨特的功能；而對高性能材料，人們關心的是它與通用材料在性能上的差異。 特

5、種高分子和功能高分子是目前高分子學科中發(fā)展最快、研究最活躍的新領域。,第一章 緒論,1.2 功能高分子材料的類型 日本著名功能高分子專家中村茂夫教授認為，功能高分子可從以下幾個方面分類。1. 力學功能材料1) 強化功能材料，如超高強材料、高結晶材料等；2) 彈性功能材料，如熱塑性彈性體等。,第一章 緒論,2. 化學功能材料1) 分離功能材料，如分離膜、離子交換樹脂、高分子絡合物等；2) 反應功能材料，如高

6、分子催化劑、高分子試劑；3) 生物功能材料，如固定化酶、生物反應器等。,第一章 緒論,3. 物理化學功能材料1) 耐高溫高分子，高分子液晶等；2) 電學功能材料，如導電性高分子、超導高分子，感電子性高分子等；3) 光學功能材料，如感光高分子、導光性高分子，光敏性高分子等；4) 能量轉換功能材料，如壓電性高分子、熱電性高分子等。,第一章 緒論,4. 生物化學功能材料1) 人工臟器用材料，如人工腎、人工心肺等；2)

7、高分子藥物，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物、高分子農(nóng)藥等；3) 生物分解材料，如可降解性高分子材料等。 這一分類，實際上包括了所有特種高分子材料。,第一章 緒論,國內一般采用按其性質、功能或實際用途劃分特種和功能高分子材料的劃分普遍采用的方法，具體可劃分為8種類型。1. 反應性高分子材料，包括高分子試劑、高分子催化劑和高分子染料，特別是高分子固相合成試劑和固定化酶試劑等。2. 光敏型高分子，包括各種光

8、穩(wěn)定劑、光刻膠，感光材料、非線性光學材料、光導材料和光致變色材料等。,第一章 緒論,3. 電性能高分子材料，包括導電聚合物、能量轉換型聚合物、電致發(fā)光和電致變色材料以及其他電敏感性材料等。4. 高分子分離材料，包括各種分離膜、緩釋膜和其他半透性膜材料、離子交換樹脂、高分子螯合劑、高分子絮凝劑等。,第一章 緒論,5. 高分子吸附材料，包括高分子吸附性樹脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。6. 高分子智能材料，包括高

9、分子記憶材料、信息存儲材料和光、磁、pH、壓力感應材料等。7. 醫(yī)藥用高分子材料，包括醫(yī)用高分子材料、藥用高分子材料和醫(yī)藥用輔助材料等。8. 高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高溫高分子材料、高強高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纖維材料、生物降解高分子等。,第一章 緒論,1.3 功能高分子材料的發(fā)展與展望1.3.1 功能高分子發(fā)展的背景1. 經(jīng)濟發(fā)展的需要 自從1920年施道丁格（H.Staudi

10、nger）建立大分子概念以來，高分子材料以驚人的速度得到發(fā)展。至20世紀60年代，高分子材料工業(yè)化已基本完善，解決了人們的衣著、日用品和工業(yè)材料等需求。通用高分子和工程用高分子的世界總產(chǎn)量已超過幾千萬噸/年，特種高分子則為幾十萬噸/年。,第一章 緒論,1973年和1978年兩次世界性的石油大危機，使原油價格猛漲。以石油為主要原料的高分子材料成本呈直線上升，商品市場陷入極為困難的處境。在這樣的經(jīng)濟背景下，迫使人們試圖用同

11、樣的原材料，去制備價值更高的產(chǎn)品。功能高分子在這種外部條件促使下迅速地發(fā)展了起來。 從表1—1的數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)展功能高分子材料可以獲得較高的經(jīng)濟效益。,第一章 緒論,表1—1 各種高分子材料的產(chǎn)量和價格比*,* 價格比以通用高分子為1計。,第一章 緒論,2. 科學技術發(fā)展的需求 80～90年代，科學技術有了迅速發(fā)展。能源、信息、電子和生命科學等領域的發(fā)展，對高分子材料提出了新的要求。即要求高分子材料具

12、有迄今還不曾有過的高性能和高功能，甚至要求既具有高功能亦具有高性能的高分子材料。,第一章 緒論,新能源的要求。太陽能和氫將成為今后的主要能源。光電轉換材料就成為太陽能利用的關鍵。硅材料已進入了實用階段。然而，按現(xiàn)在的能量轉換效率，對單晶硅的需要量實在太大。以日本為例，若利用太陽能達到當前日本電力的1％，就需100 μ的單晶硅至少2.7萬噸。這相當于日本目前單晶硅總產(chǎn)量的90倍。為此，人們把注意力轉向可高效轉換太陽能的

13、功能高分子材料。如換能型高分子分離膜的利用。,第一章 緒論,交通和宇航技術的要求。既高速又節(jié)約能源是交通運輸和宇航事業(yè)迫切需要解決的課題。采用功能高分子材料，在一定程度上解決了該難題。就目前的成就來看，波音757，767飛機采用Kavlar增強材料（一種由高分子液晶紡絲而成的高強纖維增強的材料），可省油50％。汽車工業(yè)采用高分子材料而實現(xiàn)輕型化，從而達到省油和高速的目的。,第一章 緒論,微電子技術的要求。高度集成化是微

14、電子工業(yè)發(fā)展的趨勢。存儲容量將從目前的16K發(fā)展到256K。此時相應的電路細度僅為1.5μm。因此，高功能的光致抗蝕材料（感光高分子）已成為微電子工業(yè)的關鍵材料之一。,第一章 緒論,生命科學的要求。人類對生命奧秘的探索，對建立一個潔凈、安全的世界的渴望，對征服癌癥等疾病的努力，均對高分子材料提出了功能的要求。例如，生物分離介質的研制成功，使生命組成的各種組分能得以精細地分級，對生命科學的貢獻將是十分重大的。可降解性高

15、分子材料的問世，將大大減緩白色公害對人類的危害。,第一章 緒論,總之，功能高分子材料在國民經(jīng)濟建設和日常生活中將發(fā)揮越來越重要的作用，發(fā)展前景不可估量。當然，目前的成就尚處于十分初級的階段，有待于進一步研究和探索。,第一章 緒論,1.3.2 功能高分子的發(fā)展歷程與展望 雖然特種與功能高分子材料的發(fā)展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和離子交換樹脂都有很長的歷史。但是作為一門獨立的完整的學科，功能高分子是

16、從20世紀80年代中后期開始發(fā)展的。,第一章 緒論,最早的功能高分子可追述到1935年離子交換樹脂的發(fā)明。 20世紀50年代，美國人開發(fā)了感光高分子用于印刷工業(yè)，后來又發(fā)展到電子工業(yè)和微電子工業(yè)。 1957年發(fā)現(xiàn)了聚乙烯基咔唑的光電導性，打破了多年來認為高分子材料只能是絕緣體的觀念。 1966年little提出了超導高分子模型，預計了高分子材料超導和高溫超導的可能性，隨后在1975年發(fā)現(xiàn)了

17、聚氮化硫的超導性。,第一章 緒論,1993年，俄羅斯科學家報道了在經(jīng)過長期氧化的聚丙烯體系中發(fā)現(xiàn)了室溫超導體，這是迄今為止唯一報道的超導性有機高分子。 20世紀80年代，高分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜等技術得到快速發(fā)展。 1991年發(fā)現(xiàn)了尼龍11的鐵電性，1994年塑料柔性太陽能電池在美國阿爾貢實驗室研制成功，1997年發(fā)現(xiàn)聚乙炔經(jīng)過摻雜具有金屬導電性，導致了聚苯胺、聚吡咯等一系列導電高分子的

18、問世。 這一切多反映了功能高分子日新月異的發(fā)展。,第一章 緒論,其中從20世紀50年代發(fā)展起來的光敏高分子化學，在光聚合、光交聯(lián)、光降解、熒光以及光導機理的研究方面都取得了重大突破，特別在過去20多年中有了飛快發(fā)展，并在工業(yè)上得到廣泛應用。比如光敏涂料、光致抗蝕劑、光穩(wěn)定劑、光可降解材料、光刻膠、感光性樹脂、以及光致發(fā)光和光致變色高分子材料都已經(jīng)工業(yè)化。 近年來高分子非線性光學材料也取得了突破性的

19、進展。,第一章 緒論,反應型高分子是在有機合成和生物化學領域的重要成果，已經(jīng)開發(fā)出眾多新型高分子試劑和高分子催化劑應用到科研和生產(chǎn)過程中，在提高合成反應的選擇性、簡化工藝過程以及化工過程的綠色化方面做出了貢獻。更重要的是由此發(fā)展而來的固相合成方法和固定化酶技術開創(chuàng)了有機合成機械化、自動化、有機反應定向化的新時代，在分子生物學研究方面起到了關鍵性作用。,第一章 緒論,電活性高分子材料的發(fā)展導致了導電聚合物，聚合物電解質

20、，聚合物電極的出現(xiàn)。此外超導、電致發(fā)光、電致變色聚合物也是近年來的重要研究成果，其中以電致發(fā)光材料制作的彩色顯示器已經(jīng)被日本和美國公司研制成功，有望成為新一代顯示器件。此外眾多化學傳感器和分子電子器件的發(fā)明也得益于電活性聚合物和修飾電極技術的發(fā)展。,第一章 緒論,高分子分離膜材料與分離技術的發(fā)展在復雜體系的分離技術方面獨辟蹊徑，開辟了氣體分離、苦咸水脫鹽、液體消毒等快速、簡便、低耗的新型分離替代技術，也為電化學工業(yè)和醫(yī)

21、藥工業(yè)提供了新型選擇性透過和緩釋材料。目前高分子分離膜在海水淡化方面已經(jīng)成為主角，已經(jīng)擁有制備18萬噸/日純水設備的能力。,第一章 緒論,醫(yī)藥用功能高分子是目前發(fā)展非常迅速的一個領域，高分子藥物、高分子人工組織器官、高分子醫(yī)用材料在定向給藥、器官替代、整形外科和拓展治療范圍方面做出了相當大的貢獻。,第一章 緒論,特種與功能高分子材料是一門涉及范圍廣泛，與眾多學科相關的新興邊緣學科，涉及內容包括有機化學、無機化學、光學

22、、電學、結構化學、生物化學、電子學、甚至醫(yī)學等眾多學科，是目前國內外異常活躍的一個研究領域。 可以說，特種與功能高分子材料在高分子科學中的地位，相當于精細化工在化工領域內的地位。因此也有人稱特種與功能高分子為精細高分子，其內涵指其產(chǎn)品的產(chǎn)量小，產(chǎn)值高，制造工藝復雜。,第一章 緒論,特種與功能高分子材料之所以能成為國內外材料學科的重要研究熱點之一，最主要的原因在于它們具有獨特的“性能”和“功能”，可用于替代其