前途光明的功能高分子材料

1、鯊魚皮泳衣,輕便賽車,波音757,AV8B 鷂式飛機,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,一般說來，利用其力學性能的高分子，稱為一般高分子，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等；而利用力學性能以外性能的高分子，叫做功能高分子。功能高分子（FP,Functional P

2、olymer）一般帶有官能團，化學結構較復雜，因此，難以按化學結構來分類，一般按照其功能來分類。,按照功能來分類:,1.化學功能,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,3.復合功能,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,按照功能特性通?？煞殖梢韵聨最悾海?）分離材料和化學功能材料

3、（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,從制造和結構的角度考慮： 結構型功能高分子 復合型功能高分子,2000年10月10日，瑞典皇家科學院宣布了2000年諾貝爾化學獎獲得者，美國加利福尼亞大學的物理學家艾倫.J.黑格教授、美國賓夕法尼亞大學的化學家艾倫.G.馬克迪亞米德教授和日本筑波大學的化學家白川英樹教授，因為他們發(fā)現(xiàn)了導電塑料。,,幾種導電高分子的摻雜情況,復合型導電高分子材料是以有

4、機高分子材料為基體,加入一定數(shù)量的導電物質(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電性。與金屬相比較,導電性復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。,復合型導電高分子所采用的復合方法主要有兩種:一種是將親水性聚合物或結構型導電高分子與基體高分子進行共混；另一種則是將各種導電填料填充到基體高分子中。,炭黑是天然的導電材料,其體積電阻率

5、約為0.1～100Ω·cm-1。它不僅原料易得,導電性持久穩(wěn)定,而且可以大幅度調(diào)整復合材料的電阻率(1～108Ω·cm-1)。由炭黑填充制成的復合型導電高分子是目前用途最廣、用量最大的一種導電高分子材料。 金屬纖維的填充量對導電性能的影響規(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電率。,結構型導電高分子是指高分子材料本身或經(jīng)少量摻雜后具有導電

6、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)過適當電子給體或受體摻雜后制得。,離子型導電高分子通常又叫高分子固體電解質(zhì)，其導電時的載流子主要是離子。電子型導電高分子指的是以共軛高分子為主體的導電高分子材料,導電時的載流子是電子(或空穴)，這類材料是目前世界上導電高分子材料研究開發(fā)的重點。,導電高分子是由含?電子的共軛高聚物通過化學或電化學摻雜使其由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷w。,（1）通過控制摻雜度，導電高分子的室溫電導率可在絕緣體-半導體-

7、金屬態(tài)范圍內(nèi)變化。目前最高的室溫電導率可達105S/cm，它可與銅的電導率相比，而重量僅為銅的1/12；（2）導電高分子可拉伸取向。沿拉伸方向電導率隨拉伸度而增加，而垂直拉伸方向的電導率基本不變，呈現(xiàn)強的電導各向異性；（3）盡管導電高分子的室溫電導率可達金屬態(tài)，但它的電導率-溫度依賴性不呈現(xiàn)金屬特性，而服從半導體特性；（4）導電高分子的載流子既不同于金屬的自由電子，也不同于半導體的電子或空穴，而是用孤子、極化子和雙極化子概念描述。

8、,與金屬和半導體相比較，導電高分子的電學性能具有如下特點：,對于導電高分子來說，摻雜的概念不同于常見的無機半導體。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。,導電高分子的摻雜

9、則是通過氧化還原反應實現(xiàn)的。摻雜的方式主要有兩種：化學摻雜法，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；電化學摻雜法，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構與性能的變化；后者時間短，效率高，易于得到導電聚合物薄膜。除此之外，還有諸如酸堿化學摻雜、光摻雜、電荷注入摻雜等方法。,摻雜對于電子導電聚合物導電能力的改

10、變具有非常重要的意義，其導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完成電子轉(zhuǎn)移過程,p型摻雜劑——在摻雜反應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

11、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——在摻雜反應中作為電子的給予體。常見的有堿金屬：Li,Na,K等；在電化學摻雜中常用R4N+，R4P+(R=CH3，C6H5等),p型摻雜是由于導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或化學方法完

12、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-y?x(聚合物-y)x + （xy）M+ ? ?M+y(聚合物-y) ?x,導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

13、的電導率較低的不足；(3)易于合成和進行分子設計、材料設計,從而能較好地滿足科學技術對這類功能材料提出的各種要求；(4)原料來源廣,應用：,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、設備進行電磁波屏蔽是極為重要的。直接使用混有導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、碳纖維的導電涂料

14、、通過電鍍金屬將外殼覆蓋等等更為方便。,電子元件(二極管、晶體管、場效應晶體管等) 導電高分子材料在摻雜狀態(tài)具有半導體或金屬的電導性,去摻雜時表現(xiàn)為絕緣體或半導體,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 由于可以對導電高分子的厚度、密度和導電性進行調(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?c

15、m-1。導電高分子作為微波吸收材料,其薄膜重量輕、柔性好,可作任何設備(包括飛機)的蒙皮。,隱身材料 所謂隱身材料是指能夠減少軍事目標的雷達特征、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偵查的主要手段,所以雷達波吸收材料的研制是關鍵。自從導電聚合物的出現(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

16、隱身戰(zhàn)斗機和偵察機制造“靈巧蒙皮”的設想和計劃奠定了基礎，進一步刺激了導電聚合物雷達隱身技術的發(fā)展。,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、水、微生物、昆蟲以及機械力等的作用下,使其化學結構在較短時間內(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。,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,化學合成,氧化降解,復合降解,光生物雙降解,(

17、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,可使其化學結構發(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。,,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

18、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。,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、力學性能和優(yōu)

19、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。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。,化學合成型生物降解高分子：該類生物降解高

20、分子材料多是在分子結構中引入酯基結構的聚酯。工業(yè)化的有聚乳酸(PLA)和聚己內(nèi)酯(PCL)。PLA在醫(yī)學領域內(nèi)被認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,所以應用前景較好,但是降解機理仍不完全清楚。,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)

21、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,但力學和熱學性能不佳。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、

22、膜和纖維,應用廣泛。,(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，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。,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

23、以引發(fā)光降解反應,其降解速度與光敏劑含量有關。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?shù)挠昧俊?除了以上光降解高分子外,還有一類重要的合成光降解高分子，即通過共聚反應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。,(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

24、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。,生物降解高分子材料的一大應用領域是在農(nóng)業(yè)上。在適當?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

25、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。另外,降解塑料自身技術如更合理的工藝配方、準確的降解時控性、用后快速降解性、徹底降解性以及邊角料的回收利用技術等還有待進一步提高和完善。,吸附劑的分類：,(1)非離子型高分子吸附劑

26、 非離子型吸附樹脂主要是指在分子結構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。,(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

27、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。,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型的要求。 螯合基團是一類含有多個

28、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。,(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構：一部分是高分子骨架，其作用是擔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條件；另一部分是離子交換基團，它是離子交換

29、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。,離子型吸附樹脂的主要功能之一是對相應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、化學組成和立體結構等等。 一般來說，由于使用

30、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。,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

31、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。,高吸水性樹脂的結構特征：,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)結構；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,吸油性高分子：,高吸油性樹脂是一種

32、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┑取?高吸油性樹脂的結構特征：,高分子之間形成一種三維的交聯(lián)網(wǎng)狀結構，材料內(nèi)部具有一定微孔結構。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。基于交聯(lián)的存在，該樹脂不溶于油中。由此可見,交聯(lián)度和親油性

33、基團與高吸油性樹脂的性能有密切關系。,當將高吸油性樹脂投入油中時,剛開始是分子擴散控制,當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著，因此仍然是分子擴散控制；當油分子進入足夠多，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推動力推動(即由熱力學不平衡態(tài)向平衡態(tài)方向進行)。當高分子充分溶脹，從高分子彈性

34、力學模型可知，高分子鏈伸展到一定程度會慢慢回縮,即存在彈性回縮力，最終達到熱力學平衡態(tài)。,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構和形態(tài)等內(nèi)在因素的影響，還與使用環(huán)境關系密切：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,應用：,在農(nóng)業(yè)方面，由于具有驚人的吸水能力，常常作為

35、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。,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

36、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用最早，也是現(xiàn)在使用量最多的領域之一。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。,三廢

37、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。當和其它材料組合形成的復合材料,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。,芳香劑、殺蟲劑、誘魚劑基材 將吸收了如芳香劑的高吸油性

38、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,且當油溶脹后,強度損失很小，其中高吸油性樹脂占5%～30%(質(zhì)量)。,高分子功能膜的分類,按構成膜的材

39、料分——天然高分子膜、有機合成高 分子膜,按膜的結構分(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,(4)按膜材料的宏觀外形結構分(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

40、積最小。(b)中空纖維膜：主要應用于血液透析設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。,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

41、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。,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

42、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,(1)反滲透膜 反滲透膜主要是不對稱膜、復合膜和中空纖維膜。不對稱膜的表面活性層上的微孔很小（約2nm），大孔支撐層為海綿狀結構；復合膜由超薄膜和多孔支撐層等組成。超薄膜很薄，只有0.4?m

43、，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。,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，應用普遍。芳香聚酰胺膜具有優(yōu)越的機械強度，化學性能穩(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)。,反滲透裝置已成功地應用于海水脫鹽，并達到飲用級的

44、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(Reverse Osmosis )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。,(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

45、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0.1-1.5?m，膜的分離性質(zhì)主要取決于這一層。支撐層的厚度為50-250?m，起支撐作用，它決定膜的機械強度，呈多孔狀。,超濾膜分離技術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 。,(3)微濾膜 微濾膜是指孔徑

46、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。當濃度較低時，常常使用一次性濾膜；當濃度較高時，需要選擇可以反復使用的膜。,(4)氣體分離膜 氣體分離中常用的高分子膜，是非對稱的或復合膜，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。,膜反應器和膜催化：,膜過程初期的應用往往只

47、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。,膜反應器是膜和化學反應或生物反應相結合的系統(tǒng)或設備，在反應系統(tǒng)中引入膜技術，可以實現(xiàn)強化反應過程的目標。,(1)產(chǎn)物原位分離膜反應技術適用于可逆反應、串聯(lián)反應和產(chǎn)物抑制體系，以提高反應效率。,(2)反應物控制輸入膜反應技術對于高濃度反應物會加速副反應速度或影響產(chǎn)物品質(zhì)的體系，控制輸入膜反應

48、技術可以有效的降低反應物中B的濃度，達到提高反應選擇性的目的。,(3)多相膜反應和萃取膜反應,親水的含有脂肪酶的酶膜將反應器分隔為兩部分。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-酸。而D-酯因脂肪酶的高水解選擇性而不參與反應，也不溶于水相，將隨著底物流離開反應器，從而將消旋的L、D酯拆分。,(5)催化膜 在膜反應器中，利用膜的載體功能將催化劑固定在膜

49、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。在反應涉及加氫、脫氫、氧化以及與氧的生成有關的體系時，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物和生成物的分離率來決定的。,應用：,(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)和使排放污水達標的雙重作用。 UF（超濾）和RO膜可用于電影照相工業(yè)

50、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、生物反應器和微濾。,(2)食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè) 工業(yè)發(fā)達導致的水質(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擴大到蒸餾水、太空水(均系經(jīng)RO過濾的純水)。軟飲料裝瓶

51、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。,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。,(3)水資源再利用

52、 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備。,日本醫(yī)學家將蠶絲溶解、干燥制成一種超純絲素膜,附上

53、與抗原反應的單克隆抗體后,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體的絕緣膜和液晶顯示器的基盤膜等。,醫(yī)用高分子材料是一類可對有機體

54、組織進行修復、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。,“醫(yī)用級”標準：(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、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。,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

55、強或控制某種特定生物活性作用的化學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相互作用時誘導產(chǎn)生生物學響應。,人工關節(jié),理想的人工關節(jié)材料有聚乙烯,因其耐磨性優(yōu)于不銹鋼,用骨水泥作成骨用黏合劑,很受醫(yī)學的重視。骨水泥是用甲基丙烯酸甲酯為單體, 甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸乙酯共聚物為聚合物加入有機過氧化物引發(fā)劑,少量對二苯酚,聚合反應后制成。,在高分子載體上固定酶、抗體或抗原等生物活性物質(zhì)的研究

56、和應用是個龐大而又十分活躍的領域，已經(jīng)廣泛用于分析、診斷，尤其是微量、快速、精確的診斷、控制和調(diào)理方面，而且在純化、分離某些特定的分子、蛋白質(zhì)，乃至活的細胞上也卓有成效，并可用于查明病因。,在高分子尤其是在聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇等合成纖維上引進5-硝基呋喃基丙烯醇等各種抗菌劑或高分子與多種金屬的絡合物又可形成一類新的抗菌高分子材料，它們已被用作縫線、長期植入體內(nèi)的導管以及作燒傷敷料以保護和促進傷口的愈合。這些高分子材料還可以制成防菌、防

57、酶的各種織物、凈化膜和涂料等。,還有一類本身就具有生物活性的含陰離子高分子，或簡稱為聚陰離子，如聚羧酸類高分子在生物體內(nèi)可誘發(fā)產(chǎn)生干擾素，具有抗病毒活性，且能抑制腫瘤細胞的生長而對健康細胞沒有影響。肝素是天然存在的含硫酸酯基和羧酸基等負離子基的多糖，是極強的抗凝血劑。而后發(fā)現(xiàn)肝素還能抗有絲分裂，甚至能抑制人體免疫缺損病毒的活性。,生物高分子材料中的血液相溶性材料也是目前研究較多的，主要應用于抗血栓、抗凝血等方面。血液與異物接觸會出現(xiàn)凝血

58、現(xiàn)象。所謂凝血，就是血漿中的可溶性纖維蛋白原轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗芙獾睦w維蛋白，血漿從溶膠態(tài)變?yōu)槟z態(tài)。異物表面對促成凝血栓塞具有決定性作用。因此，提高異物表面的抗凝血性能是研究抗凝血材料的主攻方向。,藥用高分子,藥用高分子一般包括：(a)高分子緩釋藥物載體：時間控制緩釋體系(如康泰克等,理想情形為零級釋放)、部位控制緩釋體系；(b)高分子藥物：抗癌高分子藥物(非靶向、靶向)、用于心血管疾病的高分子藥物(治療動脈硬化、抗血栓、凝血)、抗菌和抗病

59、毒高分子藥物、抗輻射高分子藥物、高分子止血劑；(c)藥物制劑和包裝用高分子材料：藥物制劑用高分子材料(液狀制劑中的高分子增稠劑、稀釋劑、分散劑和消泡劑;固體制劑中的高分子粘合劑、包衣劑和涂膜劑、微膠囊等。),依照材料的來源分，包括天然高分子藥物緩釋材料和合成高分子藥物緩釋材料兩大類。按生物降解的性能來分，包括生物降解型和非生物降解型兩類。根據(jù)制劑形態(tài)分，有微膠囊型、微球型、植入片型、包衣型、水凝膠型和薄膜型等。根據(jù)高分子材

60、料和活性藥物的結合形態(tài)分，又有包裹型、混合型和共價鍵連接型。,擴散控制體系是藥物通過擴散運動通過高分子膜或高分子溶脹體系進入人體組織或系統(tǒng)，這是目前采用最廣泛的藥物緩釋形式； 化學反應控制體系是通過小分子藥物與高分子骨架之間連接鍵的分解速度來控制，它包括兩種形式——降解體系和側(cè)鏈分解體系； 溶劑活化體系中，控制藥物釋放的是所用溶劑對藥物分子的溶解作用、對高分子載體的溶脹作用和藥物分子的擴散作用等綜合作用的結果；

61、磁性藥物控制釋放體系將藥物與磁性微?；旌?，共同包埋在聚合物微型載體內(nèi)，所載藥物在外磁場的作用下控制釋放。,醫(yī)療功能高分子的問世到廣泛應用，促進了醫(yī)學特別是臨床醫(yī)學的發(fā)展。但是，作為材料，無論是天然的還是 合成的，無論從本身的性能和生物功能，尚不能與人體自身器官組織相比。 當前國際上發(fā)展的前沿趨勢是醫(yī)療功能材料的“生物化”，即將生物體的組織、細胞或活性物質(zhì)通過生物活性生長于活性材料中，制成“生物雜化材料”，使其更接近于人體的天然性能