功能高分子緒論01

1、功能高分子材料Functional polymers,吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(tuán)轉(zhuǎn)移聚合、活性自由基聚合、等離子聚合等等；新結(jié)構(gòu)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(duì)外部作用的抵抗特性。例如，對(duì)外力的抵抗表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度、模量等；對(duì)熱的抵抗表現(xiàn)為耐熱性；對(duì)光、電、化學(xué)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(hào)時(shí)，材料內(nèi)部發(fā)生質(zhì)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(shí)

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(zhì)作用時(shí)，能有選擇地分離出其中某些介質(zhì)，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(dāng)有外部刺激時(shí)，能通過化學(xué)或物理的方法做出響應(yīng)的高分子材料。 高性能高分子則是對(duì)外力有特別強(qiáng)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(duì)于通

4、用高分子而言的。 通用高分子材料：應(yīng)用面廣量大，價(jià)格較低。根據(jù)其性質(zhì)和用途可分為五個(gè)大類：化學(xué)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(xué)、化學(xué)性質(zhì)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(shí)用的角度看，對(duì)功能材料來說，人們著眼于它們所具有的獨(dú)特的功能；而對(duì)高性能材料，人們關(guān)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(xué)科中發(fā)展最快、研究最活躍的新領(lǐng)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(rèn)為，功能高分子可從以下幾個(gè)方面分類。1. 力學(xué)功能材料1) 強(qiáng)化功能材料，如超高強(qiáng)材料、高結(jié)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(xué)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(luò)合物等；2) 反應(yīng)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(yīng)器等。,第一章 緒論,3. 物理化學(xué)功能材料1) 耐高溫高分子，高分子液晶等；2) 電學(xué)功能材料，如導(dǎo)電性高分子、超導(dǎo)高分子，感電子性高分子等；3) 光學(xué)功能材料，如感光高分子、導(dǎo)光性高分子，光敏性高分子等；4) 能量轉(zhuǎn)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(xué)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(shí)際上包括了所有特種高分子材料。,第一章 緒論,國內(nèi)一般采用按其性質(zhì)、功能或?qū)嶋H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(yīng)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(xué)材料、光導(dǎo)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(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(chǔ)材料和光、磁、pH、壓力感應(yīng)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(qiáng)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(jì)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(jì)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(jī)，使原油價(jià)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(chǎng)陷入極為困難的處境。在這樣的經(jīng)濟(jì)背景下，迫使人們?cè)噲D用同

11、樣的原材料，去制備價(jià)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(jì)效益。,第一章 緒論,表1—1 各種高分子材料的產(chǎn)量和價(jià)格比*,* 價(jià)格比以通用高分子為1計(jì)。,第一章 緒論,2. 科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求 80～90年代，科學(xué)技術(shù)有了迅速發(fā)展。能源、信息、電子和生命科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)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(zhuǎn)換材料就成為太陽能利用的關(guān)鍵。硅材料已進(jìn)入了實(shí)用階段。然而，按現(xiàn)在的能量轉(zhuǎn)換效率，對(duì)單晶硅的需要量實(shí)在太大。以日本為例，若利用太陽能達(dá)到當(dāng)前日本電力的1％，就需100 μ的單晶硅至少2.7萬噸。這相當(dāng)于日本目前單晶硅總產(chǎn)量的90倍。為此，人們把注意力轉(zhuǎn)向可高效轉(zhuǎn)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(shù)的要求。既高速又節(jié)約能源是交通運(yùn)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(jī)采用Kavlar增強(qiáng)材料（一種由高分子液晶紡絲而成的高強(qiáng)纖維增強(qiáng)的材料），可省油50％。汽車工業(yè)采用高分子材料而實(shí)現(xiàn)輕型化，從而達(dá)到省油和高速的目的。,第一章 緒論,微電子技術(shù)的要求。高度集成化是微

14、電子工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。存儲(chǔ)容量將從目前的16K發(fā)展到256K。此時(shí)相應(yīng)的電路細(xì)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(guān)鍵材料之一。,第一章 緒論,生命科學(xué)的要求。人類對(duì)生命奧秘的探索，對(duì)建立一個(gè)潔凈、安全的世界的渴望，對(duì)征服癌癥等疾病的努力，均對(duì)高分子材料提出了功能的要求。例如，生物分離介質(zhì)的研制成功，使生命組成的各種組分能得以精細(xì)地分級(jí)，對(duì)生命科學(xué)的貢獻(xiàn)將是十分重大的?？山到庑愿?/p>

15、分子材料的問世，將大大減緩白色公害對(duì)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(jì)建設(shè)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(dāng)然，目前的成就尚處于十分初級(jí)的階段，有待于進(jìn)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(dú)立的完整的學(xué)科，功能高分子是

16、從20世紀(jì)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(jì)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(dǎo)性，打破了多年來認(rèn)為高分子材料只能是絕緣體的觀念。 1966年little提出了超導(dǎo)高分子模型，預(yù)計(jì)了高分子材料超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)的可能性，隨后在1975年發(fā)現(xiàn)了

17、聚氮化硫的超導(dǎo)性。,第一章 緒論,1993年，俄羅斯科學(xué)家報(bào)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(dǎo)體，這是迄今為止唯一報(bào)道的超導(dǎo)性有機(jī)高分子。 20世紀(jì)80年代，高分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜等技術(shù)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(shí)驗(yàn)室研制成功，1997年發(fā)現(xiàn)聚乙炔經(jīng)過摻雜具有金屬導(dǎo)電性，導(dǎo)致了聚苯胺、聚吡咯等一系列導(dǎo)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(jì)50年代發(fā)展起來的光敏高分子化學(xué)，在光聚合、光交聯(lián)、光降解、熒光以及光導(dǎo)機(jī)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(yīng)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(xué)材料也取得了突破性的

19、進(jìn)展。,第一章 緒論,反應(yīng)型高分子是在有機(jī)合成和生物化學(xué)領(lǐng)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(yīng)用到科研和生產(chǎn)過程中，在提高合成反應(yīng)的選擇性、簡(jiǎn)化工藝過程以及化工過程的綠色化方面做出了貢獻(xiàn)。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(shù)開創(chuàng)了有機(jī)合成機(jī)械化、自動(dòng)化、有機(jī)反應(yīng)定向化的新時(shí)代，在分子生物學(xué)研究方面起到了關(guān)鍵性作用。,第一章 緒論,電活性高分子材料的發(fā)展導(dǎo)致了導(dǎo)電聚合物，聚合物電解質(zhì)

20、，聚合物電極的出現(xiàn)。此外超導(dǎo)、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(xué)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(shù)的發(fā)展。,第一章 緒論,高分子分離膜材料與分離技術(shù)的發(fā)展在復(fù)雜體系的分離技術(shù)方面獨(dú)辟蹊徑，開辟了氣體分離、苦咸水脫鹽、液體消毒等快速、簡(jiǎn)便、低耗的新型分離替代技術(shù)，也為電化學(xué)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(shè)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(gè)領(lǐng)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(dāng)大的貢獻(xiàn)。,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(xué)科相關(guān)的新興邊緣學(xué)科，涉及內(nèi)容包括有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、光學(xué)

22、、電學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、生物化學(xué)、電子學(xué)、甚至醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科，是目前國內(nèi)外異?；钴S的一個(gè)研究領(lǐng)域。 可以說，特種與功能高分子材料在高分子科學(xué)中的地位，相當(dāng)于精細(xì)化工在化工領(lǐng)域內(nèi)的地位。因此也有人稱特種與功能高分子為精細(xì)高分子，其內(nèi)涵指其產(chǎn)品的產(chǎn)量小，產(chǎn)值高，制造工藝復(fù)雜。,第一章 緒論,特種與功能高分子材料之所以能成為國內(nèi)外材料學(xué)科的重要研究熱點(diǎn)之一，最主要的原因在于它們具有獨(dú)特的“性能”和“功能”，可用于替代其