我功能高分子课件-第一章-总论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,高 分 子 科 学,研究高分子化合物的合成、,反应及机理等。,研究高分子的结构与性能的关系，为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。,研究聚合物加工成型的原理与工艺。,Polymer Science,重要的基础学科,数学,物理学,工程学,其它,化学,其它,学科,生命,科学,电子学,高分子,科学,在科学的整体发展中：高分子科学处于多种学科的交汇点上，,为其发展提供了良好的学科环境。,高分子材料的应用,衣,食,行,住,用,科技,常规高分子,塑料,橡胶,纤维,常规高分子,粘胶剂,涂料,天然高分子,多糖类、多肽类、核酸,DNA分子的双螺旋结构,deoxyribonucleic acid,两股DNA长链像转圈的楼梯扶手架，围绕一个中心轴盘旋，走向相反，外侧为磷酸基团，内侧为四种碱基，通过碱基对(30亿)的氢键形成双螺旋结构。,H,O,C、N：,在碱基中,C：,在磷酸酯键中,P,H,|,H,2,NCCOOH,|,R,COOH,|,H-NHCH,|,R,+,H COOH,|,H,2,NCCONHCH,|,R,R,肽键,C，H，O，N，S,蛋白质 Protein,涤纶做基料的,风帆、热气球,常,规,高,分,子,材,料,合成高分子,日用橡胶制品,日化产品外包装,腈纶毛织品,塑料建材、产品包装、电缆护套,工程塑料制品,各种合成橡胶制品,功能高分子材料,赵文元、王亦军著,本课程的主要内容,第一章,功能高分子材料总论（简介）,第二章,反应型高分子材料,第三章,导电高分子材料,第三章,电活性高分子材料,第五章,高分子液晶材料,第六章,高分子功能膜材料,第七章,光敏高分子材料,第八章,吸附性高分子材料,第九章,医用高分子材料,功能高分子的最新发展（功能高分子的纳米化和智能化）、讨论和总结,考试成绩评定,：,1.平时成绩 20%,2.期中考试约 30%,3.期末考试约 50%,第一章 功能高分子材料总论,1.1 功能高分子材料概述,一、功能高分子材料的研究内容,功能高分子材料的主要研究内容包括,：,功能高分子材料的,新的制备方法,、,物理化学性能表征,、,结构与性能关系,及,开发应用,等四个方面。,2、,功能高分子材料研究的,基本目的,：,研究高分子骨架、功能化基团、以及分子组成和材料宏观结构形态与材料功能之间的关系，为充分利用现有高分子材料功能和开发新型功能材料提供理论依据。,1、,功能高分子材料的研究、开发与利用对现有材料进行更新换代和发展新型功能材料具有重要意义。,二、研究功能高分子材料的目的和意义,功能高分子材料的发展可以追溯到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的研究和发展历史。但是作为一门独立完整的学科是从20世纪80年代开始的。,功能高分子材料是目前国内外异常活跃的一个研究领域。每年都有大量的有关文献报道涌现。,三、功能高分子材料的发展历程,四、功能高分子材料的分类方法,国内一般采用按其性质、功能或实际用途划分,特种和功能高分子材料的，具体可划分为8种类型。,1.反应性高分子材料,，包括高分子试剂、高分子催,化剂和高分子染料，特别是高分子固相合成试剂和,固定化酶试剂等。,2.光敏型高分子,，包括各种光稳定剂、光刻胶，感,光材料、非线性光学材料、光导材料和光致变色材,料等。,3.电性能高分子材料,，包括导电聚合物、能量转换,型聚合物、电致发光和电致变色材料以及其他电敏,感性材料等。,4.高分子分离材料,，包括各种分离膜、缓释膜和其,他半透性膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、,高分子絮凝剂等。,5.高分子吸附材料,，包括高分子吸附性树脂、高吸,水性高分子、高吸油性高分子等。,6.高分子智能材料,，包括高分子记忆材料、信息存,储材料和光、磁、pH、压力感应材料等。,7.医药用高分子材料,，包括医用高分子材料、药用,高分子材料和医药用辅助材料等。,8.高性能工程材料,，如高分子液晶材料，耐高温高,分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子,材料和功能纤维材料、生物降解高分子等。,1.2 功能高分子的结构与性能的关系,功能高分子化学的主要研究,目的之一,是:为现有材料的利用和新型功能材料开发提供理论依据。那么,研究材料的性能与其结构的,关系，即材料的构效关系就显得格外重要。,只有了解了构效关系，才有可能为已有功能材料的改进和新型功能材料的研制提供设计方法。,一、功能高分子材料的结构层次,1、,构成材料分子的元素组成,元素是构成任何化合物的基础，不同元素间电子结构和核结构的不同造成其性质的不同，如金属性、氧化还原性等，也是形成不同化学键的主要因素。,因此，,元素组成,是影响,材料性能,最基本的因素之一。,2、,材料分子中的官能团结构,在有机化学中,官能团,是由分子中有限的元素种类，通过共价键组合成的特殊结构。,官能团,决定了分子的物理化学性质。,因此，材料的许多物理化学性质也与官能团密切相关。,3、,聚合物的链段结构,作为聚合物大分子，分子结构中的一个重要部分是,骨架的链段结构,，聚合物一般都由结构相同或相似的结构片段连接而成，这种结构片段称为,链段,。链段结构主要影响材料的物理化学性质，同时，聚合物的链段结构对于反应型高分子的立体选择也非常重要。,4、,高分子的微观构象结构,高分子的微观构象结构主要取决于材料的分子间力，也与材料分子的周围环境有关。微观构象结构直接影响材料的渗透性、机械强度、结晶度、溶液粘度等。,5、,材料的超高分子结构和聚集态,材料的超高分子结构和聚集态包括：分子的排列方式和晶态结构等。高分子液晶的性能在相当大程度上取决于分子的超分子结构和聚集态。,6、,材料的宏观结构,宏观结构包括材料的立体形状、宏观尺寸、结合形式、复合结构等。许多有功能材料制备的的各种光电子器件、功能器件的功能都与其宏观结构密切相关。,功能高分子材料的构效关系就是由上述结构的变化产生性能变化之间的因果关系。所以人们期待的特殊功能都与其上述结构相关联。因此，,功能高分子材料的结构,是功能高分子材料研究的基础部分。,二、功能高分子材料构效关系分析,1、,官能团的性质与聚合物功能之间的关系,a,、,功能高分子材料,性质主要取决于所含的官能团的,。,在这一类功能高分子材料的研究开发中都是围绕着官能团发挥的作用而展开的，这类材料主要是将功能小分子通过高分子化过程得到的，其性质主要依赖与结构中的官能团的性质。,着重讲述功能高分子与功能型小分子、普通聚合物之间相比较，产生的特殊构效关系的一般规律。,b,、,功能高分子材料性质,取决于聚合物骨架与官能团协同作用,官能团的作用需要通过与高分子骨架的结合或者通过高分子骨架与其他官能团相互结合而发挥作用,c,、,官能团与聚合物骨架不能区分,官能团与聚合物骨架在形态上不能区分，也就是说官能团是聚合物骨架的一部分，或者说聚合物骨架本身起着官能团的作用。,d,、,官能团在高分子材料中仅起辅助作用,除了上面三种情况以外，也有以聚合物骨架为完成所谓功能过程的主体，而所谓官能团仅仅起辅助效应.,2、功能高分子材料中,聚合物骨架的作用,（1）、溶解度下降效应,（2）、高分子骨架的机械支撑作用,（3）、高分子骨架的模板效应,（4）、高分子骨架的稳定作用,（5）、高分子骨架的其他作用,3、,聚合物骨架的种类和形态对其性能的影响,根据聚合物的化学形态，可以将聚合物骨架主要分成两种，,一种是,线性聚合物,，即聚合物有一条较长的主链，没有或较少分支；,另一种是,交联聚合物,，是线性聚合物通过交联剂反应生成的网状大分子。,这两种聚合物具有明显不同的物理化学性质，作为功能高分子材料的骨架，根据其使用范围不同，相互间具有各自的优缺点。,三、高分子材料与功能相关的其他性质,1、,聚合物的溶胀和溶解性质,2、,聚合物的多孔性,3、,聚合物的渗透性,4、,功能高分子材料的稳定性,功能高分子材料的特点在于他们特殊的“功能”，因此在制备这些高分子材料的时候，分子设计成为十分关键的研究内容。,设计一种能满足一定需要的功能高分子材料是高分子化学研究的一项主要目标。,具有良好性质与功能的高分子材料的制备成功与否，在很大程度上取决于,设计方法,和,制备路线,的制定。,1.3 功能高分子的制备方法,功能高分子材料的制备是通过化学或者物理的方法按照材料的设计要求将,功能基,与,高分子骨架,相结合，从而实现预定功能的。,从目前采用的制备方法来看，功能高分子材料的制备可归纳为以下四种类型：,功能性小分子材料的高分子化,已有通用高分子材料的功能化,多功能材料的复合,已有功能高分子材料的功能扩展,1、功能性小分子的高分子化,(1)功能性小分子单体直接发生,聚合反应,(2)功能性小分子通过,聚合包埋,与高分子材料结合,优点：,生成的功能高分子功能基分布均匀,聚合物结构可以通过聚合机理预先设计,产物的稳定性较好,缺点：,在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入常常,需要复杂的合成反应,要求在反应中,不破坏原有结构和功能,当需要引入的功能基稳定性不好时,需要加以保护,有时引入功能基后对,单体聚合的活性会有影响,(1)功能性小分子单体直接发生,聚合反应,通过在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体，然后进行均聚或共聚反应生成功能聚合物。这些可聚合功能性单体中的可聚合基团一般为,双键、羟基、羧基、氨基、环氧基、酰氯基、吡咯基、噻吩基,等基团。,发生,加成聚合,反应，,开环聚合,反应，,缩聚,反应以及,氧化偶合,反应。,吡咯基、噻吩基,Z为连接基团，R为功能型小分子,丙烯酸,分子中带有双键，同时又带有活性羧基。,经过自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共,聚物，可以作为,弱酸性离子交换树脂、高吸水性树,脂,等应用。这是带有功能性基团的单体聚合制备功,能高分子的简单例子。,将含有环氧基团的低分子量双酚环氧树脂,与丙烯酸反应，得到,含双键的环氧丙烯酸酯,，这种,单体在制备光敏高分子材料方面有广泛的应用。,除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，,采用多,种单体进行共聚反应制备功能高分子,也是一种常见,的方法。特别是当需要控制聚合物中功能基团的分,布和密度时，或者需要调节聚合物的物理化学性质,时，共聚可能是最行之有效的解决办法。,该方法是利用生成高分子的束缚作用将功能性小分子以某种形式包埋固定在高分子材料中来制备功能高分子材料。在聚合反应之前，向单体溶液中加入小分子功能化合物，在聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。,在,高分子药物、固定化酶,的制备方面有独到的优势。,(2)功能性小分子通过聚合包埋与高分子 材料结合,用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架与小分子功能化合物之间没有化学键连接，固化作用通过聚合物的包络作用来完成。这种方法制备的功能高分子类似于用共混方法制备的高分子材料，但是均匀性更好。此方法的优点是,方法简便，功能小分子的性质不受聚合物性质的影响，因此特别适宜酶等对环境敏感材料的固化,。缺点是在,使用过程中包络的小分子功能化合物容易逐步失去,，特别是在溶胀条件下使用，将加快固化酶的失活过程。,例如，维生素C在,空气中极易被氧化而变黄,。,采用溶剂蒸发法研制以乙基纤维素、羟丙基甲基纤,维素苯二甲酸酯等聚合物为外壳材料的维生素C微,胶囊，达到了延缓氧化变黄的效果。将维生素C微,胶囊,暴露于空气中一个月，外观可保持干燥状态，,色泽略黄,。这种维生素C微胶囊进入人体后，两小,时内可完全溶解释放。,2.已有高分子材料的功能化,(1)利用,化学反应,将,活性功能基,引入聚合物骨架,(2),功能性小分子,与聚合物,共混,价格低廉的通用材料,较容易地接上功能性基团,来源丰富,具有机械、热、化学稳定性,可选材料的特点,目前常见的品种,聚苯乙烯,聚氯乙烯,聚乙烯醇,聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物,聚丙烯酰胺,聚环氧氯丙烷及其共聚物,纤维素,（1）利用,化学反应,将,活性功能基,引入聚合物骨架,例子：,小分子过氧酸是常用的强氧化剂，在有机合成,中是重要的试剂。但是，这种小分子过氧酸的主要,缺点在于,稳定性不好,，容易发生,爆炸和失效,，不便,于储存。反应后产生的羧酸也不容易除掉，经常影,响产品的纯度。将其引入高分子骨架后形成的高分,子过氧酸，,挥发性和溶解性,下降，,稳定性,提高。,小分子氧化剂：,不稳定。易爆，易燃，易分解失效，贮存、运输、使用困难,高分子氧化剂：,稳定性好，贮存、运输、使用方便,聚苯乙烯,芳环上的取代反应,聚苯乙烯分子中的苯环比较活泼，可以进行一系列的芳香取代反应，如,磺化、氯甲基化、卤化、硝化、锂化、烷基化、羧基化、氨基化,等等，因此是功能高分子制备中最常用的骨架母体。,聚苯乙烯磺化、氯甲基化,聚乙烯醇的变化,聚乙烯醇可与多种低分子化合物反应，形成各种各样的功能高分子,聚醋酸乙烯酯的醇解制备聚乙烯醇,可用于在聚乙烯醇结构中引入活性基团的反应,例子：,青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十分普遍。它具有易吸收，见效快的特点，但也有排泄快的缺点。利用青霉素结构中的,羧基,、,氨基,与高分子反应，可得到疗效长的高分子青霉素。例如将青霉素与,乙烯醇乙烯胺,共聚物以,酰胺键,相结合，得到水溶性的药物高分子，这种高分子青霉素在人体内的停留时间为低分子青霉素的3040倍。,（2）带有功能性基团的小分子与高分子骨架的结合,这种制备方法的好处是可以,利用廉价的商品化聚合物,，并且通过对高分子材料的选择，使得到的功能高分子材料,机械性能比较有保障,。,主要是通过小分子功能化合物与聚合物的,共混和复合,来实现。,比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧化,物的固化等。与化学法相比，通过与聚合物共混制,备功能高分子的主要缺点是,共混物不够稳定，在使,用条件下（如溶胀、成膜等）功能聚合物容易由于,功能性小分子的流失而逐步失去活性,。,3.功能高分子材料的多功能复合,将两种以上的功能高分子材料以某种方式结合，有可能产生新的性质，具有任何单一功能高分子均不具备的性能，将形成新的功能材料，这一结合过程被称为功能高分材料的多功能复合过程。,4、已有功能高分子材料的功能扩展,在同一种功能材料中，甚至在同一个分子中引入两种以上的功能基团也是制备新型功能聚合物的一种方法。以这种方法制备的聚合物，或者集多种功能于一身，或者两种功能协同，创造出新的功能。,后面章节的学习方法：-带着问题学习！,1、如何制备,2、有何结构特点？,3、结构如何影响性能？,4、有何应用？,5、目前有何不足？,