功能高分子课件第一章总论.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,*,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,功能高分子课件第一章总论,第一页，共60页。,功能高分子材料,建立在高分子化学与高分子物理基础上，与物理学、生物学、医学密切联系的一门学科，,20,世纪,80,年代中后期开始作为一门完整的学科,研究功能高分子材料的,合成与制备,、,组成与结构,、,构效关系,及,开发应用,各组元本身及四者之间的相互依赖关系的规律,.,功能高分子材料是研究什么的？,第二页，共60页。,功能高分子也称为精细高分子或特种高分子，至今还没有一个准确的定义，一般是指具有,传递,、,转换,或,贮存,物质,、,能量,和,信息,作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有特殊的物理功能和化学功能的高分子及其复合材料。,这些物理功能和化学功能包括,光敏性,、,导电性,、,能量转换性,、,磁性,、,选择分离性,、,化学反应活性,、,催化性,、,生物兼容性,、,药理性,等。,什么样的材料才是功能高分子材料？,第三页，共60页。,功能高分子材料是,高分子专业,学生的一门重要的课程,学习本课程主要是为了让大家了解我们正在,使用,哪些功能高分子材料，我们需要继续,改进,哪些功能高分子材料，我们还需要,创造,哪些功能高分子材料。,关于这门课程,第四页，共60页。,本课程的主要内容（,36,）,第一章,功能高分子的概念与制备基础（简介）,智能水凝胶,第二章,反应性功能高分子,（,试剂和催化剂,）,第三章,导电高分子,第四章,电活性高分子,第五章,高分子液晶,第七章,光敏高分子（,光敏涂料、光致变色高分子、光导电高分子）,第八章,吸附性高分子,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,第五页，共60页。,本课程主要讲述应用较广以及新型的功能高分子材料，要求掌握它们的基本概念、基本原理、基本知识和实际应用，即材料的组成、结构与性能之间的关系及主要应用，同时了解功能高分子材料的最新发展情况。,本课程的基本要求,第六页，共60页。,推荐教材及参考书,功能高分子，潘才元编著，科学出版社，2006年,功能高分子材料，赵文元，王亦军编著，化学工业出版社，2021年,功能高分子材料，焦剑 姚军燕主编，化学工业出版社，2007年,功能高分子材料，王国建、王德海、邱军、赵立群编著，华东理工大学出版社，2006年,功能高分子材料，马建标主编，化学工业出版社，2000年,功能高分子与新技术，何天白、胡汉杰主编，化学工业出版社，2001年,第七页，共60页。,第一章 功能高分子材料总论,功能高分子的概念、构效关系与制备基础,第八页，共60页。,根据性质和用途,塑 料,纤 维,橡 胶,涂 料,胶粘剂,功能高分子,具有可逆形变的高弹性材料。,纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的,100,倍。,涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料,能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料,具有特殊功能与用途的精细高分子材料,以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。,高分子：,第九页，共60页。,常规高分子,塑料,橡胶,纤维,第十页，共60页。,常规高分子,粘胶剂,涂料,第十一页，共60页。,e.g 3,：,502,胶,在空气中固化，实质是空气中微量水引发阴离子聚合,氰基丙烯酸乙酯,第十二页，共60页。,轻便赛车,波音,757,第十三页，共60页。,高分子材料科学的历史回顾,高分子的概念始于,20,世纪,20,年代，但应用更早。,1839,年，美国人,Goodyear,发明硫化橡胶。,1889,年，法国人,De Chardonnet,（夏尔多内）发明人造丝。,1907,年，酚醛树脂诞生。,第十四页，共60页。,1920,年，德国人,Staudinger,发表了“论聚合”的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。,1935,年，,Carothes,发明尼龙,66,，,1938,年工业化。,30,年代，一系列烯烃类加聚物被合成出来并工业化，,PVC,（,1927,1937,），,PVAc,（,1936,），,PMMA,（,1927,1931,），,PS,（,1934,1937,），,LDPE,（,1939,）。自由基聚合发展。,第十五页，共60页。,第三章 导电高分子 第四章 电活性高分子,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。,第二十八页，共60页。,3 功能高分子的制备方法,光敏型高分子，包括各种光稳定剂、光刻胶，感,致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成,特种和功能高分子材料的划分普遍采用的方法，具,功能高分子材料是研究什么的？,50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂，制得高密度PE和有规PP，低级烯烃得到利用。,PA，聚酰胺，用作纤维和工程塑料,有时引入功能基后对单体聚合的活性会有影响,聚醋酸乙烯酯的醇解制备聚乙烯醇,子过氧酸，挥发性和溶解性下降，稳定性提高。,分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子,(2)功能性小分子与聚合物共混,合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机械化、,高分子溶液理论在,30,年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。,Flory,为此获得诺贝尔奖。,40,年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（,1937,），丁腈橡胶（,1937,），丁基橡胶（,1940,），有机氟材料（,1943,），,ABS,（,1947,），涤纶树脂（,1940,1950,）。,50,年代，,Ziegler,和,Natta,发明配位聚合催化剂，制得高密度,PE,和有规,PP,，低级烯烃得到利用,。,第十六页，共60页。,1956,年，美国人,Szwarc,发明活性阴离子聚合，开创了高分子结构设计的先河。,50,年后期至,60,年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（,1956,），聚碳酸酯（,1957,），聚砜（,1965,），聚苯醚（,1964,），聚酰亚胺（,1962,）。,60,年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。,特种高分子：高强度、耐高温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。,第十七页，共60页。,高分子的发展方向：,通用高分子的高性能化和高分子的多功能化,第十八页，共60页。,偏光显微镜下的高分子液晶,功能高分子,第十九页，共60页。,电致发光高分子,第二十页，共60页。,第二十一页，共60页。,品 种,主要产品举例,产量,/,万吨,/,年,价格比,通用高分子材料,LDPE,，,HDPE,，,PVC,，,PP,，,PS,1000,1,中间高分子材料,ABS,，,PMMA,100,1000,1,2,工程高分子材料,PA,，,PC,，,POM,，,PBT,，,PPO,20,80,2,4,特种高分子材料,有机氟材料，耐热性高分子，各种功能高分子,1,20,10,100,价格比以通用高分子为,1,计。,各种高分子材料的产量和价格比*,PA,，聚酰胺，用作纤维和工程塑料,PC,，聚碳酸酯，重要的工程塑料,POM,，聚甲醛，高熔点、高结晶性的热塑性工程塑料,PBT,，聚对苯二甲酸丁二醇酯,PPO,，聚苯醚，耐高温塑料,第二十二页，共60页。,1.1,功能高分子的定义、特点及分类,1,、功能,高分子的基本概念：,功能高分子是指高分子的主链或侧链上具有反应性官能团，因而具有特定（物理，化学或生物活性等）功能的大分子,.,（例如：）,IUPAC definition,:(,International Union of Pure and Applied Chemistry,),Functional polymer:,1.Polymer that bears,specified chemical groups,or,2.polymer that has,specified physical,chemical,biological,pharmacological,or other uses,which depend on specific chemical groups.,第二十三页，共60页。,2,、,功能高分子的特点,1.,用途特殊，专一性强,2.,品种多，用量不大,3.,质量轻（与其它功能材料相比）,4.,制备途径多，可设计性强,第二十四页，共60页。,3,、功能高分子材料的类别,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划分普遍采用的方法，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。,第二十五页，共60页。,功能高分子材料的类别,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。,第二十六页，共60页。,功能高分子材料的类别,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。,第二十七页，共60页。,反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的,重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分,子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反,应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化,方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来的,固相,合成方法,和,固定化酶技术,开创了有机合成机械化、,自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学,研究方面起到了关键性作用。,反应型高分子材料,第二十八页，共60页。,电活性高分子材料,电活性高分子材料的发展导致了,导电聚合物,，,聚合物电解质,，,聚合物电极,的出现。此外,超导、电,致发光、电致变色聚合物,也是近年来的重要研究成,果，其中以,电致发光材料,制作的彩色显示器已经被,日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器,件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也,得益于,电活性聚合物和修饰电极,技术的发展。,第二十九页，共60页。,高分子分离膜,材料,高分子分离膜,材料与分离技术的发展在复杂体,系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了,气体分离、苦,咸水脱盐、液体消毒,等快速、简便、低耗的新型分,离替代技术，也为电化学工业和医药工业提供了新,型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在,海,水淡化,方面已经成为主角，已经拥有制备,18,万吨,/,日,纯水设备的能力。,第三十页，共60页。,医药用功能高分子材料,医药用功能高分子,是目前发展非常迅速的一个,领域，,高分子药物、高分子人工组织器官在定向给药、器官替代、整形外科和拓展治疗,范围方面做出了相当大的贡献。,第三十一页，共60页。,光敏高分子,化学，在,光聚合、光交联、光降解、荧光,以及,光导机理,的研究方面都取得了重大突破，特别在过去,20,多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如,光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、,以及,光致发光,和,光致变色高分子材料,都已经工业化。近年来,高分子非线性光学材料,也取得了突破性进展。,光敏高分子材料,第三十二页，共60页。,1.2,功能高分子的构效关系,结构,与,性能,的之间的关系，也就是说材料的结构如何影响材料的性能和使用效果,新材料的设计必须了解,构效关系！,什么样才是属于构效关系呢？比如说一般设计亲水性材料，必须设法引进亲水性的集团如,-OH,-COOH,设计阻燃材料分子中必须引进,P,S,Br,等阻燃元素，,gel,的设计,第三十三页，共60页。,高分子的结构非常复杂,高分子的结构对高分子的性能表现出的影响规律也非常复杂,把握这些规律就可掌握一般的构效关系，从而为材料的设计打好基础,了解高分子的结构层次,第三十四页，共60页。,高 分 子 的 结 构 特点：,多重性,和,复杂性,第三十五页，共60页。,构效关系我们在以后的章节中将要详细讲述。,课下请认真阅读自己的高分子物理课本中的关于高分子的结构的章节。,第三十六页，共60页。,1.3,功能高分子的制备方法,第三十七页，共60页。,功能高分子的制备方法,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。,第三十八页，共60页。,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。,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,第三十九页，共60页。,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,第四十页，共60页。,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,第四十一页，共60页。,(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。,第四十二页，共60页。,吡咯基、噻吩基,Z,为连接基团，,R,为功能型小分子,第四十三页，共60页。,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。,第四十四页，共60页。,将含有环氧基团的低分子量双酚,A,型环氧树脂,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。,第四十五页，共60页。,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。,第四十六页，共60页。,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,第四十七页，共60页。,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。,第四十八页，共60页。,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。,第四十九页，共60页。,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,第五十页，共60页。,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,第五十一页，共60页。,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,第五十二页，共60页。,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。,第五十三页，共60页。,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,第五十四页，共60页。,第五十五页，共60页。,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。,第五十六页，共60页。,聚苯乙烯磺化、氯甲基化,第五十七页，共60页。,聚乙烯醇的变化,聚乙烯醇可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,第五十八页，共60页。,可用于在聚乙烯醇结构中引入活性基团的反应,第五十九页，共60页。,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,30,40,倍。,第六十页，共60页。,