功能高分子总论.pptx

第一章第一章功能高分子材料化学总论功能高分子材料化学总论 功能高分子材料化学是研究功能高分子材料化学是研究功能高分子材料化学规律的科学，功能高分子材料化学规律的科学，是高分子材料科学领域发展最快，是高分子材料科学领域发展最快，与其他科学交叉最多的一个研究与其他科学交叉最多的一个研究领域领域?。第一节第一节 功能高分子材料化学功能高分子材料化学概述概述 对象对象 功能高分子材料功能高分子材料定义定义:与常规高分子比较具有明显不同的物理与常规高分子比较具有明显不同的物理,物物理化学性质并有一些特殊的功能理化学性质并有一些特殊的功能 （电（电,光光,磁等）磁等）聚合物大分子都归属于功能高分子材料聚合物大分子都归属于功能高分子材料.一、功能高分子材料化学的研究对象和一、功能高分子材料化学的研究对象和 内容内容 常规聚合物：常规聚合物：1.合成纤维合成纤维2.合成橡胶合成橡胶3.塑料塑料4.油漆、涂料油漆、涂料5.高分子胶黏剂高分子胶黏剂新材料的制备方法新材料的制备方法物理化学性能表征物理化学性能表征结构与性能之间的关系结构与性能之间的关系应用开发应用开发研究内容：研究内容：二、功能高分子材料化学的发展历程二、功能高分子材料化学的发展历程 20世纪世纪80年代中后期年代中后期二、功能高分子材料化学的发展历程二、功能高分子材料化学的发展历程20世纪60年代高分子膜材料用于海水淡化20世纪70年代聚乙炔的导电性能被发现 1974年由日本科学家白川首次发现具有很高导电性能的聚乙炔后，先后出现了一大批导电性高分子材料。高聚物的导电机理以及应用方面也有了很大的突破。功能高分子材料化学的发展历程功能高分子材料化学的发展历程导电性高分子的发现及应用方面作出重大贡献的日本科学家白川及两名美国科学家获得2000年诺贝尔化学奖。电致发光高分子液晶高分子磁性高分子。二、功能高分子材料化学的发展历程二、功能高分子材料化学的发展历程三、功能高分子化学的分类方法三、功能高分子化学的分类方法按照性能或功能可分为以下七种类型：按照性能或功能可分为以下七种类型：1.反应型高分子材料反应型高分子材料2.光敏型高分子材料光敏型高分子材料3.电活性高分子材料电活性高分子材料4.膜型高分子材料膜型高分子材料5.吸附型高分子材料吸附型高分子材料6.高性能工程材料高性能工程材料7.高分子智能材料高分子智能材料第二节第二节 功能高分子材料的结构与性能关系功能高分子材料的结构与性能关系一、结构层次一、结构层次1.构成材料分子的元素组成构成材料分子的元素组成2.材料分子中的官能团结构材料分子中的官能团结构3.聚合物的链段结果聚合物的链段结果4.高分子的微观构象结构高分子的微观构象结构5.材料的超分子结构和聚集态材料的超分子结构和聚集态6.材料的宏观结构材料的宏观结构二、功能高分子材料构效关系分析二、功能高分子材料构效关系分析 功能高分子材料之所以能够在应用中功能高分子材料之所以能够在应用中表现出许多独特的性质，主要是因为它们表现出许多独特的性质，主要是因为它们上述的结构层次不同。其中较重要的结构上述的结构层次不同。其中较重要的结构层次是层次是:材料的化学组成与官能团的影响；材料的化学组成与官能团的影响；聚合物链段的影响；聚合物链段的影响；材料超分子结构的影响和宏观结构的材料超分子结构的影响和宏观结构的 影响影响1.官能团的性质与聚合物功能之间的关系官能团的性质与聚合物功能之间的关系（1）功能高分子材料的性质）功能高分子材料的性质主要主要取决于所含的取决于所含的 官能团；官能团；（2）功能高分子材料的性质取决于聚合物骨架）功能高分子材料的性质取决于聚合物骨架与官能团的协同作用；与官能团的协同作用；（3）官能团与聚合物骨架不能区分；）官能团与聚合物骨架不能区分；（4）官能团在高分子材料中只起辅助作用；）官能团在高分子材料中只起辅助作用；（1）功能高分子材料的性质主要取决于所）功能高分子材料的性质主要取决于所含的官能团含的官能团 这类高分子材料主要是由功能性小分子这类高分子材料主要是由功能性小分子聚合形成的，其性质主要依赖于官能团的性聚合形成的，其性质主要依赖于官能团的性质。高分子骨架只起到支撑、分隔、固定和质。高分子骨架只起到支撑、分隔、固定和降低溶解度的辅助作用。降低溶解度的辅助作用。例如：例如：氧化性能来自过氧羧基（氧化性能来自过氧羧基（-COOOH）1.官能团的性质与聚合物功能之间的关系官能团的性质与聚合物功能之间的关系（2）功能高分子材料的性质取决于聚合物骨架）功能高分子材料的性质取决于聚合物骨架与官能团的协同作用与官能团的协同作用 这类高分子材料所期望的性质是由分这类高分子材料所期望的性质是由分子中所含的官能团与高分子骨架的作用相互子中所含的官能团与高分子骨架的作用相互结合才能实现的；其中固相合成用的高分子结合才能实现的；其中固相合成用的高分子试剂是比较有代表性的例子。试剂是比较有代表性的例子。1.官能团的性质与聚合物功能之间的关系官能团的性质与聚合物功能之间的关系（3）官能团与聚合物骨架不能区分）官能团与聚合物骨架不能区分 在这种聚合物中官能团与聚合物骨架在在这种聚合物中官能团与聚合物骨架在形态上不能区分，官能团是聚合物骨架的一形态上不能区分，官能团是聚合物骨架的一部分，或者是聚合物骨架本身起着官能团的部分，或者是聚合物骨架本身起着官能团的作用。例如液晶高分子材料、导电高分子材作用。例如液晶高分子材料、导电高分子材料。料。1.官能团的性质与聚合物功能之间的关系官能团的性质与聚合物功能之间的关系（4）官能团在高分子材料中只起辅助作用）官能团在高分子材料中只起辅助作用 这类聚合物中骨架是功能过程的主题，这类聚合物中骨架是功能过程的主题，而官能团只是起辅助作用。也就是说通过副而官能团只是起辅助作用。也就是说通过副助的官能团可以使聚合物的溶解性、玻璃化助的官能团可以使聚合物的溶解性、玻璃化温度、提高机械强度等发生改变。温度、提高机械强度等发生改变。1.官能团的性质与聚合物功能之间的关系官能团的性质与聚合物功能之间的关系2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用功能高分子材料中聚合物骨架的作用 具有高分子骨架是功能高分子材料区具有高分子骨架是功能高分子材料区分功能小分子的主要标志。分功能小分子的主要标志。通过比较可以通过比较可以发现带有同样功能基团的高分子化合物的发现带有同样功能基团的高分子化合物的化学和物理性质不同与其小分子类似物，化学和物理性质不同与其小分子类似物，这种由于引入高分子骨架后产生的性能差这种由于引入高分子骨架后产生的性能差别被定义为别被定义为高分子效应高分子效应。在功能高分子中表现比较突出的高分子在功能高分子中表现比较突出的高分子效应有以下几种：效应有以下几种：（1）溶解度下降效应）溶解度下降效应（2）高分子骨架的机械支撑作用）高分子骨架的机械支撑作用（3）高分子骨架的模板效应）高分子骨架的模板效应（4）高分子骨架的稳定作用）高分子骨架的稳定作用（5）高分子骨架的其它作用）高分子骨架的其它作用2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用功能高分子材料中聚合物骨架的作用2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用功能高分子材料中聚合物骨架的作用（1）溶解度下降效应）溶解度下降效应 由于高分子骨架的引入，分子量的增大，由于高分子骨架的引入，分子量的增大，分子间的力大大增强，最直接的作用是使它们分子间的力大大增强，最直接的作用是使它们的溶解性大大下降；特别是引入交联性聚合物，的溶解性大大下降；特别是引入交联性聚合物，在溶剂中只能膨胀而不能溶解。例如：在溶剂中只能膨胀而不能溶解。例如：固相反应中的功能高分子试剂、吸水剂等固相反应中的功能高分子试剂、吸水剂等2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用功能高分子材料中聚合物骨架的作用（2）高分子骨架的机械支撑作用）高分子骨架的机械支撑作用 在大部分功能高分子材料中的功能基团在大部分功能高分子材料中的功能基团是连接在高分子骨架上的，因此支撑作用的是连接在高分子骨架上的，因此支撑作用的高分子骨架对功能基团的性质与功能产生许高分子骨架对功能基团的性质与功能产生许多重要影响。多重要影响。例如：例如：在固相合成法中使用的在固相合成法中使用的“无限稀释无限稀释”作用、作用、“高度浓缩高度浓缩”状态等状态等2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用功能高分子材料中聚合物骨架的作用（3）高分子骨架的模板效应）高分子骨架的模板效应 模板效应指的是利用高分子骨架的空间模板效应指的是利用高分子骨架的空间结构，包括构型和构象，在其周围建立起特结构，包括构型和构象，在其周围建立起特殊的局部空间环境，为有机合成或者其它取殊的局部空间环境，为有机合成或者其它取得应用场合提供一个类似于工业上浇铸过程得应用场合提供一个类似于工业上浇铸过程中使用的模板的作用，这种作用又类似于酶中使用的模板的作用，这种作用又类似于酶催化反应相似的效应。催化反应相似的效应。2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用功能高分子材料中聚合物骨架的作用（4）高分子骨架的稳定作用）高分子骨架的稳定作用 引入高分子骨架之后材料分子的熔点和沸引入高分子骨架之后材料分子的熔点和沸点都大大程度的降低，挥发性也大幅度降低，点都大大程度的降低，挥发性也大幅度降低，扩散速度也随之降低，这样就可以提高某些扩散速度也随之降低，这样就可以提高某些敏感性小分子试剂的稳定性。例如：敏感性小分子试剂的稳定性。例如：某些易燃易爆的化学试剂通过高分子化变为某些易燃易爆的化学试剂通过高分子化变为稳定试剂。稳定试剂。2.功能高分子材料中聚合物骨架的作用功能高分子材料中聚合物骨架的作用（5）高分子骨架的其它作用）高分子骨架的其它作用 高分子骨架在高分子材料中除了起到高分子骨架在高分子材料中除了起到以上几种常见的作用以外，根据某些高分子以上几种常见的作用以外，根据某些高分子骨架本身结构的特殊性，还可以产生一些比骨架本身结构的特殊性，还可以产生一些比较少见的特殊性能。例如：较少见的特殊性能。例如：利用高分子骨架在体内的不可吸收性，可以利用高分子骨架在体内的不可吸收性，可以降低色素或甜味素在人体内的吸收性，从而降低色素或甜味素在人体内的吸收性，从而降低它们的有害性。降低它们的有害性。3.聚合物骨架的类种类和形态的影响聚合物骨架的类种类和形态的影响 作为一种聚合物，功能高分子材料的性作为一种聚合物，功能高分子材料的性能也受到聚合物种类和形态的影响。能也受到聚合物种类和形态的影响。3.聚合物骨架的类种类和形态的影响聚合物骨架的类种类和形态的影响 目前在功能高分子材料中主要有以下几种目前在功能高分子材料中主要有以下几种类型骨架得到应用。类型骨架得到应用。（1）饱和碳链性聚合物；通常用加聚反应制备，特）饱和碳链性聚合物；通常用加聚反应制备，特点是链的柔性好。点是链的柔性好。（2）聚酯、聚酰胺骨架为代表的聚合物；通常用缩）聚酯、聚酰胺骨架为代表的聚合物；通常用缩聚反应制备，特点是强度较高。聚反应制备，特点是强度较高。（3）天然高分子或改造修饰的天然高分子，）天然高分子或改造修饰的天然高分子，特点是生物相容性较好。特点是生物相容性较好。（4）带有线性共轭结构的聚合物，通常用化学）带有线性共轭结构的聚合物，通常用化学或电化学聚合反应制备，骨架具有电子传导性。或电化学聚合反应制备，骨架具有电子传导性。（5）梯形聚合物一般具有超强的机械性能。）梯形聚合物一般具有超强的机械性能。3.聚合物骨架的种类和形态的影响聚合物骨架的种类和形态的影响根据聚合物的化学形态可将聚合物骨架分为以下类型：根据聚合物的化学形态可将聚合物骨架分为以下类型：1.线性聚合物：线性聚合物：聚合物有一条较长的主链，没聚合物有一条较长的主链，没有分支或较少。有分支或较少。溶解性较好、玻璃化温度较低、溶解性较好、玻璃化温度较低、黏弹性较好；容易加工处理。黏弹性较好；容易加工处理。2.交联聚合物：交联聚合物：线性聚合物通过交联反应生成的线性聚合物通过交联反应生成的网状大分子。网状大分子。溶解性差，只能溶胀、机械强度强；溶解性差，只能溶胀、机械强度强；不宜加工处理。不宜加工处理。3.聚合物骨架的种类和形态的影响聚合物骨架的种类和形态的影响三、与功能高分子性能相关的理论和概念三、与功能高分子性能相关的理论和概念1.1.聚合物的溶胀和溶解性质聚合物的溶胀和溶解性质 聚合物的溶解是一个复杂的过程，对聚合物的溶解是一个复杂的过程，对于聚合物的溶剂分为：良性溶剂、溶胀剂于聚合物的溶剂分为：良性溶剂、溶胀剂和非溶剂三类。在良性溶剂中聚合物分子和非溶剂三类。在良性溶剂中聚合物分子链趋向于伸展状态，在非溶剂中聚合物分链趋向于伸展状态，在非溶剂中聚合物分子链趋向于收缩状态。子链趋向于收缩状态。三、与功能高分子性能相关的理论和概念三、与功能高分子性能相关的理论和概念溶胀溶胀交链性聚合物不能形成分子形溶液，交链性聚合物不能形成分子形溶液，容积分子扩散进入聚合物内部，通过溶剂容积分子扩散进入聚合物内部，通过溶剂化作用使分子链展开，聚合物体积增大，化作用使分子链展开，聚合物体积增大，产生溶胀现象，形成聚合物凝胶。产生溶胀现象，形成聚合物凝胶。溶胀度与交链度成反比，与溶剂的亲和力成溶胀度与交链度成反比，与溶剂的亲和力成正比。正比。三、与功能高分子性能相关的理论和概念三、与功能高分子性能相关的理论和概念溶胀度的计算公式为：溶胀度的计算公式为：ap 聚合物的表观密度聚合物的表观密度 sol 溶剂的密度溶剂的密度 聚合物的骨架密度聚合物的骨架密度 溶胀后聚合物重量溶胀后聚合物重量/聚合物干重聚合物干重B=ap+(-1)apsol三、与功能高分子性能相关的理论和概念三、与功能高分子性能相关的理论和概念2.2.聚合物的多孔性聚合物的多孔性 对于高分子吸附剂、高分子试剂、高分子对于高分子吸附剂、高分子试剂、高分子催化剂等功能高分子材料其比表面积的大小催化剂等功能高分子材料其比表面积的大小对于它们的使用性影响很大，因为吸附、离对于它们的使用性影响很大，因为吸附、离子交换或者多相反应过程都是扩散控制过程子交换或者多相反应过程都是扩散控制过程反应都发生在功能高分子材料的表面，相对反应都发生在功能高分子材料的表面，相对大的比表面有利于上述过程。大的比表面有利于上述过程。三、与功能高分子性能相关的理论和概念三、与功能高分子性能相关的理论和概念2.2.聚合物的多孔性聚合物的多孔性 干燥的多孔性聚合物的空隙率通常用比干燥的多孔性聚合物的空隙率通常用比表面积、空体积和平均孔径等参数表示。表面积、空体积和平均孔径等参数表示。P=nr l S=2n r l,P%=100(1-)P-表示聚合物中控占据的总体积；S-表示聚合物的总表面积；n-空的数量；r空的平均直径；l-空的平均长度；ap2三、与功能高分子性能相关的理论和概念三、与功能高分子性能相关的理论和概念 3.3.聚合物的渗透性聚合物的渗透性 任何一种高分子材料在一定程度下都是有任何一种高分子材料在一定程度下都是有渗透性的，作为功能高分子骨架的聚合物的渗渗透性的，作为功能高分子骨架的聚合物的渗透性是衡量其性能的另外一个重要指标。特别透性是衡量其性能的另外一个重要指标。特别是对于高分子分离膜材料，聚合物的渗透性是是对于高分子分离膜材料，聚合物的渗透性是则是至关重要的指标。则是至关重要的指标。三、与功能高分子性能相关的理论和概念三、与功能高分子性能相关的理论和概念3.3.聚合物的渗透性聚合物的渗透性 聚合物的渗透性一般通过气体或液体在一定条件下的渗透量来测定。主要用渗透系数来表示，渗透系数是指在单位时间、单位膜面积通过的被测物与单位膜厚度所施加的驱动力的比值。q=r p448;P=r82q-透过物质的透过量；-透过物质黏度；r聚合物中毛细管半径；-毛细管长度；p-毛细管两端压力差；-毛细管在聚合物中的体积分数；-毛细管曲折系数；三、与功能高分子性能相关的理论和概念三、与功能高分子性能相关的理论和概念 4.4.功能高分子材料的稳定性功能高分子材料的稳定性 聚合物的稳定性包括化学稳定性和机械稳定性。聚合物的稳定性包括化学稳定性和机械稳定性。在高分子分离膜和聚合物液晶等应用场合，机械稳定在高分子分离膜和聚合物液晶等应用场合，机械稳定性是非常关键的参数。性是非常关键的参数。而在其他的应用场合，化学稳而在其他的应用场合，化学稳定性是主要因素。定性是主要因素。第三节第三节 功能高分子材料的制备策略功能高分子材料的制备策略 设计一种能满足一定需要的功能高分子材料是功能高分子化学研究的主要目的之一，具有良好功能于性质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。功能高分子材料的制备是通过化学或物理的方法按照材料的设计要求将功能基团与高分子骨架相结合，从而实现预定功能。第三节第三节 功能高分子材料的制备策略功能高分子材料的制备策略 几种有代表性的功能高分子材料设计的基本思路和方法如下：一、功能性小分子材料的高分子化；二、普通高分子材料的功能化；三、功能高分子材料的其他制备策略；第四节第四节 功能高分子材料的种类功能高分子材料的种类 与功能简介与功能简介一、反应性功能高分子二、导电高分子材料三、电活性高分子材料四、光活性高分子材料五、高分子功能膜材料六、高分子液晶材料七、吸附性高分子材料八、医用和药用功能高分子九、其他功能高分子材料第五节第五节 功能高分子材料化学的功能高分子材料化学的 研究方法研究方法一、制备方法研究二、结构和组成分析与研究三、性能表征与构效关系研究四、材料实际应用研究与其它学科的交叉情况高倍率聚合物聚合物锂离子电池电池 新能源聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池电磁屏蔽隐身F-117AFighter(American)人造心脏人造心脏人造关节人造关节人工肾人工肾医用材料其它