性能优异的合成材料.doc

导电高分子材料

1. 简介
高分子材料在很长一段时期都被用作电绝缘材料.随着不同应用领域的需要以及为进一步拓宽高分子材料的应用范围，一些高分子材料被赋予某种程度的导电性以致成为导电高分子材料。导电高分子又称导电聚合物，自从1976年，美国宾夕法尼亚大学的化学家Mac Diarmid领导的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔（Poly acetylene，简称PA）具有类似金属的导电性（导电高分子的导电性如图）； 1977年，日本白川英树等人才发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔薄膜具有金属导电的性质，电导率达到10S/m。这是第一个导电的高分子材料。人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入。以后，相继开发出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等能导电的高分子材料。这个新领域的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念,而且它的发现和发展为低维固体电子学,乃至分子电子学的建立和完善作出重要的贡献,进而为分子电子学的建立打下基础,而具有重要的科学意义。
现有的研究成果表明，发展导电高分子兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的电性能 , 具有密度小，易加工成各种复杂的形状 ，耐腐蚀，可大面积成膜及可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，因此高分子导电材料不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。
2 导电高分子材料的应用
2.1 电磁屏蔽材料
导电塑料代替金属作为电子产品的外壳可以有效的起到电磁屏蔽作用,且质量轻、耐腐蚀。
2.2 导电液晶材料
液晶高聚物材料具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率以及良好的介电性和耐化学腐蚀性等一系列优异的综合性能。具有与π电子结构相关联的线性聚烯烃和芳杂环等的共轭聚合物通过分子改性可以获得导电液晶聚合物,并且这些材料具有可溶性和可加工性。
2.3 催化剂载体
利用杂多酸对导电高分子的氧化或掺杂作用可将具有催化活性的凯金型或道森型杂多酸催化剂固定在聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺的粉末,此时导电高分子可视为一种新的催化剂载体,能提高杂多酸的催化性能。
2.4 气体分离膜
现代气体分离技术中,膜分离技术由于能耗和成本比其他分离方法低,并且无环境污染,因而十分引人注目。已广泛应用于石油开采、化工、食品包装、保鲜、炼油厂、废气回收、工业燃烧炉节能以及环保等方面。
2.5军事隐身（隐形）材料
隐身材料是指能够减少军事目标的雷达特征、红外特征、光电特征及目视特征的材料的系统。雷达吸波材料的作用就是将人射的雷达电磁波吸收衰掉而使武器不被雷达所发现雷达吸波材料是现代隐身技术的重点。美国密里肯公司通过控制现场聚合条件将聚吡咯与纤维复合，制备了商品名为Centex和Intrigue的导电纤维，并制成了轻型伪装网，美国国防部已经将其以用于隐形轰炸机的隐身涂料。中国新一代隐形战机歼-20成功试飞曾引起了世界各国的广泛关注，歼-20之所以能吸引如此多的目光，最主要是因为其隐身战斗的特性，中国已占领隐身材料的制高点。
2.6其他
导电聚合物还可以作为抗静电材料、二次电池的电极材料、太阳能电池材料、电致变色材料、自然温发热材料等,在此方面的研究已取得了很大程度的进展,且有些已经在生产中得到应用
3导电高分子的发展前景
各类高分子因有不同电子结构，故各具有不同光电、导电、电化学等特性，因而有不同应用方向。如引进不同机能之机团于主链及侧链，更可调节其光电特性及溶解性，扩大应用范围。未经掺杂者为半导体，经掺杂后为导体，除各具有与无机半导体及导体类似之特性外，在组件制作时尚有可低温加工、可大面积化、可挠曲等特性，故具有低制作成本及独特组件特性之优点，对未来电子及信息工业将产生巨大影响。导电高分子之应用，大致可分三类：半导体特性，导体特性，电化学掺杂／去掺杂之可逆性。其工业化目前尚在萌芽阶段，仅有少数工业品出现，例如利用其导体特性的固态电容器、抗静电及防蚀涂料等。
本征型导电高分子材料目前的应用前景不在于导线上，而在于特殊的光电磁和机械性能上。一是说不能获得赢电导率的本征型导电商分子材料，二是获得的本征型导电高分子材料在空气中不稳定，电导率会很快下降。而经过修饰的本征型导电高分子材料在光电磁学方面都有特殊的性质，往往认为在纳米微米器件上会有很广阔和应用前景。在现实应用上，本征型导电高分子材料目前也还处在突破的前夜，真正的实用化还未取得质的进步，需要进一步验证。关键在于其性能、价格以及市场需要与无机材料竞争；它的稳定性也需要加强，脱掺杂问题需要很好的解决；在加工性能和力学性能上，它也比工程塑料差。这些问题都需要在规模化应用之前解决。
总之，结构型导电高分子材料主要的开发应用方向是大功率蓄电池、微波吸收材料、太阳能电池、新型感光材料。复合型导电高分子材料是目前开发应用的重点, 主要集中在抗静电材料和电磁屏蔽产品。

高吸水性树脂

高吸水性树脂也称超强吸水性聚合物简写为SAP.它是一种含有羧基,羟基等强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型的高分子聚合物,不溶于水也不溶于有机溶剂,能够吸收自身重量的几百倍甚至上千倍的水,且吸水膨胀后生成的凝胶具有良好的保水性和耐候性,一旦吸水膨胀成水凝胶 ,即使加压也难以将水分离出来.同时 ,高吸水性树脂可循环使用.因此 ,越来越受到人们的关注.目前 ,超强吸水树脂已在工业,农业,林业,卫生用品等领域中得到广泛应用 ,并显示出更为广阔的发展前景。
1.SAP的结构与吸水机理  
高吸水性树脂是由三维空间网络构成的聚合物 ,它的吸水,既有物理吸附 ,又有化学吸附 ,所以 ,它能吸收成百上千倍的水 。
物理吸水：当水与高分子表面接触 时 ,有 种相互 作用 ,一是水分子与高分子 电负性强 的氧原子形成氢键结合 二是水分子与疏水基 团的相互作用 三是水分子与亲水基团的相互作用 。 高吸水性树脂本身具有的亲水基和疏水基与水分子相互作用形成自为水合状态 。树脂的疏水基部分可因疏水作用而 易于折向内侧 ,形成为不溶性的粒状结构 ,疏水基周 围的水分子形成与普通水不同的结构水 。水分子封闭在边长为一聚合物网络内 ,这些水的吸附不是纯粹毛细管的吸附 ,而是高分子网络的物理吸附。
化学吸水：高吸水性树脂的离子网络 高吸水性树脂在结构上是轻度变联的空间网络结构 ,它是 由化学交联和树脂分子链 间的相互缠绕物理交联构成的。吸水前 ,高分子 网络是固态网束 ,未电离成离子对 ,当高分子遇水时 ,亲水基与水分子的水合作用 ,使高分子 网束张展 ,产生网内外离子浓度差 。如高分子网结构中有一定数量的亲水 离子 ,从而造成网结构内外产生渗透压 ,水分子以渗透压作用向网结构内渗透 。同理 ,如被吸附水中含有盐时 ,渗透压下降 ,吸水能力降低。亲水离子对是高吸水性树脂能够完成吸水全过程的动力因素 ,这一点也可从式中看出。高分子 网结构特有多量的水合离子 ,是高吸水性树脂提高吸水能力 ,加快吸水速度的另一个因素 。 高吸水性树脂三维空间网络的孔径越大 ,吸水率越高 ,反之 ,孔径越小 ,吸水率越低 。树脂的网络结构是能够吸收大量水的结构因素 。
3高吸水性树脂的性能  
 高吸水性树脂作为一种功能材料应用 ,其应用领域不同 ,对它的性能也有各种各样的要求.高吸水性树脂主要有以下几项性能.  
吸水性  ：高吸水性树脂的吸水性可从两个方面反映:一是其吸水溶胀的能力,以吸水率表示,目前最大吸水率是5000倍;另一个是其保水性.其吸水能力不仅决定于聚合物的组成,结构,形态,分子量,交联度等内在因素,外界条件对其影响也很大.高吸水性树脂吸水性的测定方法很多,有筛网法,茶袋法,抽吸法,离心法等,因测定方法的不同而有差异.  
凝胶强度  ：  高吸水性树脂吸水后 ,其凝胶需具有一定的强度 ,以维持良好的保水性和加工性能.聚合物本身的结构及组成直接决定了高吸水性树脂吸水后的强度 ,而且强度与吸水能力,吸水速度三者有相互依赖和相互矛盾的关系. 
保水能力：含有大量水的一般水凝胶都具有加压难脱水,蒸发慢,对水的保持能力高的特点.高吸水性树脂是水凝胶 ,当然具有这些性质.通常物质的脱水主要有加热蒸发脱水和加力脱水两种.因此 ,高吸水性树脂也有自然条件保水性,热保水性和加压保水性等几种保水性能. 
稳定性  ：高吸水性树脂作为吸水性材料使用必然会受到外界条件 ,如光,热,化学物质以及其它条件的影响 , 使其吸水性能发生改变.因此 ,高吸水性树脂的稳定性主要包括热稳定性,光稳定性和储存稳定性等.不同种类的高吸水性树脂吸水后 ,其稳定性有差异。
  除以上性能外,高吸水性树脂还具有吸氨性,扩散性,安全性,相溶性等特殊性能.
4 高吸水性树脂的应用  
  高吸水性树脂由于其优良的吸水性和保水性,应用范围在不断扩展,已广泛应用于卫生材料,农林园艺,脱水剂,化学蓄冷剂,蓄热剂,污泥固化剂,防露水用壁材,食品保鲜剂,水膨胀涂料和复合吸水材料等方面.因此,其生产能力迅速增加,特别是美国和日本发展最快,年产量已超过20万t.
农林园艺： 我国土地辽阔,有大面积的沙漠及干旱,半干旱西北,改造治理沙漠,防止水土流失,提高干旱半干旱地带,为高吸水性树脂绿化祖国再造山川秀美的大地区的作物产量提供了用武之地.在农业上应用高吸水性树脂可以减少灌溉水的损耗,降低植物的死亡率,提高土壤的肥力,加快作物的生长速度,增加作物的产量.用于耕作的高吸水性树脂可以是薄膜状,凝胶状和泡沫状,其用途是用于正在生长的蔬菜和花的种子,以增加生产的稳定性和产量,节省劳动力.高吸水性树脂吸水后,保存在苗床下面的适当位置,利用毛细作用,逐渐供给植物水分,这样可以达到缓释水分的作用. 
医疗卫生用品：在医疗卫生用品领域,人们利用高吸水性树脂的吸收尿液,血液,药物等特性作为吸收材料,如卫生巾,尿布,餐巾纸,失禁片,医用药棉等.高吸水性树脂的超强吸水能力和保水能力使得生理卫生方面的产品大大轻便化,小型化,舒适化. 
 建筑材料方面的应用  ：随着现代化建设的发展,各行各业都在突飞猛进地发展,水是建设中须考虑的重要因素.在各项建设中节水保水,综合治理水资源是当务之急.研究开发超强吸水剂是加快建设,治理的重要措施之一.目前,高吸水性树脂在建材工业中主要应用于止水堵漏,防结露,调湿除湿,建材涂料,提高建筑工效等方面.   
  除以上几个方面外,高吸水性树脂在日用化工,石油工业,环保工业,纤维工业,电子工业等方面同样具有广阔的应用前景.高吸水性树脂在日常生活中也得到很好的应用.如食品保鲜剂,化妆品添加剂,香水缓释剂,油田处理剂等方面高吸水性树脂均发挥了巨大的作用.
5 展望  
  SAP 是一种多品种,多功能的材料.它们具有很多优良的性能,如吸水性,防雾性,防带电性,水膨润性,耐热性,耐候性,生物组织适应性等,有着广泛的应用.然而高吸水性树脂目前尚存在许多不足.其中最突出的是阴离子型的高吸水性树脂耐盐性比较差,吸水速度较低.而非离子型的高吸水性树脂的吸水速度较快,耐盐性也较好,但吸水能力比较低.另外,高吸水性树脂虽然种类繁多,但普遍应用的品种还比较少,价格比较高,理论和应用研究均跟不上需要 ,合成和加工方法尚待更新开发.可以预料,SAP 今后必将以其独具的优性能受到人们的日益青睐.人们将不断努力解决其聚合反应工艺技术上的困难,并努力开发其潜在的用途,降低造价,改善其抗盐性,使SAP得到飞速发展。