功能高分子第一章PPT讲稿.ppt

功能高分子第一章第1页，共124页，编辑于2022年，星期五1、教学目的：、教学目的：通过课堂引导，课后查阅资料、阅读文献等手段获取功能通过课堂引导，课后查阅资料、阅读文献等手段获取功能材料的有关信息。通过对功能高分子材料的学习，了解高材料的有关信息。通过对功能高分子材料的学习，了解高分子材料在工农业生产、高新科技领域和提高人民生活质分子材料在工农业生产、高新科技领域和提高人民生活质量中的重要作用。量中的重要作用。2、教学重点：、教学重点：功能高分子材料的主要种类、代表物的重要性能和应用。功能高分子材料的主要种类、代表物的重要性能和应用。3、教学难点：、教学难点：了解一些功能能高分子材料的制备方法、结构与性能了解一些功能能高分子材料的制备方法、结构与性能之间的关系。之间的关系。第2页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论1.1 高分子材料科学的历史回顾高分子材料科学的历史回顾高分子的概念始于高分子的概念始于20世纪世纪20年代，但应用更早。年代，但应用更早。1839年，美国人年，美国人Goodyear发明硫化橡胶。发明硫化橡胶。1855年，英国人年，英国人Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。璐珞。1889年，法国人年，法国人De Chardonnet（夏尔多内）（夏尔多内）发明发明人造人造丝丝。1907年，酚醛树脂诞生。年，酚醛树脂诞生。第3页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论1920年，德国人年，德国人Staudinger发表了发表了“论聚合论聚合”的论文，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。烯酸甲酯等聚合物的结构。1935年，年，Carothes发明尼龙发明尼龙66，1938年工业化。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，年代，一系列烯烃类加聚物被合成出来并工业化，PVC（19271937），），PVAc（1936），），PMMA（19271931），），PS（19341937），），LDPE（1939）。自）。自由基聚合发展。由基聚合发展。第4页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论高分子溶液理论在高分子溶液理论在30年代建立，并成功测定了聚合物年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。的分子量。Flory为此获得诺贝尔奖。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（重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（1937），），丁腈橡胶（丁腈橡胶（1937），丁基橡胶（），丁基橡胶（1940），有机氟材料），有机氟材料（1943），），ABS（1947），涤纶树脂（），涤纶树脂（19401950）。）。50年代年代，Ziegler和和Natta发明配位聚合催化剂，制得发明配位聚合催化剂，制得高密度高密度PE和有规和有规PP，低级烯烃得到利用。，低级烯烃得到利用。第5页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论1956年，美国人年，美国人Szwarc发明活性阴离子聚合，开创了发明活性阴离子聚合，开创了高分子结构设计的先河。高分子结构设计的先河。50年后期至年后期至60年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（），聚碳酸酯（1957），聚砜（），聚砜（1965），聚苯醚），聚苯醚（1964），聚酰亚胺（），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。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、特种高分子：高强度、耐高温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。半导体等。第6页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜 等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。80年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现和发展。出现和发展。新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、活性自由基聚合、等离子聚合等等；活性自由基聚合、等离子聚合等等；新结构的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星新结构的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含C60聚合物聚合物等等。等等。第7页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论1.2 基本概念基本概念功能高分子与高性能高分子功能高分子与高性能高分子性能性能：材料对外部作用的抵抗特性。例如，对材料对外部作用的抵抗特性。例如，对外力的抵抗表现为材料的强度、模量等；对热的抵外力的抵抗表现为材料的强度、模量等；对热的抵抗表现为耐热性；对光、电、化学药品的抵抗，则抗表现为耐热性；对光、电、化学药品的抵抗，则表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。第8页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论功能：功能：指从外部向材料输入信号时，材料内部发生指从外部向材料输入信号时，材料内部发生质和量的变化而产生输出的特性。例如，材料在受质和量的变化而产生输出的特性。例如，材料在受到外部光的输入时，材料可以输出电性能，称为材到外部光的输入时，材料可以输出电性能，称为材料的光电功能；材料在受到多种介质作用时，能有料的光电功能；材料在受到多种介质作用时，能有选择地分离出其中某些介质，称为材料的选择分离选择地分离出其中某些介质，称为材料的选择分离性。此外，如压电性、药物缓释放性等，都属于功性。此外，如压电性、药物缓释放性等，都属于功能的范畴。能的范畴。第9页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论因此：因此：功能高分子功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应的高分子材料。物理的方法做出相应的高分子材料。高性能高分子高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料高分子材料。它们都属于特种高分子材料的范畴。它们都属于特种高分子材料的范畴。什么是功能高分子什么是功能高分子?第10页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 特种高分子是相对于通用高分子而言的。特种高分子是相对于通用高分子而言的。通用高分子材料：通用高分子材料：应用面广量大，价格较低。应用面广量大，价格较低。根据其性质和用途可分为五个大类：化学纤维、塑根据其性质和用途可分为五个大类：化学纤维、塑料、橡胶、油漆涂料、粘合剂。料、橡胶、油漆涂料、粘合剂。特种高分子材料：特种高分子材料：带有特殊物理、力学、化学带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超性质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畴。出了原有通用高分子材料的范畴。第11页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 从实用的角度看，对功能材料来说，人们着眼从实用的角度看，对功能材料来说，人们着眼于它们所具有的独特的功能；而对高性能材料，人于它们所具有的独特的功能；而对高性能材料，人们关心的是它与通用材料在性能上的差异。们关心的是它与通用材料在性能上的差异。特种高分子和功能高分子是目前高分子特种高分子和功能高分子是目前高分子学科中发展最快、研究最活跃的新领域。学科中发展最快、研究最活跃的新领域。第12页，共124页，编辑于2022年，星期五按照功能来分类按照功能来分类:1.2.1 化学功能化学功能 离子交换树脂、螯合树脂、感光性树脂、氧化还原离子交换树脂、螯合树脂、感光性树脂、氧化还原树脂、高分子试剂、高分子催化剂、高分子增感剂、树脂、高分子试剂、高分子催化剂、高分子增感剂、分解性高分子等分解性高分子等 第一章第一章 绪论绪论1.2 功能高分子材料的类型功能高分子材料的类型第13页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论1.2.2 物理功能物理功能 导电性高分子（包括电子型导电高分子、高分子固导电性高分子（包括电子型导电高分子、高分子固态离子导体、高分子半导体）、高介电性高分子态离子导体、高分子半导体）、高介电性高分子（包括高分子驻极体、高分子压电体）、高分子光（包括高分子驻极体、高分子压电体）、高分子光电导体、高分子光生伏打材料、高分子显示材料、电导体、高分子光生伏打材料、高分子显示材料、高分子光致变色材料等；高分子光致变色材料等；第14页，共124页，编辑于2022年，星期五1.2.3 复合功能复合功能 高分子、高分子吸附剂、高分子絮凝剂、高分子高分子、高分子吸附剂、高分子絮凝剂、高分子表面活性剂、高分子染料、高分子稳定剂、高分表面活性剂、高分子染料、高分子稳定剂、高分子相溶剂、高分子功能膜和高分子功能电极等子相溶剂、高分子功能膜和高分子功能电极等 1.2.4 生物、医用功能生物、医用功能 抗血栓、控制药物释放和生物活性等抗血栓、控制药物释放和生物活性等 第一章第一章 绪论绪论第15页，共124页，编辑于2022年，星期五按照功能特性通常可分成以下几类：按照功能特性通常可分成以下几类：（1 1）分离材料和化学功能材料）分离材料和化学功能材料（2 2）电磁功能高分子材料）电磁功能高分子材料（3 3）光功能高分子材料）光功能高分子材料（4 4）生物医用高分子材料）生物医用高分子材料 从制造和结构的角度考虑：从制造和结构的角度考虑：结构型功能高分子结构型功能高分子 复合型功能高分子复合型功能高分子 第一章第一章 绪论绪论第16页，共124页，编辑于2022年，星期五 种种 类类 功功 能能 特特 性性 应应 用用 示示 例例1.1.分离材料和化学功能高分子材料分离材料和化学功能高分子材料高分子分离膜和气液交高分子分离膜和气液交换换膜膜 传质传质作用作用 化工、制化工、制药药、海水淡化、冶金、海水淡化、冶金离子交离子交换树换树脂和交脂和交换换膜膜 离子交离子交换换作用作用 化工、制化工、制药药、水、水净净化化高分子催化高分子催化剂剂和高分子固定和高分子固定酶酶 催化作用催化作用 化工、食品加工、生物工程化工、食品加工、生物工程高分子高分子试剂试剂 反反应应性性 农药农药、医用、医用、环环保保贮氢贮氢材料材料 吸着作用吸着作用 化工、能源化工、能源高吸水性材料高吸水性材料 吸着作用吸着作用 农业农业、纸纸制品制品2.2.电电磁功能高分子材料磁功能高分子材料导电导电高分子材料高分子材料 导电导电性性 防静防静电电材料、屏蔽材料、固体材料、屏蔽材料、固体电电 解解质质材料、面状材料、面状发热发热体体高分子半高分子半导导体体 导电导电性性 电电子技子技术术和和电电子器件子器件光光导电导电材料材料 光光电电效效应应 电电子照相、光子照相、光电电池、池、传传感器感器压电压电高分子高分子 力力电电效效应应 开关材料、开关材料、仪仪器器仪仪表表测测量材料量材料 机器人触感材料机器人触感材料高分子磁性体高分子磁性体 导导磁作用磁作用 塑料磁石、磁性橡胶、中子吸收塑料磁石、磁性橡胶、中子吸收 微型微型电电机机磁性磁性记录记录材料材料 磁性磁性转换转换 磁磁带带、磁、磁盘盘电电致致变变色材料色材料 光光电电效效应应 显显示、示、记录记录 第17页，共124页，编辑于2022年，星期五种种 类类 功功 能能 特特 性性 应应 用用 示示 例例3.3.光功能高分子材料光功能高分子材料光致光致变变色、色、显显示和示和发发光材料光材料 光色、光光色、光电电效效应应 自自动调节动调节光光线线明暗明暗 的太阳的太阳镜镜和窗玻璃和窗玻璃 等、等、显显示、示、记录记录液晶高分子液晶高分子 偏光效偏光效应应 显显示、示、连连接器接器荧荧光高分子材料光高分子材料 光化学作用光化学作用 情情报处报处理、理、荧荧光染料光染料光降解高分子材料光降解高分子材料 光化学光化学 环环境保境保护护光光盘盘基板材料基板材料 光学原理光学原理 高密度高密度记录记录和和贮贮存信息存信息4.4.生物医用高分子材料生物医用高分子材料人工器官材料人工器官材料 仿人体功能与替代仿人体功能与替代 人体人体脏脏器器 修修补补作用作用药药物高分子物高分子 药药理作用理作用 治治疗动疗动脉硬化、抗血栓脉硬化、抗血栓降解性降解性缝缝合材料合材料 化学降解化学降解 非永久性外科材料非永久性外科材料第18页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论1.3 功能高分子材料的发展与展望功能高分子材料的发展与展望1.3.1 功能高分子发展的背景功能高分子发展的背景（1）经济发展的需要经济发展的需要 自从自从1920年施道丁格（年施道丁格（H.Staudinger）建立大分）建立大分子概念以来，高分子材料以惊人的速度得到发展。子概念以来，高分子材料以惊人的速度得到发展。至至20世纪世纪60年代，高分子材料工业化已基本完善年代，高分子材料工业化已基本完善，解决了人们的衣着、日用品和工业材料等需求。通解决了人们的衣着、日用品和工业材料等需求。通用高分子和工程用高分子的世界总产量已超过几千用高分子和工程用高分子的世界总产量已超过几千万吨万吨/年，特种高分子则为几十万吨年，特种高分子则为几十万吨/年。年。第19页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 19731973年和年和19781978年两次世界性的石油大危机，使年两次世界性的石油大危机，使原油价格猛涨。以石油为主要原料的高分子材料成原油价格猛涨。以石油为主要原料的高分子材料成本呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。在本呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。在这样的经济背景下，迫使人们试图用同样的原材这样的经济背景下，迫使人们试图用同样的原材料，去制备价值更高的产品。功能高分子在这种外料，去制备价值更高的产品。功能高分子在这种外部条件促使下迅速地发展了起来。部条件促使下迅速地发展了起来。从表从表1-11-1的数据可以看出，的数据可以看出，发展功能高分子材料可以发展功能高分子材料可以获得较高的经济效益获得较高的经济效益。第20页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论表表1-1 各种高分子材料的各种高分子材料的产产量和价格比量和价格比*品品 种种主要主要产产品品举举例例产产量量 /万吨万吨/年年价格比价格比通用高分子材料通用高分子材料LDPE，HDPE，PVC，PP，PS10001中中间间高分子材料高分子材料ABS，PMMA100100012工程高分子材料工程高分子材料PA，PC，POM，PBT，PPO208024特种高分子材料特种高分子材料有机氟材料，耐有机氟材料，耐热热性高分子，各种性高分子，各种功能高分子功能高分子12010100*价格比以通用高分子价格比以通用高分子为为1计计。第21页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论（2）科学技术发展的需求科学技术发展的需求 8090年代，科学技术有了迅速发展。能源、信年代，科学技术有了迅速发展。能源、信息、电子和生命科学等领域的发展，对高分子材料息、电子和生命科学等领域的发展，对高分子材料提出了新的要求。即提出了新的要求。即要求高分子材料具有迄今还不要求高分子材料具有迄今还不曾有过的高性能和高功能曾有过的高性能和高功能，甚至要求既具有高功能，甚至要求既具有高功能亦具有高性能的高分子材料。亦具有高性能的高分子材料。第22页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 新能源的要求新能源的要求。太阳能和氢将成为今后的主要。太阳能和氢将成为今后的主要能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅材料已进入了实用阶段。然而，按现在的能量转换材料已进入了实用阶段。然而，按现在的能量转换效率，对单晶硅的需要量实在太大。以日本为例，效率，对单晶硅的需要量实在太大。以日本为例，若利用太阳能达到当前日本电力的若利用太阳能达到当前日本电力的1，就需，就需100 的单晶硅至少的单晶硅至少2.7万吨。这相当于日本目前单晶硅总万吨。这相当于日本目前单晶硅总产量的产量的90倍。为此，人们把注意力转向可高效转换倍。为此，人们把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子分离膜太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子分离膜的利用的利用。第23页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 交通和宇航技术的要求交通和宇航技术的要求。既高速又节约能源是。既高速又节约能源是交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。采用功交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。采用功能高分子材料，在一定程度上解决了该难题。就目能高分子材料，在一定程度上解决了该难题。就目前的成就来看，波音前的成就来看，波音757，767飞机采用飞机采用Kavlar增强增强材料（一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强材料（一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强的材料），可省油的材料），可省油50。汽车工业采用高分子材料。汽车工业采用高分子材料而实现轻型化，从而达到省油和高速的目的。而实现轻型化，从而达到省油和高速的目的。第24页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 微电子技术的要求微电子技术的要求。高度集成化是微电子工业。高度集成化是微电子工业发展的趋势。存储容量将从目前的发展的趋势。存储容量将从目前的16K发展到发展到256K。此时相应的电路细度仅为此时相应的电路细度仅为1.5m。因此，高功能的。因此，高功能的光致抗蚀材料（感光高分子）已成为微电子工业的光致抗蚀材料（感光高分子）已成为微电子工业的关键材料之一。关键材料之一。第25页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 生命科学的要求生命科学的要求。人类对生命奥秘的探索，对。人类对生命奥秘的探索，对建立一个洁净、安全的世界的渴望，对征服癌症等建立一个洁净、安全的世界的渴望，对征服癌症等疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。例如，生物分离介质的研制成功，使生命组成的各例如，生物分离介质的研制成功，使生命组成的各种组分能得以精细地分级，对生命科学的贡献将是种组分能得以精细地分级，对生命科学的贡献将是十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大减缓白色公害对人类的危害。减缓白色公害对人类的危害。第26页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论1.3.2 功能高分子的发展历程与展望功能高分子的发展历程与展望 虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到很久以前，很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的历史。很长的历史。但是作为一门独立的完整的学科，但是作为一门独立的完整的学科，功功能高分子是从能高分子是从20世纪世纪80年代中后期开始发展的年代中后期开始发展的。第27页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 最早的功能高分子可追述到最早的功能高分子可追述到1935年年离子交换树离子交换树脂脂的发明。的发明。20世纪世纪50年代，美国人开发了年代，美国人开发了感光高分子感光高分子用于用于印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子工业。印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子工业。1957年发现了年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性聚乙烯基咔唑的光电导性，打破，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。1966年年little提出了提出了超导高分子模型超导高分子模型，预计了高，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在分子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年年发现了聚氮化硫的超导性。发现了聚氮化硫的超导性。第28页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。一报道的超导性有机高分子。20世纪世纪80年代，年代，高分子传感器、人工脏器、高分高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜子分离膜等技术得到快速发展。等技术得到快速发展。1991年发现了年发现了尼龙尼龙11的铁电性的铁电性，1994年年塑料柔性塑料柔性太阳能电池太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年年发现发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了，导致了聚苯聚苯胺、聚吡咯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。等一系列导电高分子的问世。这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。第29页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 其中从其中从20世纪世纪50年代发展起来的年代发展起来的光敏高分子光敏高分子化化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机学，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，特别在过去理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去20多多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材光敏涂料、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色高分子材料都已经工业化。都已经工业化。近年来近年来高分子非线性光学材料高分子非线性光学材料也取得了突破性的也取得了突破性的进展。进展。第30页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 反应型高分子反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的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重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分高分子试剂和高分子催化剂子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反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、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。研究方面起到了关键性作用。第31页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 电活性高分子材料电活性高分子材料的发展导致了的发展导致了导电聚合物，导电聚合物，聚合物电解质，聚合物电极聚合物电解质，聚合物电极的出现。此外的出现。此外超导、电超导、电致发光、电致变色聚合物致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成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。得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。第32页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 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，已经拥有制备水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备18万吨万吨/日日纯水设备的能力。纯水设备的能力。第33页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 医药用功能高分子医药用功能高分子是目前发展非常迅速的一个是目前发展非常迅速的一个领域，领域，高分子药物、高分子人工组织器官、高分子高分子药物、高分子人工组织器官、高分子医用材料在定向给药、器官替代、整形外科医用材料在定向给药、器官替代、整形外科和拓展和拓展治疗范围方面做出了相当大的贡献。治疗范围方面做出了相当大的贡献。第34页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 特种与功能高分子材料是一门涉及范围广泛，特种与功能高分子材料是一门涉及范围广泛，与众多学科相关的新兴边缘学科，涉及内容包括与众多学科相关的新兴边缘学科，涉及内容包括有有机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、生物机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、生物化学、电子学、甚至医学等众多学科化学、电子学、甚至医学等众多学科，是目前国内，是目前国内外异常活跃的一个研究领域。外异常活跃的一个研究领域。可以说，特种与功能高分子材料在高分子科学可以说，特种与功能高分子材料在高分子科学中的地位，相当于精细化工在化工领域内的地位。中的地位，相当于精细化工在化工领域内的地位。因此也因此也有人称特种与功能高分子为精细高分子有人称特种与功能高分子为精细高分子，其，其内涵指其产品的内涵指其产品的产量小，产值高，制造工艺复杂产量小，产值高，制造工艺复杂。第35页，共124页，编辑于2022年，星期五第一章第一章 绪论绪论 特种与功能高分子材料之所以能成为国内外材特种与功能高分子材料之所以能成为国内外材料学科的重要研究热点之一，最主要的原因在于它料学科的重要研究热点之一，最主要的原因在于它们具有独特的们具有独特的“性能性能”和和“功能功能”，可用于替代其他功，可用于替代其他功能材料，并提高或改进其性能，使其成为具有全新能材料，并提高或改进其性能，使其成为具有全新性质的功能材料。性质的功能材料。可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。要方向。第36页，共124页，编辑于2022年，星期五导导电电高高分分子子材材料料 2000年年10月月10日日，瑞瑞典典皇皇家家科科学学院院宣宣布布了了2000年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖获获得得者者，美美国国加加利利福福尼尼亚亚大大学学的的物物理理学学家家艾艾伦伦.J.黑黑格格教教授授、美美国国宾宾夕夕法法尼尼亚亚大大学学的的化化学学家家艾艾伦伦.G.马马克克迪迪亚亚米米德德教教授授和和日日本本筑筑波波大大学学的化学家白川英树教授，因为他们发现了导电塑料。的化学家白川英树教授，因为他们发现了导电塑料。掺杂聚乙炔掺杂聚乙炔第一章第一章 绪论绪论1.4 几种重要的功能高分子材料简介第37页，共124页，编辑于2022年，星期五几种导电高分子的掺杂情况几种导电高分子的掺杂情况第38页，共124页，编辑于2022年，星期五 复复合合型型导导电电高高分分子子材材料料是是以以有有机机高高分分子子材材料料为为基基体体,加加入入一一定定数数量量的的导导电电物物质质(如如炭炭黑黑、石石墨墨、碳碳纤纤维维、金金属属粉粉、金金属属纤纤维维、金金属属氧氧化化物物等等)组组合合而而成成。该该类类材材料料兼兼有有高高分分子子材材料料的的易易加加工工特特性性和和金金属属的的导导电电性性。与与金金属属相相比比较较,导导电电性性复复合合材材料料具具有有加加工工性性好好、工艺简单、耐腐蚀、电阻率可调范围大、价格低等工艺简单、耐腐蚀、电阻率可调范围大、价格低等优点。优点。复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种:一种是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共一种是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共混；混；另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中。另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中。第39页，共124页，编辑于2022年，星期五 炭炭黑黑是是天天然然的的导导电电材材料料,其其体体积积电电阻阻率率约约为为0.1100cm-1。它它不不仅仅原原料料易易得得,导导电电性性持持久久稳稳定定，而而且且可可以以大大幅幅度度调调整整复复合合材材料料的的电电阻阻率率(1108cm-1)。由由炭炭黑黑填填充充制制成成的的复复合合型型导导电电高分子是目前用途最广、用量最大的一种导电高分子材料。高分子是目前用途最广、用量最大的一种导电高分子材料。金金属属纤纤维维的的填填充充量量对对导导电电性性能能的的影影响响规规律律与与炭炭黑黑填填充充的的情情形形相相类类似似。但但由由于于纤纤维维状状填填料料的的接接触触几几率率更更大大，因因此此在填充量很少的情况下便可获得较高的导电率。在填充量很少的情况下便可获得较高的导电率。第40页，共124页，编辑于2022年，星期五 结构型导电高分子是指高分子材料本身或经少量掺杂后具结构型导电高分子是指高分子材料本身或经少量掺杂后具有导电性的高分子物质有导电性的高分子物质,一般由电子高度离域的共轭聚合物经过适一般由电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子给体或受体掺杂后制得。当电子给体或受体掺杂后制得。离离子子型型导导电电高高分分子子通通常常又又叫叫高高分分子子固固体体电电解解质质，其其导导电电时时的的载流子主要是离子。载流子主要是离子。电电子子型型导导电电高高分分子子指指的的是是以以共共轭轭高高分分子子为为主主体体的的导导电电高高分分子子材材料料,导导电电时时的的载载流流子子是是电电子子(或或空空穴穴)，这这类类材材料料是是目目前前世世界界上上导导电电高高分子材料研究开发的重点。分子材料研究开发的重点。第41页，共124页，编辑于2022年，星期五 导电高分子是由含导电高分子是由含 电子的共轭高聚物通过化学或电电子的共轭高聚物通过化学或电化学掺杂使其由绝缘体转变为导体。化学掺杂使其由绝缘体转变为导体。（1）通过控制掺杂度，导电高分子的室温电导率可在绝）通过控制掺杂度，导电高分子的室温电导率可在绝缘体缘体-半导体半导体-金属态范围内变化。目前最高的室温电导率金属态范围内变化。目前最高的室温电导率可达可达105S/cm，它可与铜的电导率相比，而重量仅为铜，它可与铜的电导率相比，而重量仅为铜的的1/12；与金属和半导体相比较，导电高分子的电学性与金属和半导体相比较，导电高分子的电学性能具有如下特点：能具有如下特点：第42页，共124页，编辑于2022年，星期五（2 2）导电高分子可拉伸取向。沿拉伸方向电导率随拉）导电高分子可拉伸取向。沿拉伸方向电导率随拉伸度而增加，而垂直拉伸方向的电导率基本不变，呈伸度而增加，而垂直拉伸方向的电导率基本不变，呈现强的电导各向异性；现强的电导各向异性；（3 3）尽管导电高分子的室温电导率可达金属态，但它）尽管导电高分子的室温电导率可达金属态，但它的电导率的电导率-温度依赖性不呈现金属特性，而服从半导体温度依赖性不呈现金属特性，而服从半导体特性；特性；（4 4）导电高分子的载流子既不同于金属的自由电子，）导电高分子的载流子既不同于金属的自由电子，也不同于半导体的电子或空穴，而是用孤子、极化子也不同于半导体的电子或空穴，而是用孤子、极化子和双极化子概念描述。和双极化子概念描述。第43页，共124页，编辑于2022年，星期五 对对于于导导电电高高分分子子来来说说，掺掺杂杂的的概概念念不不同同于于常常见见的的无无机机半半导导体体。以以单单晶晶硅硅为为例例，每每个个硅硅原原子子有有四四个个价价电电子子，若若晶晶格格中中有有一一个个硅硅原原子子被被一一个个仅仅具具有有三三个个价价电电子子的的硼硼原原子子取取代代后后，由由于于硼硼原原子子是是缺缺电电子子的的，无无论论硅硅与与硼硼之之间间是是否否发发生生电电子子转转移移，在在晶晶格格中中都都有有一一个个正正的的“空空穴穴”，这这即即所所谓谓p p掺掺杂杂；反反之之，若若晶晶格格中中有有一一个个硅硅原原子子被被一一个个具具有有五五个个价价电电子子的的磷磷原原子子取取代代后后，该该格格点点上上就就比比别别的的格格点点多多出出一一个个电电子子，这即所谓这即所谓n n掺杂。掺杂。第44页，共124页，编辑于2022年，星期五 导导电电高高分分子子的的掺掺杂杂则则是是通通过过氧氧化化还还原原反反应应实实现现的的。掺掺杂杂的的方方式式主要有两种：主要有两种：化化学学掺掺杂杂法法，即即通通过过加加入入第第二二种种不不同同氧氧化化态态的的物物质质，使使之之与与聚聚合合物物接触并反应；接触并反应；电电化化学学掺掺杂杂法法，即即聚聚合合物物作作为为电电极极，掺掺杂杂剂剂作作为为电电解解质质，在在通通电电条件下使聚合物链发生氧化还原反应而直接改变其荷电状态。条件下使聚合物链发生氧化还原反应而直接改变其荷电状态。前前者者简简单单易易行行，有有利利于于了了解解掺掺杂杂前前后后聚聚合合物物结结构构与与性性能能的的变变化化；后后者者时时间间短短，效效率率高高，易易于于得得到到导导电电聚聚合合物物薄薄膜膜。除除此此之之外外，还还有有诸诸如如酸酸碱碱化化学学掺掺杂杂、光光掺掺杂杂、电电荷荷注注入入掺掺杂杂等等方方法。法。第45页，共124页，编辑于2022年，星期五 掺杂对于电子导电聚合物导电能力的改变具有非常重掺杂对于电子导电聚合物导电能力的改变具有非常重要的意义，其导电性能往往会增加几个数量级。掺杂过程要的意义，其导电性能往往会增加几个数量级。掺杂过程中，掺杂剂分子插入聚合物分子链中，通过两者之间中，掺杂剂分子插入聚合物分子链中，通过两者之间氧化氧化还原反应还原反应完成电子转移过程完成电子转移过程 第46页，共124页，编辑于2022年，星期五p型掺杂剂型掺杂剂在掺杂反应中作为电子的接受体。在掺杂反应中作为电子的接受体。卤素：卤素：Cl2,Br2,I2,IBr等；等；路易斯酸：路易斯酸：PF5,AsF5,BF3,SbF5等；等；质子酸：质子酸：HF,HCl,HNO3,ClSO3H等；等；过渡金属卤化物：过渡金属卤化物：NbF5,TaF5,MoF5,ZrCl4，TeI4等；等；过渡金属化合物：四氰基乙烯（过渡金属化合物：四氰基乙烯（TCNE）,四氰基对苯醌二甲烷四氰基对苯醌二甲烷（TCNQ），四氯对苯醌、二氯二氰代苯醌（），四氯对苯醌、二氯二氰代苯醌（DDQ）等。）等。第47页，共124页，编辑于2022年，星期五n型掺杂剂型掺杂剂在掺杂反应中作为电子的给予体。在掺杂反应中作为电子的给予体。常常见见的的有有碱碱金金属属：Li,Na,K等等；在在电电化化学学掺掺杂杂中中常常用用R4N+，R4P+(R=CH3，C6H5等等)第48页，共124页，编辑于2022年，星期五p型掺杂是由于导电高分子的部分氧化，即：型掺杂是由于导电高分子的部分氧化，即：x 聚合物聚合物 (聚合物聚合物+y)x+(xy)e-n型掺杂则是由于导电高分子的部分还原，即：型掺杂则是由于导电高分子的部分还原，即：x聚合物聚合物+(xy)e-(聚合物聚合物-y)x 上上述述过过程程可可通通过过电电化化学学或或化化学学方方法法完完成成。为为了了维维持持电电中中性性，p型掺杂和型掺杂和n型