功能高分子材料概论.ppt

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1、第一章 功能高分子材料概论 第一节 功能高分子材料概念1功能高分子材料的定义 l从物质到原材料，从通用材料到特性材料(Specialty material)，再从特性材料到功能材料(functional material)，都有着本质上的区别。要把功能材料、通用材料和特性材料区别开来，首先要分清性能(performance)和功能(function)两个词的区别。通常我们常说这样的一句话“材料的性质”，但从工程学规范的话言则是称“材料的性能及功能”。材料性能l 材料性能的含义是指材料对于外部的各种刺激(水、外力、热、光、电、磁、化学品等)的抵抗。通常称为耐水性、耐热性、透光性、耐化学品性。材料

2、的功能l材料的功能是指当对材料输入“信号”(能量)时就会发生质和量的变化，其中任何一种变化有输出作用。(如：机械能转换成其它形式功能，压电、磁转换成热、光，光致聚合，离子交换，氧化还原等)功能高分子的含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。功能高分子材料的特点l功能高分子材料和通用高分子材料相比大致有以下特点；l消费量相来说要小很多；l单位重量(或体积)的价格一

3、般较高；l多数实用化历史较短，开发余地很大；l竞争激烈更新速度快；l是一种多学科交叉研究的产物。高分子材料功能的分类 l材料的功能大致可分为化学功能、物理功能、介于化学；物理之间或复合的功能和生理功能四类：l(1)化学功能 l(2)物理功能 l(3)介于化学、物理之间或复合的功能 l(4)生理功能 化学功能l包括离于交换，催化，氧化还原，光聚合，光交联，光分解，光降解，固体电解质，微生物分解等功能。l化学功能高分子材料有：感光性高分子材料，氧化还原树脂，离子交换树脂光降价性塑料，高分子试剂，固体电介质。物理功能l包括导电，热电，压电，焦电，电磁波的透过吸收，反射，热电子放射，超导，形状记亿超塑

4、性，低温韧性，磁化，透磁，电磁屏蔽，磁记录，光致变色，偏光性，光传导，光磁效应，光弹性，耐放射线、x射线透过，x射线吸收等功能。l以物理功能为主的功能高分子材料有：导电聚合物，压电高分子，高分子驻极体，旋光性高分子，高分子载体，磁记录高分子材料，高分子颜料及荧光体，高分子发光体。介于化学、物理之间或复合的功能l包括吸附，介吸，膜分离，高吸水，表面活性等功能。l介于化学、物理之间或具有复合功能的功能高分子材料有：高分子吸附剂，絮凝剂，表面活性剂，染料，功能膜，稳定剂，高吸水材料。生理功能l包括组织适应性血液适应性，生物体内分解非抽出性，非吸附性等功能。l生理功能为主的高分子材料有：医用高分子材料

5、，医药，农药，生物降价性塑料。第二节第二节 高分子结构分析高分子结构分析l元素组成。元素组成。例如，高分子阻燃剂与含磷、硫、溴有关，高分子螯合剂与配位元素的种类和状态有关l官能团结构官能团结构。决定材料的化学性质：氧化还性、酸碱性、亲电亲核性、配位性；决定材料的物理性质：亲水亲油性、溶解性、电性、光性、磁性等l链段结构链段结构（链接结构、几何异构、立体异构、链段支化度、端基、交联结构等）直接影响材料的物理性能。例如，支化分子间力小，结晶性差溶解性好，交联只能溶胀化学结构、l微观结构。微观结构。分子在空间是呈棒状、片状、球状、螺旋状取决于分子间力，如范德华力，静电力，氢键力等l超级分子结构和聚集

6、态超级分子结构和聚集态l宏观结构宏观结构。包括立体形状，宏观尺寸，组合形式，复合结构等，如高分子膜的多孔结构，高分子纳米复合材料的复合结构第三节第三节 功能高分子材料的构效分析功能高分子材料的构效分析 一、官能团性质与聚合物功能的关系l功能高分子材料的性质主要取决于所含的功能高分子材料的性质主要取决于所含的官能团官能团：如侧链液晶型高分子，在柔性主链上接上刚性侧链构成，高分子氧化剂的氧化性取决于所含的过氧羧基，含季胺基和磺酸基的高分子材料具有离子交换功能l功能高分子材料的性质主要取决于官能团功能高分子材料的性质主要取决于官能团与聚合物骨架的协同作用与聚合物骨架的协同作用：如固相合成试剂l官能团

7、与聚合物骨架不能区分官能团与聚合物骨架不能区分：具有电子导电功能的高分子材料含有共轭双键，既是官能团，也构成聚合物骨架；具有离子导电功能的高分子材料起主要作用的醚氧结构位于主链上；主链液晶型高分子，刚性主链在形成液晶时起主要作用l官能团仅起辅助作用官能团仅起辅助作用：引入官能团改善溶解性，润湿性，玻璃化转变温度，氧化还原电位，稳定性等 二、高分子骨架的作用-高分子效应l溶解度下降：分子间力增大，导致溶解度下降l机械支撑作用l模板效应l稳定效应 三、聚合物骨架种类和形态的影响l聚合物骨架的种类和影响l1）烯类及环氧类单体制备的聚合物，主链为饱和结构，链的柔顺性好l2）以聚酯、聚酰胺为代表的，一般

8、采用缩聚制备，强度较高l3）以天然高分子改性得到的聚合物分子，如改性纤维素、甲壳素等，生物相容性好l4）以聚吡咯、聚噻吩、聚苯、聚乙烯为代表的具有线性共轭结构，具有电子传输性l5）以聚芳香内酰胺为主链的梯形化合物，有超常的机械性能，可制备主链高分子液晶l6）聚均苯四甲内酰胺，很高的拉伸强度及热稳定性 第四节 与功能高分子性能相关的概念与功能高分子性能相关的概念 l1聚合物的溶胀和溶解性质l2聚合物的多孔性l3聚合物的渗透性l4.聚合物的稳定性 第五节功能高分子材料制造的主要途径l 功能高分子材料从它们的组成和结构可分成结构型、复合型和混合型三种。l 结构型功能高分子材料是指在大分子链中有特定功

9、能基因的高分子材料，对于它们的制备方法主要是化学合成为手段。l 复合型功能高分于材料是指以普通高分子材料为基体或载体与具有特定功能的其它材料进行复合，主要用物理加工手段。l功能高分子材料是既有结构型又有复合型的特点称作混合型结构型功能高分子材料的主要制备方法 l分子设计 l高分子化l功能复合 l功能扩大 l系列化 分子设计l1)以高分子作母体(matrix)在其端基或侧链上导入功能基团。以天然纤维素作母体制备功能高分子(2)以反应性单体通过嵌段，接枝共聚等方法制备嵌段共聚物的制备方法l利用游离基聚合的方法。la将第一种单体在调聚剂存在下进行聚合，在链端引入具有引发聚合能力的官能基团；或与氧共聚

10、合，在主链中引人过氧键，随后使第二单体在这些部位进行聚合。lb，利用包在端聚物(popcorn polymer)内的游离基。lC,由于冷炼、高速搅拌等剪切力的作用，使主链断开产生游离基，用于引发另一单体的聚合。l制备在链端具有氨基、羟基、酯基、正碳离子等的聚合物。la通过缩合反应，酯交换反应或酰胺交换反应制得嵌段共聚物。lb通过环醚、亚胺、内酯、内酰胺、环氧化合物的聚合或乙烯基单体的聚合(活性离子聚合)制得嵌段共聚物 接枝共聚物合成制备方法 (1)通过聚合物的游离基连锁转移反应，在主干聚合物的侧链上生成游离基，从而进行支化反应。(2)通过侧链氧化，引入过氧化物基团，或将侧链上的氨基偶氮化形成聚

11、合反应引发点。(3)通过射线照射，光化学反应、氧化反应(羟基、氨基、琉基等以Ce+进行氧化等)开始进行支化配合。(4)在侧链的活性基(羟基、氨基、羧基、碳翁、正碳离子)上使环氧化物、内酰胺、内酯极性乙烯基单体进行聚合。(5)具有活性端基的聚合物与主干聚合物的侧链发生反应(活性聚合物与酯基，氯甲基反应)。此外在分子末端引入不饱和基团的聚合物，即大分子单体，可用多种方法制得。这些大分子单体与其它单体进行共聚，可获得带有规定长度分枝的接枝共聚物。(3)分子内交联和分子间交联l分子内交联l 分子间交联l高分子化l功能复合l功能扩大 l系列化复合型功能高分子材料的主要加工方法 l 1 液体高分子树脂通过改性制备复合性功能高分子材料的主要方法 掺混各种助剂填料，通过混和，悬浮、乳化等方法制成。也可以通过反应注射成型(RIM)直接成型。l2 固体树脂基本上也是通过掺混各种助剂填料来制造复合型功能高分子材料的。但是，其加工方式和应用手段是不同的。主要有粉末化技术、造粒技术、薄膜、型材表面加工技术。表面处理技术 l由表面处理可以使高分子固体材料获得如下功能；l被粘结性及可印刷性；l对物质有选择性的屏蔽功能或选择性透过功能；l对能量有选择性的屏蔽、透过及反射功能；l硬度及耐磨损性；l电磁特性l对生物体组织及生物功能的适应性；l耐化学药品性 高聚物固体的表面处理法有：