磁性高分子材料优秀课件.ppt
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1、磁性高分子材料第1页,本讲稿共64页目录:1 前言前言2 磁性高分子材料的种类与构成磁性高分子材料的种类与构成 3 磁性高分子材料的制备方法磁性高分子材料的制备方法 4 磁性高分子材料的应用磁性高分子材料的应用 5 发展前景发展前景 第2页,本讲稿共64页前言磁的故乡磁的故乡 中华民族很早就认识到了磁现象,磁学是一个历史悠久的研究领域。指南针是中国古代四大发明之一,古代中国在磁的发现、发明和应用上还有许多都居于世界首位,可以说中国是磁的故乡中国是磁的故乡。公元前3世纪,战国时期,韩非子中这样记载:“先王立司先王立司南以端朝夕南以端朝夕”。鬼谷子中记载:“郑人取玉,必载司南,为其郑人取玉,必载司
2、南,为其不惑也不惑也”。第3页,本讲稿共64页前言磁的故乡磁的故乡 司南 指南车第4页,本讲稿共64页前言磁的来源磁的来源:物质的磁性来源于原子的磁性,研究原子磁性是研究物质磁性的基础。原子的磁性来源于原子中电子电子及原子核原子核的磁矩。原子核磁矩很小,在我们所考虑的问题中可以忽略。电子磁矩(轨道磁矩、自旋磁矩)原子的磁矩。第5页,本讲稿共64页前言电子轨道运动产电子轨道运动产生电子轨道磁矩生电子轨道磁矩电子自旋产生电电子自旋产生电子自旋磁矩子自旋磁矩构成原子构成原子的总磁矩的总磁矩物质磁性物质磁性的起源的起源第6页,本讲稿共64页前言自旋自旋的电子就会使它成为一个小磁铁小磁铁。第7页,本讲稿
3、共64页前言 那么为什么并不是所有的物质都具有磁性?而只有少数物质(象铁、钴、镍等)才具有磁性呢?第8页,本讲稿共64页前言 电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中,具有向上自转向上自转和向下自转向下自转的电子数目一样多,它们产生的磁极会互相抵消磁极会互相抵消,整个原子,以至于整个物体对外没有磁性。第9页,本讲稿共64页铁磁性的起源-直接交换相互作用原子间距离太远,表现孤立原子特性 a.b原子核外电子因库仑相互作用相互排斥,在原子中间电子密度减少 原子间距离适当时,a原子核将吸引b原子的外围电子,同样b原子核将吸引b原子的外围电子。原子间电子密度增加。电子间产生交换作用,或者说a、b原子
4、的电子进行交换是等同的,自旋平行时能量最小。铁磁耦合 原子间距离再近,这种交换作用使自旋反平行,a、b原子的电子共用一个电子轨道,抅成反铁磁耦合ab(1)(2)rabb(2)a(1)ababab第10页,本讲稿共64页前言 只有少数物质(例如铁、钴、镍),它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样,这样,在自转相反的电子磁极互相抵消以后,还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消。这样,整个原子具有总的磁矩。同时,由于一种被称为“交换作用交换作用”的机理,这些原子磁矩之间被整齐地排列起来,整个物体也就有了磁性。当剩余的电子数量不同时,物体显示的磁性强弱也不同。第11页,本讲稿共64页前言 在人类材料
5、发展史上,磁性材料曾长期为含铁族铁族或稀土金属合金稀土金属合金和氧化物氧化物等无机磁性物质所独占,但因其比重大、脆硬、加工成型困难,使之在一些特殊场合下使用受限。第12页,本讲稿共64页 高分子磁性材料,是人类在不断开拓磁与高分子聚合物(合成树脂、橡胶)的新应用领域的同时,而赋予磁与高分子的传统应用以新的涵义和内容的材料之一。高分子磁性材料,因具有柔软质轻、容易加工成尺寸精度高和形状复杂的制品,分子结构变化多端,还能与其它元件一体成型等特点,而越来越受到人们的关注。前言第13页,本讲稿共64页磁性高分子材料的种类与构成磁性高分子材料的种类与构成第14页,本讲稿共64页 磁性高分子材料的种类与构
6、成磁性高分子材料的种类与构成 磁性高分子材料通常可分为磁性高分子材料通常可分为复合型复合型和和结构结构型型两种。两种。1.复合型复合型磁性高分子材料是指以高分子材料与各种无机磁性物质通过混合、粘结、填充复合、表面复合、层积复合等方式制得的磁性体,如磁性橡胶、磁性树脂、磁性薄膜、磁性高分子微球等,目前已具有很好的实际应用价值。第15页,本讲稿共64页磁性高分子材料的种类与构成磁性高分子材料的种类与构成 例如:磁性橡胶磁性橡胶 磁性挂钩磁性挂钩第16页,本讲稿共64页磁性高分子材料的种类与构成磁性高分子材料的种类与构成 磁性胶片 磁性高分子微球第17页,本讲稿共64页磁性高分子材料的种类与构成磁性
7、高分子材料的种类与构成 2.结构型结构型磁性高分子材料系指不用加入无机磁性物而高分子自身就具有强磁性的材料,由于比重小、电阻率高,其强磁性来源与传统的无机磁性材料很不相同,具有重要的理论意义和应用前景。第18页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备方法磁性高分子材料的制备方法 第19页,本讲稿共64页磁性高分子的设计准则 众所周知,各种顺磁中心或自由基都相当活泼,当它们彼此靠近时,很容易相互作用,使电子配对无法形成磁性高分子,因此在严格的分子设计基础上,使大分子链既增加维数,又能保持分子的高度有序排列是很困难的。法国科学家Kahn设想,无论是合成磁性有机物还是磁性高分子,其分子设计都应首先按分子
8、磁工程合成高自旋基态的一维链或二维片,再按晶体磁工程使一维链或二维片以铁磁相互作用的方式组装在晶格上。第20页,本讲稿共64页磁性高分子的设计准则合成有价值的磁性高分子的设计准则设计准则如下:含未成对电子的分子间能产生磁相互作用,达到自旋自旋有序化有序化是获得磁性高分子的充分和必要条件;分子中应有高自旋态的苯基,含N,O,CN,S等自由基体系或基态为三线态的4 电子的环戊二烯阳离子或苯基双阳离子等;3d电子的Fe,Co,Mn,Cr,Ru,Os,V,Ti等含双金属有机高分子络合物是顺磁体,若使两个金属离子间结合一个不含未成对电子的有机基团,则可引起磁性离子M1M2间的超交换作用而获铁磁体。第21
9、页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备结构型结构型磁性聚合物的设计有两条途径:(1)根据单畴磁体结构,构筑具有大磁矩的高自旋聚合物;(2)参考-Fe、金红石结构的铁氧体,对低自旋高分子进行调整,从而得到高性能的磁性聚合物。按照聚合物类型的不同,结构型磁性聚合物主要可分为以下几类:纯有机铁磁体、高分纯有机铁磁体、高分子金属络合物和电荷转移复合物。子金属络合物和电荷转移复合物。第22页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备纯有机铁磁体纯有机铁磁体 1980年代中期,首次合成了有机铁磁体polyBIPO,但工艺的重复性差重复性差,样品中磁性成分也很低磁性成分也很低。到1990年代,终于开发出了重复性较
10、好的工艺。但一般情况下,纯有机铁磁体仍然具有重复性差、TC太低等不足,因此纯有机铁磁体目前仅限于理论研究,离实用阶段还相距甚远。第23页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备 因不含任何无机金属离子,该类磁体的磁性机理及材料合成出现了很多新概念和新方法。在polyBIPO结构中,主链是一简单的反式聚反式聚乙炔乙炔结构,R是自由基,有一个未配对电子。每个单元内有一个未配对电子存在,各单元内未配对电子之间的相互作用将可能导致体系呈现一种铁磁性。进一步考虑到电子与未成键电子之间的铁磁交换关联,这种铁磁性将是稳定的。第24页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备高分子金属络合物和电荷转移复合物高分子金属络
11、合物和电荷转移复合物 目前,这方面的研究工作主要集中在两方面:(1)设计和制备新的分子基铁磁体,研究新体系的磁性-结构相关性;(2)对已知的分子基铁磁体,通过调节分子结构,提高铁磁体的铁磁相变临界温度和增大矫顽力。理论上,宏观铁磁性是铁磁性材料在三维空间长程磁有序的协同结果,因此,在设计新的分子基铁磁性体系时,力求增强分增强分子间的相互作用子间的相互作用。磁性配位聚合物磁性配位聚合物能满足这一要求,因而,设计和合成磁性配位聚合物就成为分子基铁磁体研究的热点。第25页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备 陈友存等人合成了两种新的草酸根桥联草酸根桥联的双金属层状配合物双金属层状配合物,元素分析、红
12、外光谱表征、变温磁化率测定结果表明,在这两种层状配位聚合物中,相邻的金属离子之间存在反铁磁耦合作用反铁磁耦合作用。林云等人在高纯氮气或氩气的气氛中,以二茂铁二茂铁为原料经多步反应合成的有机磁性材料为母体,与自制的过度金属磁化剂反应形成常温稳定的黑色有机磁性粉末。并指出与铁氧体相比,经改性的有机磁性材料比重小、易热压成型,有良好的抗冲击、抗辐射和抗老化性比重小、易热压成型,有良好的抗冲击、抗辐射和抗老化性能能,可用于制作高性能的高频微波电子器件。第26页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备 复合型复合型磁性聚合物的结构单元内没有未配对的电子存在,本身并没有磁性,在聚合物中掺杂的无机磁性材料掺杂的
13、无机磁性材料是其具有磁性的根本原因。根据聚合物与无机磁性材料的结合方式及制备方法、应用领域的不同,复合型磁性聚合物主要可分为 磁性橡胶磁性橡胶 磁性塑料磁性塑料 磁性高分子微磁性高分子微球球 磁性聚合物薄膜等磁性聚合物薄膜等。第27页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备磁性橡胶和磁性塑料磁性橡胶和磁性塑料 磁性塑料(橡胶)是指在塑料或橡胶中添加磁粉及其他助剂,均匀混合后加工而成的一种功能性复合材料。根据不同方向上磁性能的差异,可以将其分为两类:一类是磁性粒子的易磁化方向呈杂乱无章排列,称为各向同性磁性塑料各向同性磁性塑料,性能较低,通常由钡铁氧体(mBaOnFe2O3)作为磁性组元。另一类是在
14、加工过程中通过外加磁场或机械力,使磁粉的易磁化方向有序排列,称作各向异性磁性塑料各向异性磁性塑料,使用较多的是锶铁氧体(mSrOnFe2O3)作为磁性组元。第28页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备制备磁性塑料主要有共混、原位聚合和化学转化三种方法。共混法共混法:比较成熟,例如将聚乙烯、对苯二甲酸脂与SrO.6Fe2O3磁粉、可塑剂、稳定剂、表面处理剂共混制备聚脂单纤维丝。原位聚合法原位聚合法:使聚合物单体在活化处理过的磁粉表面聚合,形成以磁粉为核、聚合物为包复层的复合磁性粒子,磁性粒子在聚合物单体中分散均匀。这种磁性粒子可进一步制成体型材料,也可单独作为功能材料(磁性高分子微球)应用。化学
15、转化法化学转化法:能改善前两种方法存在的缺陷,如粒度难于控制、磁粉分布不均匀、磁性较弱等,是比较好的制备方法。第29页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备磁性高分子微球磁性高分子微球磁性高分子微球是指通过适当的方法使聚合物与无机物结合起来,形成具有一定磁性及特殊结构的微球。由于磁性高分子微球在磁性材料、细胞生物学、分子生物学和医学等诸多领域显示出了强大的生命力,故将其重点介绍。第30页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备磁性高分子微球分成如图所示的三大类 第31页,本讲稿共64页磁性高分子材料的制备磁性高分子微球的制备方法很多,如包埋法、单体聚合法、化学液相沉积法等(1)包埋法包埋法将磁性粒子
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