1、纳米复合材料与器件纳米复合材料与器件1 1、具有选择分离功能的高分子材料；具有选择分离功能的高分子材料；2 2、聚合物基复合材料；聚合物基复合材料；3 3、纳米复合材料（相关理论及共性）；纳米复合材料（相关理论及共性）；4 4、纳米功能陶瓷；纳米功能陶瓷；5 5、功能玻璃；功能玻璃；6 6、纳米纤维材料；纳米纤维材料；7 7、隐身材料；隐身材料；8 8、纳米磁性复合材料及生物医用材料；纳米磁性复合材料及生物医用材料；9 9、导电高分子、环保纳米复合材料；导电高分子、环保纳米复合材料；1010、具有化学功能的高分子具有化学功能的高分子1具有选择分离功能的高分子材料具有选择分离功能的高分子材料2
2、1 1、高吸水性高分子材料；、高吸水性高分子材料； 2 2、离子交换树脂、离子交换树脂3功能高分子材料：指在高分子链上接上带有功能高分子材料：指在高分子链上接上带有某种功能的宫能团，使其在物理、化学、生某种功能的宫能团，使其在物理、化学、生物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料。物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料。几种功能高分子材料的应用几种功能高分子材料的应用: :（1 1）高吸水性材料）高吸水性材料 亲水性高聚物亲水性高聚物（分子链带有许多亲水原子团）（分子链带有许多亲水原子团）旱地种植旱地种植、改良土壤、改造沙漠、改良土壤、改造沙漠、尿不湿尿不湿等等45强吸水能力的功能高分子材料：强
3、吸水能力的功能高分子材料：如无土栽培、改良土如无土栽培、改良土壤、改造沙漠等。壤、改造沙漠等。 保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害，保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害，反复吸水、释水反复吸水、释水 “ “微型水库微型水库”。同时，它还能吸收肥料、。同时，它还能吸收肥料、农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农业、林业、园艺、建筑等。农业、林业、园艺、建筑等。 67聚丙烯腈水解物聚丙烯腈水解物 将聚丙烯腈用碱性化合物水解，再经将聚丙烯腈用碱性化合物水解，再经交联剂交联，即得高吸水性树脂。交联剂交
4、联，即得高吸水性树脂。如将废晴纶丝水解后用氢氧化钠交联的产物即如将废晴纶丝水解后用氢氧化钠交联的产物即为此类。由于氰基的水解不易彻底，产品中为此类。由于氰基的水解不易彻底，产品中亲水基团含量较低，故这类产品的吸水倍率亲水基团含量较低，故这类产品的吸水倍率不太高，一般在不太高，一般在50050010001000倍左右。倍左右。高吸水性树脂高吸水性树脂8时代周刊时代周刊评出评出2020世纪最伟大的世纪最伟大的100100项发明，其中项发明，其中“尿不湿尿不湿” ” 榜上有名榜上有名 为什么为什么“尿不湿尿不湿” ” 能评为能评为2020世纪最伟大的世纪最伟大的100100项发明呢项发明呢? ?最初
5、是为谁专门设计的呢？最初是为谁专门设计的呢？9 美国在上世纪六十年代初，航天事业崛起，如何解决美国在上世纪六十年代初，航天事业崛起，如何解决宇航员的排尿问题迫在眉睫，华人宇航员的排尿问题迫在眉睫，华人唐鑫源唐鑫源成为成为“尿不湿尿不湿”的发明人，后来他被誉为美国的发明人，后来他被誉为美国“太空服之父太空服之父”。10“神舟神舟”系列上天的航天员都使用了系列上天的航天员都使用了“尿不湿尿不湿” ” 航天员专用航天员专用“尿不湿尿不湿”1 1克克能吸收约能吸收约10001000克克水水 ，吸水性远强于一般婴儿使用的吸水性远强于一般婴儿使用的“尿不湿尿不湿” ” 11 “尿不湿尿不湿”是航天产品是航
6、天产品“下凡下凡”的成功典范！现的成功典范！现在不仅是婴幼儿使用，还有供特殊成人使用的，在不仅是婴幼儿使用，还有供特殊成人使用的，更有趣的是有些更有趣的是有些宠物也系上了宠物也系上了“尿不湿尿不湿”出门溜出门溜达，以保护公共卫生。达，以保护公共卫生。 资料显示：资料显示：19871987年年，英国，英国一次性尿布销一次性尿布销售利润达售利润达2 2亿英亿英镑。设想一下镑。设想一下我们中国这样我们中国这样一个人口大国，一个人口大国，利润有多么惊利润有多么惊人！人！ 12前前后后13 “ “尿不湿尿不湿”起作用的物质是一种起作用的物质是一种功能高分子功能高分子材料，材料，具有具有很强的吸水能力很强
7、的吸水能力。它所用的材料是高吸水性树。它所用的材料是高吸水性树脂（常用网状结构的聚丙烯酸钠脂（常用网状结构的聚丙烯酸钠) )聚丙烯酸钠如何合成？聚丙烯酸钠如何合成？CHCH2 2=CHCOOH CH=CHCOOH CH2 2=CHCOONa =CHCOONa 加加交联剂交联剂得网状结构得网状结构14吸水机理吸水机理 基于高分子电解质的离子网络理论：在高基于高分子电解质的离子网络理论：在高分子电解质的立体网络构造的分子间，存分子电解质的立体网络构造的分子间，存在可移动的离子对，由于显示高分子电解在可移动的离子对，由于显示高分子电解质电荷吸引力强弱的质电荷吸引力强弱的可移动离子浓度可移动离子浓度，
8、在，在高吸水性树脂的内侧比外侧高，即产生渗高吸水性树脂的内侧比外侧高，即产生渗透压。透压。 渗透压及水和高分子电解质之间的亲和力渗透压及水和高分子电解质之间的亲和力，产生了异常的吸水现象。产生了异常的吸水现象。15实例：实例：含羧酸钠盐的高吸水性树脂在未接触含羧酸钠盐的高吸水性树脂在未接触水时是固态网络，与水接触后亲水基与水作水时是固态网络，与水接触后亲水基与水作用，水渗入树脂内部，羧酸基解离成羧酸根用，水渗入树脂内部，羧酸基解离成羧酸根和和NaNa+ +, ,羧酸根不能往水中扩散，羧酸根不能往水中扩散， NaNa+ +也不能自也不能自由渗入水中，这样网络内外有渗透压，使水由渗入水中，这样网络
9、内外有渗透压，使水分子渗入网络内。分子渗入网络内。这样高分子链间出现纯溶剂区，部分这样高分子链间出现纯溶剂区，部分NaNa+ +, ,向向纯溶剂区扩散，导致高分子链上带净电荷，纯溶剂区扩散，导致高分子链上带净电荷，静电斥力使高分子网束扩展，大量水分子封静电斥力使高分子网束扩展，大量水分子封存在高分子网内，因为受网络结构束缚，水存在高分子网内，因为受网络结构束缚，水分子运动受到限制，阻挡失水。分子运动受到限制，阻挡失水。16 高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，耐挤压。耐挤压。
10、前前后后17高吸水性树脂的高吸水性树脂的结构特征：结构特征： a.分子中具有强亲水性基团，如羟基、分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键；羧基，能够与水分子形成氢键； b.b.树脂具有树脂具有交联结构交联结构； c.c.聚合物内部具有较高的离子浓度；聚合物内部具有较高的离子浓度； d.d.聚合物具有较高的分子量。聚合物具有较高的分子量。18高吸水性树脂的基本特征高吸水性树脂的基本特征 1 1、吸水性：吸水量为其重量的、吸水性：吸水量为其重量的500-1000500-1000倍，最大倍，最大可达到可达到53005300倍。倍。交联度很重要：未交联的聚合物是水溶性的无吸水交联度
11、很重要：未交联的聚合物是水溶性的无吸水性，如果交联度过大，网络空间减小，会降低吸性，如果交联度过大，网络空间减小，会降低吸水能力。水能力。2 2、保水性：高吸水性树脂吸收水就溶胀为凝胶状，、保水性：高吸水性树脂吸收水就溶胀为凝胶状，高分子网络被扩展而具有一定的弹性，高分子网络被扩展而具有一定的弹性，在加压下在加压下也挤不出水来也挤不出水来，而且吸水性树脂可与环境水份保，而且吸水性树脂可与环境水份保持平衡。持平衡。193 3、吸水状态的凝胶强度、吸水状态的凝胶强度树脂具有一定的交联密度，故凝胶强度高，不易破碎。树脂具有一定的交联密度，故凝胶强度高，不易破碎。4 4、吸氨性、吸氨性高分子树脂是含羧
12、基的阴离子聚合物，由于部分羧基高分子树脂是含羧基的阴离子聚合物，由于部分羧基被中和，部分呈酸性，故可吸氨，具有除臭作用。被中和，部分呈酸性，故可吸氨，具有除臭作用。20纤维素的结构简式纤维素的结构简式 传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性？传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性？ 发现其每个链节上都有发现其每个链节上都有OHOH，它是一种亲水基，它是一种亲水基 2122 上世纪上世纪7070年代发展起来的亲水隐形眼镜具有年代发展起来的亲水隐形眼镜具有特点：特点：吸收相当于自重吸收相当于自重80%80%水，才变得柔软、透水，才变得柔软、透气、舒适、戴时长气、舒适、戴时长 制备隐形眼镜所用的原料
13、主要是制备隐形眼镜所用的原料主要是丙烯酸羟乙酯丙烯酸羟乙酯（CHCH2 2=CHCOOCH=CHCOOCH2 2CHCH2 2OHOH） 23高吸水性树脂的应用开发高吸水性树脂的应用开发（1 1）农业应用方面）农业应用方面a. a. 土壤保水剂、改良剂。由于高吸水性树脂土壤保水剂、改良剂。由于高吸水性树脂具有惊人的吸水性和保水性，因而可用作具有惊人的吸水性和保水性，因而可用作土壤土壤保水剂保水剂。在天旱、水土流失严重的土。在天旱、水土流失严重的土壤中添加少量此类树脂，即能改善土壤的壤中添加少量此类树脂，即能改善土壤的湿度及透气性，现已在阿拉伯沙漠中应用。湿度及透气性，现已在阿拉伯沙漠中应用。2
14、4b. b. 植物幼苗移植用保水剂。植物幼苗移植用保水剂。 将移植树苗的根部在含将移植树苗的根部在含1 1高吸水性树脂的高吸水性树脂的凝胶中处理后，大大延长了移植保存期，凝胶中处理后，大大延长了移植保存期，并提高了树苗成活率。它还可用于提高蔬并提高了树苗成活率。它还可用于提高蔬菜等其它农作物幼苗移植成活率，如烟草菜等其它农作物幼苗移植成活率，如烟草在移栽过程中使用淀粉吸水树脂可提高成在移栽过程中使用淀粉吸水树脂可提高成活率活率3030左右。目前在国外市场上已有专左右。目前在国外市场上已有专供植树用的保水剂出售。供植树用的保水剂出售。25c. c. 提高种子发芽率。提高种子发芽率。 高吸水性树脂
15、可用于保护蔬菜、大豆、小高吸水性树脂可用于保护蔬菜、大豆、小麦、玉米等种子所需要的水分，提高发芽麦、玉米等种子所需要的水分，提高发芽率率5 51010，增产，增产5 53030。如将树脂与草。如将树脂与草籽拌种，会大大提高飞机插种植草的成活籽拌种，会大大提高飞机插种植草的成活率。率。26d. d. 果、蔬保鲜剂。果、蔬保鲜剂。 水果、蔬菜在一般条件下难以保鲜。现用水果、蔬菜在一般条件下难以保鲜。现用高吸水性树脂开发出一种可调节水分的包高吸水性树脂开发出一种可调节水分的包装薄膜，用于包装水果、蔬菜，可在一定装薄膜，用于包装水果、蔬菜，可在一定程度上调节局部体系的气氛、湿度，从而程度上调节局部体系
16、的气氛、湿度，从而有效地控制水果、蔬菜的呼吸代谢，保鲜有效地控制水果、蔬菜的呼吸代谢，保鲜效果很好。效果很好。27（2 2）工业应用方面）工业应用方面 a. a. 涂料添加剂。涂料添加剂。由于高吸水性树脂具有平由于高吸水性树脂具有平衡水分的功能，在高湿度下能吸收水分，衡水分的功能，在高湿度下能吸收水分，在低湿度下又能释放水分。为此可制造涂在低湿度下又能释放水分。为此可制造涂料涂覆于无纺布上，用于内墙装饰防止结料涂覆于无纺布上，用于内墙装饰防止结露。含有这种树脂的涂料用于电子仪表上露。含有这种树脂的涂料用于电子仪表上可作为防潮剂。可作为防潮剂。28b. b. 工业脱水剂。工业脱水剂。高吸水性树脂
17、对有机物的吸收能力较差，因高吸水性树脂对有机物的吸收能力较差，因而可脱除苯类、石油类等与水不相溶的物而可脱除苯类、石油类等与水不相溶的物质中的水分，效果很好。质中的水分，效果很好。29c. c. 建筑工程中的应用。建筑工程中的应用。 在许多建筑工程和地下工程中，高吸水性树脂的在许多建筑工程和地下工程中，高吸水性树脂的应用越来越受到重视。应用越来越受到重视。例如将树脂混在堵塞用的橡胶或混凝土中可作堵水例如将树脂混在堵塞用的橡胶或混凝土中可作堵水剂；剂；与聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、各种橡胶等与聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、各种橡胶等配合可作水密封剂；配合可作水密封剂；还可用作水泥养护剂，在
18、水泥中加入少量高吸水性还可用作水泥养护剂，在水泥中加入少量高吸水性树脂，可吸收保持大量水分并缓慢放出，保证了树脂，可吸收保持大量水分并缓慢放出，保证了水泥内部水化完全、均匀，水泥制件强度高。水泥内部水化完全、均匀，水泥制件强度高。30（3 3）医用材料方面）医用材料方面 把高吸水性树脂添加于纸或纤维中，制作可吸收把高吸水性树脂添加于纸或纤维中，制作可吸收液体的卫生纸、垫褥、绷带、外科手术垫等。液体的卫生纸、垫褥、绷带、外科手术垫等。其制作方法是：把高吸水性树脂粉末撒在薄砂纸上，其制作方法是：把高吸水性树脂粉末撒在薄砂纸上，上面放上吸收纸做成夹层，在水汽中润湿后再用上面放上吸收纸做成夹层，在水汽
19、中润湿后再用压纹法将树脂固定在纸上，通过一次或数次工艺压纹法将树脂固定在纸上，通过一次或数次工艺即可制得具有超级吸水能力的产品，含即可制得具有超级吸水能力的产品，含0.4g0.4g吸水吸水树脂的这种纸制品（总重量树脂的这种纸制品（总重量5.5g5.5g）可吸收）可吸收121g121g水，水，吸尿能力为吸尿能力为404050g50g。31高吸水性树脂部分地水作用后可制得一种水高吸水性树脂部分地水作用后可制得一种水凝胶凝胶 用其医治动物皮肤创伤、处理褥疮、溃疡用其医治动物皮肤创伤、处理褥疮、溃疡病特别有效，感染少，焦痂少。病特别有效，感染少，焦痂少。 吸收树脂凝胶还可抑制血浆蛋白质和血小吸收树脂凝
20、胶还可抑制血浆蛋白质和血小板的粘着，因而可作抗血栓材料。用高吸板的粘着，因而可作抗血栓材料。用高吸水性树脂制成人工肾过滤材料，可以调节水性树脂制成人工肾过滤材料，可以调节血液中水分含量。将树脂添加于药物中可血液中水分含量。将树脂添加于药物中可改善在人体内的释放速度，从而大大提高改善在人体内的释放速度，从而大大提高药效。药效。32离子交换树脂离子交换树脂33 物质的分离是化学、化工的一个重要课题。物质的分离是化学、化工的一个重要课题。 化工单元操作中常见的分离方法有筛分、化工单元操作中常见的分离方法有筛分、过滤和蒸馏等，然而具有高层次的分离则过滤和蒸馏等，然而具有高层次的分离则难以达到精度。难以
21、达到精度。 具有选择分离功能的高分子材料具有选择分离功能的高分子材料的出现则的出现则有效地解决了以上的问题。有效地解决了以上的问题。34离子交换树脂离子交换树脂 在在100100多年前英国人多年前英国人ThompsonThompson和和WayWay就发现了土壤就发现了土壤中的离子交换过程，从而引起人们极大的注意。中的离子交换过程，从而引起人们极大的注意。 19351935年年AdamsAdams和和HolmesHolmes研究合成了具有离子交换功研究合成了具有离子交换功能的高分子材料能的高分子材料酚醛型离子交换树脂，酚醛型离子交换树脂， 后来各种类型的离子交换树脂相继出现，应用技后来各种类型
22、的离子交换树脂相继出现，应用技术不断改善，应用范围也日益扩大。术不断改善，应用范围也日益扩大。 现在，离子交换树脂已发展成为应用极广泛的化现在，离子交换树脂已发展成为应用极广泛的化学功能高分子材料。学功能高分子材料。35离子交换树脂是离子交换树脂是带有官能团带有官能团( (有交换离子的活性有交换离子的活性基团基团) )、具有网状结构、不溶性的高分子化合物、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。是。是最早工业化的功能高分子材料，通常是球形颗粒物。最早工业化的功能高分子材料，通常是球形颗粒物。 经过各种官能化的树脂（聚苯乙烯），含有经过各种官能化的树脂（聚苯乙烯），含有H H+ +离离子结构，能交换
23、各种阳离子的称为子结构，能交换各种阳离子的称为阳离子交换树脂阳离子交换树脂，含有含有OHOH- -离子结构能交换各种阴离子的称为离子结构能交换各种阴离子的称为阴离子交阴离子交换树脂换树脂。 它们主要用于它们主要用于水的处理水的处理。离子交换膜还可以用于。离子交换膜还可以用于饮用水处理、饮用水处理、海水淡化海水淡化、废水处理、牛奶和酱油的脱、废水处理、牛奶和酱油的脱盐、酸的回收以及作为电解隔膜和盐、酸的回收以及作为电解隔膜和电池隔膜电池隔膜。3637离子交换树脂的分类离子交换树脂的分类 离子交换树脂是一类能显示离子交换功能的高分离子交换树脂是一类能显示离子交换功能的高分子材料。子材料。 在其大分
24、子骨架的主链上带有许多化学基团，这在其大分子骨架的主链上带有许多化学基团，这些化学基团由些化学基团由两种带有相反电荷的离子两种带有相反电荷的离子组成，组成，一种是以化学键结合在主链上的一种是以化学键结合在主链上的固定离子固定离子；另一种；另一种是以离子键与固定离子相结合的是以离子键与固定离子相结合的反离子反离子。38 反离子可以被离解成为能自由移动的离子，反离子可以被离解成为能自由移动的离子，并在一定条件下可与周围的其它同类型离并在一定条件下可与周围的其它同类型离子进行交换。子进行交换。 离子交换反应一般是可逆的，在一定条件离子交换反应一般是可逆的，在一定条件下被交换上的离子可以解吸，使离子交
25、换下被交换上的离子可以解吸，使离子交换树脂再生，因而可反复利用。树脂再生，因而可反复利用。39 目前使用的离子交换树脂绝大多数是以目前使用的离子交换树脂绝大多数是以苯乙烯二乙烯苯共聚体和丙烯酸或其苯乙烯二乙烯苯共聚体和丙烯酸或其衍生物与二乙烯苯共聚体为基体的，二衍生物与二乙烯苯共聚体为基体的，二乙烯苯起了交联剂的作用。乙烯苯起了交联剂的作用。 树脂的交联结构使其既不溶解又不熔融，树脂的交联结构使其既不溶解又不熔融，保证它在受热或介质中正常工作。保证它在受热或介质中正常工作。 离子交换树脂的交联度通常以离子交换树脂的交联度通常以交联剂交联剂在在整个单体中的百分含量来表示。整个单体中的百分含量来表
26、示。40离子交换树脂品种繁多，分类方法也不统一离子交换树脂品种繁多，分类方法也不统一, ,根根据离子交换树脂据离子交换树脂交换基团的性质交换基团的性质进行划分：进行划分：阳离子交换树脂：带有酸性基团（即可解离的反阳离子交换树脂：带有酸性基团（即可解离的反离子是离子是H H或金属阳离子）能与阳离子进行交换或金属阳离子）能与阳离子进行交换反应；反应；阴离子交换树脂：带有碱性基团（即可解离的反阴离子交换树脂：带有碱性基团（即可解离的反离子是离子是OHOH或其它酸根离子）能与阴离子进行或其它酸根离子）能与阴离子进行交换反应。交换反应。41 离子交换树脂实际上是不溶、不熔的高分子酸、离子交换树脂实际上是
27、不溶、不熔的高分子酸、碱或盐，根据解离程度的不同，它们中又有碱或盐，根据解离程度的不同，它们中又有: :强酸性强酸性弱酸性弱酸性强碱性强碱性弱碱性弱碱性42通常可将离子交换树脂的种类分类于下：通常可将离子交换树脂的种类分类于下： 431 1）强酸性阳离子交换树脂）强酸性阳离子交换树脂 这类树脂的大分子骨架上带有磺酸基（这类树脂的大分子骨架上带有磺酸基（SOSO3 3H H），如以），如以R R代表高分子骨架，这种树脂可用代表高分子骨架，这种树脂可用R RSOSO3 3H H来表示，它在水溶液中可如下式解离：来表示，它在水溶液中可如下式解离：R RSOSO3 3H H R RSOSO3 3H H
28、 例如典型的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的例如典型的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的结构式为：结构式为：44其酸性与硫酸、盐酸相近，它在碱性、中其酸性与硫酸、盐酸相近，它在碱性、中性甚至酸性溶液中都能解离。性甚至酸性溶液中都能解离。452 2）弱酸性阳离子交换树脂）弱酸性阳离子交换树脂 带有带有羧酸基羧酸基（COOH）、）、磷酸基磷酸基（PO3H2）、）、酚基酚基的离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂，的离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂，其中以含羧酸基的树脂用途最广。其中以含羧酸基的树脂用途最广。 这些功能基酸性弱，因而这些功能基酸性弱，因而只能在中性或碱性溶液只能在中性或碱性溶液中才能解离而显
29、示离子交换功能中才能解离而显示离子交换功能，其解离反应用，其解离反应用下式表示：下式表示：RCOOH RCOOH463 3）强碱性阴离子交换树脂）强碱性阴离子交换树脂 交换基团为季胺基（交换基团为季胺基（NRNR3 3OHOH）的离子交换树）的离子交换树脂属于强碱性阴离子交换树脂，它在水中的解脂属于强碱性阴离子交换树脂，它在水中的解离为离为 R RN NR R3 3O O- -H H R RN NR R3 3 + OH + OH- - 在季胺型强碱性阴离子交换树脂中，把带三甲在季胺型强碱性阴离子交换树脂中，把带三甲基胺基胺 N N（CHCH3 3）3 3 的称作的称作型树脂型树脂，把带二甲，把
30、带二甲基乙醇基胺基乙醇基胺 (CH(CH3 3) )2 2C C2 2H H4 4OHOH的称作的称作型树脂型树脂。其结构式分别是：其结构式分别是：47 -CH2-CH-CH2-CH- C6H4 C6H4 -CH2-CH- CH2N（CH3）3Cl 型树脂48 -CH2-CH-CH2-CH- C6H4 C6H4 -CH2-CH- CH2NC(CH3）2Cl CH2CH2OH 型树脂这类树脂碱性较强，能在酸性、中性甚至碱这类树脂碱性较强，能在酸性、中性甚至碱性溶液中进行离子交换反应。性溶液中进行离子交换反应。494 4）弱碱性阴离子交换树脂）弱碱性阴离子交换树脂 这类树脂的交换基团是伯胺（这类树
31、脂的交换基团是伯胺（NHNH2 2）、仲胺（）、仲胺（NHRNHR）或叔胺（）或叔胺（NRNR2 2）。它们在水中解离程度较）。它们在水中解离程度较小，只能在中性及酸性溶液中进行离子交换反应。小，只能在中性及酸性溶液中进行离子交换反应。它的解离反应如下式：它的解离反应如下式： RNHRNH2 2 + H + H2 2O O RN-HRN-H3 3 + OH + OH- -505 5）其它离子交换树脂）其它离子交换树脂a. 螯合树脂螯合树脂在交联大分子链上带有螯合基团的树脂称作螯合在交联大分子链上带有螯合基团的树脂称作螯合离子交换树脂。它对特定离子具有特殊的选择离子交换树脂。它对特定离子具有特殊
32、的选择能力。目前真正商品化的螯合树脂还不太多，能力。目前真正商品化的螯合树脂还不太多，其中主要是亚胺羧酸类树脂。其中主要是亚胺羧酸类树脂。51特点：特点：对铜离子的选择吸附性强。其它如肟类树脂对铜离子的选择吸附性强。其它如肟类树脂对对NiNi2 2等金属离子有特殊的选择性；等金属离子有特殊的选择性；氨基磷酸树脂则对氨基磷酸树脂则对CaCa2+2+、MgMg2+2+选择性很高；选择性很高；各种多胺类弱碱性离子交换树脂也可与铜、各种多胺类弱碱性离子交换树脂也可与铜、锌等许多金属离子络合，因此也可作为螯锌等许多金属离子络合，因此也可作为螯合树脂使用。合树脂使用。52b.b.两性树脂两性树脂将阳离子交
33、换基团和阴离子交换基团连接在同一高分将阳离子交换基团和阴离子交换基团连接在同一高分子骨架上就构成两性树脂。子骨架上就构成两性树脂。53 两性树脂中最有意思的是两性树脂中最有意思的是“蛇笼树脂蛇笼树脂”（Snake-cage resinSnake-cage resin）。）。“蛇笼树脂蛇笼树脂”是在同一树脂颗粒中包含各带是在同一树脂颗粒中包含各带有阴、阳两种离子交换树脂的两种聚合物，有阴、阳两种离子交换树脂的两种聚合物，一种是交联的阴树脂（或阳树脂）为一种是交联的阴树脂（或阳树脂）为“笼笼”，另一种是线型的阳树脂（或阴树，另一种是线型的阳树脂（或阴树脂）为脂）为“蛇蛇”，其分子结构恰似笼中之蛇，
34、其分子结构恰似笼中之蛇而得名。而得名。54 这种树脂的两种交换基团可以互相接近，几乎这种树脂的两种交换基团可以互相接近，几乎相互吸引中和。相互吸引中和。 与普通的两性树脂不同，与普通的两性树脂不同， “蛇笼树脂蛇笼树脂”是将是将两种性质相反的阴、阳离子交换功能基以共价两种性质相反的阴、阳离子交换功能基以共价键连接在同一高分子骨架上。键连接在同一高分子骨架上。 在处理盐溶液时，在处理盐溶液时，“蛇笼树脂蛇笼树脂”可以吸附与交可以吸附与交换基团相反电荷的离子，使溶液脱盐，使用后换基团相反电荷的离子，使溶液脱盐，使用后只需用大量水洗即可恢复交换能力。只需用大量水洗即可恢复交换能力。55c. 热再生树
35、脂。热再生树脂。具有特殊结构的弱酸性和弱碱性离子交换树具有特殊结构的弱酸性和弱碱性离子交换树脂的复合物。它在室温下能交换、吸附脂的复合物。它在室温下能交换、吸附NaClNaCl等盐类，交换后用热水而勿需用酸、等盐类，交换后用热水而勿需用酸、碱即可使其再生。碱即可使其再生。56 离子交换树脂还可根据物理结构划分为离子交换树脂还可根据物理结构划分为凝凝胶型、大孔型及载体型三类树脂。胶型、大孔型及载体型三类树脂。（1 1）凝胶型离子交换树脂。外观透明的均相高分子）凝胶型离子交换树脂。外观透明的均相高分子凝胶结构的离子交换树脂统称为凝胶型树脂。凝胶结构的离子交换树脂统称为凝胶型树脂。这类树脂的球粒内设
36、有毛细孔，离子交换反应是离这类树脂的球粒内设有毛细孔，离子交换反应是离子透过被交联的大分子链间距离扩散到交换基团子透过被交联的大分子链间距离扩散到交换基团附近进行的。附近进行的。57由于大分子链间距离决定于交联程度，因此由于大分子链间距离决定于交联程度，因此离子交换树脂合成时离子交换树脂合成时交联剂的用量交联剂的用量对树脂性对树脂性能影响很大。这种树脂能影响很大。这种树脂只能在水中的溶胀状只能在水中的溶胀状态下使用。态下使用。58（2 2）大孔型离子交换树脂）大孔型离子交换树脂在树脂球粒内部具有毛细孔结构的离子交换树脂在树脂球粒内部具有毛细孔结构的离子交换树脂统称大孔型树脂。统称大孔型树脂。因
37、为毛细孔道的存在，树脂球粒是非均相凝胶结因为毛细孔道的存在，树脂球粒是非均相凝胶结构。这类树脂的毛细孔体积一般为构。这类树脂的毛细孔体积一般为0.5ml0.5ml（孔）（孔）/g/g（树脂）左右，也有更大的，比表面积从几（树脂）左右，也有更大的，比表面积从几到几百到几百m m2 2/g/g，毛细孔径比分子间距离大得多，毛细孔径比分子间距离大得多，根据树脂合成条件不同，孔径可为几根据树脂合成条件不同，孔径可为几nmnm到上千到上千nmnm。由于这样的孔结构，使其适宜于交换吸附。由于这样的孔结构，使其适宜于交换吸附分子尺寸较大的物质及在非水溶液中使用。分子尺寸较大的物质及在非水溶液中使用。59（3
38、 3）载体型离子交换树脂）载体型离子交换树脂将硅胶球或玻璃等非活性材料作为载体核心，将硅胶球或玻璃等非活性材料作为载体核心，在表面覆盖一薄层离子交换树脂构成的。在表面覆盖一薄层离子交换树脂构成的。它能承受较高的压力，因而能做为液相色它能承受较高的压力，因而能做为液相色谱及离子色谱固定相用树脂。谱及离子色谱固定相用树脂。601.21.2离子交换树脂的性能离子交换树脂的性能1 1）物理性能）物理性能a. a. 外观外观：离子交换树脂的形状、颜色随离子交换树脂的形状、颜色随种类、制备方法及用途有很大差别，种类、制备方法及用途有很大差别，但一般都制成粒径为但一般都制成粒径为0.40.40.8mm0.8
39、mm的胶的胶状球粒，以增大表面积，提高强度，状球粒，以增大表面积，提高强度，减少使用中对流体的阻力。减少使用中对流体的阻力。61b.b.稳定性稳定性化学稳定性：离子交换树脂一般对化学稳定性：离子交换树脂一般对酸的稳定性较酸的稳定性较高，耐碱性稍差高，耐碱性稍差。阴离子交换树脂对碱都不很。阴离子交换树脂对碱都不很稳定，交联度低的树脂长期放在强碱中容易破稳定，交联度低的树脂长期放在强碱中容易破裂溶解，所以通常都以比较稳定的氯型贮存树裂溶解，所以通常都以比较稳定的氯型贮存树脂。阳离子交换树脂也有类似情况。脂。阳离子交换树脂也有类似情况。62 各种树脂耐氧化性能差别很大，其中聚苯各种树脂耐氧化性能差别
40、很大，其中聚苯乙烯树脂耐氧化性能较好。一般地说，交乙烯树脂耐氧化性能较好。一般地说，交联度越高耐氧化性越好。联度越高耐氧化性越好。 孔结构对离子交换树脂化学稳定性也有影孔结构对离子交换树脂化学稳定性也有影响。大孔型树脂耐酸、碱及耐氧化性能均响。大孔型树脂耐酸、碱及耐氧化性能均比凝胶型树脂强。比凝胶型树脂强。63c c 热稳定性热稳定性 干树脂在空气中受热容易使骨架及功能基降解破干树脂在空气中受热容易使骨架及功能基降解破坏。树脂耐热性随离子存在的类型有很大差异，坏。树脂耐热性随离子存在的类型有很大差异，通常盐型比酸型和碱型稳定。通常盐型比酸型和碱型稳定。 钠型磺化聚苯乙烯阳树脂可在钠型磺化聚苯乙
41、烯阳树脂可在150150下使用，而其下使用，而其氢型只能在氢型只能在100100120120下使用，阴树脂耐热性能下使用，阴树脂耐热性能较差，氯型树脂只能耐热较差，氯型树脂只能耐热8080100100。64热稳定性与其结构有密切关系热稳定性与其结构有密切关系: :普通凝胶型树脂使用上限温度比大孔型树脂低；由普通凝胶型树脂使用上限温度比大孔型树脂低；由于交换基团不同，聚苯乙烯强碱性于交换基团不同，聚苯乙烯强碱性型树脂就比型树脂就比型树脂热稳定性好。型树脂热稳定性好。65D D 力学稳定性：力学稳定性：树脂的力学稳定性包括力学强度、耐磨、耐压及耐树脂的力学稳定性包括力学强度、耐磨、耐压及耐渗透压变
42、化等，在应用上很重要。树脂力学稳定渗透压变化等，在应用上很重要。树脂力学稳定性随其交联度提高而增强，也同合成的原料及工性随其交联度提高而增强，也同合成的原料及工艺条件有关。艺条件有关。66 力学强度是决定其使用寿命的主要因素之一：力学强度是决定其使用寿命的主要因素之一：树脂受氧化后力学强度会下降，特别是强酸性阳树树脂受氧化后力学强度会下降，特别是强酸性阳树脂易于被氧化。强碱性阴树脂则易于吸附有机物脂易于被氧化。强碱性阴树脂则易于吸附有机物而被污染，使其力学强度降低。一般大孔型树脂而被污染，使其力学强度降低。一般大孔型树脂的力学性能优于凝胶型树脂。的力学性能优于凝胶型树脂。672 2）化学性能）
43、化学性能 a. a. 离子交换反应。离子交换反应是离子离子交换反应。离子交换反应是离子交换树脂交换树脂最基本、最重要的性能最基本、最重要的性能。在电解。在电解质溶液中离子交换树脂的功能基发生解离，质溶液中离子交换树脂的功能基发生解离，可动的反离子与溶液中扩散到功能基附近可动的反离子与溶液中扩散到功能基附近的同类离子进行化学交换。主要的离子交的同类离子进行化学交换。主要的离子交换反应有：换反应有：68中性盐分解反应中性盐分解反应： RSO3H Na+Cl- RSO3 Na+HCl- RNOH + Na+Cl- RNCl +NaOH69中和反应中和反应: :RSO3H Na+OH- RSO3 Na
44、+H2ORNOH + H+Cl- RNClH2O RCOOH + NaOH RCOONaH2O RNH3OH + H+Cl- RNH3ClH2O70复分解反应复分解反应RSO3Na + KCl RSO3K + NaClRNCl + NaBr RNBr + NaClR-(COONa)2 + CaCl2 R-(COO)2Ca + 2NaClR-NH3Cl RNH3Br + NaCl71 类树脂的交换基团性质不同，因而进行离子交换类树脂的交换基团性质不同，因而进行离子交换反应的能力也不同：反应的能力也不同：强酸、强碱性树脂能发生中性盐分解反应，强酸、强碱性树脂能发生中性盐分解反应，弱酸、弱碱性树脂基
45、本没有这种反应。弱酸、弱碱性树脂基本没有这种反应。各种树脂都能进行中和反应，但强型树脂的反应各种树脂都能进行中和反应，但强型树脂的反应能力比弱型树脂大。能力比弱型树脂大。72b.b.交换容量交换容量 交换容量也叫交换量，是指一定数量的离子交换交换容量也叫交换量，是指一定数量的离子交换树脂所带的可交换离子的数量。它是表征离子交树脂所带的可交换离子的数量。它是表征离子交换树脂质量的重要指标，反映了树脂对离子的交换树脂质量的重要指标，反映了树脂对离子的交换吸附能力。换吸附能力。 由于离子交换树脂的交换容量随条件不同而改变，由于离子交换树脂的交换容量随条件不同而改变，为应用方便起见，通常把交换容量分为
46、为应用方便起见，通常把交换容量分为总交换容总交换容量、工作交换容量和再生交换容量。量、工作交换容量和再生交换容量。73 总交换容量表示单位量（重量或体积）树脂中所总交换容量表示单位量（重量或体积）树脂中所具有的可交换离子的总数，它反映了离子交换树具有的可交换离子的总数，它反映了离子交换树脂的化学结构特点。脂的化学结构特点。 工作交换容量是指离子交换树脂在一定的工作条工作交换容量是指离子交换树脂在一定的工作条件下表现出的交换量，它是离子交换树脂实际交件下表现出的交换量，它是离子交换树脂实际交换能力的量度。换能力的量度。 树脂的工作交换量不仅同其结构有关，而且同溶树脂的工作交换量不仅同其结构有关，
47、而且同溶液组成、流速、温度、流出液组成及再生条件等液组成、流速、温度、流出液组成及再生条件等因素有关。因素有关。74 在一定的工作条件下，交换基团可能未完全电在一定的工作条件下，交换基团可能未完全电离，故工作交换量一般小于总交换量。离，故工作交换量一般小于总交换量。 一种树脂的工作交换量可在模拟离子交换树脂一种树脂的工作交换量可在模拟离子交换树脂实际工作条件下测得。实际工作条件下测得。 显然，在表示树脂工作交换量时，有必要指明显然，在表示树脂工作交换量时，有必要指明工作条件和贯流点。工作条件和贯流点。 离子交换树脂的离子交换树脂的总交换容量是其质量的主要标总交换容量是其质量的主要标志，志，通常
48、在实验研究中较重要，而在实际应用通常在实验研究中较重要，而在实际应用中，中，工作交换容量工作交换容量意义更大。意义更大。75在被处理的流出液达到贯流点时，离子交换在被处理的流出液达到贯流点时，离子交换树脂就要进行再生。树脂就要进行再生。 再生的基本原理再生的基本原理是利用离子交换的逆反应加入再是利用离子交换的逆反应加入再生剂使交换饱和的基团复原。生剂使交换饱和的基团复原。 在实际应用中出于经济的原因，常常不使离子交在实际应用中出于经济的原因，常常不使离子交换树脂的被饱和基团全部再生恢复，而只控制再换树脂的被饱和基团全部再生恢复，而只控制再生一部分。生一部分。 再生剂的用量对树脂的工作交换量影响
49、很大。再再生剂的用量对树脂的工作交换量影响很大。再生交换量是离子交换树脂在指定再生剂用量条件生交换量是离子交换树脂在指定再生剂用量条件下的交换容量。下的交换容量。76一般情况下，总交换量、工作交换量和再生一般情况下，总交换量、工作交换量和再生交换量三者间的关系如下：交换量三者间的关系如下： 再生交换量再生交换量0.5-1.00.5-1.0总交换量总交换量 工作交换量工作交换量0.3-0.90.3-0.9再生交换量再生交换量 工作交换量工作交换量/ /再生交换量为离子交换树脂的再生交换量为离子交换树脂的利用率。利用率。 交换量可用重量单位（交换量可用重量单位（m mol/gm mol/g干树脂）
50、和干树脂）和体积单位（体积单位（m mol/mlm mol/ml湿树脂）表示。因离湿树脂）表示。因离子交换树脂多数在柱（或塔）上使用，后子交换树脂多数在柱（或塔）上使用，后者更为重要。者更为重要。77c. c. 离子交换选择性离子交换选择性。 离子交换树脂对溶液中各种离子有不同的离子交换树脂对溶液中各种离子有不同的交换能力，即对离子有交换能力，即对离子有选择性吸附交换选择性吸附交换。树脂对溶液中不同离子亲合力大小的差异树脂对溶液中不同离子亲合力大小的差异就是离子交换选择性。它可用选择系数来就是离子交换选择性。它可用选择系数来表征。若溶液中有表征。若溶液中有A A、B B两种离子，则离子两种离子
