1、精细化工试验技术第十六章第十六章功能高分子材料功能高分子材料 一、功能高分子材料及其分类一、功能高分子材料及其分类二、功能高分子材料的应用二、功能高分子材料的应用三、功能高分子材料的发展概况三、功能高分子材料的发展概况实验三十四实验三十四高吸水性树脂的制备高吸水性树脂的制备实验三十五实验三十五光致变色聚合物的制备光致变色聚合物的制备 功能高分子材料功能高分子材料一、功能高分子材料及其分类一、功能高分子材料及其分类功能高分子材料称为精细高分子或特种高分子，至今还功能高分子材料称为精细高分子或特种高分子，至今还没有一个准确的定义，一般是指具有没有一个准确的定义，一般是指具有传递传递、转换转换或或贮
2、存物质贮存物质、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。分子及其复合材料。功能高分子材料与普通聚合物材料相比，具有明显不同的物功能高分子材料与普通聚合物材料相比，具有明显不同的物理化学性质和某些特殊功能（例如理化学性质和某些特殊功能（例如光、电、磁、吸附、分离、光、电、磁、吸附、分离、催化、着色催化、着色等性能）的聚合物材料。等性能）的聚合物材料。 功能高分子材料功能高分子材料功能高分子材料的分类方法有多种，这
3、里我们只只介绍一种功能高分子材料的分类方法有多种，这里我们只只介绍一种(用途用途分类分类)：（1）高分子催化剂）高分子催化剂 一类具有化学反应催化功能并主要用于有机化学反应的功一类具有化学反应催化功能并主要用于有机化学反应的功能高分子材料，主要包括能高分子材料，主要包括 高分子高分子酸碱酸碱催化剂催化剂 高分子高分子金属络合物金属络合物催化剂催化剂 高分子高分子相转移相转移催化剂催化剂（2）高分子试剂）高分子试剂一类参与有机化学反应并充当反应底物或试剂的功能高分子一类参与有机化学反应并充当反应底物或试剂的功能高分子材料，该类功能高分子材料往往可以通过再生循环使用。材料，该类功能高分子材料往往可
4、以通过再生循环使用。高分子高分子还原还原剂剂高分子高分子氧化氧化剂剂高分子高分子卤代卤代试剂试剂高分子高分子酰基化酰基化试剂试剂高分子高分子氧化还原氧化还原剂剂（3)离子交换高分子材料（离子交换树脂）离子交换高分子材料（离子交换树脂） 一类能够与溶液中的阴离子或阳离子发生一类能够与溶液中的阴离子或阳离子发生交换交换的功能的功能高分子材料。高分子材料。阴离子型阴离子型离子交换树脂离子交换树脂 阳离子型阳离子型离子交换树离子交换树 两性离子两性离子交换树脂交换树脂 （4）导电高分子材料）导电高分子材料 一类具有较高导电率的功能高一类具有较高导电率的功能高分子材料，主要包括电子型导分子材料，主要包括
5、电子型导电高分子材料电高分子材料. 聚乙炔聚乙炔在参杂下的导电率能和铜在参杂下的导电率能和铜媲美，但是不稳定，不过目前媲美，但是不稳定，不过目前已研制出一种已研制出一种加压性导电橡胶加压性导电橡胶，只有加压下才有导电性。只有加压下才有导电性。 聚乙炔聚乙炔导电高分子材料导电高分子材料聚苯胺聚苯胺导电高分子材料导电高分子材料聚吡咯聚吡咯导电高分子材料导电高分子材料聚噻吩聚噻吩导电高分子材料导电高分子材料离子型离子型导电高分子材料导电高分子材料（5）液晶高分子材料）液晶高分子材料 一类既具有液体的流动性又具有晶体的有序性的功能高一类既具有液体的流动性又具有晶体的有序性的功能高分子材料，主要包括分子
6、材料，主要包括 向列型向列型高分子液晶高分子液晶近晶型近晶型高分子液晶高分子液晶 胆甾醇型胆甾醇型高分子液晶高分子液晶（6）吸附高分子材料）吸附高分子材料 一类具有一类具有多孔多孔结构、对某些物质分子或离子具有结构、对某些物质分子或离子具有特定吸特定吸附能力附能力的功能高分子材料。的功能高分子材料。 非极性非极性吸附树脂吸附树脂 中极性中极性吸附树脂吸附树脂 极性极性吸附树脂吸附树脂 强极性强极性吸附树脂吸附树脂(7) 高分子分离膜材料高分子分离膜材料 一类对气体分子或液体分子具一类对气体分子或液体分子具有有选择性透过选择性透过的功能高分子材的功能高分子材料。料。 离子交换离子交换膜膜 渗析渗
7、析膜膜 超滤超滤膜膜 反渗透反渗透膜膜 渗透蒸发渗透蒸发膜膜 气体渗透气体渗透膜膜（8）医用高分子材料）医用高分子材料 一类在医学上使用并具有一类在医学上使用并具有治疗治疗、修复修复等作用的功能高分等作用的功能高分子材料。子材料。 人造人造血管血管、人造、人造心肺心肺、人造、人造皮肤皮肤、人造、人造关节关节、人造、人造尿道尿道 （9）光敏高分子材料）光敏高分子材料 在光（主要是在光（主要是紫外光紫外光）作用下发生）作用下发生物理化学反应物理化学反应并能并能改变改变聚合物分子聚合物分子结构结构的功能高分子材料的功能高分子材料 光敏涂料光敏涂料 光刻胶光刻胶 高分子光稳定剂高分子光稳定剂 高分子荧
8、光剂高分子荧光剂 光能转换材料光能转换材料（10）高分子电解质）高分子电解质 在在极性极性溶剂（例如水）中能够溶剂（例如水）中能够离解离解、生成许多小分子离、生成许多小分子离子、而本身成为聚合物离子的功能高分子材料子、而本身成为聚合物离子的功能高分子材料 阴离子阴离子高分子电解质、高分子电解质、阳离子阳离子高分子电解质和高分子电解质和两性两性高分高分子电解质。子电解质。 （11）高分子染料）高分子染料 一类分子结构上具有一类分子结构上具有发色体发色体并具有并具有染色能力染色能力的功能高分子的功能高分子材料，广泛应用于材料，广泛应用于油墨、涂料、纺织品、塑料、化妆品油墨、涂料、纺织品、塑料、化妆
9、品等等领域。领域。功能高分子材料功能高分子材料二、功能高分子材料的应用二、功能高分子材料的应用功能高分子材料的关键在于实现其中的功能高分子材料的关键在于实现其中的“功能功能”。关于。关于功能高分子材料的应用囊括领域甚广，不能一一谈到，下面功能高分子材料的应用囊括领域甚广，不能一一谈到，下面举出几个具体实例：举出几个具体实例：做成絮凝剂利用其吸附功能提取稀有金做成絮凝剂利用其吸附功能提取稀有金属，制成雅典高分子利用其力电效应功能做机器人触感材料，属，制成雅典高分子利用其力电效应功能做机器人触感材料，制成光弹材料利用其光力效应应用于无损探伤制成光弹材料利用其光力效应应用于无损探伤等。等。 功 能
10、高 分 子 材 料 也 可 以 应 用 到 生 物 传 感 器 中 ，功 能 高 分 子 材 料 也 可 以 应 用 到 生 物 传 感 器 中 ，C.Malitesta等人第一次成功地利用葡萄糖作为模板进行电聚等人第一次成功地利用葡萄糖作为模板进行电聚合反应合成合反应合成印迹聚合物印迹聚合物，该聚合物被应用到硝酸盐选择性电，该聚合物被应用到硝酸盐选择性电位差传感器装置中。位差传感器装置中。 三、功能高分子材料的发展概况三、功能高分子材料的发展概况 高分子材料可以人为合成高分子材料可以人为合成，那是不是代表着人们可以，那是不是代表着人们可以随心所欲的合成自己需要的材料呢？答案当然是否定的。随心
11、所欲的合成自己需要的材料呢？答案当然是否定的。就目前人类的科学发展水平来看，就目前人类的科学发展水平来看，想随心所欲的合成高分想随心所欲的合成高分子材料是不可能的。子材料是不可能的。 随着高分子材料合成与加工的技术进步塑料在各行业随着高分子材料合成与加工的技术进步塑料在各行业得到广泛、深入的应用。各行业所采用的塑料制品大不相得到广泛、深入的应用。各行业所采用的塑料制品大不相同对制品的材质、性能等方面的要求各有其特殊性。塑料同对制品的材质、性能等方面的要求各有其特殊性。塑料助剂、树脂原料和塑料加工机械一起组成了塑料加工的三助剂、树脂原料和塑料加工机械一起组成了塑料加工的三大基本要素。此外加工工艺
12、水平、配方技术以及相关配套大基本要素。此外加工工艺水平、配方技术以及相关配套服务设施也成为完美展现塑料制品性能的不可或缺的因素。服务设施也成为完美展现塑料制品性能的不可或缺的因素。那么功能高分子究竟会有怎么样的发展呢？那么功能高分子究竟会有怎么样的发展呢？功能高分子材料功能高分子材料 我们必须改善高分子材料对资源的依赖。使之成我们必须改善高分子材料对资源的依赖。使之成为低碳资源，易回收再利用；另外开辟新型功能材料产业，为低碳资源，易回收再利用；另外开辟新型功能材料产业，进军高分子导电材料的新进展方向，高分子材料生物降解性进军高分子导电材料的新进展方向，高分子材料生物降解性能的进展方向。最后，能
13、的进展方向。最后，智能高分子材料智能高分子材料是材料研究的新领域，是材料研究的新领域，科研人员将会对这一新领域投入更多研究。科研人员将会对这一新领域投入更多研究。功能高分子材料功能高分子材料实验三十四高吸水性树脂的制备实验三十四高吸水性树脂的制备一、实验目标一、实验目标1理解高吸水性树脂制备的基本原理；理解高吸水性树脂制备的基本原理；2掌握实验室中沉析、掌握实验室中沉析、真空干燥真空干燥等常见的操作。等常见的操作。二、产品特性与用途二、产品特性与用途高吸水性树脂或称超吸水性树脂（高吸水性树脂或称超吸水性树脂（SAR），），是指能吸收是指能吸收自身质量几百倍甚至上千倍水分的高分子聚合物，在日常生
14、自身质量几百倍甚至上千倍水分的高分子聚合物，在日常生活、农业、医药及其他工业部门有广泛用途。例如，高吸水活、农业、医药及其他工业部门有广泛用途。例如，高吸水树脂可用作香料载体、尿不湿的吸水材料；农业上用作园艺树脂可用作香料载体、尿不湿的吸水材料；农业上用作园艺保水剂；工业上用作油水分离材料、污水处理剂、溶剂脱水保水剂；工业上用作油水分离材料、污水处理剂、溶剂脱水剂；医药上用作人工肾脏过滤材料、血液吸附剂等，其很多剂；医药上用作人工肾脏过滤材料、血液吸附剂等，其很多用途正处于开发研究之中。用途正处于开发研究之中。高吸油性树脂功能高分子材料功能高分子材料三、实验原理三、实验原理本实验以淀粉、丙烯腈
15、为原料制备高吸水性树脂，主要本实验以淀粉、丙烯腈为原料制备高吸水性树脂，主要的化学反应有两个，即接枝反应和水解反应。接枝反应是以的化学反应有两个，即接枝反应和水解反应。接枝反应是以水为介质，以铈盐为引发剂，将丙烯腈接枝到已糊化的淀粉水为介质，以铈盐为引发剂，将丙烯腈接枝到已糊化的淀粉链上。水解反应是在氢氧化钠的作用下，将接枝聚合物侧链链上。水解反应是在氢氧化钠的作用下，将接枝聚合物侧链上的腈基转变为酰胺基和羧酸盐基。其反应式如下：上的腈基转变为酰胺基和羧酸盐基。其反应式如下：接枝反应：接枝反应：R Rstst+Ce+Ce4+4+R Rstst+Ce+Ce3+3+( (R Rstst代表淀粉，下
16、同代表淀粉，下同) )功能高分子材料功能高分子材料水解反应：水解反应：作为吸水材料必须具备作为吸水材料必须具备两个条件两个条件：一个是：一个是自身带有较多自身带有较多的吸水基团的吸水基团；二是；二是本身不溶于水本身不溶于水。本实验制备的树脂是以淀。本实验制备的树脂是以淀粉为骨架，与丙烯腈接枝共聚成高分子化合物，不溶于水，粉为骨架，与丙烯腈接枝共聚成高分子化合物，不溶于水，侧链上的腈基又经过水解转化为亲水性很强的羧酸盐基和酰侧链上的腈基又经过水解转化为亲水性很强的羧酸盐基和酰胺基，使其具有极强的吸水性。胺基，使其具有极强的吸水性。因此，水解反应是使接枝共因此，水解反应是使接枝共聚物实现其吸水性关
17、键的一步反应，而水解反应条件选择的聚物实现其吸水性关键的一步反应，而水解反应条件选择的好坏直接影响到高吸水性树脂吸水性的高低。好坏直接影响到高吸水性树脂吸水性的高低。 功能高分子材料功能高分子材料四、主要仪器与药品四、主要仪器与药品1 1主要仪器主要仪器电热恒温水浴锅，电动搅拌器，电热恒温水浴锅，电动搅拌器，500500mLmL三口烧瓶以及氮三口烧瓶以及氮气钢瓶等。气钢瓶等。2 2主要药品主要药品玉米淀粉，市售；玉米淀粉，市售；丙烯腈丙烯腈，ARAR；硝酸铈铵，硝酸铈铵，ARAR；氢氧化氢氧化钠，钠，ARAR；硝酸，硝酸，ARAR；95%(v/v)95%(v/v)乙醇，乙醇，CPCP。五、实验
18、内容与操作步骤五、实验内容与操作步骤1. 1. 称量淀粉称量淀粉1010克装入三口烧瓶内，克装入三口烧瓶内，加加200mL蒸馏水搅蒸馏水搅拌制成淀粉浆。在氮气保护下，在拌制成淀粉浆。在氮气保护下，在80855糊化糊化303040min，然后冷却到然后冷却到20400。 与丁二烯与丁二烯-苯乙烯共聚可以得到苯乙烯共聚可以得到ABS热塑型高分子材料热塑型高分子材料功能高分子材料功能高分子材料2. 2. 将硝酸铈铵用将硝酸铈铵用1 1mol/Lmol/L的硝酸配成的硝酸配成0.10.1g/mLg/mL的溶液，取的溶液，取3 3mLmL硝酸铈铵溶液与硝酸铈铵溶液与1616克丙烯腈混合，配制成丙烯腈的硝
19、酸克丙烯腈混合，配制成丙烯腈的硝酸铈铵溶液。铈铵溶液。3. 3. 将丙烯腈的硝酸铈铵溶液加入到淀粉糊中，在将丙烯腈的硝酸铈铵溶液加入到淀粉糊中，在20204040下搅拌反应下搅拌反应1 12 2 h h。4. 4. 用稀氢氧化钠溶液调节用稀氢氧化钠溶液调节pHpH值至值至7 7，加，加4040mLmL蒸馏水，加蒸馏水，加热至热至8080，保温，保温30 30 min,min,除去未反应的丙烯腈。然后加入除去未反应的丙烯腈。然后加入2 2 mol/Lmol/L氢氧化钠溶液氢氧化钠溶液160160mLmL，于于100100皂化皂化2 2 h h。5. 5. 冷却至室温，用乙酸调节冷却至室温，用乙酸
20、调节pHpH值至值至7 77.57.5，用乙醇沉，用乙醇沉析，析， 真空抽滤，于真空抽滤，于60608080下真空干燥，粉碎即得到高吸下真空干燥，粉碎即得到高吸水树脂。水树脂。6 6准确称取树脂约准确称取树脂约0.10.1g g置于烧杯中，加去离子水约置于烧杯中，加去离子水约150150mLmL，静置静置1 1h h后，滤去水分，称重，计算吸水倍率。后，滤去水分，称重，计算吸水倍率。 功能高分子材料功能高分子材料六、实验记录与数据处理六、实验记录与数据处理高吸水性树脂的吸水倍率用下式计算：高吸水性树脂的吸水倍率用下式计算：吸水倍率吸水倍率= =式中：式中：m m2 2吸水后树脂质量，吸水后树脂
21、质量，g g；m m1 1干树脂质量，干树脂质量，g g。七、安全与环保七、安全与环保丙烯腈的蒸气有毒，实验时保持室内通风。丙烯腈的蒸气有毒，实验时保持室内通风。 211m - mm功能高分子材料功能高分子材料实验三十五实验三十五光致变色聚合物光致变色聚合物的制备的制备一、实验目标一、实验目标1 1理解光致变色的基本原理。理解光致变色的基本原理。2 2掌握光致变色聚合物的制备方法。掌握光致变色聚合物的制备方法。二、产品特性与用途二、产品特性与用途聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷，一种光致变色聚合物，一种光致变色聚合物，在光照下（特别是紫外光或可见光），偶氮键发生顺反式的
22、在光照下（特别是紫外光或可见光），偶氮键发生顺反式的改变，从而导致聚合物颜色的改变。主要应用于光电子器件、改变，从而导致聚合物颜色的改变。主要应用于光电子器件、记录存储介质和全息照相等高科技方面。记录存储介质和全息照相等高科技方面。 功能高分子材料功能高分子材料三、实验原理光致变色高分子是在高分子侧链上引入可逆变色基团，由于光照时化学结构产生变化，使其对可见光吸收的波长也发生变化，因而产生颜色的变化。在停止光照后，又恢复原来的颜色。本实验中，4-氨基偶氮苯、十一烯-10-酰氯、聚甲基硅氧烷为反应性物料；甲苯为溶剂，甲醇为沉淀剂；环戊二烯二聚体铂铱复合物是硅氢化反应的催化剂。反应生成的最终产物聚
23、甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷，在光照下，偶氮键发生顺反式的改变，从而导致聚合物颜色的改变。 功能高分子材料功能高分子材料四、主要仪器与药品1主要仪器电热恒温水浴锅，电动搅拌器，冰水浴，300mL三口烧瓶，布氏漏斗、抽滤瓶以及滤纸等。2主要药品4-氨基偶氮苯，AR；十一烯-10-酰氯，AR；环戊二烯二聚体铂铱复合物，AR；聚甲基硅氧烷，AR；甲苯，AR；甲醇，AR。功能高分子材料功能高分子材料五、实验内容与操作步骤1中间产物的合成 称量4-氨基偶氮苯20克，十一烯-10-酰氯30.4克，加入到三口烧瓶中。在60下搅拌反应30min， 反应生成中间产物4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯。 2重结晶 将生
24、成的4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯溶于热的甲苯中，制成饱和溶液，趁热过滤。将滤液置于冰水浴中降温，这时有结晶析出。用布氏漏斗过滤，得到4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯晶体。功能高分子材料功能高分子材料3硅氢化反应 在烧瓶中加入100mL蒸馏水，取4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯晶体20克，与10克聚甲基硅氧烷混合，加入到烧瓶中，并加适量的催化剂环戊二烯二聚体铂铱复合物，在50下搅拌反应1h，生成聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷。 4沉淀 将反应混合液冷却到室温，加100克甲醇，此时有沉淀聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷生成。5干燥 将沉淀过滤、干燥，得光致变色聚合物聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷。 功能高分子材料功能高分子材料六、实验记录与数据处理分别用可见光和紫外光照射本实验产品，观察并记录其颜色的变化。七、安全与环保本实验所用溶剂甲苯有毒，操作过程中保证实验室通风良好。含有甲苯的废液统一回收处理。 参考文献：1李伟方,东宇等.新型功能高分子材料及其应用J.浙江大学：材料与化工学院.2002.2焦剑,姚军燕 .功能高分子材料.化学工业出版社.2009.1.3杨北平,陈利强等.功能高分子材料发展现状及展望.黑龙江学院物理化学系.2011.
