1、功能高分子材料功能高分子材料Functional Polymer Materials 第一章第一章 功能高分子材料总论功能高分子材料总论第一节第一节 功能高分子材料概述功能高分子材料概述1.1.功能高分子材料的研究内容功能高分子材料的研究内容 常规高分子材料常规高分子材料 合成纤维合成纤维 合成橡胶合成橡胶 塑料塑料 涂料涂料 高分子粘合剂高分子粘合剂 功能高分子材料是具有功能高分子材料是具有光、电、磁、生物活性、光、电、磁、生物活性、吸水吸水等特殊功能的聚合物材料。等特殊功能的聚合物材料。与常规高分子材料相比，在原有性能的基与常规高分子材料相比，在原有性能的基础上还具有础上还具有化学反应活性
2、、光敏性、导电性、化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性能量转换性、磁性等功能。等功能。2.2.功能高分子材料的发展历程功能高分子材料的发展历程 特种与功能高分子材料是一门涉及范围广泛，与众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，涉及到有机化学、无机多学科相关的新兴边缘学科，涉及到有机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、生物化学、电子学、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，是目前国内外异常活跃的一个甚至医学等众多学科，是目前国内外异常活跃的一个研
3、究领域。研究领域。虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到很久虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的历史。但是作为一门独立的完整的学科，功能高分子历史。但是作为一门独立的完整的学科，功能高分子是从是从2020世纪世纪8080年代中后期开始发展的年代中后期开始发展的。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年离子交换树脂年离子交换树脂的发明。的发明。20世纪世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子工业。刷工业，后
4、来又发展到电子工业和微电子工业。1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。1966年年little提出了超导高分子模型，预计了高分提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在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。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，这是迄今为止聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性
5、有机高分子。唯一报道的超导性有机高分子。20世纪世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。子分离膜等技术得到快速发展。1991年发现了尼龙年发现了尼龙11的铁电性，的铁电性，1994年塑料柔性年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。聚苯胺、聚吡咯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。3.功能
6、高分子材料的分类功能高分子材料的分类 化学活性高分子材料化学活性高分子材料 高分子试剂和高分子催化剂高分子试剂和高分子催化剂 光活性高分子材料光活性高分子材料 光稳定剂、光敏涂料、光刻胶、感光材料、非线性光稳定剂、光敏涂料、光刻胶、感光材料、非线性光学材料、光导材料、光致变色材料光学材料、光导材料、光致变色材料 导电聚合物、高分子电解质、高分子驻极体、高分导电聚合物、高分子电解质、高分子驻极体、高分子介电材料、能量转换用聚合物、电致发光和电致子介电材料、能量转换用聚合物、电致发光和电致变色等材料。变色等材料。电活性高分子材料电活性高分子材料膜型高分子材料膜型高分子材料 多孔分离膜、密度膜、超滤
7、膜、微滤膜、纳滤膜多孔分离膜、密度膜、超滤膜、微滤膜、纳滤膜吸附型高分子材料吸附型高分子材料 高分子吸附性树脂、离子交换树脂、高分子螯合高分子吸附性树脂、离子交换树脂、高分子螯合剂、高分子絮凝剂、吸水性高吸水树脂剂、高分子絮凝剂、吸水性高吸水树脂高分子液晶材料高分子液晶材料生物活性高分子材料生物活性高分子材料 生物相容性、生物可降解性、药物活性生物相容性、生物可降解性、药物活性高分子智能材料高分子智能材料高分子形状记忆材料、信息存储材料和光、电、磁、高分子形状记忆材料、信息存储材料和光、电、磁、pH、压力感应材料。、压力感应材料。第二节第二节 功能高分子材料的结构功能高分子材料的结构与性能的关
8、系与性能的关系功能高分子材料的结构层次功能高分子材料的结构层次 （1）构成材料的元素组成）构成材料的元素组成 （2）材料分子中的官能团结构）材料分子中的官能团结构 （3）聚合物的链段结构聚合物的链段结构 （4）高分子的微观构象结构）高分子的微观构象结构 （5）材料的超分子结构和聚集态材料的超分子结构和聚集态 （6）材料的宏观结构）材料的宏观结构 （1）官能团的性质与聚合物功能之间的关系）官能团的性质与聚合物功能之间的关系 功能高分子材料的性质主要取决于所含官能功能高分子材料的性质主要取决于所含官能团的种类和性质团的种类和性质 当官能团的性质对材料的功能起主要作用时，当官能团的性质对材料的功能起
9、主要作用时，高分子仅仅起支撑、分隔、固定和降低溶解度等高分子仅仅起支撑、分隔、固定和降低溶解度等辅助作用。如高分子过氧酸，电活性聚合物中的辅助作用。如高分子过氧酸，电活性聚合物中的N，N二取代联吡啶结构，侧链聚合物液晶中的二取代联吡啶结构，侧链聚合物液晶中的刚性侧链等。刚性侧链等。2.功能高分子材料构效关系分析功能高分子材料构效关系分析 功能高分子材料的性质取决于聚合物骨架与所功能高分子材料的性质取决于聚合物骨架与所含官能团的协同作用。含官能团的协同作用。官能团的作用需要通过与高分子的结合或者通官能团的作用需要通过与高分子的结合或者通过高分子与其它官能团相互结合而发挥作用，如过高分子与其它官能
10、团相互结合而发挥作用，如固相合成用高分子试剂是比较有代表性的例子。固相合成用高分子试剂是比较有代表性的例子。官能团与聚合物骨架不能区分官能团与聚合物骨架不能区分 官能团是聚合物的一部分，或者说聚合物本身起官能团是聚合物的一部分，或者说聚合物本身起着官能团的作用，如具有共轭结构的导电高分子着官能团的作用，如具有共轭结构的导电高分子聚乙炔、芳香烃以及芳香杂环聚合物、高分子聚聚乙炔、芳香烃以及芳香杂环聚合物、高分子聚电解质、主链型聚合物液晶等。电解质、主链型聚合物液晶等。官能团在功能高分子材料中仅起辅助作用官能团在功能高分子材料中仅起辅助作用 以聚合物为完成功能过程的主体，官能团只起辅助效以聚合物为
11、完成功能过程的主体，官能团只起辅助效应，利用引入官能团改善溶解性能、降低玻璃化温度、改应，利用引入官能团改善溶解性能、降低玻璃化温度、改变润湿性和提高机械强度等，如在主链型液晶高分子的芳变润湿性和提高机械强度等，如在主链型液晶高分子的芳香环上引入一定体积的取代基以降低液晶相温度。在高分香环上引入一定体积的取代基以降低液晶相温度。在高分子膜材料中引入极性基团可以改变润子膜材料中引入极性基团可以改变润（2）功能高分子材料中聚合物骨架的作用）功能高分子材料中聚合物骨架的作用高分子效应高分子效应溶解度下降效应溶解度下降效应高分子骨架的机械支撑作用高分子骨架的机械支撑作用高分子骨架的模板效应高分子骨架的
12、模板效应高分子骨架的稳定作用高分子骨架的稳定作用 高分子骨架在功能高分子材料中的其他作用高分子骨架在功能高分子材料中的其他作用（3）聚合物骨架的种类和形态的影响）聚合物骨架的种类和形态的影响高分子骨架类型高分子骨架类型 饱和碳链型聚合物饱和碳链型聚合物(PP、PS、POM)聚酯、聚酰胺骨架的聚合物聚酯、聚酰胺骨架的聚合物 天然高分子天然高分子（多糖和肽链）（多糖和肽链）线性共轭结构的聚合物（聚吡咯、聚乙炔、聚苯）线性共轭结构的聚合物（聚吡咯、聚乙炔、聚苯）梯形聚合物（聚芳香内酰胺）梯形聚合物（聚芳香内酰胺）聚合物骨架的形态聚合物骨架的形态线性聚合物线性聚合物分支型聚合物分支型聚合物交联聚合物交
13、联聚合物 微孔型或溶胶型，大孔树脂，米花状树，大网状聚合物微孔型或溶胶型，大孔树脂，米花状树，大网状聚合物脂脂 3.高分子材料与功能相关的其他性质高分子材料与功能相关的其他性质（1）聚合物的溶胀和溶解性质）聚合物的溶胀和溶解性质 聚合物溶解过程：溶剂的种类、聚合物的结晶度、聚合物溶解过程：溶剂的种类、聚合物的结晶度、温度、聚合物骨架的组成与性质有关。温度、聚合物骨架的组成与性质有关。交联聚合物溶胀交联聚合物溶胀表观密度表观密度溶剂密度溶剂密度骨架密度骨架密度溶胀度溶胀度（2）聚合物的多孔性lrnSlrnP22聚合物中孔聚合物中孔占据总体积占据总体积聚合物的总表面积聚合物的总表面积%100)1(
14、%apP聚合物的百分孔隙率聚合物的百分孔隙率（3）聚合物的渗透性）聚合物的渗透性xprq8482P透过量透过量渗透系数渗透系数体积分数体积分数毛细管曲折系数毛细管曲折系数iiiidxdcDQ透过物质的透过物质的质量通量质量通量物质的物质的扩散系数扩散系数透过物质的透过物质的局部浓度局部浓度扩散的垂直距离扩散的垂直距离第三节第三节 功能高分子材料的制备策略功能高分子材料的制备策略1.功能型小分子材料的高分子化策略功能型小分子材料的高分子化策略2.普通高分子材料的功能化策略普通高分子材料的功能化策略3.功能高分子材料的其他制备策略功能高分子材料的其他制备策略（1）通过功能型可聚合单体的聚合法）通过
15、功能型可聚合单体的聚合法 通常是在一些功能性小分子中引入可聚合的基通常是在一些功能性小分子中引入可聚合的基团，如乙烯基、吡咯基、羧基、羟基、氨基等，团，如乙烯基、吡咯基、羧基、羟基、氨基等，然后通过均聚或共聚反应生成功能聚合物。然后通过均聚或共聚反应生成功能聚合物。1.功能型小分子材料的高分子化策略功能型小分子材料的高分子化策略小分子小分子 材料化材料化双羟基取代单体双羟基取代单体 双氨基取代单体双氨基取代单体 双羧基取代单体双羧基取代单体 常用于合成功能性高分子的功能性小分子结构示意图常用于合成功能性高分子的功能性小分子结构示意图加成聚合加成聚合缩聚反应缩聚反应（2）聚合物包埋法）聚合物包埋
16、法生成聚合物分子的束缚作用将功能型小分子包埋固生成聚合物分子的束缚作用将功能型小分子包埋固定来制备功能高分子材料。定来制备功能高分子材料。特点：没有化学键连接，固化作用通过聚合物包络特点：没有化学键连接，固化作用通过聚合物包络 作用来完作用来完成。成。优点：方法简单，小分子的性质不受聚优点：方法简单，小分子的性质不受聚 合物合物 性质的影响。性质的影响。例如：酶的固化。例如：酶的固化。缺点：包络过程中小分子功能化合物容易缺点：包络过程中小分子功能化合物容易 逐步失去，特别是在溶胀条件下使逐步失去，特别是在溶胀条件下使 用将加快功能高分子的失活过程。用将加快功能高分子的失活过程。通过高分子化方法
17、制备功能高分子材料的优点通过高分子化方法制备功能高分子材料的优点1.1.生成的功能高分子功能基分布均匀；生成的功能高分子功能基分布均匀；2.2.聚合物结构可以通过小分子分析和聚合机理加以测定；聚合物结构可以通过小分子分析和聚合机理加以测定；3.3.产物的稳定性较好。产物的稳定性较好。通过高分子化方法制备功能高分子材料的缺点通过高分子化方法制备功能高分子材料的缺点1.1.功能小分子需要引入可聚合单体，过程需要复杂的合成反应；功能小分子需要引入可聚合单体，过程需要复杂的合成反应；2.2.要求反应中不能破坏原有分子结构和功能；要求反应中不能破坏原有分子结构和功能；3.3.功能基稳定性不好时需要加以保
18、护；功能基稳定性不好时需要加以保护；4.4.还需考虑功能基的引入对单体聚合活性的影响。还需考虑功能基的引入对单体聚合活性的影响。通过高分子化方法注意事项通过高分子化方法注意事项1.1.引入高分子骨架后应有利于小分子原有功能的发挥，两者不引入高分子骨架后应有利于小分子原有功能的发挥，两者不 能相互影响，并能弥补其不足。能相互影响，并能弥补其不足。2.2.过程尽量不破坏小分子功能材料的作用部分；过程尽量不破坏小分子功能材料的作用部分；3.3.功能小分子结构特征与选取的高分子骨架结构类型是否匹配。功能小分子结构特征与选取的高分子骨架结构类型是否匹配。2.普通高分子材料的功能化策略普通高分子材料的功能
19、化策略 通过化学或物理方法对已有普通聚合物进行功通过化学或物理方法对已有普通聚合物进行功能化处理，赋予这些常见的高分子材料特定功能，能化处理，赋予这些常见的高分子材料特定功能，成为功能高分子材料。成为功能高分子材料。优点：商品化、性能比较保障的聚合物通过改性得优点：商品化、性能比较保障的聚合物通过改性得到功能化处理。到功能化处理。化学改性化学改性 物理共混物理共混 聚苯乙烯的功能化聚苯乙烯的功能化（1）高分子材料的化学改性功能化）高分子材料的化学改性功能化聚氯乙烯的功能化反应聚氯乙烯的功能化反应聚乙烯醇的功能化反应聚乙烯醇的功能化反应聚环氧氯丙烷的功能化反应聚环氧氯丙烷的功能化反应缩合型聚合物
20、的功能化方法缩合型聚合物的功能化方法（2）聚合物功能化的物理方法）聚合物功能化的物理方法1.物理方法简单、快速，不受场地和设备限制。物理方法简单、快速，不受场地和设备限制。2.不受聚合物和功能小分子官能团反应活性限制。不受聚合物和功能小分子官能团反应活性限制。3.功能性小分子没有与高分子骨架形成化学键，不功能性小分子没有与高分子骨架形成化学键，不影响其功能发挥。影响其功能发挥。4.功能化聚合物其功能基的分布比较均匀。功能化聚合物其功能基的分布比较均匀。特殊活性的金属和无机非金属材料结合构成材料。通过小分子功能化合物与聚合物的共混与复合来实现。溶液共混：溶液共混：向单体溶液中加入功能性化合物，在
21、聚向单体溶液中加入功能性化合物，在聚合过程中完成与功能性小分子的复合；合过程中完成与功能性小分子的复合；熔融共混：熔融共混：聚合物处于熔融状态时与其它的功能性聚合物处于熔融状态时与其它的功能性化合物混合。化合物混合。在这类功能性高分子材料中，聚合物与功能在这类功能性高分子材料中，聚合物与功能性化合物之间不存在化学键合力，固化作用是通性化合物之间不存在化学键合力，固化作用是通过包络及分子间的作用力来实现的。过包络及分子间的作用力来实现的。特殊活性的金属和无机非金属材料结合构成材料。如导热材料、导电材料。如导热材料、导电材料。3.功能高分子材料的其他制备策略功能高分子材料的其他制备策略（1）功能高
22、分子的多功能复合）功能高分子的多功能复合 两种或以上的功能高分子材料以某种方式结合，产生新两种或以上的功能高分子材料以某种方式结合，产生新的性质。的性质。（2）在同一分子中引入多种功能基）在同一分子中引入多种功能基 在同一种功能材料中，甚至同一个分子中引入两种以上在同一种功能材料中，甚至同一个分子中引入两种以上的功能基团制备新型功能聚合物。的功能基团制备新型功能聚合物。（1）功能高分子的多功能复合）功能高分子的多功能复合第四节第四节 功能高分子材料的功能高分子材料的研究内容和方法研究内容和方法1.制备方法研究制备方法研究（1）单体制备方法研究）单体制备方法研究（2）高分子化方法研究）高分子化方
23、法研究（3）聚合物的功能化、聚合物微观结构和宏观结）聚合物的功能化、聚合物微观结构和宏观结 构成型构成型2.功能高分子材料的结构和组成方法研究功能高分子材料的结构和组成方法研究（1）功能高分子材料的化学成分分析）功能高分子材料的化学成分分析（2）功能高分子材料的化学结构分析）功能高分子材料的化学结构分析（3）功能高分子晶态结构分析）功能高分子晶态结构分析（4）功能高分子聚集态结构分析）功能高分子聚集态结构分析（5）功能高分子材料的热性能分析）功能高分子材料的热性能分析（6）功能高分子材料的宏观结构分析）功能高分子材料的宏观结构分析3.功能高分子材料的构效关系研究方法功能高分子材料的构效关系研究方法（1）功能高分子的性能测定）功能高分子的性能测定（2）功能高分子作用机理研究）功能高分子作用机理研究4.功能高分子材料的应用研究功能高分子材料的应用研究（1）作为新型替代材料）作为新型替代材料（2）作为全新功能材料）作为全新功能材料
