1、功能高分子材料功能高分子材料主讲教师：主讲教师：学时、学分：学时、学分：32学时，学时，2学分学分考核方式：考核方式：考查考查考核成绩：考核成绩：论文论文80%+平时成绩平时成绩20%先修课程：先修课程：有机化学、高分子化学、高分有机化学、高分子化学、高分 子物理子物理课程要求课程要求p 基本功能基本功能p 制备路线制备路线p 应用领域应用领域课程目的课程目的p 开拓知识面开拓知识面p 回顾有机化学、高分子化学、高分子物理的知回顾有机化学、高分子化学、高分子物理的知 识，识，引导运用这些基础知识分析解决实际问题引导运用这些基础知识分析解决实际问题p 引导运用功能高分子材料的知识开发新技术引导运
2、用功能高分子材料的知识开发新技术第一章第一章 绪绪 论论1953：施陶丁格(Hermann Staudinger)1963：齐格勒(Karl Ziegler)和和纳塔(Giulio Natta)1974：弗洛里(Paul J.Flory)1984：R.B.Merrifield1991:德让纳(Pierre-Gilles de Gennes)2000:黑格(Alan J.Hegger)、马克迪尔米德(Alan G.MacDiarmid)和和白川英树(Hideki Shirakawa)高分子科学与诺贝尔奖高分子科学与诺贝尔奖 高分子科学高分子科学Nobel奖获得者奖获得者 突破有机化学的传统观念，
3、首先提出了高分子的概念，以大量先驱性工作为高 分子化学奠基，开创了高分子 学科。“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”H.Staudinger(德德)1953年年化学奖化学奖(1881-1965)K.Ziegler(德德)、G.Natta(意意)1963 化学奖化学奖1953年，年，Ziegler：Ziegler催化剂，低压聚乙烯合成方法；催化剂，低压聚乙烯合成方法；1954年，年，Natta：改进改进Ziegler催化剂，提出有规立构聚丙烯的催化剂，提出有规立构聚丙烯的概念。概念。Karl Ziegler
4、Giulio Natta“for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers”P.J.Flory(美美)1974年年化学奖化学奖 (1910-1985)p 利用等活性假设及直接的统计方法，他利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高分子分子量分布，并利用动力计算了高分子分子量分布，并利用动力学实验证实了等活性假设；学实验证实了等活性假设；p 引入链转移概念，将聚合物统计理论用引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性分子，产生了凝胶理论；于非线性分子，产生了凝胶理论；p Flor
5、y-Huggins格子理论；格子理论；p 1948年作出了最重要的贡献，即提出年作出了最重要的贡献，即提出“排除体积排除体积”理论和理论和温度概念；温度概念；p 著作著作“Principles of polymer chemistry”是高分子学科中的是高分子学科中的Bible。Paul J.Flory“For his fundamental achievements,both theoretical and experimental,in the physical chemistry of the macromolecules”R.B.Merrifield (美）美）1984年年 化学奖化学
6、奖生物学家，生物学家，1964年成功将低交联度年成功将低交联度氯甲基化聚苯乙烯珠粒氯甲基化聚苯乙烯珠粒用于多肽和用于多肽和蛋白质的合成，在蛋白质的合成，在3-4周内完成了传周内完成了传统工艺需要统工艺需要1年完成的由年完成的由100个氨基个氨基酸组成的多肽合成，并创立了一种酸组成的多肽合成，并创立了一种崭新的崭新的“多肽固相合成法多肽固相合成法”。在肽。在肽合成的技术方面取得了突破性进展。合成的技术方面取得了突破性进展。l 对液晶和高分子物质有序现象提对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论出了标度理论l 从临界现象认识分子，在物理从临界现象认识分子，在物理-化化学之间架设了桥梁学之间架设了桥
7、梁l 提出提出“软物质软物质”概念概念“for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter,in particular to liquid crystals and polymers”De GennesDe Gennes（法（法)1991年年 物理奖物理奖l导电高分子研究，聚乙炔掺杂后，电导率导电高分子研究，聚乙炔掺杂后，电导率提高提高了了1000万倍万倍（接近铝、铜）（接近
8、铝、铜）l提出孤子概念提出孤子概念Alan J.HeegerAlan G.MacDiarmid Hideki Shirakawa Heeger、MacDiarmid(美美)、白川英树白川英树(日日)2000 化学奖化学奖l 白川英树白川英树（Shirakawa）从事聚乙炔聚合机理研究）从事聚乙炔聚合机理研究 韩国研修生出现幸运的失误，使白川得到银色聚乙韩国研修生出现幸运的失误，使白川得到银色聚乙炔膜。偶然的机遇，炔膜。偶然的机遇，麦克迪尔米德（麦克迪尔米德（MacDiarmid）首先注意到白川的聚乙炔膜。首先注意到白川的聚乙炔膜。l 三人在美国合作研究。三人在美国合作研究。l 黑格黑格（Hee
9、ger）为了说明聚乙炔的导电性，提出孤子为了说明聚乙炔的导电性，提出孤子的概念，才有了的概念，才有了薄膜显示材料的诞生。薄膜显示材料的诞生。功能高分子已经成为高分子学科功能高分子已经成为高分子学科最有活力和最具发展前景的领域最有活力和最具发展前景的领域 信息信息能源能源综合性交叉性的新领域综合性交叉性的新领域电致发光显示器电致发光显示器高分子分离膜淡化海水高分子分离膜淡化海水高吸水性树脂高吸水性树脂光导电材料作为激光打印机的光敏感层光导电材料作为激光打印机的光敏感层可生物降解餐盒可生物降解餐盒人造关节人造关节KevlarKevlar纤维防切割手套纤维防切割手套主要内容主要内容p 概念及研究内容
10、概念及研究内容p 分类分类p 功能与结构的关系（功能与结构的关系（#*）p 制备方法（制备方法（#*）1.1 概念及研究内容概念及研究内容1.基本概念基本概念p 功能高分子与高性能高分子功能高分子与高性能高分子性能：性能：材料对外部作用的抵抗特性。材料对外部作用的抵抗特性。对外力的抵抗对外力的抵抗 对热的抵抗对热的抵抗 对光、电、化学药品的抵抗对光、电、化学药品的抵抗强度、模量强度、模量耐热性耐热性耐光性、绝缘性、耐光性、绝缘性、防腐蚀性防腐蚀性功能：功能：指从外部向材料输入信号时，材料内部发生质指从外部向材料输入信号时，材料内部发生质和量的变化而产生输出的特性。和量的变化而产生输出的特性。压
11、电性、药物缓释性压电性、药物缓释性光的输入光的输入输出电性能输出电性能光电功能光电功能多种介质作用多种介质作用选择地分离某些介质选择地分离某些介质选择分离性选择分离性 功能高分子功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出反应的高分子材料。理的方法做出反应的高分子材料。高性能高分子高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的高则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料分子材料。功能高分子功能高分子可定义为：对可定义为：对物质物质、能量能量和和信信息息具有具有传递传递、转换转换和和储存储存功能的特殊高分功能的特殊高分子材料。子材料。一次功能一次功能材料起
12、材料起传传递递作用作用声学功能：吸音，隔音声学功能：吸音，隔音热学功能：隔热，传热，吸热热学功能：隔热，传热，吸热电磁学功能：导电，磁性电磁学功能：导电，磁性光学功能：光学功能：透光，遮光，反射和折射、聚光、分光透光，遮光，反射和折射、聚光、分光化学功能：催化，吸附化学功能：催化，吸附其他：电磁波，放射其他：电磁波，放射二次功能二次功能材料起材料起转转换换作用作用机械能：压电，磁致伸缩，形状记忆等机械能：压电，磁致伸缩，形状记忆等电能：电磁，热电，光电，电化学电能：电磁，热电，光电，电化学磁能：热磁，光磁磁能：热磁，光磁热能：激光加热，热刺激发光，热化学热能：激光加热，热刺激发光，热化学光能：
13、光化学，光合成，光分解，光电效应光能：光化学，光合成，光分解，光电效应功能功能p 功能功能2.研究内容研究内容 功能高分子的结构设计与功能高分子的结构设计与合成合成 合成原理与制备方法，多种功能结构的复合及合成原理与制备方法，多种功能结构的复合及加工加工工艺工艺 功能高分子材料的功能高分子材料的应用应用、性能表征及研究方法、性能表征及研究方法 功能高分子的结构设计与合成功能高分子的结构设计与合成分子结构（一次结构）分子结构（一次结构）二次结构二次结构高次结构高次结构聚合物的功能聚合物的功能结构设计、官能团设计结构设计、官能团设计 功能高分子材料的应用、功能与性能表征及研究方法功能高分子材料的应
14、用、功能与性能表征及研究方法研究方法：研究方法：化学组成研究：化学分析法、元素分析法、质谱法、色谱法化学组成研究：化学分析法、元素分析法、质谱法、色谱法化学结构分析：化学结构分析：红外光谱（红外光谱（IR）拉曼光谱拉曼光谱(Raman)紫外光谱（紫外光谱（UV）核磁（核磁（1H NMR，13C NMR）质谱（质谱（MS）光电子能谱光电子能谱聚集态结构的表征：聚集态结构的表征：SEM、TEM、X-ray、SAX DSC、DTA、TGA官能团官能团发色基团、不饱和键、共轭结构发色基团、不饱和键、共轭结构分子内元素连接分子内元素连接次序和空间分布次序和空间分布测定有机和无机离子及元素的价态测定有机和
15、无机离子及元素的价态1.2 功能高分子材料的分类功能高分子材料的分类n 力学功能材料力学功能材料n 化学功能材料化学功能材料n 物理功能材料物理功能材料n 生命功能材料生命功能材料属高性能材料，一属高性能材料，一般认为功能高分子般认为功能高分子不包括力学功能材不包括力学功能材料料1.化学功能材料化学功能材料n分离功能材料分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、，如分离膜、离子交换树脂、高高 分子络合物等；分子络合物等；n反应功能材料反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；，如高分子催化剂、高分子试剂；n生物功能材料生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。，如固定化酶、生物反应器等。2.物理功能
16、材料物理功能材料n 耐高温高分子耐高温高分子，高分子液晶等；，高分子液晶等；n 电学功能材料电学功能材料，如导电性高分子、超导高分子，如导电性高分子、超导高分子，感电子性高分子等；感电子性高分子等；n 光学功能材料光学功能材料，如感光高分子、导光性高分子，如感光高分子、导光性高分子，光敏性高分子等；光敏性高分子等；n 能量转换功能材料能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高，如压电性高分子、热电性高 分子等。分子等。3.生物功能材料生物功能材料n 人工脏器用材料人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；，如人工肾、人工心肺等；n 高分子药物高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子，如药物活性高
17、分子、缓释性高分子 药物、高分子农药等；药物、高分子农药等；n 生物分解材料生物分解材料，如可降解性高分子材料等。，如可降解性高分子材料等。1.3 功能高分子材料的功能与结构的关系功能高分子材料的功能与结构的关系独特性质独特性质官能团官能团高分子骨架高分子骨架凝聚态结构与宏观形态凝聚态结构与宏观形态1.高分子高分子与功能性的关系与功能性的关系高分子骨架对高分子材料的功能性有十高分子骨架对高分子材料的功能性有十分重要的作用分重要的作用n 小分子无特殊性能，转变为高分子后表现出功能性小分子无特殊性能，转变为高分子后表现出功能性聚聚L-赖氨酸可抑制大肠杆菌，小分子赖氨酸可抑制大肠杆菌，小分子L-赖氨
18、酸赖氨酸 n 相反的情况相反的情况抗癌药抗癌药DL-对（二氯乙基）氨基苯丙氨酸变成对（二氯乙基）氨基苯丙氨酸变成聚酰胺型聚合物后完全失去药效聚酰胺型聚合物后完全失去药效线形线形骨架结构骨架结构交联交联反应性材料、聚电解质反应性材料、聚电解质吸附树脂、高吸水性树脂、医用高分子吸附树脂、高吸水性树脂、医用高分子n 高分子骨架的支撑作用高分子骨架的支撑作用n 高分子骨架的物理效应高分子骨架的物理效应n 高分子骨架的模版效应高分子骨架的模版效应n 高分子骨架的稳定作用高分子骨架的稳定作用2.官能团与高分子材料功能性的关系官能团与高分子材料功能性的关系n 官能团的性质对高分子的功能起主要作用官能团的性质
19、对高分子的功能起主要作用n 聚合物与官能团的协同作用聚合物与官能团的协同作用n 聚合物骨架起作用聚合物骨架起作用n 聚合物与官能团的协同作用聚合物与官能团的协同作用高分子氧化剂中的过氧羧基高分子氧化剂中的过氧羧基电活性聚合物中的电活性聚合物中的N，N-二取代联吡啶结构二取代联吡啶结构侧高分子液晶中的刚性侧链侧高分子液晶中的刚性侧链n 聚合物与官能团的协同作用聚合物与官能团的协同作用高分子试剂、固相合成高分子试剂、固相合成n 官能团的性质对高分子的功能起主要作用官能团的性质对高分子的功能起主要作用n 功能团起辅助作用功能团起辅助作用n 聚合物骨架起作用聚合物骨架起作用聚乙炔、聚苯、聚苯胺、主链型
20、聚合物液晶聚乙炔、聚苯、聚苯胺、主链型聚合物液晶聚合物为完成功能过程的主体，利用引入官聚合物为完成功能过程的主体，利用引入官能团改善溶解性能、降低能团改善溶解性能、降低Tg、改变湿润性、改变湿润性、增加机械强度等增加机械强度等3.聚集态结构与高分子材料功能性的关系聚集态结构与高分子材料功能性的关系高分子材料的性能很大程度上依赖于其聚集态结高分子材料的性能很大程度上依赖于其聚集态结构。同一种材料，处于不同的聚集态结构时，其构。同一种材料，处于不同的聚集态结构时，其表现的功能性可能差别很大。表现的功能性可能差别很大。例如：高分子分离膜例如：高分子分离膜 高分子液晶高分子液晶结晶性结晶性1.4 功能
21、高分子材料的制备功能高分子材料的制备 功能高分子材料的制备是通过化学或者物理的方法，功能高分子材料的制备是通过化学或者物理的方法，按照材料的设计要求将某些带有特殊结构和功能基团按照材料的设计要求将某些带有特殊结构和功能基团的化合物高分子化，或者将这些小分子化合物与高分的化合物高分子化，或者将这些小分子化合物与高分子骨架相结合，从而实现预定的性能和功能。子骨架相结合，从而实现预定的性能和功能。制备方法制备方法化学法化学法物理法物理法特殊加工法特殊加工法功能小分子的高分子化功能小分子的高分子化已有高分子材料的功能化已有高分子材料的功能化共混共混1.功能性小分子的高分子化功能性小分子的高分子化 n
22、许多功能高分子材料是从相应的功能小分子化合许多功能高分子材料是从相应的功能小分子化合物发展的物发展的n 已知功能的小分子化合物一般已经具备了部分主已知功能的小分子化合物一般已经具备了部分主要功能要功能n 从实际使用角度来讲，还存在不足，无法满足使从实际使用角度来讲，还存在不足，无法满足使用要求用要求n 对功能性小分子进行高分子化反应，赋予其高分对功能性小分子进行高分子化反应，赋予其高分子的功能特点子的功能特点n 开发出新的功能高分子材料。开发出新的功能高分子材料。小分子过氧酸小分子过氧酸（强氧化剂）（强氧化剂）稳定性差稳定性差 不便储存不便储存反应后的羧酸不易除掉反应后的羧酸不易除掉产品的纯度
23、低产品的纯度低高分子过氧酸高分子过氧酸 挥发性、溶解性下降，稳定性提高挥发性、溶解性下降，稳定性提高（1）（2）N,N二甲基联吡啶二甲基联吡啶氧化还原物质，在不同氧化还原态时具有不同颜氧化还原物质，在不同氧化还原态时具有不同颜色，作为显色剂在溶液中使用。经过高分子化后，色，作为显色剂在溶液中使用。经过高分子化后，可将其修饰固化到电极表面，便可以成为固体显可将其修饰固化到电极表面，便可以成为固体显色剂和新型电显示材料。色剂和新型电显示材料。（3）青霉素）青霉素例子例子抗菌素，易吸收，见效快，排泄快抗菌素，易吸收，见效快，排泄快利用羧基、氨基，疗效长（利用羧基、氨基，疗效长（30-40倍）倍）高分
24、子青霉素高分子青霉素通常在功能性小分子中引入可聚合的基团，通通常在功能性小分子中引入可聚合的基团，通过均聚或共聚合成功能性聚合物。过均聚或共聚合成功能性聚合物。l 可聚合功能性单体中的可聚合基团一般为可聚合功能性单体中的可聚合基团一般为双键双键、羟基羟基、羧基羧基、氨基氨基、环氧基环氧基、酰氯基酰氯基、吡咯基吡咯基、噻吩基噻吩基等基团等基团l 丙烯酸：丙烯酸：有双键，羧基，聚合，即可形成聚丙有双键，羧基，聚合，即可形成聚丙烯酸及其共聚物，可以作为烯酸及其共聚物，可以作为弱酸性离子交换树弱酸性离子交换树脂、高吸水性树脂脂、高吸水性树脂等应用。等应用。将含有环氧基团的低分子量双酚将含有环氧基团的低
25、分子量双酚A型环氧树脂与型环氧树脂与丙烯酸反应，得到丙烯酸反应，得到含双键的环氧丙烯酸酯含双键的环氧丙烯酸酯，这种，这种单体在制备功能性粘合剂方面有广泛的应用。单体在制备功能性粘合剂方面有广泛的应用。CH2CHOCH2OCCH3CH3OCH2CHCH2O+CH2CHCOOHCH2CHOHCH2OCCH3CH3OCH2CHCH2OCH2CHCOO2.已有高分子材料的功能化已有高分子材料的功能化利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架，从而，从而改变聚合物的物理化学性质，赋予其新的功能。改变聚合物的物理化学性质，赋予其新的功能。聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚（
26、甲基）丙聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物、聚丙烯酰胺、聚环氧氯丙烷烯酸酯及其共聚物、聚丙烯酰胺、聚环氧氯丙烷及其共聚物、聚乙烯亚胺、纤维素等。及其共聚物、聚乙烯亚胺、纤维素等。聚苯乙烯：聚苯乙烯：磺化、氯甲基化、卤化、硝化、锂化、磺化、氯甲基化、卤化、硝化、锂化、烷基化、羧基化、氨基化烷基化、羧基化、氨基化导电橡胶：导电橡胶：银粉（碳粉或金粉）银粉（碳粉或金粉）+橡胶橡胶磁性塑料：磁性塑料：铁氧体或稀土类磁粉铁氧体或稀土类磁粉+塑料塑料优点：优点：简便、快速、使用范围宽、功能基团分布简便、快速、使用范围宽、功能基团分布均匀均匀缺点：缺点：不稳定不稳定3.普通聚合物与功
27、能材料复合（共混）普通聚合物与功能材料复合（共混）4.通过特殊加工通过特殊加工控制聚集态结构和宏观形态控制聚集态结构和宏观形态例：例：高透明的聚炳烯高透明的聚炳烯酸酯类酸酯类熔融熔融拉丝拉丝高度取向高度取向塑料光导纤维塑料光导纤维参考书目参考书目 p功能高分子材料功能高分子材料，马建标，化学工业出版社，马建标，化学工业出版社，2007.p功能高分子材料化学功能高分子材料化学，赵文元，王亦军，化，赵文元，王亦军，化学工业出版社，学工业出版社，2003.p功能高分子材料功能高分子材料，王国建，华东理工大学出，王国建，华东理工大学出版社，版社，2006.p功能高分子材料与新技术功能高分子材料与新技术，何天白，胡汉杰，何天白，胡汉杰，化学工业出版社，化学工业出版社，2001.
