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功能高分子
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第一章 绪 论 什么是功能高分子? 种类 制备方法 研究方法
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思考题: 1.什么是功能高分子? 2.功能高分子的种类? 3.功能高分子的制备方法有哪几种?
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一、什么是功能高分子? 1. 材料 衡量各个历史时期的文明程度: 石器、铜器、铁器、钢铁、高分子材料 材料、信息、能源--现代工业的三大支柱 材料----金属材料、 无机非金属材料(陶瓷、玻璃、水泥) 有机高分子材料(高分子材料)。
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“塑料、橡胶、化纤”等高分子材料只有普通材料的某些性能,如:力、热、光等方面,
如塑料主要是代钢、代木; 橡胶的弹性、隔热、绝缘、做轮胎; 化纤可织布制衣,代替棉花。 现代文明需要大量的功能材料,这些材料不仅起结构作用,还有能量传递、物质储存、信息转换等功能。
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天然生物高分子是典型的功能高分子, 如蛋白质是生物各器官的主体物质,在起结构作用的同时,还有能量传递、物质储存、信息转换,如生物膜、皮肤(选择透过性,单向透过性),天然生物高分子的结构极其复杂,至今难以成功地合成。 人们在普通高分子骨架接上一定的特殊功能基团,使其具有功能性,如:化学性、催化性、光敏性、导电性、选择透过性和一定的生物活性等。 这类带有特殊功能基团并具有功能性的聚合物就是功能高分子。
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一般认为:其具有普通高分子的结构性质,同时具有一定的功能,主要指具有物质、能量和信息的贮存、传递、转化等作用的高分子。
3. 功能高分子的概念: 目前功能高分子尚无统一的、明确的定义, 一般认为:其具有普通高分子的结构性质,同时具有一定的功能,主要指具有物质、能量和信息的贮存、传递、转化等作用的高分子。 通用高分子-塑料,橡胶,化纤,涂料,粘合剂等 高分子 特性高分子 功能高分子
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材料的性能-对各种外部刺激(力、热、光、电、水、
化学品等)的抵抗。 材料的功能-输入“信号”(物质或能量)时会发生质和量 的变化,有输出作用。 发泡材料(减震、保温) 特性材料 如:苯乙烯 聚苯乙烯 (片、棒、板) 通用材料 离子交换树脂 功能材料
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二、 功能高分子的分类: 功能高分子的功能性虽然比活性天然生物高分子(如蛋白质、酶等)的高功能水平差的多,但它们已经广泛应用于工业、医学上,由于它们品种很多,应用领域广泛,它对现代科学的发展已经发挥着重要的作用,是高技术的主要内容之一。
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材料的功能: 一次功能:当向材料输入的能量和从材料输出的能量属同种形式,材料只能起到能量传送部件的作用,这种功能称为一次功能。 (如导电、导热) 二次功能:当向材料输入的能量和输出的能量是不同形式时,材料起能量转换部件的作用,这种功能称为二次功能。(如压电功能)
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一次功能: 力学功能:抗拉、抗弯、抗冲击 声学功能:吸音、隔音 热学功能:隔热、传热、蓄热 电学功能:导电、绝缘 磁学功能:磁性
光学功能:透光、吸光 化学功能: 催化、吸附、酶反应、 其它功能
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二次功能: 机械能与其它功能的转换:压电效应、摩擦发热等。 电能与其它功能的转换:电磁效应、电阻发热、热电效应、光电效应等。
磁能与其它功能的转换:热磁、光磁效应等 光能与其它功能的转换:光化学反应、光电效应等。
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(1)化学功能-离子交换、催化、氧化还原等
(2)物理功能-导电、热电、压电、磁记录、 吸波 高分子的功能 (3)生物功能-医用高分子、
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功能高分子的种类 (1)离子交换树脂 (2)导电高分子材料 (3)高分子液晶材料 (4)光敏高分子材料 (5)电活性高分子材料 (6)高分子功能膜 (7)高分子试剂与催化剂 (8)医用高分子材料 (9)其它功能高分子
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# 功能高分子的重要性: 1935年:离子交换树脂。 1940年代:以离子交换树脂为催化剂,催化有机反应。 1940年代中期:美将离子交换树脂用于集铀,研制原子弹。 1965年:我国首次人工合成出牛胰岛素,世界上第一个人工合成的天然蛋白质。
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1980年代以来:对大量功能材料的开发取得成功(包括功能陶瓷);人们创造了大量高科技产品。如:大规模集成电路、计算机、激光、光纤、生物反应器、航天技术。
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医用高分子 人工关节
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人工心脏
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人工肾脏
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部分人工脏器的临床应用历史 人工骨: 1940年H.R.Bohlman 人工肾: 1943年W.J.Kolff
人工气管; 年O.Tclaqett 人工血管: 年J.H.Grinndlay 人工食管: 年Z.D.Baronofaky 心脏起搏器:1952年P.M.Iou 人工关节: 年B.Walldius 人工瓣膜: 年J.H.Stuckey 人工肺: 年D.C.Shechter 全人工心肺: 1982年W.C.Derries
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医疗器械 聚乳酸----手术缝合线
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大型飞机刹车片
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碳纤维复合材料----结构材料 ------吸波材料
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碳纤维
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坦克装甲
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导电高分子 名称 结构 聚乙炔 聚噻吩 聚吡咯 聚苯胺 聚 苯
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聚合物锂离子电池
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生物传感器
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高聚物膜 微滤 超滤 反渗透 (纳米) 氢 离 子 无机离子 低分子 有机物 高分子 胶体 病毒 细菌 悬浊物 微细油珠
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纯净水生产
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海水淡化
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吸水树脂
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COONa COONa COONa COONa COONa COONa COONa
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离子交换树脂----水的净化;铀浓缩;催化剂
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高分子液晶 液晶显示器
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柔性显示器
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高分子液晶纤维 Kevlar纤维
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电子材料 线路板
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三、功能高分子的制备方法 通过化学或者物理的方法将功能基与高分子骨架相结合,实现预定功能。
通过化学或者物理的方法将功能基与高分子骨架相结合,实现预定功能。 活性聚合等高分子合成新方法的出现,为高分子的分子结构设计提供了强有力的手段,功能高分子的制备越来越 “随心所欲”。 1. 功能性小分子的高分子材料化 导电高分子的设计 PS PVC PVA 2.高分子材料的功能化 3.功能高分子材料的多功能复合与功能扩大
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1. 分子合成化学方法:分子结构设计、官能团设计、引入感光功能集团则赋予了材料感光性。
措施:共聚、接枝、嵌段共聚、交联、官能团的引入、模板聚合等 2. 特殊加工物理方法:把高分子加工成极薄的膜,把高分子纤维化,如人造羊毛(介绍其主体结构)有些功能高分子极难加工,如光缆、导电、聚丙烯 3. 复合手段:如将高分子中掺入银粉得到导电高分子。 复合两种或几种高分子:纤维复合、层叠复合、细粒复合、互穿网络等方法,可得新功能。
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四、课程内容 主要介绍功能高分子的种类、性能、制备方法和用途,分8个方面: 1、离子交换树脂、 2、吸水树脂 3、液晶材料 4、医用高分子 5、导电高分子 6、高聚物膜 7、高分子催化剂 8、 其它功能高分子
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参考资料: 《功能高分子与新技术》何天白编,化学工业出版社。 《功能高分子材料化学》赵文元编,化学工业出版社。
《功能高分子学报》《高分子学报》《高分子材料科学与工程》等中文学术期刊 《Macromolecules》《Polymer》《Journal of Applied Polymer Science》等外文期刊
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学习要求: 交1-2次读书报告 每人讲一次(10min) 期末考试??
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课后查阅文献,弄清以下问题: 1.什么是离子交换树脂? 2.离子交换树脂有哪些类型? 3.离子交换树脂的作用机理? 4.离子交换树脂的用途?
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