功能高分子材料

亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室MMST(燕山大学)燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室MMLAB材料学国家重点学科、材料学国家实验教学示范中心中国微型实验中心北方基地中国微型高分子化学实验研究中心第１章功能高分子材料学总论材料是人类文明的物质基础，也是衡量人类文明的一种尺度。是时代发展的特征标志，也是人类进化的重要里程碑。石器时代原始的人类逐渐使用石器作为武器和工具等，属于天然材料陶器时代用可塑性好的粘土加热变硬可制成陶器，属于人工材料铜器时代铁器时代耗费更大的能量将铜矿、铁矿还原成铜、铁，制成人工材料高分子时代高分子的使用量已超过金属，属于合成材料功能高分子材料学是研究功能高分子材料合成、制备、结构、性能、构效关系与规律的一门科学，是高分子材料科学领域发展最为迅速，与其他科学领域交叉度最高的一个研究领域。它是建立在高分子化学、高分子物理、高分子加工工程等相关学科的基础之上，并与数学、物理学、医学、生物学密切联系的一门学科。功能材料（Functionalmaterial）的概念是美国MortonJ.A.于1965年首先提出来的。第１章功能高分子材料学总论1.1概述1.2功能高分子材料的结构与性能的关系1.3功能高分子材料的设计与制备1.4功能高分子材料的研究方法1.5功能高分子学展望什么是功能高分子材料？功能高分子材料(FunctionalPolymerMaterials)的广义定义是与常规聚合物相比具有明显不同的物理化学性质，并具有某些特殊功能的聚合物大分子(主要指全人工和半人工合成的聚合物)都应归属于功能高分子材料范畴。以这些功能材料为研究对象，探讨结构组成、构效关系、制备方法，开发应用的科学，应称为功能高分子材料学。功能高分子狭义地定义为与活性小分子相对应的高分子试剂、高分子催化剂、离子交换树脂等具有特殊化学活性功能的高分子范围。1.1概述1.1.1功能高分子材料学的研究对象1.1概述1.1.1功能高分子材料学的研究对象功能高分子学研究的主要目标和内容功能高分子和新材料的设计与制备方法物理化学性能表征结构与性能结构与功能之间的关系应用开发研究1.1.2功能高分子材料学的发展历程20世纪70年代美国学者首先提出材料科学与工程（Materialsscienceandengineering）这个学科全称。北京大学李福绵教授功能高分子材料科学作为一个完整学科是从20世纪80年代中后期开始的。北京大学李福绵教授首先把日本高分子学会组织的17位（包括欧美人士）在功能高分子研究方面卓有成就的专家执笔的《功能高分子》一书译成中文。1983年在科学出版社出版，是中国在这一领域的第一部著作。南开大学何炳林先生、北京大学冯新德先生、周其凤院士也都是杰出的功能高分子科学家。美国工程院院士程正迪，中国科学院沈家骢院士、卓仁禧、张俐娜院士等也为功能高分子材料的发展做出巨大的贡献。高分子化学、高分子物理及其交叉学科的诺贝尔奖金获得者：1.1.2功能高分子材料学的发展历程1.1.3功能高分子材料学的分类方法按功能特性分类力学功能材料物理化学功能材料化学功能材料生物化学功能材料1.1.3功能高分子材料学的分类方法按性质和功能分类反应、化学功能高分子材料物理功能高分子材料力学功能高分子材料物理化学功能高分子材料未来材料、生命高分子材料智能高分子材料未来材料、生命高分子材料按性质和功能分类反应、化学功能高分子材料物理功能高分子材料力学功能高分子材料物理化学功能高分子材料未来材料、生命高分子材料智能高分子材料未来材料、生命高分子材料1.1.3功能高分子材料学的分类方法1)化学能的转换2)光能的转换3)磁能的转换4)热能的转换5)电能的转换6)机械能的转换1)光学功能2)热学功能3)声学功能4)电磁学功能5)机械功能6)化学功能按材料对信号或能量进行传输和转换的作用层次分类一次功能材料二次功能材料1.1.3功能高分子材料学的分类方法医用高分子药用高分子分离用高分子高感性高分子防护功能高分子传导性高分子生物活性高分子高分子化学反应试剂高分子染料等按实际用途分类1.1.3功能高分子材料学的分类方法天然功能高分子半合成功能高分子合成功能高分子按来源分类有机功能高分子材料无机功能高分子材料金属功能高分子材料功能高分子复合材料配位功能高分子材料按材料组成分类1.2功能高分子材料的结构与性能的关系功能高分子材料科学的主要研究目的之一是为现有材料的利用和新型功能材料的开发提供理论依据。能够对光进行透射、吸收、储存、转换的光功能高分子材料。具有超强吸水保水能力的高分子吸水材料。1.2.1功能高分子材科的结构层次1．构成功能高分子的元素组成元素是构成任何物质的基础，也是影响材料性能最基本的因素之一。2．材料分子中的官能团结构有机化合物以及其千变万化的复杂性质，更多地取决于材料分子中的官能团结构。官能团结构决定了分子大部分化学性质，如氧化还原性质、强碱性质、亲电亲核性质和配位性质等，材料的许多物理化学性质也与官能团密切相关。3．聚合物的链结构作为聚合物大分子结构中的一个重要部分是骨架的链段结构和分子量分布，聚合物一般都是由结构相同或相似的结构片段连接而成，这种结构片段称为链段。PSBr高分子材料中的阻燃元素1.2.1功能高分子材科的结构层次4．高分子的微观构象结构高分子的微观构象结构是指分子在空间上是呈棒状、球状、片状，呈螺旋状或无定型状等。高分子的微观构象结构主要取决于材料的分子间力，如范德华力、氢键力和静电力等。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包括分子的排列方式和晶态结构等，如蛋白质等的空间结构、液晶态结构、纤维的高取向结构等。6．材料的宏观结构材料的宏观结构宏观结构包括材料的立体形状、宏观尺寸、组合形式、复合结构等。1.2.2功能高分子材料构效关系分析功能高分子材料之所以能够在应用中表现出许多独特的性质，主要与其上述结构有关。不同的功能高分子材料，因为所需功能不同，依据的结构层次也有所不同。1．官能团的性质与聚合物功能之间的关系(1)功能高分子材料的性质主要取决于所含的官能团(2)功能高分子材料的性质取决子聚合物骨架与官能团协同作用(3)官能团与聚合物骨架不能区分(4)官能团在功能高分子材料中仅起辅助作用1.2.2功能高分子材料构效关系分析2．功能高分子材料中聚合物骨架的作用(1)溶解度下降效应(2)高分子骨架的机械支撑作用(3)高分子骨架的模板效应(4)高分子骨架的稳定作用具有高分子骨架是功能高分子材料区分功能小分子的主要标志3.聚合物骨架的种类和形态的影响1)以聚乙烯型、聚苯乙烯、聚醚等为代表的饱和碳链型聚合物2)以聚酯、聚酰胺骨架为代表的杂链型聚合物3)以聚吡咯、聚乙炔、聚苯等为主链的，带有线性共扼结构的聚合物4)以聚芳香内酰胺为主链的所谓梯形聚合物1.2.2功能高分子材料构效关系分析4．交联高分子骨架(1)微孔型或溶胶型树脂(2)大孔树脂(3)米花状聚合物(4)大网状聚合物5.功能高分子性能相关的理论和概念相关性质溶胀、溶解性质多孔性稳定性渗透性1.3功能高分子材料的设计与制备1.3.1功能高分子材料的设计1功能高分子材料的设计将功能基团设计于高分子结构中，这样形成的高分子本身就具有相应的功能，因此为本征型功能高分子材料。2聚集态结构设计聚集态结构设计是根据高分子链本身刚柔性、规整性的不同,通过不同的加工工艺来调节高分子链在空间的形态及其堆砌方式，来赋予高分子以功能特性的设计方法。例如光学塑料、光导纤维等透光、传光材料，材料本身的透明性是首要考虑的问题。3高分子复合结构设计通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料进行复合，制成复合型材料，是目前材料改性所广泛采用的方法，具有工艺简单、材料来源丰富、价格低廉等优点。功能高分子设计中，通过复合结构的设计也是最为方便的途径之一。例如设计导电高分子，就必须首先决定载流子的种类，即利用电子(空穴)导电还是利用离子导电。电子导电可以运用共轭结构、电荷转移络合物体系、或金属有机高分子体系；离子导电则可以采用聚电解质结构，利用大分子体系中的小离子作为导电载流子。就共轭结构而言,随着共轭程度的增加，其π电子能级裂分程度增大，跃迁能隙将减小，最终成键π轨道和反键π轨道将各自形成价带和导带，其导带底与价带顶间的能量差为禁带宽度，即能隙。共轭链长达到一定程度后，能隙可以降得很低，此时材料应具有较高的导电能力。然后将理论分析结果与实际情况比较，找出其差距产生的原因，再进一步改善体系，完成设计构想。1.3.2功能高分子材料的制备1.功能型小分子的高分子化对这些功能型小分子主要通过一个称为高分子化的过程，赋予其高分子的功能特点，将其“材料化”，即有可能开发出新的功能高分子材料。功能型小分子与聚合物骨架的连接化学键连接的化学方法物理作用力连接共聚均聚共混吸附包埋（1）可聚合单体法这种制备方法主要包括下述两个步骤，首先是通过引入可聚合基团合成功能型小分子单体，然后进行均聚或共聚反应生成功能聚合物。（2）聚合包埋法聚合包埋法是利用生成高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。制备方法是在聚合反应之前，向单体溶液中加入小分子功能化合物，在聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。得到的功能高分子材料聚合物骨架与小分子功能化合物之间没有化学键连接，固化作?猛ü赐瓿伞?1.3.2功能高分子材料的制备2.普通高分子材料的功能化此方法是通过化学的或物理方法对已有聚合物进行功能化，使这些常见的高分子材料赋予特定功能，成为功能高分子材料。聚苯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环氧氯丙烷的功能化反应缩合型聚合物的功能化方法无机聚合物功能化方法（1）高分子材料的化学功能化（2）聚合物功能化的物理方法聚合物的物理功能化方法主要是通过小分子功能化合物与聚合物的共混和复合来实现。共混方法主要有熔融态共混和溶液共混。1)高分子粉末的利用2)纺丝4)反应成型（3）高分子加工功能化3)制膜1.3.2功能高分子材料的制备3.功能高分子材料的复合制备方法将两种以上的功能高分子材料以某种方式结合在同一种功能材料中，引入两种以上的功能基团也是制备新型功能聚合物的一种方法在同一大分子中引入多种功能基团功能高分子材料的多功能复合1.3.2功能高分子材料的制备4.功能高分子超分子组装功能高分子超分子组装氢键控制分子组装自组装树枝状超分子嵌段分子的微相分离聚合物的静电层状组装1.3.2功能高分子材料的制备5.功能高分子制备方法等离子体聚合方法酶催化聚合微生物合成合成可控活性聚合电化学合成微波辐射聚合泡沫体系分散聚合１.4功能高分子材料的研究方法功能高分子材料研究制备方法研究结构和组成分析与研究性能表征与构效关系研究材料实际应用研究1.4.1功能高分子材料化学研究方法功能高分子材料化学研究方法功能单体创制方法高分子化条件研究聚合物的功能化、聚合物微观结构和宏观结构成型1.4.2功能高分子材料的结构与组成研究方法主要研究方法1.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3.功能高分子晶态结构分析4.功能高分子聚集态结构分析5.功能高分子材料的热性质分析6.功能高分子宏观结构分析1.4.3功能高分子材料的构效关系研究方法功能高分子材料的结构与功效关系，即功能和作用机理研究是功能高分子材料科学研究最重要的内容之一，是材料评价、性能改进、完善理论、拓展应用领域的基础。主要研究方法1.功能高分子材料性能测定2.功能高分子材料作用机理研究1.5功能高分子学展望功能高分子是高分子科学发展的主要方向之一，是现代科学技术和社会发展的支柱。特别是纳米科学与技术与高分子科学结合，通过测控技术使构成高分子的链段、结构单元、官能团、分子、原子、原子团发生重排，组成新物质。功能高分子产品