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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,功能高分子材料,Functional polymers,同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,王國建教授,第一章 緒論,1.1,高分子材料科學(xué)的歷史回顧,高分子的概念始于,20,世紀(jì),20,年代，但應(yīng)用更早。,1839,年，美國人,Goodyear,發(fā)明硫化橡膠。,1855,年，英國人,Parks,用硝化纖維素與樟腦混合制得賽璐珞。,1889,年，法國人,De,Chardonnet,（夏爾多內(nèi)）,發(fā)明,人造絲,。,1907,年，酚醛樹脂誕生。,第一章 緒論,1920,年，德國人,Staudinger,發(fā)表了“論聚合”
2、的論文，提出了高分子的概念，并預(yù)測了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的結(jié)構(gòu)。,1935,年，,Carothes,發(fā)明尼龍,66,，,1938,年工業(yè)化。,30,年代，一系列烯烴類加聚物被合成出來并工業(yè)化，,PVC,（,1927,1937,），,PVAc,（,1936,），,PMMA,（,1927,1931,），,PS,（,1934,1937,），,LDPE,（,1939,）。自由基聚合發(fā)展。,第一章 緒論,高分子溶液理論在,30,年代建立，并成功測定了聚合物的分子量。,Flory,為此獲得諾貝爾獎。,40,年代，二次大戰(zhàn)促進了高分子材料的發(fā)展，一大批重要的橡膠和塑料被合成出來。丁苯橡膠（,1
3、937,），丁腈橡膠（,1937,），丁基橡膠（,1940,），有機氟材料（,1943,），,ABS,（,1947,），滌綸樹脂（,1940,1950,）。,50,年代，,Ziegler,和,Natta,發(fā)明配位聚合催化劑，制得高密度,PE,和有規(guī),PP,，低級烯烴得到利用,。,第一章 緒論,1956,年，美國人,Szwarc,發(fā)明活性陰離子聚合，開創(chuàng)了高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計的先河。,50,年后期至,60,年代，大量高分子工程材料問世。聚甲醛（,1956,），聚碳酸酯（,1957,），聚砜（,1965,），聚苯醚（,1964,），聚酰亞胺（,1962,）。,60,年代以后，特種高分子和功能高分子得到發(fā)
4、展。,特種高分子：高強度、耐高溫、耐輻射、高頻絕緣、半導(dǎo)體等。,第一章 緒論,功能高分子：分離材料（離子交換樹脂、分離膜,等）、導(dǎo)電高分子、感光高分子、高分子催化劑、高吸水性樹脂、醫(yī)用高分子、藥用高分子、高分子液晶等。,80,年代以后，新的聚合方法和新結(jié)構(gòu)的聚合物不斷出現(xiàn)和發(fā)展。,新的聚合方法：陽離子活性聚合、基團轉(zhuǎn)移聚合、活性自由基聚合、等離子聚合等等；,新結(jié)構(gòu)的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星狀聚合物、樹枝狀聚合物、超支化聚合物、含,C,60,聚合物等等。,第一章 緒論,1.2,基本概念,功能高分子與高性能高分子,性能,：,材料對外部作用的抵抗特性。例如，對,外力的抵抗表現(xiàn)為材料
5、的強度、模量等；對熱的抵,抗表現(xiàn)為耐熱性；對光、電、化學(xué)藥品的抵抗，則,表現(xiàn)為材料的耐光性、絕緣性、防腐蝕性等。,第一章 緒論,功能：,指從外部向材料輸入信號時，材料內(nèi)部發(fā)生,質(zhì)和量的變化而產(chǎn)生輸出的特性。例如，材料在受,到外部光的輸入時，材料可以輸出電性能，稱為材,料的光電功能；材料在受到多種介質(zhì)作用時，能有,選擇地分離出其中某些介質(zhì)，稱為材料的選擇分離,性。此外，如壓電性、藥物緩釋放性等，都屬于功,能的范疇。,第一章 緒論,因此：,功能高分子,是指當(dāng)有外部刺激時，能通過化學(xué)或,物理的方法做出相應(yīng)的高分子材料。,高性能高分子,則是對外力有特別強的抵抗能力的,高分子材料,。,它們都屬于特種高分
6、子材料的范疇。,第一章 緒論,特種高分子是相對于通用高分子而言的。,通用高分子材料：,應(yīng)用面廣量大，價格較低。,根據(jù)其性質(zhì)和用途可分為五個大類：化學(xué)纖維、塑,料、橡膠、油漆涂料、粘合劑。,特種高分子材料：,帶有特殊物理、力學(xué)、化學(xué),性質(zhì)和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超,出了原有通用高分子材料的范疇。,第一章 緒論,從實用的角度看，對功能材料來說，人們著眼,于它們所具有的獨特的功能；而對高性能材料，人,們關(guān)心的是它與通用材料在性能上的差異。,特種高分子和功能高分子是目前高分子,學(xué)科中發(fā)展最快、研究最活躍的新領(lǐng)域。,第一章 緒論,1.2,功能高分子材料的類型,日本著名功能高分子專家中村茂夫
7、教授認(rèn)為，,功能高分子可從以下幾個方面分類。,1.,力學(xué)功能材料,1),強化功能材料,，如超高強材料、高結(jié)晶材料等；,2),彈性功能材料,，如熱塑性彈性體等。,第一章 緒論,2.,化學(xué)功能材料,1),分離功能材料,，如分離膜、離子交換樹脂、高分,子絡(luò)合物等；,2),反應(yīng)功能材料,，如高分子催化劑、高分子試劑；,3),生物功能材料,，如固定化酶、生物反應(yīng)器等。,第一章 緒論,3.,物理化學(xué)功能材料,1),耐高溫高分子,，高分子液晶等；,2),電學(xué)功能材料,，如導(dǎo)電性高分子、超導(dǎo)高分子，,感電子性高分子等；,3),光學(xué)功能材料,，如感光高分子、導(dǎo)光性高分子，,光敏性高分子等；,4),能量轉(zhuǎn)換功能材
8、料,，如壓電性高分子、熱電性高,分子等。,第一章 緒論,4.,生物化學(xué)功能材料,1),人工臟器用材料,，如人工腎、人工心肺等；,2),高分子藥物,，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物、高分子農(nóng)藥等；,3),生物分解材料,，如可降解性高分子材料等。,這一分類，實際上包括了所有特種高,分子材料。,第一章 緒論,國內(nèi)一般采用按其性質(zhì)、功能或?qū)嶋H用途劃分,特種和功能高分子材料的劃分普遍采用的方法，具,體可劃分為,8,種類型。,1.,反應(yīng)性高分子材料,，,包括高分子試劑、高分子催,化劑和高分子染料，特別是高分子固相合成試劑和,固定化酶試劑等。,2.,光敏型高分子,，包括各種光穩(wěn)定劑、光刻膠，感,光材料、
9、非線性光學(xué)材料、光導(dǎo)材料和光致變色材,料等。,第一章 緒論,3.,電性能高分子材料,，包括導(dǎo)電聚合物、能量轉(zhuǎn)換,型聚合物、電致發(fā)光和電致變色材料以及其他電敏,感性材料等。,4.,高分子分離材料,，包括各種分離膜、緩釋膜和其,他半透性膜材料、離子交換樹脂、高分子螯合劑、,高分子絮凝劑等。,第一章 緒論,5.,高分子吸附材料,，包括高分子吸附性樹脂、高吸,水性高分子、高吸油性高分子等。,6.,高分子智能材料,，包括高分子記憶材料、信息存,儲材料和光、磁、,pH,、壓力感應(yīng)材料等。,7.,醫(yī)藥用高分子材料,，包括醫(yī)用高分子材料、藥用,高分子材料和醫(yī)藥用輔助材料等。,8.,高性能工程材料,，如高分子液
10、晶材料，耐高溫高,分子材料、高強高模量高分子材料、阻燃性高分子,材料和功能纖維材料、生物降解高分子等。,第一章 緒論,1.3,功能高分子材料的發(fā)展與展望,1.3.1,功能高分子發(fā)展的背景,1.,經(jīng)濟發(fā)展的需要,自從,1920,年施道丁格（,H.Staudinger,）建立大分,子概念以來，高分子材料以驚人的速度得到發(fā)展。,至,20,世紀(jì),60,年代，高分子材料工業(yè)化已基本完善，,解決了人們的衣著、日用品和工業(yè)材料等需求。通,用高分子和工程用高分子的世界總產(chǎn)量已超過幾千,萬噸,/,年，特種高分子則為幾十萬噸,/,年。,第一章 緒論,1973,年和,1978,年兩次世界性的石油大危機，使,原油價格
11、猛漲。以石油為主要原料的高分子材料成,本呈直線上升，商品市場陷入極為困難的處境。在,這樣的經(jīng)濟背景下，迫使人們試圖用同樣的原材,料，去制備價值更高的產(chǎn)品。功能高分子在這種外,部條件促使下迅速地發(fā)展了起來。,從表,11,的數(shù)據(jù)可以看出，,發(fā)展功能高分子材料,可以獲得較高的經(jīng)濟效益,。,第一章 緒論,表,1,1,各種高分子材料的產(chǎn)量和價格比,*,品 種,主要產(chǎn)品舉例,產(chǎn)量,/,萬噸,/,年,價格比,通用高分子材料,LDPE,，,HDPE,，,PVC,，,PP,，,PS,1000,1,中間高分子材料,ABS,，,PMMA,100,1000,1,2,工程高分子材料,PA,，,PC,，,POM,，,PB
12、T,，,PPO,20,80,2,4,特種高分子材料,有機氟材料，耐熱性高分子，各種功能高分子,1,20,10,100,*,價格比以通用高分子為,1,計。,第一章 緒論,2.,科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求,80,90,年代，科學(xué)技術(shù)有了迅速發(fā)展。能源、信,息、電子和生命科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，對高分子材料,提出了新的要求。即,要求高分子材料具有迄今還不,曾有過的高性能和高功能,，甚至要求既具有高功能,亦具有高性能的高分子材料。,第一章 緒論,新能源的要求,。太陽能和氫將成為今后的主要,能源。光電轉(zhuǎn)換材料就成為太陽能利用的關(guān)鍵。硅,材料已進入了實用階段。然而，按現(xiàn)在的能量轉(zhuǎn)換,效率，對單晶硅的需要量實在太大。以日
13、本為例，,若利用太陽能達到當(dāng)前日本電力的,1,，就需,100 ,的單晶硅至少,2.7,萬噸。這相當(dāng)于日本目前單晶硅總,產(chǎn)量的,90,倍。為此，人們把注意力轉(zhuǎn)向可高效轉(zhuǎn)換,太陽能的功能高分子材料。如換能型高分子分離膜,的利用,。,第一章 緒論,交通和宇航技術(shù)的要求,。既高速又節(jié)約能源是,交通運輸和宇航事業(yè)迫切需要解決的課題。采用功,能高分子材料，在一定程度上解決了該難題。就目,前的成就來看，波音,757,，,767,飛機采用,Kavlar,增強,材料（一種由高分子液晶紡絲而成的高強纖維增強,的材料），可省油,50,。汽車工業(yè)采用高分子材料,而實現(xiàn)輕型化，從而達到省油和高速的目的。,第一章 緒論,
14、微電子技術(shù)的要求,。高度集成化是微電子工業(yè),發(fā)展的趨勢。存儲容量將從目前的,16K,發(fā)展到,256K,。,此時相應(yīng)的電路細(xì)度僅為,1.5m,。因此，高功能的,光致抗蝕材料（感光高分子）已成為微電子工業(yè)的,關(guān)鍵材料之一。,第一章 緒論,生命科學(xué)的要求,。人類對生命奧秘的探索，對,建立一個潔凈、安全的世界的渴望，對征服癌癥等,疾病的努力，均對高分子材料提出了功能的要求。,例如，生物分離介質(zhì)的研制成功，使生命組成的各,種組分能得以精細(xì)地分級，對生命科學(xué)的貢獻將是,十分重大的。可降解性高分子材料的問世，將大大,減緩白色公害對人類的危害。,第一章 緒論,總之，功能高分子材料在國民經(jīng)濟建設(shè)和日常,生活中將
15、發(fā)揮越來越重要的作用，發(fā)展前景不可估,量。當(dāng)然，,目前的成就尚處于十分初級的階段,，有,待于進一步研究和探索。,第一章 緒論,1.3.2,功能高分子的發(fā)展歷程與展望,雖然特種與功能高分子材料的發(fā)展可以追述到,很久以前，,如光敏高分子材料和離子交換樹脂都有,很長的歷史。,但是作為一門獨立的完整的學(xué)科，,功,能高分子是從,20,世紀(jì),80,年代中后期開始發(fā)展的,。,第一章 緒論,最早的功能高分子可追述到,1935,年,離子交換樹,脂,的發(fā)明。,20,世紀(jì),50,年代，美國人開發(fā)了,感光高分子,用于,印刷工業(yè)，后來又發(fā)展到電子工業(yè)和微電子工業(yè)。,1957,年發(fā)現(xiàn)了,聚乙烯基咔唑的光電導(dǎo)性,，打破,了
16、多年來認(rèn)為高分子材料只能是絕緣體的觀念。,1966,年,little,提出了,超導(dǎo)高分子模型,，預(yù)計了高,分子材料超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)的可能性，隨后在,1975,年,發(fā)現(xiàn)了聚氮化硫的超導(dǎo)性。,第一章 緒論,1993,年，俄羅斯科學(xué)家報道了在經(jīng)過長期氧化的,聚丙烯體系中發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體,，這是迄今為止唯,一報道的超導(dǎo)性有機高分子。,20,世紀(jì),80,年代，,高分子傳感器、人工臟器、高分,子分離膜,等技術(shù)得到快速發(fā)展。,1991,年發(fā)現(xiàn)了,尼龍,11,的鐵電性,，,1994,年,塑料柔性,太陽能電池,在美國阿爾貢實驗室研制成功，,1997,年,發(fā)現(xiàn),聚乙炔經(jīng)過摻雜具有金屬導(dǎo)電性,，導(dǎo)致了,聚苯,胺、聚吡
17、咯,等一系列導(dǎo)電高分子的問世。,這一切多反映了功能高分子日新月異的發(fā)展。,第一章 緒論,其中從,20,世紀(jì),50,年代發(fā)展起來的,光敏高分子,化,學(xué)，在光聚合、光交聯(lián)、光降解、熒光以及光導(dǎo)機,理的研究方面都取得了重大突破，特別在過去,20,多,年中有了飛快發(fā)展，并在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。比,如,光敏涂料、光致抗蝕劑、光穩(wěn)定劑、光可降解材,料、光刻膠、感光性樹脂、以及光致發(fā)光和光致變,色高分子材料,都已經(jīng)工業(yè)化。,近年來,高分子非線性光學(xué)材料,也取得了突破性的,進展。,第一章 緒論,反應(yīng)型高分子,是在有機合成和生物化學(xué)領(lǐng)域的,重要成果，已經(jīng)開發(fā)出眾多新型,高分子試劑和高分,子催化劑,應(yīng)用到科研和生
18、產(chǎn)過程中，在提高合成反,應(yīng)的選擇性、簡化工藝過程以及化工過程的綠色化,方面做出了貢獻。更重要的是由此發(fā)展而來的固相,合成方法和固定化酶技術(shù)開創(chuàng)了有機合成機械化、,自動化、有機反應(yīng)定向化的新時代，在分子生物學(xué),研究方面起到了關(guān)鍵性作用。,第一章 緒論,電活性高分子材料,的發(fā)展導(dǎo)致了,導(dǎo)電聚合物,，,聚合物電解質(zhì)，聚合物電極,的出現(xiàn)。此外,超導(dǎo)、電,致發(fā)光、電致變色聚合物,也是近年來的重要研究成,果，其中以電致發(fā)光材料制作的彩色顯示器已經(jīng)被,日本和美國公司研制成功，有望成為新一代顯示器,件。此外眾多化學(xué)傳感器和分子電子器件的發(fā)明也,得益于電活性聚合物和修飾電極技術(shù)的發(fā)展。,第一章 緒論,高分子分離
19、膜材料,與分離技術(shù)的發(fā)展在復(fù)雜體,系的分離技術(shù)方面獨辟蹊徑，開辟了氣體分離、苦,咸水脫鹽、液體消毒等快速、簡便、低耗的新型分,離替代技術(shù)，也為電化學(xué)工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)提供了新,型選擇性透過和緩釋材料。目前高分子分離膜在海,水淡化方面已經(jīng)成為主角，已經(jīng)擁有制備,18,萬噸,/,日,純水設(shè)備的能力。,第一章 緒論,醫(yī)藥用功能高分子,是目前發(fā)展非常迅速的一個,領(lǐng)域，,高分子藥物、高分子人工組織器官、高分子,醫(yī)用材料在定向給藥、器官替代、整形外科,和拓展,治療范圍方面做出了相當(dāng)大的貢獻。,第一章 緒論,特種與功能高分子材料是一門涉及范圍廣泛，,與眾多學(xué)科相關(guān)的新興邊緣學(xué)科，涉及,內(nèi)容包括有,機化學(xué)、無機化
20、學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、生物,化學(xué)、電子學(xué)、甚至醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科,，是目前國內(nèi),外異?；钴S的一個研究領(lǐng)域。,可以說，特種與功能高分子材料在高分子科學(xué),中的地位，相當(dāng)于精細(xì)化工在化工領(lǐng)域內(nèi)的地位。,因此也,有人稱特種與功能高分子為精細(xì)高分子,，其,內(nèi)涵指其產(chǎn)品的,產(chǎn)量小，產(chǎn)值高，制造工藝復(fù)雜,。,第一章 緒論,特種與功能高分子材料之所以能成為國內(nèi)外材,料學(xué)科的重要研究熱點之一，最主要的原因在于它,們具有獨特的“性能”和“功能”，可用于替代其他功,能材料，并提高或改進其性能，使其成為具有全新,性質(zhì)的功能材料。,可以預(yù)計，在今后很長的歷史時期中，特種與,功能高分子材料研究將代表了高分子材料發(fā)展的主,要方向。,
功能高分子材料01
