功能高分子材料

《功能高分子材料》复习1、说明离子交换树脂的类型及作用机理？试述离子交换树脂的主要用途。

类型与作用机理：（1）离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。

能解离出阳离子、并能与外来阳离子进行交换的树脂被称作阳离子交换树脂；能解离出阴离子、并能与外来阴离子进行交换的树脂被称作阴离子交换树脂。

（2）按其物理结构的不同，可将离子交换树脂分为凝胶型、大孔型和载体型三类。

（3）氧化还原树脂。

指带有能与周围活性物质进行电子交换、发生氧化还原反应的一类树脂。

在交换过程中，树脂失去电子，由原来的还原形式转变为氧化形式，而周围的物质被还原。

（4）两性树脂。

两性树脂中的两种功能基团是以共价键连接在树脂骨架上的，互相靠得较近，呈中和状态。

但遇到溶液中的离子时，却能起交换作用。

树脂使用后，只需大量的水淋洗即可再生，恢复到树脂原来的形式。

（5）热再生树脂。

在同一树脂骨架中带有弱酸性和弱碱性离子交换基团。

（6）螯合树脂。

用途：（1）水处理。

水处理包括水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备等。

（2）冶金工业。

离子交换是冶金工业的重要单元操作之一，离子交换树脂还可用于选矿。

（3）原子能工业。

利用离子交换树脂对核燃料进行分离、提纯、精制、回收等。

离子交换树脂还是原子能工业废水去除放射性污染处理的主要方法。

（4）海洋资源利用。

利用离子交换树脂，可从许多海洋生物中提取碘、溴、镁等重要化工原料。

（5）化学工业。

离子交换树脂普遍用于多种无机、有机化合物的分离、提纯，浓缩和回收等。

离子交换树脂用作化学反应催化剂，可大大提高催化效率。

（6）食品工业。

离子交换树脂在制糖、酿酒、烟草、乳品、饮料、调味品等食品加工中都有广泛的应用。

（7）医药卫生。

离子交换树脂在医药卫生事业中被大量应用。

（8）环境保护。

离子交换树脂在废水，废气的浓缩、处理、分离、回收及分析检测上都有重要应用。

2、按膜的功能简述高分子分离膜的分类及其分离机理。

（1）分离功能膜（包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜）（2）能量转化功能膜（包括浓差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能转化膜，导电膜）（3）生物功能膜（包括探感膜、生物反应器、医用膜）膜分离的机理主要是两种：过筛作用和溶解扩散作用。

过筛作用类似于物理过筛过程，与常见的筛网材料相比，膜的孔径要小的多。

被分离物能否通过筛网取决于物质粒径尺寸和网孔的大小。

溶解扩散作用是指当膜材料对某些物质具有一定溶解能力时，在外力作用下被溶解物质能够在膜中扩散运动，从膜的一侧扩散到另一侧，再离开膜。

3、高吸水性树脂为什么能大量吸水并保水？答：高吸水性树脂的分子中含有极性基团，并具有一定的交联度，是一种三维空间网络结构，这种特殊的化学结构和网状结构，使其吸水方式既有物理吸附，又有化学吸附和网络吸附，因此它具有神奇的吸水能力。

4、试分析影响高吸水性树脂吸水能力的因素。

答：一，交联度：交联度要适中，未经交联一般不具备吸水性，交联度过高又会抑制吸水性。

二，水解度：高吸水性树脂的吸水率一般随水解度的增加而增加，但水解度过高，交联剂部分也将发生水解而断裂，使树脂的网格受到破坏，从而影响吸水性。

三，PH值与盐分：因为酸、碱、盐的存在，一方面影响亲水的羧酸盐基团的解离，另—方面由于盐效应而使原来在水中应扩张的网格收缩，与水分子的亲和力降低。

5、分三个阶段简述SAP的吸水原理。

（1）通过毛细管吸附和分散作用吸水。

（2）水分子通过氢键与树脂的亲水基团作用,亲水基团离解, 离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩张。

（3）随着吸水量的增大，网络内外的渗透压差趋向于零；而网络扩张的同时，其弹性收缩力也在增加，逐渐抵消阴离子的静电排斥，最终达到吸水平衡。

6、对医用高分子材料的基本要求（简单分析）。

由于医用高分子与人们的健康密切相关，因此对进入临床使用阶段的医用高分子材料具有严格的要求，要求有十分优良的特性。

归纳起来，应具备了以下七个方面性能：①化学隋性，不会因与体液接触而发生反应。

因为人体环境对高分子材料有一些影响，因此不希望其因与体液接触而发生反应。

有时候希望其分解的，要在分解过程中，不应产生对人体有害的副产物。

②对人体组织不会引起炎症或异物反应。

有些高分子材料本在合成、加工过程中不可避免地会残留一些单体，或使用一些添加剂。

这些单体和添加剂会引起炎症或组织畸变，严重的可引起全身性反应。

③不会致癌。

因为高分子材料本身的性质，如化学组成、交联度、相对分子质量及其分布、分子链构象、聚集态结构、高分子材料中所含的杂质、残留单体、添加剂都可能与致癌因素有关。

④具有良好的血液相容性。

当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时间与体内的血液接触。

因此，医用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的。

⑤长期植入体内不会减小机械强度。

人工脏器一旦植入体内，将长期存留。

要求植入体内的高分子材料，不会很快失去原有的机械强度。

⑥能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性。

高分子材料能耐受蒸汽灭菌、化学灭菌、γ射线灭菌。

⑦易于加工成需要的复杂形状。

人工脏器往往具有很复杂的形状，用于人工脏器的高分子材料应具有优良的成型性能。

7、电致发光高分子材料的结构，原理及其应用结构：有机、聚合物薄膜EL器件是通过电子、空穴载流子的注入和复合而发光的器件的结构包括单层和多层两大类。

单层EL器件由阴极、发射层和阳极组成。

为了提高载流子的注入效率和发光效率在阴极或阳极与发射层之问加入电子输运层或空穴输运层，从而得到了双层或多层EL器件原理:1.载流子的注入从阴极和阳极注入。

2.载流子的迁移电子和空穴分别向发光层迁移。

3.载流子的空穴和迁移电子在发光层中相遇复合并产生激子。

4.激子将能量传递给发光分子并激发电子从基态跃迁到激发态。

5.电致发光激发态能量通过辐射耗散产生光子释放出光能。

应用：主要材料：空穴注入材料，电子注入材料，电子传输层材料，荧光或磷光发射层材料；辅助材料：电子和空穴阻挡层材料，在发光层添加荧光染料和磷光染料8、设计一个实验，制备苯乙烯系强酸型阳离子交换树脂。

将1 g BPO 溶于80 g 苯乙烯与20 g 二乙烯基苯（纯度50％）的混合单体中。

搅拌下加入含有5 g 明胶的500 mL 去离子水中，分散至所预计的粒度。

从70℃逐步升温至95℃，反应8～10 h ，得球状共聚物。

过滤、水洗后于100～120℃下烘干。

即成“白球”。

将100 g 干燥球状共聚物置于二氯乙烷中溶胀。

加入500 g 浓硫酸（98％），于95～100℃下加热磺化5～10 h 。

反应结束后，蒸去溶剂，过剩的硫酸用水慢慢洗去。

然后用氢氧化钠处理，使之转换成Na 型树脂，即得成品。

9、造纸厂的废水中通常含有短链纤维，无机碱，有机小分子和水，请结合膜分 离设计一个合理的分离工艺。

1.首先用超滤膜分离出短链纤维；2.用纳滤膜分离出有机小分子；3.用反渗透膜分离出无机碱和水。

10、简述热再生树脂的工作原理。

热再生树脂的工作原理如下：在室温下，树脂与盐溶液接触，反应向右进行，羧酸基中的H+转移到弱碱性的胺基上，形成铵盐。

羧酸根离子起了阳离子交换基团的作用，弱碱性基团则与水中的Cl －及羧酸基转移来的H+构成盐。

这种由弱酸和弱碱构成的盐的平衡对热十分敏感。

当加热到80℃左右时，水的解离大约比在25℃时高30倍。

大量生成的H+和OH －离子抑制了树脂原来的解离，使树脂中交换基团构成的盐的水解，从而平衡向左移动，好像外加了酸或碱一样，达到了再生的目的。

11、功能高分子材料的化学制备方法通常有功能单体的高分子化和高分子材料的 功能化两种方式，简述各自的优缺点。

（1）功能单体的高分子化：优点：可以使生成的功能高分子功能基分布均20～25℃ R COOH + R'NR 2'' + NaCl 70～80℃ R COONa + R'NR 2''HCl匀，生产的聚合物结构可以通过小分子分析和聚合机理加以测定，产物的稳定性较好。

缺点：在功能型小分子中需要引入可聚合单体，而这种引入常常需要复杂的合成反应；要求在反应中不破坏原有分子结构和功能；当需要引入的功能基稳定性不好时需要加以保护；引入功能基后对单体聚合活性的影响也常是需要考虑的因素。

（2）高分子材料的功能化：优点：可以利用廉价的商品化聚合物，并且通过对高分子材料的选择，使得到的功能高分子材料机械性能比较有保障。

缺点：共混物不够稳定，在使用条件下（如溶胀、成膜等）功能聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性。

12、简述离子交换树脂的种类和主要功能，举出两个制备的实例（以反应方程式简要描述）。

按照交换基团的性质分类可以分为阴、阳离子交换树脂两大类，又各分强、弱两种类型。

主要功能有离子交换功能、吸附功能、脱水功能、催化功能等。

苯乙烯与二乙烯苯共聚再经过磺化反应和中和反应得到强酸型阳离子交换树脂，苯乙烯与二乙烯苯共聚物经过氯甲基化和胺基化反应可得到强碱型阴离子交换树脂。

13、阐述高吸水性树脂的吸水和保水机理，以及影响吸水性能的主要因素。

（1）吸水：从化学组成和分子结构看，高吸水性树脂是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子;从直观上理解，当亲水性基团与水分子接触时，会相互作用形成各种水合状态。

H 2SO 4, C 2H 4Cl 2HSO 3Cl, C 2H 4Cl 2SO 2H SO 3H H 2OCH 2CH CH 2CH 2CHCH 3OCH 2Cl CH 2CH CH 2CH 2CH CH 2Cl + CH 3OH ZnCl 2CH CH（2）保水：水分子进入高分子网格后，由于网格的弹性束缚，水分子的热运动受到限制，不易重新从网格中逸出，因此，具有良好的保水性。

（3）影响因素：交联度：（高吸水性树脂在未经交联前，一般是水溶性的，不具备吸水性或吸水性很低，因此通常需要进行交联，交联密度过高对吸水性并无好处。

交联密度过高，一方面，网格太小而影响水分子的渗透，另一方面，橡胶弹性的作用增大，也不利于水分子向网格内的渗透，因此造成吸水能力的降低。

）水解度：（高吸水性树脂的吸水率一般随水解度的增加而增加。

当水解度高于一定数值后，吸水率反而下降。

这是因为随着水解度的增加，亲水性基团的数目固然增加，但交联剂部分也将发生水解而断裂，使树脂的网格受到破坏，从而影响吸水性。

）被吸液的pH值与盐分：（高吸水性树脂是高分子电解质，水中盐类物质的存在和pH值的变化都会显著影响树脂的吸水能力。

酸、碱、盐的存在，一方面影响亲水的羧酸盐基团的解离，另一方面由于盐效应而使原来在水中应扩张的网格收缩，与水分子的亲和力降低，因此吸水率降低。

）树脂形态：（在树脂的化学组成、交联度等因素都确定之后。

高吸水性树脂的吸水速度主要受其形态所影响，树脂的表面积越大，吸水速度也越快。